CN104993520A - 一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置。目前某些电网故障引起较大的电压暂降会导致工厂变频器的停机。本发明的特征在于，所述的超级电容储能单元通过逆止二极管与变频器直流环节相连，利用二极管的单向导通性，防止变频器整流单元承担额外的超级电容充电电流，确保超级电容储存的能量仅在电压跌落期间输出给主电路；所述超级电容充电单元的输入侧与交流电源连接，输出侧与超级电容储能单元连接；所述的超级电容均压单元与超级电容储能单元连接。本发明可使普通变频器具备低电压穿越能力，可满足各工业领域变频器低电压穿越的支持要求。

Description

一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置

技术领域

本发明涉及变频器低电压穿越支持设备，具体地说是一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置，它能保证变频器在电网电压暂降的情况下不停机，确保与其相关的整个生产系统连续工作。

背景技术

实际电网中，特高压交直流线路故障、电网低频振荡、大型电机启动和电网短路故障等会引起较大的电压暂降。这类电网电压暂降的情况，经常会导致工厂变频器的停机，如果停机发生在一些关键设备上，进而会使整个生产系统停止工作，对企业乃至社会造成严重的经济损失。解决此类变频器低电压穿越问题的从两方面着手，一方面是变频器本身在低电压情况下运行能力的挖掘，一般变频器本身可以在低至额定电压65％的电压下维持控制电路的继续工作，但往往由于功率余量的限制，最后还是因过电流而跳机。另一方面是考虑在外部给予支持，如早期的串联动态电压恢复器(DVR)，交流双电源切换方案，增加在线式USP电源，利用电网残压升压电路，以及在变频器的直流侧加蓄电池或并联大电容等方案。

超级电容单体容量大，可小型化，充放电效率高，充放电循环寿命长，真正免维护，目前已开始大量投入工业应用。因此，研究利用超级电容实现变频器低电压穿越能力的支持，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置，其将超级电容储能单元通过逆止二极管并联在普通变频器电能转换直流环节处，使普通变频器具备低电压穿越能力。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置，包括超级电容储能单元、超级电容均压单元、超级电容充电单元和逆止二极管，其特征在于，

所述的超级电容储能单元通过逆止二极管与变频器直流环节相连，利用二极管的单向导通性，防止变频器整流单元承担额外的超级电容充电电流，确保超级电容储存的能量仅在电压跌落期间输出给主电路；所述超级电容充电单元的输入侧与交流电源连接，输出侧与超级电容储能单元连接；所述的超级电容均压单元与超级电容储能单元连接。

本发明的工作原理是：正常工作时超级电容储能单元处于储能状态，电压低于变频器直流环节的电压；在变频器的进线电压跌落时，超级电容储能单元可在一定时间内维持变频器直流环节的电压不变，保证变频器正常运行。

进一步，所述的超级电容储能单元由能量法确定电容容量，设超级电容储能单元满充电压为U_N，在电压跌落的t秒末的电压为U_t，期间超级电容释放的能量表示为:

$W_C=\frac{1}{2}{C}_S(U_N^2-U_t^2),$

此时变频器带负载消耗的能量表示为：

W_M＝P_Mt，

上式中：P_M为变频器带的电机功率，C_S为超级电容的容量；

不计变频器逆变单元本身的损耗，理想情况下超级电容释放的能量需与负载消耗的能量相等，即：

W_M＝W_C，

求得超级电容的值为：

$C_S=\frac{2P_{M}t}{(U_N^2-U_t^2)},$

由于单体超级电容耐压值较小，实际超级电容储能单元需由若干相同容量的单体超级电容串并联而成，串联数根据单体超级电容耐压确定，设串联的超级电容数量为N_c，单体超级电容耐压值为U_d，在耐压上留有余量，则：

$N_C>\frac{U_N}{U_d},$

单体超级电容的容量C和并联数量N_b与总容量C_S和串联数量N_c关系如下：N_bC＝N_CC_S。

进一步，所述的超级电容储能单元由若干相同容量的单体超级电容串并联而成，串联数根据单体超级电容耐压确定，单体容量与并联数根据负载功率和跌落时间要求确定。

进一步，所述的超级电容储能单元由超级电容充电单元单独充电；超级电容充电单元采用恒压限流的控制方式(降低了电网波动对超级电容的影响)，其输入电压为交流市电，输出电压低于正常时变频器直流环节的电压。

进一步，所述的超级电容均压单元由均压电容与级联电感端口网级联形成，每一级均压电容端口通过开关分别与串联超级电容并联，并通过电感与下一级均压电容端口连接，由此形成串联模组电容储能系统的均压电路结构；通过控制并联均压电路中所有并联开关同步“合”与“开”实现不均衡电荷的转移，使得储能单体电压相等。即所述的超级电容均压单元通过并联电容进行均压，控制过程不依赖高精度采样，均压速度受串联储能单体数量影响少。

本发明的基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置并联在普通变频器电能转换直流环节处，可使普通变频器具备低电压穿越能力；本发明充放电循环寿命长，真正免维护，可满足各工业领域变频器低电压穿越的支持要求。

附图说明

图1为本发明的主电路拓扑结构示意图。

图2为本发明超级电容储能单元的拓扑结构示意图。

图3为本发明超级电容均压单元的结构示意图。

图4为本发明超级电容充电单元的结构示意图。

图5为本发明仿真实验中电网电压跌落波形图。

图6为本发明仿真实验中超级电容端电压波形图。

图7为本发明仿真实验中超级电容输出电流波形图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置的组成如下：超级电容储能单元、超级电容均压单元、超级电容充电单元和逆止二极管。超级电容充电单元的输入侧与交流电源连接，输出侧与超级电容储能单元连接。

超级电容储能单元通过逆止二极管与变频器直流环节相连，利用二极管的单向导通性，防止变频器整流单元承担额外的超级电容充电电流，确保超级电容储存的能量仅在电压跌落期间输出给主电路。超级电容储能单元由超级电容充电单元单独充电，采用恒压限流的控制方式，其输入电压为交流市电，输出电压低于正常时变频器直流环节的电压。超级电容储能单元由若干相同容量的单体超级电容串并联而成(图2)，串联数根据单体超级电容耐压确定，单体容量与并联数根据负载功率和跌落时间要求确定。超级电容均压单元与超级电容储能单元连接，超级电容均压单元由均压电容与级联电感端口网级联形成，每一级均压电容端口通过开关分别与串联超级电容并联，并通过电感与下一级均压电容端口连接，由此形成串联模组电容储能系统的均压电路结构。通过控制并联均压电路中所有并联开关S₁～S_2N同步“合”与“开”可以实现不均衡电荷的转移，使得储能单体电压相等(图3)。

在交流电源正常时，超级电容处于储能状态，其端电压低于变频器的直流环节电压，不输出电流；当变频器的进线电压跌落时，则由超级电容储能单元给逆变单元提供其储存的能量，以在一定的时间里维持变频器的继续运行。

变频器所带负载越大，直流侧电流也越大，交流电压跌落时，若要维持一定的末期直流电压，保证变频器不停机，则需要并联在直流环节的超级电容也就越大。设超级电容储能单元满充电压为U_N，在电压跌落的t秒末的电压为U_t，期间超级电容释放的能量可表示为:

$W_C=\frac{1}{2}{C}_S(U_N^2-U_t^2)---\left(1\right)$

这时变频器带负载消耗的能量可表示为：

W_M＝P_Mt  (2)

(1)、(2)式中：P_M为变频器带的电机功率，C_S为超级电容的容量。

这里不计逆变单元本身的损耗，理想情况下超级电容释放的能量需与负载消耗的能量相等，即：

W_M＝W_C  (3)

求得超级电容的值为：

$C_S=\frac{2P_{M}t}{(U_N^2-U_t^2)}---\left(4\right)$

由于单体超级电容耐压值较小，实际超级电容储能单元需由若干相同容量的单体超级电容串并联而成，串联数根据单体超级电容耐压确定，设串联的超级电容数量为N_c，单体超级电容耐压值为U_d，在耐压上留有余量，则：

$N_C>\frac{U_N}{U_d}---\left(5\right)$

单体超级电容的容量C和并联数量N_b与总容量C_S和串联数量为N_c关系如下：

N_bC＝N_CC_S  (6)

为提高系统的稳定性及电网波动对超级电容的影响，本发明配置专用的高频开关电源充电器为超级电容充电，充电电路结构示意图见图4，充电器输出额定电压500-510V，并具有恒压限流的功能。其内部结构是：三相交流经整流和无源PFC后转换成高压直流电，经全桥PWM电路后转换为高频交流，再经高频变压器隔离降压后高频整流输出。采用多个充电模块并联，模块输出自主均流，工作时均分负载。模块监控采用单片机控制，实现模块输出电压电流采集；实现开关机、均浮充、输出电压、输出限流的自动控制。

实施例计算与仿真：变频器带额定负载15kW，进线电压跌落至20％、持续时间为5s，末期超级电容端电压分别跌落至储能电压(510V)的90％和80％，根据以上公式(4)，计算得需要配置3.03F和1.60F的超级电容。由于配置的超级电容值比较大、充电时间较长，待电容充电完毕，仿真从第12秒开始，至第19秒结束，电网电压跌落波形、超级电容支持过程直流电压波形和放电电流波形分别见图5-7，仿真中电网电压跌落从第13秒开始，到第18秒结束。记录放电末期电压列表1所示。

表1超级电容支持直流末期电压值(UN＝510V,t＝5s)

	直流末期电压	百分比
			15kW/3.03F	451V	88.4％
15kW/1.6F	398V	78.0％

数据结果显示，在5s末直流母线电压仿真结果比理论计算值要偏小，这是由于理论计算未计变频器逆变部分的损耗所致。

结果表明，当电网电压跌落时，本发明的装置输出直流电流，支持变频器正常运行，负载电机的转速没有发生任何波动，说明本发明的装置能完全满足变频器低电压穿越的要求。

Claims (5)

1.一种基于超级电容的变频器低电压穿越支持装置，包括超级电容储能单元、超级电容均压单元、超级电容充电单元和逆止二极管，其特征在于，

所述的超级电容储能单元通过逆止二极管与变频器直流环节相连，利用二极管的单向导通性，防止变频器整流单元承担额外的超级电容充电电流，确保超级电容储存的能量仅在电压跌落期间输出给主电路；所述超级电容充电单元的输入侧与交流电源连接，输出侧与超级电容储能单元连接；所述的超级电容均压单元与超级电容储能单元连接。

2.如权利要求1所述的变频器低电压穿越支持装置，其特征在于，所述的超级电容储能单元由能量法确定电容容量，设超级电容储能单元满充电压为U_N，在电压跌落的t秒末的电压为U_t，期间超级电容释放的能量表示为:

$W_C=\frac{1}{2}{C}_S(U_N^2-U_t^2),$

此时变频器带负载消耗的能量表示为：

W_M＝P_Mt，

上式中：P_M为变频器带的电机功率，C_S为超级电容的容量；

不计变频器逆变单元本身的损耗，理想情况下超级电容释放的能量需与负载消耗的能量相等，即：

W_M＝W_C，

求得超级电容的值为：

$C_S=\frac{2P_{M}t}{(U_N^2-U_t^2)},$

由于单体超级电容耐压值较小，实际超级电容储能单元需由若干相同容量的单体超级电容串并联而成，串联数根据单体超级电容耐压确定，设串联的超级电容数量为N_c，单体超级电容耐压值为U_d，在耐压上留有余量，则：

$N_C>\frac{U_N}{U_d},$

单体超级电容的容量C和并联数量N_b与总容量C_S和串联数量N_c关系如下：

N_bC＝N_CC_S。

3.如权利要求1或2所述的变频器低电压穿越支持装置，其特征在于，所述的超级电容储能单元由若干相同容量的单体超级电容串并联而成，串联数根据单体超级电容耐压确定，单体容量与并联数根据负载功率和跌落时间要求确定。

4.如权利要求1或2所述的变频器低电压穿越支持装置，其特征在于，所述的超级电容储能单元由超级电容充电单元单独充电；超级电容充电单元采用恒压限流的控制方式，其输入电压为交流市电，输出电压低于正常时变频器直流环节的电压。

5.如权利要求1或2所述的变频器低电压穿越支持装置，其特征在于，所述的超级电容均压单元由均压电容与级联电感端口网级联形成，每一级均压电容端口通过开关分别与串联超级电容并联，并通过电感与下一级均压电容端口连接，由此形成串联模组电容储能系统的均压电路结构；通过控制并联均压电路中所有并联开关同步“合”与“开”实现不均衡电荷的转移，使得储能单体电压相等。