用于电网变电站的备用电源系统和具有它的电网变电站的制作方法

1.本实用新型涉及电网变电站技术领域，具体而言，涉及一种用于电网变电站的备用电源系统和具有它的电网变电站。


背景技术：

2.在相关技术中，电网变电站的备用电源系统通常使用铅酸电池作为直流母线备用电源，并通过铅酸电池的上位机控制铅酸电池的充放电，在铅酸电池的实际使用过程中，电网变电站中对于使用的铅酸电池必须设计长期浮充充电电流，以补充铅酸电池自放电的消耗。另外，由于铅酸电池剩余容量需要通过核对性放电来检测，因此，需要每隔一定的时间阶段(例如半年或一年)对铅酸电池进行核对性放电，放出铅酸电池的全部电量，以核对铅酸电池剩余容量，并对于不合格的铅酸电池进行替换，从而保证铅酸电池组容量合格，这种核对性放电不但大量浪费能源，而且核对性放电也严重损害铅酸电池的寿命，导致铅酸电池在实际使用中寿命几乎不能达到电池标称寿命。同时，铅酸电池的核对性放电、日常维护等工作均需要较多人工参与自动化程度低，维护困难。
3.随着电池技术的发展，具有更优异性能的锂电池正在逐步替代原始铅酸电池，成为新的直流母线备用电源。然而对于已建成的电网变电站的备用电源系统，若需要将锂电池替换原始铅酸电池，需要对铅酸电池的上位机进行适应性改造，以满足锂电池与铅酸电池不同的充放电电器参数，但在实际操作过程中具有很大局限性，上位机的改造影响整个电网的控制逻辑和稳定性，同时，上位机的改造需要对上位机进行拆装和在线调试，导致改造成本高、周期长，且一旦现场环境不能满足条件，将无法实现锂电池替换铅酸电池。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本实用新型提出一种用于电网变电站的备用电源系统，可在不改变原始铅酸电池上位机的情况下，实现锂电池电芯单元替换原始铅酸电池。
5.本实用新型还提出了一种具有上述备用电源系统的电网变电站。
6.根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统，包括：壳体，所述壳体限定出安装空间；锂电池电芯单元，所述锂电池电芯单元用于替换原始铅酸电池，以装设在所述安装空间；存储单元，所述存储单元用存储所述原始铅酸电池的浮充策略；通讯单元，所述通讯单元用于建立与上位机之间的通讯连接；浮充循环电路，所述浮充循环电路分别与所述存储单元和所述通讯单元相连，所述浮充循环电路从所述存储单元获取所述原始铅酸电池的浮充策略，并根据所述浮充策略对所述原始铅酸电池的浮充过程进行模拟，以获得所述原始铅酸电池的浮充运行参数，以及通过所述通讯单元将所述浮充运行参数反馈给上位机，以便所述上位机根据所述浮充运行参数对所述原始铅酸电池的浮充过程进行监控。
7.根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统，采用锂电池电芯单元
替换原始铅酸电池，浮充循环电路可根据原始铅酸电池的浮充策略模拟原始铅酸电池的浮充过程，并通过通讯单元将浮充运行参数反馈给上位机，以给上位机制造一个浮充正极进行的假象，防止上位机报错，进而实现了在不改变原始铅酸电池上位机的情况下，实现备用电源系统的储能装置由原始铅酸电池变为锂电池电芯单元，并保证备用电源系统的正常运行。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述浮充循环电路包括系统电压接口、系统电流接口、计时控制单元和自耗电单元，所述计时控制单元分别与所述系统电压接口、所述系统电流接口和所述自耗电单元相连，所述自耗电单元分别与所述系统电压接口和所述系统电流接口相连，所述计时控制单元用于对所述原始铅酸电池的浮充间隔时间进行计时，并在计时时间达到所述浮充间隔时间时根据所述浮充策略控制所述自耗电单元启动，所述自耗电单元在启动后提升所述系统电压接口的电压，并导通所述系统电流接口，所述计时控制单元通过监控所述系统电压接口的电压和所述系统电流接口的电流，以获得所述浮充循环电路的运行电压和运行电流。
9.进一步地，所述计时控制单元还被构造为控制所述自耗电单元逐步减少耗电电流，并在所述耗电电流为零时控制所述自耗电单元降低所述系统电压接口的电压，以实现对所述原始铅酸电池的浮充过程进行模拟。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述锂电池电芯单元分别与所述系统电压接口和所述系统电流接口相连，所述计时控制单元与所述通讯单元相连，所述计时控制单元通过所述通讯单元接收到所述上位机发送的放电指令时控制所述锂电池电芯单元通过所述系统电压接口和所述系统电流接口对外进行放电，以作为备用电源进行供电。
11.进一步地，所述计时控制单元还被构造为通过所述系统电压接口和所述系统电流接口监测所述锂电池电芯单元的放电电压和放电电流，并通过所述通讯单元将所述锂电池电芯单元的放电电压和放电电流反馈给所述上位机，以便所述上位机根据所述锂电池电芯单元的放电电压和放电电流对所述备用电源系统的放电过程进行监控。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述浮充循环电路还包括锂电池充电单元，所述锂电池充电单元分别与所述系统电压接口、所述系统电流接口和所述计时控制单元相连，所述计时控制单元在监控到所述锂电池电芯单元需要充电时，通过外部充电设备对外部电网提供的交流电源进行交-直-交变换，获得工频正弦波交流电，并控制所述锂电池充电单元对所述工频正弦波交流电进行转换，获得直流充电电源，以及根据所述直流充电电源通过所述系统电压接口和所述系统电流接口对所述锂电池电芯单元进行充电。
13.进一步地，所述外部充电设备包括：越级变压器，所述越级变压器将所述外部电网提供的交流电源变换为市电；交流-直流变换器，所述交流-直流变换器与所述越级变压器相连，所述交流-直流变换器将所述市电变换为第一直流电；第一滤波电路，所述第一滤波电路与所述交流-直流变换器相连，所述第一滤波电路对所述第一直流电进行滤波处理，输出第二直流电；逆变器，所述逆变器与所述第一滤波电路相连，所述逆变器将所述第二直流电转换成所述工频正弦波交流电。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述壳体采用与阀控式密封铅酸电池组相适配的车载型标准尺寸。
15.根据本实用新型另一方面实施例的电网变电站，包括上述的备用电源系统。
16.所述电网变电站与上述的备用电源系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
17.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
18.图1为根据本实用新型一个实施例的备用电源系统的示意图；
19.图2为根据本实用新型一个实施例的铅酸电池的浮充策略的示意图；
20.图3为根据本实用新型一个实施例的浮充循环电路的示意图。
21.附图标记：
22.备用电源系统10、壳体101、锂电池电芯单元102、电池控制单元103、能量管理单元104、系统电压接口1、系统电流接口2、计时控制单元3、自耗电单元4、锂电池充电单元5。
具体实施方式
23.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
24.下面结合附图详细描述根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统10。
25.根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统10，可实现锂电池电芯单元102与原始铅酸电池上位机的适配，以在不改造上位机的情况下，实现锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池，使锂电池电芯单元102成为电网变电站中新的直流母线备用电源，从而有利于降低备用电源系统10的改造难度，保证备用电源系统10的稳定性，同时，锂电池电芯单元102自放电率低，不需要长时间浮充充电，且锂电池电芯的控制方式先进，能够实现电池状态自诊断，从而有利于增加直流母线备用电源的使用寿命和可靠性，保证备用电源系统10高效、安全、稳定工作，还有利于降低直流母线备用电源的维护成本。
26.在本实用新型的一些实施例中，用于电网变电站的备用电源系统10包括：壳体101、锂电池电芯单元102、存储单元、通讯单元和浮充循环电路。
27.参照图1所示，壳体101限定出安装空间，锂电池电芯单元102用于替换原始铅酸电池，以装设在安装空间，可以理解的是，备用电源系统10在制造和使用时，壳体101内不再装配原始铅酸电池，而是在壳体101内直接装配锂电池电芯单元102，壳体101的安装空间内可设有多个锂电池电芯单元102，多个锂电池电芯单元102可为备用电源系统10提供能量存贮，多个锂电池电芯单元102总体的电池电压符合铅酸电池的电压电气参数，满足替换铅酸电池时的放电需求。可以理解的是，壳体101、锂电池电芯单元102可以是锂电池的一部分，锂电池还可以包括电池控制单元103和能量管理单元104。
28.存储单元用存储原始铅酸电池的浮充策略，通讯单元用于建立与上位机之间的通讯连接，浮充循环电路分别与存储单元和通讯单元相连，浮充循环电路从存储单元获取原始铅酸电池的浮充策略，并根据浮充策略对原始铅酸电池的浮充过程进行模拟，以获得原
始铅酸电池的浮充运行参数，以及通过通讯单元将浮充运行参数反馈给上位机，以便上位机根据浮充运行参数对原始铅酸电池的浮充过程进行监控。
29.具体地，原始铅酸电池的浮充策略可以包括原始铅酸电池的浮充间隔时间，以及原始铅酸电池的浮充过程中的充电电压、充电电流、充电时间的关系，由于原始铅酸电池自放电率较大，因此在达到浮充间隔时间时，上位机需要控制原始铅酸电池进行浮充，以补充原始铅酸电池自放电的消耗，从而保证原始铅酸电池以满容量的状态备用，可以通过调查待替换的原始铅酸电池的浮充策略，确定原始铅酸电池的浮充间隔时间。浮充循环电路可以是根据原始铅酸电池的浮充策略对应模拟设计的，存储单元可采用非易失存储器保存原始铅酸电池的浮充策略，浮充循环电路在运行时可模拟原始铅酸电池的浮充过程，从而获得原始铅酸电池的浮充运行参数。
30.例如，图2为根据本实用新型一个实施例铅酸电池的浮充策略的示意图，参照图2所示，铅酸电池的浮充间隔时间为720h，720h后自动启动浮充。
31.可以理解的是，由于锂电池电芯单元102自放电率低，不需要经常性地长时间浮充，在锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池后，由于上位机不变，上位机依然按照原始铅酸电池的浮充间隔时间和浮充策略对直流母线备用电源进行浮充，并通过浮充运行参数判断浮充是否正常进行，为避免由于更换锂电池电芯单元102导致上位机检测到的浮充运行参数与原始铅酸电池的浮充运行参数不一致，可通过浮充循环电路模拟原始铅酸电池的浮充过程，并通过通讯单元向上位机反馈与原始铅酸电池浮充过程相同的浮充运行参数，使上位机认为原始铅酸电池的浮充过程正常进行，防止上位机报错，保证备用电源系统10的正常运行。
32.根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统10，采用锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池，浮充循环电路可根据原始铅酸电池的浮充策略模拟原始铅酸电池的浮充过程，并通过通讯单元将浮充运行参数反馈给上位机，以给上位机制造一个浮充正极进行的假象，防止上位机报错，进而实现了在不改变原始铅酸电池上位机的情况下，实现备用电源系统10的储能装置由原始铅酸电池变为锂电池电芯单元102，并保证备用电源系统10的正常运行。
33.在本实用新型的一些实施例中，原始铅酸电池的浮充过程包括恒流充电阶段和恒压充电阶段，其中，根据浮充策略对原始铅酸电池的浮充过程进行模拟，包括：根据浮充策略确定原始铅酸电池在恒流充电阶段和恒压充电阶段的充电参数，根据充电参数控制浮充循环电路对外部充电设备提供的电能进行消耗，以模拟原始铅酸电池的浮充过程。其中，原始铅酸电池在恒流充电阶段可以快速补充电能，在恒压充电阶段可以均衡电池组中个别电池的电压偏差，以消除偏差，使电池组中各个电池电压趋于平衡。
34.在本实用新型的一些实施例中，根据铅酸电池的浮充策略图表查得，原始铅酸电池在恒流充电阶段的电流在0.1ca-1.0ca之间，恒压充电阶段的电压为2.25v*n-2.4v*n，其中n为原始铅酸电池中单只电芯的数量。
35.参照图3所示，浮充循环电路包括系统电压接口1、系统电流接口2、计时控制单元3和自耗电单元4，计时控制单元3分别与系统电压接口1、系统电流接口2和自耗电单元4相连，自耗电单元4分别与系统电压接口1和系统电流接口2相连，计时控制单元3用于对原始铅酸电池的浮充间隔时间进行计时，并在计时时间达到浮充间隔时间时根据浮充策略控制
自耗电单元4启动，自耗电单元4在启动后提升系统电压接口1的电压，并导通系统电流接口2，计时控制单元3通过监控系统电压接口1的电压和系统电流接口2的电流，以获得浮充循环电路的运行电压和运行电流。可以理解的是，进行浮充时，上位机通过充电电压和充电电流判断原始铅酸电池是否进行正常浮充，在锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池后，进行浮充时，上位机检测到的充电电压为浮充循环电路的运行电压，上位机检测到的充电电流为浮充循环电路的运行电流，充循环电路的运行电压和运行电流符合原始铅酸电池正常进行浮充时的充电电压和充电电流，使上位机认为原始铅酸电池的浮充过程正常进行，防止上位机报错，保证备用电源系统10的正常运行。
36.在本实用新型的一些实施例中，计时控制单元3的计时时间为720h，当计时时间达到720h时，说明在浮充间隔时间到达，上位机需要控制原始铅酸电池进行浮充，并检测浮充运行参数，此时，计时控制单元3负责启动自耗电单元4，自耗电单元4得到启动指令后，首先提升系统电压接口1电压，使其达到铅酸电池浮充设定的242v，其次导通系统电流接口2，在自耗电单元4中产生耗电电流，耗电可通过电热方式进行，产生的热量由自耗电单元4散热装置散发到周围环境中，通过调节自耗电单元4的工况，循环电路可通过自耗电单元4模拟原始铅酸电池的浮充过程。
37.在本实用新型的一些实施例中，计时控制单元3还被构造为控制自耗电单元4逐步减少耗电电流，并在耗电电流为零时控制自耗电单元4降低系统电压接口1的电压，断开系统电流，以实现对原始铅酸电池的浮充过程进行模拟，其中，自耗电单元4逐步减少耗电电流可以使上位机认为浮充过程正常，耗电电流为零时，上位机将认为浮充结束，从而实现浮充循环电路完成了模拟原始铅酸电池浮充过程，以给上位机制造一个浮充正极进行的假象，防止上位机报错。
38.在本实用新型的一些实施例中，锂电池电芯单元102分别与系统电压接口1和系统电流接口2相连，计时控制单元3与通讯单元相连，计时控制单元3通过通讯单元接收到上位机发送的放电指令时控制锂电池电芯单元102通过系统电压接口1和系统电流接口2对外进行放电，以作为备用电源进行供电，以在电网解列时，通过锂电池电芯单元102的放电实现其备用电源的功能。
39.在本实用新型的一些实施例中，计时控制单元3还被构造为通过系统电压接口1和系统电流接口2监测锂电池电芯单元102的放电电压和放电电流，并通过通讯单元将锂电池电芯单元102的放电电压和放电电流反馈给上位机，以便上位机根据锂电池电芯单元102的放电电压和放电电流对备用电源系统10的放电过程进行监控，以满足上位机对电池监控的要求，并且上位机可按照原有的控制逻辑，循环持续地控制锂电池电芯单元102的充放电以及浮充。
40.参照图3所示，在本实用新型的一些实施例中，浮充循环电路还包括锂电池充电单元5，锂电池充电单元5分别与系统电压接口1、系统电流接口2和计时控制单元3相连，计时控制单元3可通过对备用电源系统10中锂电池电芯单元102的状态进行监测，获得锂电池电芯单元102的状态参数，根据锂电池电芯单元102的状态参数确定锂电池电芯单元102是否需要充电，锂电池电芯单元102的状态参数可以是锂电池电芯单元102的电压，可通过锂电池电芯单元102的放电曲线和电压的关系，计算出锂电池电芯单元102的电量，进而根据锂电池电芯单元102的电量确定其是否需要充电。
41.计时控制单元3在监控到锂电池电芯单元102需要充电时，通过外部充电设备对外部电网提供的交流电源进行交-直-交变换，外部充电设备可将电网上的单向或三向高压电进行转换，以获得工频正弦波交流电，并控制锂电池充电单元5对工频正弦波交流电进行转换，获得直流充电电源，以及根据直流充电电源通过系统电压接口1和系统电流接口2对锂电池电芯单元102进行充电，锂电池电芯单元102接到合适充电的直流充电电源后，开启充电过程，正常给锂电池电芯单元102充电。
42.在本实用新型的一些实施例中，外部充电设备包括：越级变压器、交流-直流变换器、第一滤波电路和逆变器，越级变压器将外部电网提供的交流电源变换为市电，交流-直流变换器与越级变压器相连，交流-直流变换器将市电变换为第一直流电，第一滤波电路与交流-直流变换器相连，第一滤波电路对第一直流电进行滤波处理，输出第二直流电，逆变器与第一滤波电路相连，逆变器将第二直流电转换成工频正弦波交流电。
43.在本实用新型的一个具体实施中，在锂电池电芯单元102进行充电的过程中，将电网上接引的高压交流电源通过越级变压器降为220v后，引入到交流-直流变换器中，形成单相220v第一直流电压，然后通过第一滤波电路进行滤波处理，第一滤波电路可以包括lc滤波器、pmw直流控制器和c型滤波器，lc滤波器可以滤掉谐波和瞬间尖峰脉冲等干扰，pmw直流控制器和c型滤波器可以进步一地调整稳定和继续滤除纹波，以输出稳定地第二直流电，逆变器可实现直－交变换，逆变器可采用spwm三相逆变器，把第二直流电电压变换成三相spwm调制波，再通过lc正弦化处理电路和三相四线制输出隔离变压器变换输出工频正弦波交流电，为锂电池充电。
44.在本实用新型的一些实施例中，壳体101采用与阀控式密封铅酸电池组相适配的车载型标准尺寸，车载型标准尺寸可以满足相同尺寸的12v密封阀控铅酸电池的无差别替换，保持替换用备用电源系统10的完整性，壳体101还可以提供一定强度的支持，以保证备用电源系统10的安装。另外，车载型标准尺寸使用广泛、通用性强，可降低壳体101生产制造成本。
45.在本实用新型的一些实施例中，锂电池电芯单元102上连接有电池控制单元103和能量管理单元104，电池控制单元103可实现对锂电池电芯单元102的充放电控制管理，在符合铅酸电池的充放电电气环境下转换锂电池的电气性能，满足锂电池和备用电源系统10的充放电要求，电池控制单元103可实现锂电池电芯单元102能量交换过程，当备用电源系统10需要放电时控制锂电池电芯单元102放出电能，放电结束后给锂电池电芯单元102补充电能，电池控制单元103可使充放电过程符合锂电池电芯单元102的运行需要，使锂电池电芯单元102够稳定地实现充放电工作，且满足与原始铅酸电池同样的充放电能力。
46.能量管理单元104可实现锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池的能量转换与电气差异的转化，能量管理单元104可将上位机所需电气参数转换的锂电池对应参数，保证上位机获得系统正常的电气状态，使得在不改造原始铅酸电池上位机的情况下，上位机依然管理和控制锂电池电芯单元102，避免使用锂电池电芯单元102的备用电源系统10与电网变电站的兼容性问题，保证备用电源系统10的高效、安全、稳定工作。
47.在本实用新型的一些实施例中，能量管理单元104可以根据原始铅酸电池上位机要求控制锂电池电芯单元102进行放电，以作为备用电源为电网供电，能量管理单元104可控制锂电池放电电压不超过备用电源系统10要求的240v～210v之间，避免高电压问题。同
时控制放电电流满足备用电源系统10需求的前提下，不大于锂电池最大安全放电电流，避免过大电流损害锂电池。
48.在本实用新型的一些实施例中，铅酸电池单体浮充电压为2.35v，而锂电池电芯单元102的单体电芯充电电压在3.5v～4.3v之间，因此能量管理单元104控制锂电池电芯单元102在低电压时禁止充电，并由浮充循环电路负责给上位机制造一个浮充假象，使上位机认为浮充功能正常，无需改造上位机。
49.根据本实用新型实施例的用于电网变电站的备用电源系统10，采用策略检测、策略存储、电气参数再现的方式实现不更改控制原始铅酸电池的上位机的方式，用锂电池电芯单元102替换铅酸电池，只需获取上位机的策略，不需改造上位机，并且可对锂电池电芯单元102实时监控与充放电控制，实现锂电池电芯单元102日常使用问题，另外，浮充循环电路、电池控制单元103和能量管理单元104的设计和研发均可在线下完成，调试成功后一次性切换，不需长时间在线调试，对现场环境没有要求，原上位机能够运行，替换锂电池电芯单元102后上位机即可运行，真正实现了不改造上位机的锂电池电芯单元102替换铅酸电池。
50.根据本实用新型另一方面实施例的电网变电站，包括上述实施例的用于电网变电站的备用电源系统10。
51.根据本实用新型实施例的电网变电站，备用电源系统10采用锂电池电芯单元102替换原始铅酸电池，浮充循环电路可根据原始铅酸电池的浮充策略模拟原始铅酸电池的浮充过程，以给上位机制造一个浮充正极进行的假象，防止上位机报错，进而实现了在不改变原始铅酸电池上位机的情况下，实现备用电源系统10的储能装置由原始铅酸电池变为锂电池电芯单元102，并保证备用电源系统10的正常运行。
52.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
53.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。