CN102185329A - 基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置及其抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力设备技术领域的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置及其抑制方法，该装置由超级电容阵列(C_S)、Buck/Boost型双向功率变换电路和接触器(KD)构成。当电压暂降抑制器上电运行后，通过Buck/Boost型双向功率变换电路给超级电容阵列(C_S)充电；当由于交流系统故障导致直流母线发生电压暂降时，由超级电容阵列(C_S)提供能量，通过Buck/Boost型双向功率变换电路升压来支撑直流母线电压。本发明具有结构简单、可靠性高、损耗小，使用寿命长、免维护、无环境污染等特点。

Description

基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置及其抑制方法

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，特别涉及基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置及其抑制方法。

背景技术

随着信息化技术的发展，现代社会对供电质量的要求日益提高，高质量电力供应已成为现代社会生产、生活得以顺利进行、稳定发展的基本条件。在基于微机控制、变频调速驱动的生产线以及大容量通信机房等这些现代社会典型用电系统中，即便是短暂的供电中断或其他电能质量问题，就可造成难以估量的经济损失。然而，由于设备因素、管理因素及难于抗拒的自然因素，供电中断、电压暂降等其他电能质量问题仍然严重威胁着高质量供电。美国电科院的统计表明：美国每年因电能质量问题造成的经济损失在150亿到240亿美元之间。在我国，随着新型自动化生产线、网络化服务系统的引进和采用，用户对电力供应的质量问题越来越关注。电力供应已从过去仅追求数量的阶段进入讲求质量和效益的新阶段。电能质量已成为引进资本、发展产业的制约因素。随着中国生产加工业的发展，国民生产、生活更趋于国际化，供电质量也将趋于国际化标准。因此，我国高质量供电技术的研究与相应产品的开发与应用更具有紧迫性和挑战性。

电能质量问题的解决通常与电网规划与运行、设备的电能质量问题承受能力和电能质量调节措施等有关。人们在这些方面开展了许多卓有成效的工作。通过将蓄电池组并联在用电设备直流母线上来实现不间断供电和抑制电压短时中断和暂降已成为较为重要的工业企业、市政、商贸、楼宇等电力用户的普遍供电方式。当电源发生故障引起电压短时中断或暂降时，蓄电池组开始工作，为电源发生故障期间提供直流电压支撑。目前这种抑制电压短时中断或暂降的方法，切换时间相对较慢，蓄电池组无法提供更大的瞬时功率，直流母线上所带负载还会受到电源发生故障的影响。另外，蓄电池组还存在需要定期维护、使用寿命短、工作温度范围小以及废旧蓄电池组对环境污染严重等问题。超级电容是近年来出现的一种新型储能元件，兼具电池和铝电解电容的能量和功率特性，并具有长寿命、工作温度范围宽及环保等特点，在电动汽车、高功率直流电源、太阳能和风能发电等产品领域有一定的应用。目前，国内对将超级电容引入并应用到抑制直流系统电压暂降的方法研究较少，特别是将双向DC/DC变换与超级电容相结合，充分提取超级电容储能的相关产品还没有出现。

发明内容

本发明目的是公开基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置及其抑制方法。

实现本发明的主电路技术方案如下：

基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置由超级电容阵列C_S、Buck/Boost型双向功率变换电路和直流接触器KD串联构成，其中：

超级电容阵列C_S由1-n个单体超级电容C_S1-C_Sn串并联构成，超级电容阵列C_S是基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的储能单元；所述第一电阻R₁和第一电容C₁串联构成第一IGBT器件T₁的缓冲电路，并和第一二极管D₁一起并联在第一IGBT器件T₁的发射极与集电极之间；第二电阻R₂和第二电容C₂串联构成第二IGBT器件T₂的缓冲电路；并和第二二极管D₂一起并联在第二IGBT器件T₂的发射极与集电极之间；超级电容阵列C_S正极接充放电电感L₁，超级电容阵列C_S负极接第二IGBT器件T₂的发射极和直流接触器KD的负极KD(-)，直流接触器KD的负极KD(-)与输出负极S-连接，直流接触器KD的正极KD(+)与输出正极S+连接。

所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)当超级电容阵列电压U_S小于最低工作电压V₁时，通过第一IGBT器件T₁、充放电电感L₁对超级电容阵列C_S进行充电，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Buck模式；

2)当超级电容阵列电压U_S大于额定电压V₂并且充电电流I_L小于额定电流I₁时，第一IGBT器件T₁停止工作，充电结束；基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置进入热备用状态；

3)当直流母线发生电压暂降，但电压暂降后的直流母线电压U_B没有超过直流母线工作电压下限V₃时，第一IGBT器件T₁、第二IGBT器件T₂不工作，超级电容阵列C_S通过充放电电感L₁、第一二极管D₁放电，缓解直流母线的电压暂降；

4)当直流母线电压U_B超过直流母线工作电压下限V₃时，第二IGBT器件T₂开始工作，超级电容阵列C_S通过由充放电电感L₁、第一二极管D₁、第二IGBT器件T₂组成的升压斩波电路对直流母线释放能量，使直流母线电压U_B恢复到额定电压水平，总耗时少于，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Boost模式下；

5)当超级电容阵列C_S的电压U_S小于最低工作电压V₁时，超级电容阵列C_S停止释放能量，等待电压暂降结束后，再次充电。

所述超级电容阵列C_S的充电模式为定电流充电。

本发明的有益效果包括：1)相比串联电阻的充电方式，超级电容阵列C_S通过Buck/Boost型双向功率变换电路储能过程产生的功率损耗更小，并且由于储能时充电电流可以整定，充电方式更灵活；2)电压暂降幅度较小时，直流母线电压平稳，没有发生暂降；电压暂降幅度较大时，装置在10ms左右稳定直流母线电压到正常工作范围，对已知的敏感负荷不会造成影响，能够保证含有变频调速系统的工业生产线以及通信电源的正常工作。3)电压暂降抑制装置采用的超级电容具有输出瞬时功率大、使用寿命长、免维护、工作温度范围宽、无污染等特点。4)本发明具有结构简单、可靠性高、损耗小等特点。

附图说明

图1为本发明的主电路原理图。

图2为本发明的安装地点示意图。

具体实施方式

如图1所示为基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的主电路原理图，所述基于超级电容器件的直流装置电压暂降装置由超级电容阵列C_S、Buck/Boost型双向功率变换电路和直流接触器KD串联构成。其中：

超级电容阵列C_S由1-n个单体超级电容C_S1-C_Sn串并联构成，超级电容阵列C_S是基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的储能单元；所述第一电阻R₁和第一电容C₁串联构成第一IGBT器件T₁的缓冲电路，并和第一二极管D₁一起并联在第一IGBT器件T₁的发射极与集电极之间；第二电阻R₂和第二电容C₂串联构成第二IGBT器件T₂的缓冲电路；并和第二二极管D₂一起并联在第二IGBT器件T₂的发射极与集电极之间；超级电容阵列C_S正极接充放电电感L₁，超级电容阵列C_S负极接第二IGBT器件T₂的发射极和直流接触器KD的负极KD(-)，直流接触器KD的负极KD(-)与输出负极S-连接，直流接触器KD的正极KD(+)与输出正极S+连接。

所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)当超级电容阵列电压U_S小于最低工作电压V₁时，通过第一IGBT器件T₁、充放电电感L₁对超级电容阵列C_S进行充电，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Buck模式；

2)当超级电容阵列电压U_S大于额定电压V₂并且充电电流I_L小于额定电流I₁时，第一IGBT器件T₁停止工作，充电结束；基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置进入热备用状态；

3)当直流母线发生电压暂降，但电压暂降后的直流母线电压U_B没有超过直流母线工作电压下限V₃时，第一IGBT器件T₁、第二IGBT器件T₂不工作，超级电容阵列C_S通过充放电电感L₁、第一二极管D₁放电，缓解直流母线的电压暂降；

4)当直流母线电压U_B超过直流母线工作电压下限V₃时，第二IGBT器件T₂开始工作，超级电容阵列C_S通过由充放电电感L₁、第一二极管D₁、第二IGBT器件T₂组成的升压斩波电路对直流母线释放能量，使直流母线电压U_B恢复到额定电压水平，总耗时少于，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Boost模式下；

5)当超级电容阵列C_S的电压U_S小于最低工作电压V₄时，超级电容阵列C_S停止释放能量，等待电压暂降结束后，再次充电。

所述超级电容阵列C_S的充电模式为定电流充电。

如图2所示，所述电压暂降抑制装置安装在对电压暂降敏感并且含有直流母线的设备(如变频调速系统、通信用直流电源)上。电压暂降抑制装置的正极L+接直流母线的正极和直流负载，电压暂降抑制装置的负极L-接直流母线的负极和直流负载，三相交流电源火线连接整流器，三相电网电动势为u_a、u_b、u_c，整流器经逆变器与交流负载连接，直流母线还与整流器、逆变器连接。

Claims (5)

1.基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置，其特征在于，所述电压暂降抑制装置由超级电容阵列(C_S)、Buck/Boost型双向功率变换电路和直流接触器(KD)串联构成；其中：

超级电容阵列(C_S)由1-n个单体超级电容(C_S1-C_Sn)串并联构成；所述第一电阻(R₁)和第一电容(C₁)串联构成第一IGBT器件(T₁)的缓冲电路，并和第一二极管(D₁)一起并联在第一IGBT器件(T₁)的发射极与集电极之间；第二电阻(R₂)和第二电容(C₂)串联构成第二IGBT器件(T₂)的缓冲电路；并和第二二极管(D₂)一起并联在第二IGBT器件(T₂)的发射极与集电极之间；超级电容阵列(C_S)正极接充放电电感(L₁)，超级电容阵列(C_S)负极接第二IGBT器件(T₂)的发射极和直流接触器(KD)的负极(KD(-))，直流接触器(KD)的负极(KD(-))与输出负极(S-)连接，直流接触器(KD)的正极(KD(+))与输出正极(S+)连接。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置，其特征在于，所述电压暂降抑制装置可安装在对电压暂降敏感并且含有直流母线的设备上。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置，其特征在于，所述含有直流母线的设备包括变频调速系统与通信用直流电源。

4.权利要求1所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当超级电容阵列电压U_S小于最低工作电压V₁时，通过第一IGBT器件(T₁)、充放电电感(L₁)对超级电容阵列(C_S)进行充电，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Buck模式；

2)当超级电容阵列电压U_S大于额定电压V₂并且充电电流I_L小于额定电流I₁时，第一IGBT器件(T₁)停止工作，充电结束；基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置进入热备用状态；

3)当直流母线发生电压暂降，但电压暂降后的直流母线电压U_B没有超过直流母线工作电压下限V₃时，第一IGBT器件(T₁)、第二IGBT器件(T₂)不工作，超级电容阵列(C_S)通过充放电电感(L₁)、第一二极管(D₁)放电，缓解直流母线的电压暂降；

4)当直流母线电压U_B超过直流母线工作电压下限V₃时，第二IGBT器件(T₂)开始工作，超级电容阵列(C_S)通过由充放电电感(L₁)、第一二极管(D₁)、第二IGBT器件(T₂)组成的升压斩波电路对直流母线释放能量，使直流母线电压U_B恢复到额定电压水平，总耗时少于，这时Buck/Boost型双向功率变换电路工作在Boost模式下；

5)当超级电容阵列(C_S)的电压U_S小于最低工作电压V₁时，超级电容阵列(C_S)停止释放能量，等待电压暂降结束后，再次充电。

5.根据权利要求4所述的基于超级电容的直流方式电压暂降抑制装置的抑制方法，其特征在于，所述超级电容阵列(C_S)的充电模式为定电流充电。

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