CN100380777C - 电容储能电源 - Google Patents

Abstract

一种为冲击性负载设计的电容储能电源，其特征是：电容储能装置将直流电源上的能量(如：P＝600瓦，t＝10秒)转移到电容器组上，在需要时突然向冲击性负载释放能量(如：P＝21.5千瓦、t＝0.2秒)。结果使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小。最终全面降低了成套直流电源屏的功率配置和能量储备。它在发电厂和变电站的直流系统中可作为合闸、发电机起励及其它冲击性负载的电源，也适用于其他需要提供瞬时大能量的场合。

Description

电容储能电源

技术领域

电容储能电源的所属技术领域是电力系统，主要应用于发电厂、变电站的直流系统中。

背景技术

在直流系统中存在一种特殊的负载——冲击负载，其特点是：工作时间极短，功率却很大，即所谓脉冲功率，如高、低压断路器的合闸及跳闸操作、自并励发电机起励等即属此类。电容储能电源就是用于驱动冲击负载的专用电源。这类负载中尤以高压断路器的合闸操作实现难度最大，因此，本文仅以高压断路器的合闸操作为例，以CD12型电磁操作机构为实验对象，对电容储能电源加以说明。为了叙述的方便，假设实验对象是用于220伏的直流系统中。

成套直流电源屏一般都配置了专用的合闸电源，以便为电磁操作机构提供足够的合闸动能。长期以来，合闸电源都是采用能量直接输出方式。

能量直接输出方式即合闸过程中电源与合闸线圈之间发生了直接的电气连接，也即由直流电源直接承受冲击电流的工作方式。现以CD12型电磁操作机构为例，查得其合闸线圈的主要技术数据如下：

合闸时间：t＝0.2秒

合闸电压：U＝220伏

合闸电流：I＝97.5安

——《水电站机电设计手册》电气二次水利电力出版社

据此，知其合闸消耗能量

W＝Pt＝UIt＝220伏×97.5安×0.2秒＝4.29千焦

为了便于比较，再以一节普通R20锌锰干电池为例，求其储存的全部能量，其主要数据为

公称容量：Q＝1.2安时

电压：U＝1.5伏

据此，知其存储能量

W＝Pt＝1.5伏×1.2安×3600秒＝6480焦＝6.48千焦

我们惊奇地发现，高压断路器合闸耗能居然不足一节普通干电池的能量。那么，直流屏的实际能量配置为多大呢？，以湖南长沙电工厂的GZ-23/GNG-1-20/220型直流屏为例，其蓄电池的数据为：

输出电压：U＝220伏

蓄电池容量：Q＝20安时

——《产品说明书》GZ-23/GN电力系统用镉镍直流系统电源屏长沙电工厂

据此推得储存能量

W＝Pt＝UIt＝220伏×20安×3600秒＝15840000焦＝15840千焦

将这一结果与合闸耗能相比较，得出倍数

N＝15840千焦÷4.29千焦≈3690

结果表明，该型直流电源屏的蓄电池能量远远超过电磁操作机构的合闸耗能，可见，理论严重脱离实际。然而，长期以来，这是通行的做法。

为什么长期以来合闸电源的能量储备远大于实际需要？原来，合闸线圈合闸过程中不仅有能量的需求，还有储备功率的需求。对于CD12型电磁操作机构，其合闸线圈的合闸功率

P＝UI＝220伏×97.5安＝21.45千瓦

数值表明，合闸功率相当大，要求直流电源必须功率足够大。然而，蓄电池非理想电源，由于其固有的内阻特性，输出功率受到严重限制。假如让蓄电池能量与合闸能量按理论值相匹配，不仅由于输出功率远远不够无法合闸，而且蓄电池受到超过其极限的脉冲功率的冲击，将造成不可恢复的损伤。因此长期以来通行的做法是：让蓄电池能量配置远远大于合闸能量，因为这样既不损伤蓄电池又能达到合闸所需功率。

与此相应的是，附属的充电、监控设备也随着蓄电池上升到了同等规格，直流系统还另配有不低于20千瓦的硅整流合闸电源或N+1冗余配置的高频开关电源模块。尽管如此，这些昂贵的设备在完成极短暂的合闸任务后就基本上等于闲置着，利用率极低。造成实际应用中出现了很大的浪费，长期以来，人们已经为此付出了高昂的代价。

综上所述，当前直流系统存在的技术问题是：冲击负载虽然能量消耗很少且使用率极低，但功率很大，在现有技术条件下，为达到实用要求，直流电源(包括蓄电池、硅整流电源或高频整流模块)的功率配置和能量储备只能大幅增加。其结果：理论严重脱离实际，这正是本领域一直难以克服的技术难题。在科技日新月异的今天，直流电源屏分别在成本、利用率、维护量、耗能、环保等方面明显落后于时代。

发明内容

为了使直流系统冲击负载对于直流电源的功率要求和能量要求全面下降，而提供一种电容储能电源，体积小、重量轻、成本低，它使直流电源甩掉了脉冲功率，电源设备得以全面简化和小型化，依托此技术可生产成本低、利用率高、维护量小、精练、轻巧、节能并有利于环保的直流电源屏换代产品。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种电容储能电源，由电容储能模块DC和电容器C组成；电容储能模块的输入端①、③通过开关K1连接到直流电源，输出端②连接电容器C的一端，电容器C的另一端连接负端③，各路冲击负载与电容器并联。

所述的一种电容储能电源，其特殊性在于所述的电容储能模块DC具有输入端①、输出端②、负端③、使能控制端④。

所述的一种电容储能电源，其特殊性在于所述的冲击负载包括了合闸、起励。

本发明的有益效果是：使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小(如：600瓦)。因此，直流系统的最大负荷便由常规负载决定，一般在数百瓦至数千瓦之间。降低了几倍至几十倍。同时能量储备无需考虑冲击性负载的需要，只需考虑常规负载的需要。而常规负载无瞬时大能量的需求，因此，蓄电池容量可降低几倍至十几倍。

附图说明

附图1为电容储能电源在成套直流电源屏的应用接线图。

附图2为电容储能模块原理接线图

具体实施

以下参照附图对本发明的实施情况作进一步说明。

对照附图1：电容储能电源包括电容储能模块与电容器，电容储能模块是电容储能电源的控制部分。它的的作用是将直流电源上的能量有效地转移到电容器中加以储存。实际应用中采用如附图1所示的电容储能电源在成套直流电源屏的应用接线图，电容储能模块DC给出了四个最基本的外接端子，依次为输入端①、输出端②、负端③、使能控制端④。

电容储能模块DC的输入端①与负端③经开关K1接至直流操作小母线+KM、-KM上，取得了工作电源，在输出端②与负端③之间连接着电容器C，电容器C则连接各路冲击负载，其中一路经开关K2连接在断路器合闸母线+HM、-HM上，另一路通过K3连接在发电机起励回路上。这样冲击负载就由具备强大脉冲负载能力的电容器C来承担，直接效果是：直流电源(包括蓄电池、三相硅整流电源或高频整流模块)摆脱了脉冲功率。

通过使能控制端④可以在机外控制电容储能模块DC的启动与停止，便于配合微机设备实现程序控制，改变控制时间即可使电容器获得不同的电压以适应不同的冲击负载，比如断路器合闸、发电机起励。

电容器C的容量主要是在订货时根据用户的冲击负载型号而定。限于实验条件，附图1所标电容值非最佳值。

对照附图2：电容储能模块DC实际是一只常见的开关电源，有所不同的是在开关变压器的初级采用恒流控制，整体则是恒功率输出。图2中所示的电容储能模块DC是针对实验对象而设计，实用中，其电路形式、元件数值以及外接端子数量应针对用户订货要求作适当调整。电容储能模块DC的构成有输入电路、电容器均压电路、辅助开关电源、脉宽调制器、功率推动和功率开关电路、电流采样电路、开关变压器及输出电路、自动启停电路、电容器放电电路、指示灯电路共十个部分，详见附图2所示的电容储能模块DC原理接线图。下面对照附图2逐一说明。

一、输入电路在电源输入端接入了熔断器保护和软开机电路。打开电源开关K接通外部电源，经熔断器DR，即进入软开机电路。在接通电源的瞬间，由于电容储能模块DC存在大电容，将出现冲击电流。一般软开机电路的过度时间太长，不适应本装置。本电路在电容的充电回路中串入限流电阻R2抑制冲击电流，当电容充电即将进入稳态时，接于辅助开关电源输出端的继电器J自动短接限流电阻R2保证正常供电。

二、电容均压电路将来自输入端的220伏的单电压变换为功率开关电路需要的正、负对称电压。由一对1000μF、250V的电解电容串联而成，另由一对22KΩ的电阻来平衡电压的微量不等、一对1μF聚丙烯电容来降低电源高频内阻。

三、辅助开关电源该电源为5W、12V的一体化微型开关电源，为SG3525A控制芯片供电。

四、脉宽调制器其PWM控制芯片采用SG3525A，它是一只16脚IC芯片，SG3525A及其外围电路组成脉宽调制器，其工作原理是：当电源接通后，此芯片内部的三角波振荡器起振，其频率由接于5、6脚的电容Ct、电阻Rt决定。同时，从外部反馈回来的信号在内部误差比较器与2脚设定的基准电压相比较检出误差信号，再经内部比较器与三角波相比较产生调制脉冲串，该脉冲被处理成互为反相的两路脉宽调制信号分别由11、14脚输出，推动后级功率电路，从而控制整个开关电路的协调运作。

五、功率推动和功率开关电路功率推动电路为组成半桥的两只功率管提供驱动电压。半桥功率开关电路采用两只功率场效应管组成。驱动信号来自SG3525A的11、14脚，通过隔离变压器B1将驱动信号耦合至功率管Q1、Q2。

六、电流采样电路将开关变压器初级电流信号反馈至脉冲调制器以形成闭环电流自动控制系统。电流互感器LH将开关变压器B2初级电流信号送至整流桥ZL变换成直流电压，该电压经电容C1滤波后，通过电位器W、阻容补偿电路加至SG3525A的1脚，通过内部误差比较器与2脚的设定电压相比较，所得的误差信号将对脉冲调制器的输出脉宽进行修正，从而保证开关变压器初级电流的恒定。调整W可对电流值进行设定。

七、开关变压器及输出电路开关变压器B2采用PQ50型磁性材料，工作频率100kHz。输出电路实际是两组并联的全波整流电路，可以增大负荷能力。

八、自动启停电路判断输出端电容器的端电压是否充电至要求值，以控制电容储能模块DC的启动与停止。在输出端由稳压二极管DW1、DW2及电阻R3组成的串联电路中，当外接电容器充电达到要求的电压值后，两只稳压二极管导通，从电阻R3上就得到了我们需要的关断信号，该信号被送至SG3525A的10脚关断控制端。该脚电压只要高于0.8伏，即可关闭输出脉冲，电容储能模块DC停止工作。并且当电容器的端电压稍有降低，导致10脚电压降低时，电容储能模块DC重新启动。因此，任何因素(包括冲击负载工作)造成电容器的端电压降低，都会迅速恢复，根据需要，恢复时间可以不大于10秒。此外，装置的外接端子④通过隔离二极管D4连接在自动启停电路上，它是电容储能模块DC的外接使能控制端。

九、电容器放电电路考虑到实用中当电容储能模块DC退出工作时，在电容器上存在高电压，出于安全目的，应将电容器上的电荷泄放掉。电源开关K是一只双刀双掷开关，当它处于关闭位置时，将外部的电容器与泄放电阻R1接通，达到泄放目的。

十、指示灯电路为便于了解电容储能模块DC的工作状态，加入了两只发光二极管，LED1是电源指示灯，LED2是充电指示灯。当LED2熄灭时，表明电容器充电完毕。该灯的驱动电流取自于SG3525A的11、14脚功率推动端。

附图2电容储能模块DC的主要技术指标：

输入电压：直流170～400伏

最大输入电流：直流3.6安

输出功率：600瓦

输出电压：0～280伏

使能控制端输入电平：5伏(低电平有效)

重要提示：

一、对于110伏直流系统，附图2元件参数和电路形式应作适当调整。

二、电容储能模块DC一般不允许脱离电容器而空载；

三、电容器的平均充电电流不大，但充电初期的电流却很大，开关变压器的次级及整流二极管应有足够的电流裕量；

实施关键：

一、电容器向冲击负载放电过程也是端电压跌落的过程，因此，根据负载性质的不同，其充电电压可适当提高，实用中可取：

合闸电压为220伏时：280伏

合闸电压为110伏时：140伏

自并励发电机起励：起励电压的120％

二、在断路器有重合闸要求的场合，可安装两套电容储能电源相互配合使用，当其中一套处于电压恢复期时，则另一套处于储能待令状态，从而保证输出连续。

三、对于个别能量需求特别大的电磁操作机构如CD6-G型、其电容储能电源应专门设计。

一点说明：本文主要是以实验对象为CD-12型电磁操作机构为例，并假设是工作于220伏的直流系统中，而实用中电磁操作机构型号众多，技术参数亦参差不齐，并且直流系统工作电压也有不同，不能在此一一列举。因此，作为本领域技术人员在实施中在不违背本发明基本原理的情况下，根据用户订货所提供的实际工作条件，对本发明作适当调整和变形，同样属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电容储能电源，由电容储能模块(DC)和电容器(C)组成；其特征在于电容储能模块的输入端(①、③)通过开关(K1)连接到直流电源，输出端(②)连接电容器(C)的一端，电容器(C)的另一端连接负端(③)，各路冲击负载与电容器(C)并联。

2.根据权利要求1所述的一种电容储能电源，其特征在于所述的电容储能模块(DC)具有输入端(①)、输出端(②)、负端(③)、使能控制端(④)。

3.根据权利要求1所述的一种电容储能电源，其特征在于所述的冲击负载包括了合闸、起励。

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