CN107196419A - 一种提供短时大功率供给的能量存储单元及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提供短时大功率供给的能量存储单元及方法，单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)输入经整流升压装置、DC‑DC变换模块和输出整流滤波模块，将电荷送往多个大容量电容模组和中容量电容模组组成的大容量储能器，该过程在几百秒的时间内完成。在大容量储能器储能完成后，可以对外提供单相短时大功率输出，满足电机直驱式操动机构的电源需求。本发明具有模块化结构、储能密度大、储能速度快、工作模式多样、使用安全可靠、质量轻、储能便于扩展等优点，解决大容量设备短时工作对常规大容量供电电源的依赖，避免了远距离大截面导线输电，降低了成本，提高了短时大功率设备的适应性和移动性。

Description

一种提供短时大功率供给的能量存储单元及方法
技术领域
本发明涉及高压开关的伺服电机驱动器供电的技术领域，特别涉及一种提供短时大功率供给的能量存储单元及方法。
背景技术
目前，随着智能技术的发展，国内外企业在高压开关产品上进行了大量的智能化技术研究，越来越多的新元件和新技术应用在高压开关上，尤其是各类传感器和通讯技术的应用，减小了高压开关产品的体积，获取了高压开关在各种工作条件下的数据。但是，驱动高压开关动作的核心设备---弹簧操动机构(尤其是用于126KV及以上的断路器产品)，在国内仍然沿用着传统的机械传动模式。该类机构的操作寿命有限，开关负载的阻力变化无法探测、运动特性不易精确控制、控制动作的时间精度低、影响可靠性的进一步提高；此外，该类机构无法满足频繁开断的场合，存在运动零件多，噪音大等问题，是高压开关整体智能化技术发展的瓶颈。因此，设计了一种全新的智能化操动机构--电机直驱式操动机构，该机构采用交流伺服电动机，伺服电机的动作受控于配套的伺服驱动器；电机输出轴直接对接断路器开关主轴或拐臂，通过电机轴的旋转，直接驱动开关分、合闸动作，省略了复杂的传动环节。根据使用需求，将断路器的运动特性编程直接写入伺服驱动器的存储单元，实现智能控制。伺服驱动器具备通讯功能，可以时时反馈机构的工作状态及每次动作的特性数据。因该电机直驱式操动机构的瞬时用电量非常大，需配备大功率三相电源，并为之铺设大截面专用线路为电机直驱式操动机构的伺服驱动系统供电。这样很大程度上影响了电机直驱式操动机构的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提供短时大功率供给的能量存储单元及方法，满足电机直驱式操动机构的电源需求。该方案以小功率的单相电源(交流或直流电压，不大于6KW)进行能量的存储，即使该电源临时断电也不会影响该大功率供给的能量存储单元对外供电，它有效的解决早期方案的不足。
本发明采取如下技术方案予以实现的：
一种提供短时大功率供给的能量存储单元，包括：整流升压装置、DC-DC变换模块，输出整流滤波模块、储能控制及其辅助电源、大容量储能器、安全放电控制装置以及耗能装置；
所述的整流升压装置的输入端与单相小功率电源输入侧连接，输出端依次与DC-DC变换模块、输出整流滤波模块和大容量储能器连接，大容量储能器输出侧分别连接短时大功率输出侧和安全放电控制装置；
所述的储能控制及其辅助电源外接有控制输入模式的开关选择器件，另一端分别与整流升压装置、DC-DC变换模块、输出整流滤波模块和安全放电控制装置电气连接；安全放电控制装置与耗能装置连接。
所述的储能控制及其辅助电源，包括储能控制模块、控制电源、UPS不间断电源和电池组；储能控制模块与控制输入模式的开关选择器件连接，并输入采集信号、输出控制指令；控制电源将外部电源的电压变换后经UPS不间断电源供给储能控制模块，并为电池组充电；充电后的电池组充电还能为UPS不间断电源供电。
所述的大容量储能器是由多个大容量电容储能模组和/或中容量电容储能模组并联而成，每个电容模组由若干个单体电容串联或并联而成。
所述的安全放电控制装置包括高压直流开关、储能控制器互锁开关、门联锁开关和电磁脱扣器；高压直流开关依次通过储能控制器互锁开关、门联锁开关与耗能装置连接，门联锁开关通过电磁脱扣器控制高压直流开关。
所述的输入模式包括自动储能模式、手动储能模式和释放储能模式；自动储能模式和手动储能模式用于大容量储能器的充电，在大容量储能器充电完成后，对外提供短时大功率输出；释放储能模式中，安全放电控制装置接通耗能装置，使存储的电能转化为热能。
一种基于提供短时大功率供给的能量存储单元的控制方法，包括以下步骤：
单相小功率电源输入经整流升压装置整流逆变为高频电压，并经整流升压装置输出到DC-DC变换模块转为可控的非稳定的直流电，再经输出整流滤波模块输出整流和滤波后为大容量储能器充电，完成储能过程；
大容量储能器储能完成后，对外提供单相短时大功率输出，以供伺服电机驱动器的母线电压需求；
当大容量储能器能量下降到储能控制器设定的下限时，将再次启动上述储能过程。
优选地，在大容量储能器电压下降时，储能控制及其辅助电源将根据开关选择器件设定的输入模式进行；输入模式包括自动储能模式、手动储能模式和释放储能模式；储能控制及其辅助电源通过输出整流滤波模块获得大容量储能器的实时电压，比对输入模式选择条件下的系统设定，从而决定DC-DC变换模块的启停；在自动启动模式中，储能控制及其辅助电源设定有最低启控电压和最高关断电压，储能控制执行低压启控和高压关断的功能；在手动储能模式中，当大容量储能器的实时电压低于最高关断电压，储能控制均启动储能，直至大容量储能器的电压达到最高关断电压而停止；在释放储能模式中，储能控制及其辅助电源立即停止储能，并为安全放电控制装置提供准备。
优选地，安全放电控制装置在储能控制选择为释放储能模式后，启动安全放电控制装置，大容量储能器的存储能量将通过耗能装置转化为热量，耗散在空气中。
优选地，安全放电控制装置包括高压直流开关、储能控制器互锁开关、门联锁开关和电磁脱扣器；当储能控制器选择释放储能模式时，储能控制器互锁开关闭合，当耗能装置处于安全位置时，门联锁开关处于未压缩状态，接通耗能装置；当耗能装置处于非安全位置时，门联锁开关压缩，其常开触点闭合，接通电磁脱扣器，电磁脱扣器将断开高压直流开关，从而断开耗能装置，终止耗能。
相对于现有技术，本发明具有下述优点：
本发明通过依次设置的整流升压装置、DC-DC变换模块，输出整流滤波模块和大容量储能器，使得单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)输入经整流升压装置整流逆变为高频电压，并经整流升压装置输出到DC-DC变换模块转为可控的非稳定的直流电，再经输出整流滤波模块输出整流和滤波后为大容量储能器充电，对外提供单相短时大功率输出，以供伺服电机驱动器的母线电压需求；储能控制及其辅助电源提供一个数据存储、数据计算和后备电源的功能；有效的控制系统进行充放电控制。该储能单元具有模块化结构、储能密度大、储能速度快、工作模式多样、使用安全可靠、质量轻、储能便于扩展等优点。可应用于高压开关用电机直驱式操动机构、伺服电机操动机构、电磁操动机构、斥力机构以及快速响应平台等，解决大容量设备短时工作对常规大容量供电电源的依赖，避免了远距离大截面导线的输电，降低了成本，提高了短时大功率设备的适应性和移动性。具体优点如下：
1)该发明实现了为大功率伺服电机短时供电，并满足伺服电机驱动126KV及以上断路器的分、合闸动作需求；2)该装置实现了单相小电流短时充电，瞬时大功率放电的需求。降低了电机直驱式操动机构对安装电源的容量需求，整套系统有UPS后备电源，使该系统具备短时的移动特性，不受短时停电影响；4)该发明采用了大容量储能器储能方式，输出特性硬；5)该发明实现了储能和放电两者兼顾；6)具备结构紧凑、免维护、寿命长，智能化程度高等特点；7)本发明可以完全消除现有技术中供电电源功率小的问题。
进一步，在外部供电正常的条件下，外部电源经控制电源将电压变换为需求电压，经UPS不间断电源供给储能控制，并为电池组充电。当外部电源出现故障停电时，UPS不间断电源将改由电池组供电，以维持系统在较长时间内正常运行。
进一步，当耗能装置处于非安全位置时，门联锁开关压缩，其常开触点闭合，接通电磁脱扣器，电磁脱扣器将迅速断开高压直流开关，从而断开耗能装置，终止耗能，保护大容量储能器不被耗能装置烧损。
该发明的控制方法实现了智能储能并克服了大功率瞬间电源容量不足的缺点，满足各类电机直驱式操动机构以及动作平台的电源需求，单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)输入经整流升压装置、DC-DC变换模块和输出整流滤波模块，将电荷送往多个大容量电容模组和中容量电容模组组成的大容量储能器，该过程在几百秒的时间内完成。在大容量储能器储能完成后，可以对外提供单相短时大功率输出。当储能随着使用过程逐渐减小时，储能系统会自动进行储能，当系统需要维修或运输时，储能系统可以进行释放储能操作，将储能电压降到安全电压范围以内，符合人身安全需要。该发明产品性能稳定、免维护、成本低、应用广泛、安全可靠。
附图说明
图1为能量存储单元结构框图。
图2为储能控制及辅助电源框图。
图3为大容量储能器框图。
图4为安全放电控制装置框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为伺服电机提供短时大功率供给的能量存储单元，包括：整流升压装置、DC-DC变换模块，输出整流滤波模块、储能控制及其辅助电源、大容量储能器(大容量电容模组、中容量电容模组并联组成)、安全放电控制装置以及耗能装置等；
1)整流升压装置：一端连接了单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)输入，用于实现对交流电源转成直流，并进行逆变和再升压；
2)DC-DC变换模块：快速实现对输入电压的控制；
3)输出整流滤波模块：对输入侧的电流波形进行整流，并经滤波电路滤波；
4)储能控制及辅助电源：提供一个数据存储、数据计算和后备电源的功能；
5)大容量电容模组：从序号1～序号4均为相同或相近参数的超级电容模组，它提供了大容量电荷的存储。
6)中容量储能模组：为常规电容模组，为设备提供低内阻电源。
7)安全放电控制装置：满足系统对储能电源释放储能的需求，控制耗能装置准确、安全的启动。
8)耗能装置：用于消耗大容量储能器的电能。将电能转化为热能，释放在空气当中。
所述储能控制及其辅助电源外接有控制输入模式的开关选择器件，另一端与整流升压装置、DC-DC变换模块、输出整流滤波模块和安全放电控制装置进行电气连接，组成了充电和放电的控制系统。多个大容量电容模组并联了中容量电容模组后分别与输出整流滤波模块端、安全放电控制装置电气连接。
单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)输入经整流升压装置、DC-DC变换模块和输出整流滤波模块，将电荷送往多个大容量电容模组和中容量电容模组组成的大容量储能器，该过程在几百秒的时间内完成。其中，单相小功率电源(交流或直流，不大于6KW)它们经整流升压装置整流逆变为高频电压，并经整流升压装置输出到DC-DC变换模块转为可控的非稳定的直流电，再经输出整流和滤波后为大容量电容组充电。在大容量储能器储能完成后，可以对外提供单相短时大功率输出。当其能量下降到储能控制器设定的下限时，将再次启动上述储能过程。储能过程的控制有多种模式供选择，包括了“自动储能模式”和“手动储能模式”，以满足能量存储的需求。当储能单元为了某种安全需要，释放自身储能时，可将其处于“释放储能模式”，短时间内将大容量储能器的电压降到需求的安全电压以下。
充电的工作方式分为自动储能模式、手动储能模式和释放储能模式。自动储能模式和手动储能模式均为满足大容量储能器的充电需求而提供的，在大容量储能器充电完成后，即可对外提供短时大功率输出，满足伺服电机驱动器的母线电压需求。在大容量储能器电压下降时，系统将根据事先设定的运行模式进行补充充电。在释放储能模式中需要配合安全放电装置，接通耗能装置，使存储的电能转化为热能，释放在空气当中。实现设备的安全检修和运输等操作。
如图2所示为储能控制及其辅助电源，包括含有输入输出的储能控制、控制电源、UPS不间断电源和电池组，该子系统为整个系统提供控制电源和后备电源，维持各控制器件的供电。在外部供电正常的条件下，外部电源经控制电源将电压变换为DC24V，经UPS不间断电源供给储能控制，并为电池组充电。当外部电源出现故障停电时，UPS不间断电源将改由电池组供电，以维持系统在较长时间内正常运行。
如图3所示为大容量储能器，包含了若干个单体电容，由它们串联或并联形成高电压的大容量或中容量电容储能模组，再由多个电容储能模组并联形成整套大容量储能器。具体地，大容量储能器由大容量模组1、大容量模组2、大容量模组3、大容量模组4和中容量模组1组成。其输入侧连接输出整流滤波模块，输出侧分为短时大功率输出侧和安全放电控制装置。
如图4所示为安全放电控制装置，包含了高压直流开关、储能控制器互锁开关、门联锁开关、电磁脱扣器和耗能装置。当储能控制器选择释放储能操作时，储能控制器互锁开关闭合，当耗能装置处于安全位置时，门联锁开关处于未压缩状态，接通耗能装置。当耗能装置处于非安全位置时，门联锁开关压缩，其常开触点闭合，接通电磁脱扣器，电磁脱扣器将迅速断开高压直流开关，从而断开耗能装置，终止耗能，保护大容量储能器不被耗能装置烧损。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种提供短时大功率供给的能量存储单元，其特征在于，包括：整流升压装置、DC-DC变换模块，输出整流滤波模块、储能控制及其辅助电源、大容量储能器、安全放电控制装置以及耗能装置；
所述的整流升压装置的输入端与单相小功率电源输入侧连接，输出端依次与DC-DC变换模块、输出整流滤波模块和大容量储能器连接，大容量储能器输出侧分别连接短时大功率输出侧和安全放电控制装置；
所述的储能控制及其辅助电源外接有控制输入模式的开关选择器件，另一端分别与整流升压装置、DC-DC变换模块、输出整流滤波模块和安全放电控制装置电气连接；安全放电控制装置与耗能装置连接。
2.根据权利要求1所述的提供短时大功率供给的能量存储单元，其特征在于，所述的储能控制及其辅助电源，包括储能控制模块、控制电源、UPS不间断电源和电池组；储能控制模块与控制输入模式的开关选择器件连接，并输入采集信号、输出控制指令；控制电源将外部电源的电压变换后经UPS不间断电源供给储能控制模块，并为电池组充电；充电后的电池组充电还能为UPS不间断电源供电。
3.根据权利要求1所述的提供短时大功率供给的能量存储单元，其特征在于，所述的大容量储能器是由多个大容量电容储能模组和/或中容量电容储能模组并联而成，每个电容模组由若干个单体电容串联或并联而成。
4.根据权利要求1所述的提供短时大功率供给的能量存储单元，其特征在于，所述的安全放电控制装置包括高压直流开关、储能控制器互锁开关、门联锁开关和电磁脱扣器；高压直流开关依次通过储能控制器互锁开关、门联锁开关与耗能装置连接，门联锁开关通过电磁脱扣器控制高压直流开关。
5.根据权利要求1所述的提供短时大功率供给的能量存储单元，其特征在于，所述的输入模式包括自动储能模式、手动储能模式和释放储能模式；自动储能模式和手动储能模式用于大容量储能器的充电，在大容量储能器充电完成后，对外提供短时大功率输出；释放储能模式中，安全放电控制装置接通耗能装置，使存储的电能转化为热能。
6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的提供短时大功率供给的能量存储单元的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
单相小功率电源输入经整流升压装置整流逆变为高频电压，并经整流升压装置输出到DC-DC变换模块转为可控的非稳定的直流电，再经输出整流滤波模块输出整流和滤波后为大容量储能器充电，完成储能过程；
大容量储能器储能完成后，对外提供单相短时大功率输出，以供伺服电机驱动器的母线电压需求；
当大容量储能器能量下降到储能控制器设定的下限时，将再次启动上述储能过程。
7.根据权利要求6所述的基于提供短时大功率供给的能量存储单元的控制方法，其特征在于，
在大容量储能器电压下降时，储能控制及其辅助电源将根据开关选择器件设定的输入模式进行；输入模式包括自动储能模式、手动储能模式和释放储能模式；储能控制及其辅助电源通过输出整流滤波模块获得大容量储能器的实时电压，比对输入模式选择条件下的系统设定，从而决定DC-DC变换模块的启停；在自动启动模式中，储能控制及其辅助电源设定有最低启控电压和最高关断电压，储能控制执行低压启控和高压关断的功能；在手动储能模式中，当大容量储能器的实时电压低于最高关断电压，储能控制均启动储能，直至大容量储能器的电压达到最高关断电压而停止；在释放储能模式中，储能控制及其辅助电源立即停止储能，并为安全放电控制装置提供准备。
8.根据权利要求7所述的基于提供短时大功率供给的能量存储单元的控制方法，其特征在于，
安全放电控制装置在储能控制选择为释放储能模式后，启动安全放电控制装置，大容量储能器的存储能量将通过耗能装置转化为热量，耗散在空气中。
9.根据权利要求7所述的基于提供短时大功率供给的能量存储单元的控制方法，其特征在于，
安全放电控制装置包括高压直流开关、储能控制器互锁开关、门联锁开关和电磁脱扣器；当储能控制器选择释放储能模式时，储能控制器互锁开关闭合，当耗能装置处于安全位置时，门联锁开关处于未压缩状态，接通耗能装置；当耗能装置处于非安全位置时，门联锁开关压缩，其常开触点闭合，接通电磁脱扣器，电磁脱扣器将断开高压直流开关，从而断开耗能装置，终止耗能。
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