CN108683247A - 一种混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统及方法，包括市电、功率变换系统、后备电源和负载；本发明采用了燃料电池和超级电容器作为不间断供电系统的后备电源，当市电断电后，小容量的长寿命超级电容器能瞬间为负载供电，避免了燃料电池直接带负载冷启动，缩小不间断供电系统的响应时间，提高燃料电池的安全和寿命；有源功率因数校正电路采用成熟的平均电流模式、恒频率控制和电压外环电流内环双闭环控制，具有体积小、功耗低、效率高、功率因数高、总谐波失真小、安全可靠等优点，并能保证长时间不间断供电，本发明功率管的控制实现较为简单，二极管和功率管的数量较少，成本低、效率高、安全可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种不间断供电系统，具体涉及一种混合燃料电池和超级电容器作为后备电源的不间断供电系统，属于不间断供电电源研究领域。
背景技术
UPS(Uninterruptable Power System)称为不间断供电系统，是一种含有储能装置，并且以逆变器等功率变换器组成的恒压、频率不变的不间断电源，随着各种信息系统在各个行业的应用，UPS得到了迅猛的发展。不间断电源(UPS)的工作原理为：当市电正常供电时，不间断电源(UPS)将市电稳压后供给负载使用，并且给不间断电源内的后备电源电池充电，使后备电源保持足够的电能；当市电断电或者电压突降时，不间断电源(UPS)瞬时响应，将后备电源中的能量转换为和市电同频率、电压幅值相同的220V交流电供给负载使用，保护负载不受断电或电压不稳定的影响。不间断电源(UPS)的分类主要有后背式、在线式和在线互动式三大类，不同的负载工作需求可以选择不同类型的不间断电源(UPS)。
不间断电源(UPS)最普遍的后备电源一般是蓄电池，目前的不间断电源(UPS)主电路中功率管和二极管较多，成本较高，控制方法比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合燃料电池和超级电容器作为后备电源的不间断供电系统(UPS)及方法，适用于不间断供电系统中，为需要安全、可靠、持续电能的特殊设备或系统提供不间断的电源。
本发明一种混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统，包括市电、功率变换系统、后备电源和负载；
所述功率变换系统包括功率因数校正电路、逆变器、电池充电器和直流变换器；所述后备电源包括超级电容器、燃料电池和切换开关；所述市电输出端分别连接功率变换系统中功率因数校正电路的输入端和电池充电器的输入端，所述逆变器的输入端分别连接功率因数校正电路的输出端和直流变换器的输出端，所述逆变器的输出端连接负载，所述功率变换系统中电池充电器的输出端连接后备电源中超级电容器输入端，所述超级电容器的输出端和燃料电池输出端分别连接切换开关的输入端，所述切换开关的输出端连接直流变换器的输入端。
所述功率因数校正电路包括第一电感、第一功率管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第二功率管，所述逆变器包括第三功率管、第二电感、第三电容，所述电池充电器和直流变换器共用一个DC/DC升压器，所述切换开关包括第一双向可控硅SCR1和第二可控硅SCR2；
所述第一电感L1的一端连接市电的电源火线端Lin，所述第一电感L1的另一端连接第一二极管D1的阴极，所述第二二极管D2的阳极与第五二极管D5的阳极连接后再与第一二极管D1的阴极连接，所述第一二极管D1的阳极分别连接第三二极管D3的阳极和第一功率管Q1的源极，所述第二二极管D2的阴极分别连接第四二极管D4的阴极和第一功率管Q1的漏极，所述第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阳极分别连接市电的零线端N，所述第五二极管D5的阳极连接第六二极管D6的阴极，所述第五二极管D5的阴极分别连接第一电容C1的正极端和第二功率管Q2的漏极，所述第二电容C2的正极端与第一电容C1的负极端连接后再与与输出零线端N连接，所述第二电容C2的负极端分别连接第六二极管D6的阳极和第三功率管Q3的源极，所述第二电感L2的一端分别连接第二功率管Q2的源极和第三功率管Q3的漏极，所述第三电容C3的一端连接第二电感L2的另一端，所述第三电容C3的另一端连接输出零线端N，所述电池充电器23和直流变换器24共用一个DC/DC升压器，所述DC/DC升压器的一端分别连接第二功率管Q2的漏极和第三功率管Q3的源极，所述第一双向可控硅SCR1的两端分别连接超级电容器和DC/DC升压器的另一端，第二可控硅SCR2的两端分别连接燃料电池和DC/DC升压器的另一端。
所述功率变换系统中有源功率因数校正电路APFC采用平均电流模式ACC控制、恒频率控制，并通过成熟的电压外环、电流内环双闭环控制，来调节升压型功率因数校正电路PFC中功率管的导通占空比D，从而使不间断供电系统的功率因数提高，增加系统效率，减少总谐波失真。
本发明的目的之二在于提供一种利用本混合燃料电池和超级电容器作为后备电源的不间断供电系统的方法，包括以下三种供电模式：
(1)市电供电正常，后备电源中的切换开关断开与直流变换器的电性连接，之后电池充电器给超级电容器充电，且当超级电容器的电池电量大于95％停止充电，市电通过功率因数校正电路和逆变器给负载供电；
(2)市电供电不正常，后备电源中切换开关连通直流变换器，超级电容器首先接通切换开关，给负载供电，待燃料电池启动后输出功率能满足负载使用时，断开第一双向可控硅SCR1，同时连通第二可控硅SCR2，由燃料电池单独通过直流变换器给负载供电；
(3)市电供电不正常，后备电源中切换开关连通直流变换器，超级电容器首先接通切换开关，给负载供电，待燃料电池启动后燃料电池的输出功率不能满足负载使用时，超级电容器和燃料电池同时给负载供电。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明DC/AC逆变过程将两个电容输出的正负直流电(±VDC)经过半桥逆变电路成交流电，逆变控制方法简单，输出特性好。
(2)本发明的市电只通过一个功率管的控制，使得市电在正负半周中利用一个电感，简化功率管的控制难度，提高电感利用率。
(3)本发明后备电源中采用长寿命、小容量超级电容器和燃料电池工作方式为互补的形式，相比传统方法的蓄电池，有效的减少燃料电池带负载冷启动时对燃料电池造成危害。
(4)本发明中，功率管的控制实现较为简单，二极管和功率管的数量较少，成本低、效率高、安全可靠性高。
本发明采用了超级电容器和燃料电池作为不间断电源(UPS)的后备电源，超级电容器的寿命长、体积小、高能量比的优点能取代蓄电池，并能弥补燃料电池启动时间过长、带负载冷启动危害大的缺陷。针对目前的不间断电源(UPS)主电路中功率管和二极管较多，成本较高，控制方法比较复杂，因此提出了一种更简单的主电路拓扑结构，市电的正负周期内共用一个电感，提高电感的利用率，并仅通过一个功率管的控制和两个电容就能稳定的输出正负直流电(±VDC)，简化功率管的控制难度，其有源功率因数校正电路(PFC)可以由一个高功率因数预调节器(UC3854)来控制功率管(Q1)的导通和关断，采用的是成熟的平均电流模式、恒频率控制和电压外环、电流内环的双闭环控制。其次，DC/AC逆变过程是将两个电容输出的正负直流电(±VDC)经过半桥逆变电路成交流电，逆变控制方法简单，输出特性好。最后，后备电源中超级电容器和燃料电池工作方式为互补的形式，有效的减少燃料电池带负载冷启动时对燃料电池造成危害。本发明中，功率管的控制实现较为简单，二极管和功率管的数量较少，成本低、效率高、安全可靠性高。而传统的功率管的控制实现和常见的电路结构使用二极管数多、功率管数量较多、成本高、效率低。
附图说明
图1为本发明不间断供电系统的结构框图；
图2为本发明具体实施方式实施例1不间断供电系统(UPS)中功率变换系统的电路图；
图3为本发明升压型有源功率因数校正电路(PFC)的双闭环控制原理图；
图中各标号：1-市电、2-功率变换系统、21-功率因数校正电路、22-逆变器、23-电池充电器、24-直流变换器、3-后备电源、31-超级电容器、32-燃料电池、33-切换开关、4-负载。
具体实施方式
以下结合具体实施方式并对照附图作进一步说明。
实施例1：一种混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统(UPS)及方法，适用于不间断供电系统中，为需要安全、可靠、持续电能的特殊设备或系统提供不间断的电源。
如图1所示，本混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统，包括市电1、功率变换系统2、后备电源3和负载4；
所述功率变换系统2包括功率因数校正电路21、逆变器22、电池充电器23和直流变换器24；所述后备电源3包括超级电容器31、燃料电池32和切换开关33；所述市电1输出端分别连接功率变换系统2中功率因数校正电路21的输入端和电池充电器23的输入端，所述逆变器22的输入端分别连接功率因数校正电路21的输出端和直流变换器24的输出端，所述逆变器22的输出端连接负载4，所述功率变换系统2中电池充电器23的输出端连接后备电源3中超级电容器31输入端，所述超级电容器31的输出端和燃料电池32输出端分别连接切换开关33的输入端，所述切换开关33的输出端连接直流变换器24的输入端。
如图2所示，所述功率因数校正电路21包括第一电感L1、第一功率管Q1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1、第二电容C2、第二功率管Q2，所述逆变器22包括第三功率管Q3、第二电感L2、第三电容C3，所述电池充电器23和直流变换器24共用一个DC/DC升压器，所述切换开关33包括第一双向可控硅SCR1和第二可控硅SCR2；
所述第一电感L1的一端连接市电1的电源火线端Lin，所述第一电感L1的另一端连接第一二极管D1的阴极，所述第二二极管D2的阳极与第五二极管D5的阳极连接后再与第一二极管D1的阴极连接，所述第一二极管D1的阳极分别连接第三二极管D3的阳极和第一功率管Q1的源极，所述第二二极管D2的阴极分别连接第四二极管D4的阴极和第一功率管Q1的漏极，所述第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阳极分别连接市电1的零线端N，所述第五二极管D5的阳极连接第六二极管D6的阴极，所述第五二极管D5的阴极分别连接第一电容C1的正极端和第二功率管Q2的漏极，所述第二电容C2的正极端与第一电容C1的负极端连接后再与与输出零线端N连接，所述第二电容C2的负极端分别连接第六二极管D6的阳极和第三功率管Q3的源极，所述第二电感L2的一端分别连接第二功率管Q2的源极和第三功率管Q3的漏极，所述第三电容C3的一端连接第二电感L2的另一端，所述第三电容C3的另一端连接输出零线端N，所述电池充电器23和直流变换器24共用一个DC/DC升压器，所述DC/DC升压器的一端分别连接第二功率管Q2的漏极和第三功率管Q3的源极，所述第一双向可控硅SCR1的两端分别连接超级电容器31和DC/DC升压器的另一端，第二可控硅SCR2的两端分别连接燃料电池32和DC/DC升压器的另一端。
本实施例的不间断供应电源后备电源为超级电容器和燃料电池，超级电容器作为不间断供电系统的后备电源主要是因为其能量比高，使用寿命长等优点；在市电供电不正常时(通常情况为断电或者电压突降)，超级电容器能瞬时给负载供应电能，缩短不间断供电系统的响应时间。而燃料电池作为水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，将燃料中的化学能直接转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，效率高，其中质子交换燃料电池主要消耗氢气为燃料，产物为水和热能，无污染，但是应用在不间断供电系统主要缺点是燃料电池需要一定的启动时间，因此本发明中后备电源加入超级电容器和燃料电池两种直流电源，超级电容器可以克服燃料电池带负载冷启动时间和危害。所述的不间断供电系统后备电源采用燃料电池和超级电容器混合供电的方式，包括以下三种供电模式：
(1)市电1供电正常，后备电源3中的切换开关33断开与直流变换器24的电性连接，之后电池充电器23给超级电容器31充电，且当超级电容器31的电池电量大于95％停止充电，市电1通过功率因数校正电路21和逆变器22给负载4供电；
(2)市电1供电不正常，后备电源3中切换开关33连通直流变换器24，超级电容器31首先接通切换开关33，给负载供电，待燃料电池32启动后输出功率能满足负载4使用时，断开第一双向可控硅SCR1，同时连通第二可控硅SCR2，由燃料电池32单独通过直流变换器24给负载供电；
(3)市电1供电不正常，后备电源3中切换开关33连通直流变换器24，超级电容器31首先接通切换开关33，给负载4供电，待燃料电池32启动后燃料电池的输出功率不能满足负载4使用时，超级电容器31和燃料电池32同时给负载供电。
如图2所示，一种混合燃料电池和超级电容器为后备电源的不间断供电系统，其有源功率因数校正电路(PFC)可以由一个高功率因数预调节器(UC3854)来控制功率管(Q1)的导通和关断，使得市电的正弦交流电通过二极管桥式电路、功率管(Q1)和直流侧两个电容，输出为正负直流电流±VDC，且由于两电容容量足够大，输出正负直流电压保持在±380V，具体的电路工作状态如下所示：
当不间断供电系统在市电1供电正常时，50Hz正弦波交流电正半周期内，功率管Q1导通，电流经电感L1、第二二极管D2、第一功率管Q1、第三二极管D3流向中线N，市电1给电感L1储能；功率管Q1断开，市电1和电感L1中的储能一起经过第五二极管D5、第一电容C1流向中线N，电感中的储能转移到第一电容C1；50Hz正弦波交流电负半周期内，电流经中线N、第四二极管D4、第一功率管Q1、第一二极管D1和第一电感L1流向市电火线Lin，给电感L1储能；功率管Q1断开，电流经中线N、第二电容C2、第六二极管D6和第一电感L1流向市电火线Lin，电感中的储能转移到第二电容C2；这样市电1通过第一功率管Q1的导通和关断，将交流电整流成正负直流电±VDC。本实例中，第一电容C1的正极端电压为﹢380V，第二电容C2的负极端电压为﹣380V，中心点电压为0V。
当不间断供电系统在市电1供电不正常时，通常情况下是市电1断电或者电压突降，这样后备电源中可控硅SCR1导通，超级电容器31通过DC/DC升压变换器给半桥逆变电路输入正负直流电压，燃料电池32启动，待满足负载4使用后，断开可控硅SCR1并且导通可控硅SCR2，使燃料电池32给负载4供电。若燃料电池32不能满足负载4功率，则接通可控硅SCR1，超级电容器31和燃料电池32一起给负载4供电。
本实例中，输出正负直流电±380V后，经过第二功率管Q2、第三功率管Q3组成的半桥式逆变电路和第二电感L2、第三电容C3组成的LC滤波电路后，逆变成同市电1相同的频率、相位、幅值的交流电供负载4使用。
半桥逆变电路采用成熟的正弦波脉冲宽度调制(SPWM)控制，第二功率管Q2和第三功率管Q3交替导通；第二功率管Q2关断时，第三功率管Q3以固定频率但占空比不同进行导通和关断，相反，第三功率管Q3关断时，第二功率管Q2以固定频率但占空比不同进行导通和关断，这样的工作方式使第二功率管Q2、第三功率管Q3和第二电感L2的连接点的电压，经过第二电感L2、第三电容C3组成的LC滤波电路，将高频部分过滤走，得到正弦波形。
所述电压外环、电流内环的双闭环控制原理如图3所示：其中包括电压放大器VA及基准电压Uref、电流误差放大器CA、乘法器M、PWM脉宽调制器、功率管等。主电路的输出电压Uo和基准单压Uref相比较后，输入给电压误差放大器VA，电压误差放大器VA的输出电压信号Uao与整流电压检测值Uin共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号Iref，与输入电流检测值Iin比较后经过电流误差放大器CA加到PWM输入端，与锯齿斜波比较后，给开关驱动信号，控制开关的通断。本发明的电压外环、电流内环双闭环控制中工作在平均电流模式(ACC)下，电压外环控制主要起到控制输出电压平均值的作用，电流内环控制主要使输入电流的波形与整流电压的波形一致，趋近于正弦波形，使电流谐波大大减少，从而提高输入端的功率因数(Power Factor)，提高系统效率，减少总谐波失真。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统，其特征在于，包括市电(1)、功率变换系统(2)、后备电源(3)和负载(4)；
所述功率变换系统(2)包括功率因数校正电路(21)、逆变器(22)、电池充电器(23)和直流变换器(24)；所述后备电源(3)包括超级电容器(31)、燃料电池(32)和切换开关(33)；所述市电(1)输出端分别连接功率变换系统(2)中功率因数校正电路(21)的输入端和电池充电器(23)的输入端，所述逆变器(22)的输入端分别连接功率因数校正电路(21)的输出端和直流变换器(24)的输出端，所述逆变器(22)的输出端连接负载(4)，所述功率变换系统(2)中电池充电器(23)的输出端连接后备电源(3)中超级电容器(31)输入端，所述超级电容器(31)的输出端和燃料电池(32)输出端分别连接切换开关(33)的输入端，所述切换开关(33)的输出端连接直流变换器(24)的输入端。
2.根据权利要求1所述的混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统，其特征在于：所述功率因数校正电路(21)包括第一电感(L1)、第一功率管(Q1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第二功率管(Q2)，所述逆变器(22)包括第三功率管(Q3)、第二电感(L2)、第三电容(C3)，所述电池充电器(23)和直流变换器(24)共用一个DC/DC升压器，所述切换开关(33)包括第一双向可控硅(SCR1)和第二可控硅(SCR2)；
所述第一电感(L1)的一端连接市电(1)的电源火线端Lin，所述第一电感(L1)的另一端连接第一二极管(D1)的阴极，所述第二二极管(D2)的阳极与第五二极管(D5)的阳极连接后再与第一二极管(D1)的阴极连接，所述第一二极管(D1)的阳极分别连接第三二极管(D3)的阳极和第一功率管(Q1)的源极，所述第二二极管(D2)的阴极分别连接第四二极管(D4)的阴极和第一功率管(Q1)的漏极，所述第三二极管(D3)的阴极和第四二极管(D4)的阳极分别连接市电(1)的零线端N，所述第五二极管(D5)的阳极连接第六二极管(D6)的阴极，所述第五二极管(D5)的阴极分别连接第一电容(C1)的正极端和第二功率管(Q2)的漏极，所述第二电容(C2)的正极端与第一电容(C1)的负极端连接后再与与输出零线端N连接，所述第二电容(C2)的负极端分别连接第六二极管(D6)的阳极和第三功率管(Q3)的源极，所述第二电感(L2)的一端分别连接第二功率管(Q2)的源极和第三功率管(Q3)的漏极，所述第三电容(C3)的一端连接第二电感(L2)的另一端，所述第三电容(C3)的另一端连接输出零线端N，所述电池充电器(23)和直流变换器(24)共用一个DC/DC升压器，所述DC/DC升压器的一端分别连接第二功率管(Q2)的漏极和第三功率管(Q3)的源极，所述第一双向可控硅(SCR1)的两端分别连接超级电容器(31)和DC/DC升压器的另一端，第二可控硅(SCR2)的两端分别连接燃料电池(32)和DC/DC升压器的另一端。
3.根据权利要求1所述的混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统，其特征在于：所述功率因数校正电路(21)采用平均电流模式控制、恒频率控制，并通过成熟的电压外环、电流内环双闭环控制，来调节升压型功率因数校正电路(PFC)中功率管的导通占空比D。
4.权利要求1～3任一所述的混合燃料电池和超级电容器的不间断供电系统的供电方法，其特征在于，包括以下三种供电模式：
(1)市电(1)供电正常，后备电源(3)中的切换开关(33)断开与直流变换器(24)的电性连接，之后电池充电器(23)给超级电容器(31)充电，且当超级电容器(31)的电池电量大于95％停止充电，市电(1)通过功率因数校正电路(21)和逆变器(22)给负载(4)供电；
(2)市电(1)供电不正常，后备电源(3)中切换开关(33)连通直流变换器(24)，超级电容器(31)首先接通切换开关(33)，给负载供电，待燃料电池(32)启动后输出功率能满足负载(4)使用时，断开第一双向可控硅(SCR1)，同时连通第二可控硅(SCR2)，由燃料电池(32)单独通过直流变换器(24)给负载供电；
(3)市电(1)供电不正常，后备电源(3)中切换开关(33)连通直流变换器(24)，超级电容器(31)首先接通切换开关(33)，给负载(4)供电，待燃料电池(32)启动后燃料电池的输出功率不能满足负载(4)使用时，超级电容器(31)和燃料电池(32)同时给负载供电。
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