CN105356572A - 一种中储能供电重频电容充电电源 - Google Patents

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苏建仓
佘希园
李锐
吴晓龙
曾搏
程杰
喻斌雄
徐秀栋
高鹏程
邱旭东
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Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域和高电压技术领域，涉及一种中储能供电重频电容充电电源，中储能电源U1和电感Ld、二极管Dd串联后与电容C1并联，形成输出模块；输出模块与S1、Cs、Ls、D1、C2、D3、S3串联，构成第一谐振回路，输出模块与S2、D2、C2、D4、Cs、Ls、S4串联，构成第二谐振回路；开关S1、S3和开关S2、S4交替导通，形成一个开关周期，所述开关周期包括两个谐振周期，把中储能的直流逆变成高频交流，经过D1、D2、D3、D4整流，给负载电容器C2充电。本发明中储能供电重频电容充电电源，用中储能电源替代电网/发电机模块和整流电路模块，可移动给负载电容器充电；将转换电路中的串联谐振电路变压器去掉，整个电源体积和重量极大减小。

Description

一种中储能供电重频电容充电电源
所属技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域和高电压技术领域，涉及一种中储能供电重频电容充电电源。
背景技术
脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它是研究在相对较长时间里把能量储存起来，然后快速释放给负载以实现负载功率倍增的新兴技术领域，在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用。随着脉冲功率技术的不断发展和应用需求牵引，脉冲功率装置的小型化、重复频率运行和可机动使用已经成为脉冲功率技术发展的重要趋势，而脉冲功率装置的能源供给则是必须解决的首要问题。
现有电容储能型重频脉冲功率发生器(如图1所示)通常是直接从电网或发电机取电，经过整流电路和转换电路(谐振充电电路或带变压器的串联谐振电路)给电容器充电，将电网获得的能量以电场的形式存储在电容器中，然后经过闭合开关快速导通将电容存储的能量瞬时释放给负载，以获得负载功率的提升。其优点是供电电源的功率可以不受限制，缺点是必须实时地从电网取电，而且增加了大功率市电转换电路。特别的，对于大型重频脉冲功率发生器，要求供电电源的功率通常在几十kW至百kW量级，如若从发电机取电，则需要发电机的输出功率更高，整个系统的复杂程度相应增加，电源的体积亦更加笨重。为此，提出了用中储能系统将电网能量长时间储存，然后需要的时候再将中储能系统储存的能量快速释放给脉冲功率装置技术路线。
目前可应用于脉冲功率装置的中储能系统有超级电容器为代表的电容储能和蓄电池为代表的化学储能。其中以铅酸蓄电池作为中储能的电源系统已经成功用于电磁发射、爆磁压缩、ICF驱动器能源系统等单次运行的脉冲功率装置，但因电源功率的限制无法在重频脉冲功率装置中使用。此外铅酸蓄电池还存在比能量低、充放电速率低、循环寿命短、污染环境等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻而且可以机动使用的电容储能装置。
为达到上述发明目的，本发明提供一种中储能供电重频电容充电电源。
一种用于中储能供电重频电容充电电源，包括中储能电源U1、电感Ld、二极管Dd、电容C1、开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4；
所述中储能电源U1和电感Ld、二极管Dd串联后与电容C1并联，形成输出模块；
输出模块与S1、Cs、Ls、D1、C2、D3、S3串联，构成第一谐振回路，输出模块与S2、D2、C2、D4、Cs、Ls、S4串联，构成第二谐振回路；
开关S1、S3和开关S2、S4交替导通，形成一个开关周期，所述开关周期包括两个谐振周期，把中储能的直流逆变成高频交流，经过D1、D2、D3、D4整流，给负载电容器C2充电。
进一步，所述开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4组成串联谐振电路模块，多路串联谐振电路模块并联后对负载电容器C2充电。
更进一步，所述串联谐振电路模块为4路。
优选地，所述中储能电源U1为锂离子电池组。
优选地，开关S1～S4为IGBT绝缘栅双极晶体管。
本发明中储能供电重频电容充电电源，采用中储能电源供电，用中储能电源替代常规供电重频脉冲功率发生器中的电网/发电机模块和整流电路模块，可移动给负载电容器充电；将转换电路中的串联谐振电路变压器去掉，整个电源体积和重量极大减小。进一步采用锂离子电池组作为中储能电源，实现了中储能电源功率的提升；进一步以开关S1～S4、谐振电容Cs、谐振电感Ls和二极管D1～D4组成串联谐振电路模块，以多个串联谐振电路模块并联方式给负载电容恒流充电，有效降低了元器件参数指标，同时提高了整个系统的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中供电重频脉冲功率发生器的原理框图；
图2是应用本发明的中储能供电重频脉冲功率发生器的原理框图；
图3是本发明中储能供电重频电容充电电源的电路原理图；
图4是本发明中储能供电重频电容充电电源的测试电路原理图；
图5是本发明中储能供电重频充电电源的测试结果显示图。
具体实施方式
一种用于中储能供电重频电容充电电源，如图3所示，包括中储能电源U1、电感Ld、二极管Dd、电容C1、开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4；
所述中储能电源U1和电感Ld、二极管Dd串联后与电容C1并联，形成输出模块，所述电容C1用于缓冲无功能量和为电流提供返流通道；所述电感Ld和二极管Dd对中储能电源进行保护，减小电源输出电流脉动和防止电流返流。
输出模块与S1、Cs、Ls、D1、C2、D3、S3串联，构成第一谐振回路，输出模块与S2、D2、C2、D4、Cs、Ls、S4串联，构成第二谐振回路。开关S1、S3和开关S2、S4交替导通，形成一个开关周期，所述开关周期包括两个谐振周期，把中储能的直流逆变成高频交流，经过D1、D2、D3、D4整流，给负载电容器C2充电。
其中，所述开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4组成串联谐振电路模块，多路串联谐振电路模块并联后对负载电容器C2充电。
如图2所示，用中储能电源U1替代常规供电重频脉冲功率发生器中的电网/发电机模块和整流电路模块，并且将转换电路中的串联谐振电路变压器去掉，整个电源体积和重量极大减小。
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1
一种用于中储能供电重频电容充电电源，如图3所示，包括中储能电源U1、电感Ld、二极管Dd、电容C1、开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4；所述中储能电源U1为锂离子电池组，开关S1～S4为IGBT绝缘栅双极晶体管。
所述中储能电源U1和电感Ld、二极管Dd串联后与电容C1并联，形成输出模块，输出模块与S1、Cs、Ls、D1、C2、D3、S3串联，构成第一谐振回路，输出模块与S2、D2、C2、D4、Cs、Ls、S4串联，构成第二谐振回路。开关S1、S3和开关S2、S4交替导通，形成一个开关周期，所述开关周期包括两个谐振周期，把中储能的直流逆变成高频交流，经过D1、D2、D3、D4整流，给负载电容器C2充电。
其中，负载电容C2容量C＝2mF，负载电容充电电压U＝600V，充电频率f＝100Hz，充电等待时间1ms，充电时间t＝9ms；负载电容平均充电功率：取充电效率90％，则需要的平均充电功率为40kW，相应的峰值功率80kW。
中储能电源输出功率满足：Po＝Uo×Io，Uo为中储能电源工作电压，Io为中储能电源最大输出电流。因此为降低中储能电源输出电流，必须提高中储能电源电压。依据串联谐振电路特性，中储能电源电压至少大于600V。考虑中储能电源等效串联内阻(ESR)和电路损耗，留有一定设计裕量，中储能电源最低工作电压取650V，则中储能电源输出电流峰值为123A。
采用锂离子电池组作为中储能电源，相对于铅酸蓄电池，提升了中储能电源功率。一般的锂离子电池单体的额定电压3.7V，充电截止电压4.2V，放电终止电压2.5V，使用电压范围在2.5V～4.2V，则中储能电源最多需要260只单体串联，相应的中储能电源最高工作电压为1092V。为防止锂离子电池单体过充，考虑到其他电路元件绝缘以及人员、设备安全，中储能电源最高工作电压为900V。锂离子电池优点是具有优良的高倍率放电特性，若取30C放电倍率则锂离子电池额定容量为4Ah。
以开关S1～S4、谐振电容Cs、谐振电感Ls和D1～D4组成串联谐振电路模块，每个串联谐振电路模块平均功率10kW，需要四个串联谐振电路模块给负载电容器C2充电，四个串联谐振电路模块一起的话，有效降低了元器件的参数指标，提高了整个系统的可靠性。其中，具体电路参数依据文献“串联谐振充电丁原分析及设计，强激光与粒子束，vol16，No.12，2004.12”和文献“高压电容器充电电源的研制，电气技术，2010年增刊”进行选取。
根据上述实施例过程设计了一种中储能供电重频电容充电电源，如图4所示，并对其进行了实际测试，其中，中储能电源工作电压650V～900V，电感Ld＝20μH，电容Cd＝30μF，每个谐振电路模块内部谐振电感Ls＝82μH，谐振电容Cs＝0.815μF，负载电容C2容量1.2mF，负载电容C2充电电压600V，负载电容能量通过放电开关释放给阻值为1欧姆的大功率电阻。
如图5所示，图中，CH1为中储能电源输出电压，CH2为中储能电源输出电流，CH3为负载电容充电电压。测试结果表明，中储能供电重频充电电源在工作频率100Hz，持续时间1min下运行稳定可靠。

Claims (5)

1.一种用于中储能供电重频电容充电电源，其特征在于，包括中储能电源U1、电感Ld、二极管Dd、电容C1、开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4；
所述中储能电源U1和电感Ld、二极管Dd串联后与电容C1并联，形成输出模块；
输出模块与S1、Cs、Ls、D1、C2、D3、S3串联，构成第一谐振回路，输出模块与S2、D2、C2、D4、Cs、Ls、S4串联，构成第二谐振回路；
开关S1、S3和开关S2、S4交替导通，形成一个开关周期，所述开关周期包括两个谐振周期，把中储能的直流逆变成高频交流，经过D1、D2、D3、D4整流，给负载电容器C2充电。
2.根据权利要求1所述用于中储能供电重频电容充电电源，其特征在于，所述开关S1～S4、电容Cs、电感Ls和二极管D1～D4组成串联谐振电路模块，多路串联谐振电路模块并联后对负载电容器C2充电。
3.根据权利要求2所述用于中储能供电重频电容充电电源，其特征在于，所述串联谐振电路模块为4路。
4.根据权利要求1所述用于中储能供电重频电容充电电源，其特征在于，所述中储能电源U1为锂离子电池组。
5.根据权利要求1或2所述用于中储能供电重频电容充电电源，其特征在于，开关S1～S4为IGBT绝缘栅双极晶体管。
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