CN114336647A - 一种动态电压恢复器双向充电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种动态电压恢复器双向充电装置及其控制方法，包括：充电AC/DC单元、DC/DC单元及人机界面单元，AC/DC单元输入侧与电网相连，所述AC/DC单元和DC/DC单元直流侧串联，DC/DC单元输出侧接超级电容；AC/DC单元将三相交流电转换为直流电压，为DC/DC单元提供恒定的直流母线电压；人机界面单元根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发至DC/DC单元；DC/DC单元按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈至人机界面单元，进行实时监控充电功率。本发明能够实现对超级电容快速、可控的充电管理；同时能够满足维护时反向放电功能，将超级电容储存的电能通过双向充电系统回馈至电网。

Description

一种动态电压恢复器双向充电装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电网中动态电压恢复器电容充放电技术领域，尤其涉及一种动态电压恢复器双向充电装置及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着大量对电压质量特别敏感的设备如精密制造、加工、医疗等不断出现，当电网、配电设施的故障或大负荷冲击时引起的电压暂降、骤升会导致用电设备运行异常，产品质量下降、成品率降低、计算机数据丢失等一系列问题，可导致工厂生产效率降低1-2％，目前电压暂降每年给国内半导体、石化、造纸、汽车、制药、纺织、钢铁等行业造成几十亿元的损失。因此对敏感设备进行电压暂降、暂升，保护显得尤为重要。动态电压恢复器是治理电压暂降问题的工业设备。

动态电压恢复器中超级电容作为储能单元，对超级电容安全、快速充放电管理尤为重要。动态电压恢复器所需超级电容容量大，超级电容器初始电压为零，在这个状态下，直接充电相当于短路状态，需要恒流充电或者限流的方式。

常用的充电方式采用恒流充电或者限流充电，通常有以下几种：

采用开关电源技术的充电器进行恒流充电，开关电源功率和电流要求都比较高，需要采用输出宽范围的开关电源，充电截止电压需要提高至动态电压恢复器工作范围内，常见的充电器电压输出范围、功率都不能满足要求，短路状态无法正常工作，需要外置串联限流电阻，大功率高电压的充电器，可靠性、充电效率都较低，不能满足使用要求。

采用整流方式在输出侧串联限流电阻，要提高充电电流、快速充电，限流电阻功率大，需要单独的散热器和风机辅助，装置体积大，损耗高、电能浪费严重。

采用串联充电电容和整流桥方式，用电容代替电阻，虽然能够解决充电损耗高的问题，但是稳定性以及电容的容性效应等问题，无法智能化实现对超级电容的充电管理。

当动态电压恢复器需要维护时，以上充电方式都是单方向使用，超级电容无法将储存的电能放至0V，需要加装辅助放电系统，维护不方便、额外耗能，同时人员维护操作有触电风险。

综上所述，已有的恒流充电或者限流充电方式不能满足动态电压恢复器对超级电容快速、可控、充放电管理功能。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种动态电压恢复器双向充电装置，装置数字化控制、效率高、安全可靠，能够实现对动态电压恢复器超级电容的充放电实时管理。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种动态电压恢复器双向充电装置，包括：

充电AC/DC单元、DC/DC单元及人机界面单元，AC/DC单元输入侧与电网相连，所述AC/DC单元和DC/DC单元直流侧串联，DC/DC单元输出侧接超级电容；

所述AC/DC单元将三相交流电转换为直流电压，为DC/DC单元提供恒定的直流母线电压；

所述人机界面单元根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发至DC/DC单元；

所述DC/DC单元按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈至人机界面单元，进行实时监控充电功率。

进一步的技术方案，所述DC/DC单元包括3组并联冗余运行的H桥结构，共用低电位。

进一步的技术方案，还包括设置在AC/DC单元输入侧的电流互感器以及设置在AC/DC单元输出侧的电压互感器，输入侧电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号作为反馈信号，形成闭环反馈，以使AC/DC单元稳定输出直流电压为恒定值。

进一步的技术方案，所述AC/DC单元的输入侧三相有并联电容高频吸收回路，所述高频吸收回路输入侧依次串联有KM2交流接触器、电抗器、输入采样电流互感器及三相整流单元，三相整流单元并联至电容C1；

KM1交流接触器与限流电阻串联后与KM2交流接触器并联；

初始工作时KM1交流接触器闭合，经过限流电阻，输入电抗器，再经过输入采样电流互感器，通过反向并联二极管对三相整流单元进行被动整流，当电容C1母线电压升至第一设定值时，吸合KM2交流接触器，将限流回路旁路，同时断开KM1交流接触器；

当C1两端母线电压升至第二设定值时，通过PWM整流方式将母线电压提高，维持直流母线电压，保持直流侧工作电压恒定。

进一步的技术方案，所述DC/DC单元输入侧经过3组H桥结构，所述DC/DC单元高压端输出侧分别通过电感L1～L3、输出采样电流互感器、总输出电流互感器后给超级电容组充或放电。

第二方面，公开了一种动态电压恢复器双向充电方法，包括：

根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发至DC/DC单元；

DC/DC单元按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈至人机界面单元，进行实时监控充电功率。

进一步的技术方案，所述AC/DC单元将三相交流电通过PWM整流方式，转换为直流电压；通过双向变换，采用四象限PWM技术，实现能量双向流动。

进一步的技术方案，所述DC/DC单元通过PWM斩波双向变换方式，根据充放电需求，实时调整输出电压、电流，实现对超级电容可控充放电管理。

进一步的技术方案，所述DC/DC单元输出电压根据不同的超级电容设定不同的充电电压上限阀值，根据超级电容的电压需求对IGBT器件进行斩波，采用斩波方式输出电压不高于输出侧电压。

进一步的技术方案，所述DC/DC单元充电时间计算方式为：

T：充电时间；U2：充电上限电压；U1：充电起始电压；I：充电电流。

进一步的技术方案，所述人机界面单元针对人机界面单元输入参数通过数据处理产生指令电流，经过数据处理产生同步信号，同步信号用于调制PWM脉宽，用以驱动AC/DC单元的开关器件，产生电压波形；

将输出直流电压达到的额定电压，输入侧电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈至人机界面单元，形成闭环反馈，稳定输出直流电压为恒定值。

进一步的技术方案，所述人机界面单元通过数据处理产生指令电流，经过数据处理产生同步信号，同时驱动3组H桥，对其进行调制PWM脉宽调制驱动；

所述DC/DC单元采用恒流充电方式，输出电压随之升高，通过输出侧的总电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈到人机界面单元，形成闭环反馈，修正调制PWM脉宽，保持恒流充电，直至达到预置的充电电压上限阈值。

进一步的技术方案，当需要降低超级电容电压或者维护放电时，人机界面单元设置输出电压和电流值，电流值设定为负值，通过通讯方式下发给DC/DC单元，按照设定的预置条件对超级电容组放电，采用恒流充电方式进行放电管理，将超级电容能量回馈至电网。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明将交流400V通过转换为可控的直流电压源，根据不同超级电容需求进行充放电管理。能够实现对超级电容快速、可控的充电管理；同时能够满足维护时反向放电功能，将超级电容储存的电能通过双向充电系统回馈至电网。装置数字化控制、效率高、安全可靠，能够实现对动态电压恢复器超级电容的充放电实时管理。

本发明应用于动态电压恢复器对超级电容充放电管理，根据超级电容需求实现快速充放电，实现放电回馈电网功能，安全、节能、便捷。

本发明采用标准模块化设计，便于安装、维护。数字化控制，根据需求设定充放电电压阀值、电流大小，闭环控制，对超级电容进行精细化充放电管理。

本发明采用AC/DC单元和DC/DC单元两级隔离变流器拓扑结构，PWM变流技术，不会对电网造成高频谐波污染。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例动态电压恢复器双向充电装置系统图；

图2为本发明实施例动态电压恢复器双向充电装置拓扑图；

图3为本发明实施例动态电压恢复器双向充电装置人机界面图

图4为本发明实施例动态电压恢复器双向充电装置参数设定界面图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种动态电压恢复器双向充电装置，如图1所示，包括充电AC/DC单元、DC/DC单元、人机界面单元构成。将交流400V通过转换为可控的直流电压源，根据不同超级电容需求进行充放电管理。

动态电压恢复器双向充电装置采用模块化设计，便于按照模块化设计，便于与动态电压恢复器进行组柜安装、维护。

如图2所示，动态电压恢复器双向充电装置采用两级架构，由AC/DC单元和DC/DC单元构成，AC/DC单元和DC/DC单元直流侧串联。

AC/DC单元将三相交流电通过PWM整流方式，转换为直流电压；通过双向变换，采用四象限PWM技术，实现能量双向流动，输入功率因数高达0.99，并网谐波污染小。

装置输入侧三相有并联电容高频吸收回路(装置输入C1、C2、C3用于高频吸收)，初始工作时KM1交流接触器闭合，经过限流电阻R1～R3，输入电抗器L，经过输入采样电流互感器CT1～CT3，通过Q1～Q6反向并联二极管对三相整流单元进行被动整流，提高电容C1两端母线电压，当母线电压升至450V时，吸合KM2交流接触器，将限流回路(交流接触器KM1和电阻R1、R2、R3组成的限流回路)旁路，同时断开KM1交流接触器。当C1两端母线电压升至560V后，通过PWM整流方式将母线电压提高至750V。AC/DC单元维持直流母线电压，保持直流侧工作电压恒定，为DC/DC单元提供恒定的直流母线支撑。

DC/DC单元通过PWM斩波双向变换方式，根据充放电需求，实时调整输出电压、电流，实现对超级电容可控充放电管理。输出电压可以根据不同的超级电容设定不同的充电电压上限阀值，根据超级电容的电压需求对IGBT器件进行斩波，采用斩波方式DC/DC单元输出电压不高于DC/DC单元的输入电压，就是C2两端电压不高于C1两端电压。就是说两端直通方式时两端电压可以相同。装置输入侧经过Q7～Q12构成3组H桥结构，实现并联冗余运行，Q8、Q10和Q12，低压端并联。高压端输出侧分别通过L1～L3，经过输出采样电流互感器CT4～CT6、总输出电流互感器CT7给超级电容组充、放电。

如图3所示，人机界面单元根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发给DC/DC单元，按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈给人机界面单元，对系统进行实时监控，可以查看实时充电功率。

关于设定输出电压：设备充放电预期的目标电压值，充电时设备自动控制不会超过这个电压，放电时设备自动控制不会低于这个电压。

关于设定电流值：正负数，设定正数为充电，设备自动控制不会超过这个电流；设定负数为放电，设备自动控制放电电流不会超过这个电流的绝对值。

设备启动前需要设定正确的目标电压和目标电流，电压设定为正数；电流设定正数为充电，负数为放电。电压电流的设定值也是有记忆功能的(正确停机时电流设定自动置零)，因此启动前请先设定正确的电压电流。

实施例二

本实施例的目的是提供如图4所示，一种动态电压恢复器双向充电装置及其控制方法，包括以下步骤：

1)动态电压恢复器双向充电装置用于对超级电容器充、放电管理，采用两级架构，由AC/DC单元和DC/DC单元构成，AC/DC单元输入侧与电网相连，AC/DC单元和DC/DC单元直流侧串联，DC/DC单元输出侧接超级电容。

2)人机界面单元根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发给DC/DC单元，按照设定的预置条件对超级电容组充电，采用恒流充电方式进行充电，充电时间受充电压差、电容容量和充电电流影响。

T:充电时间

U2：超级电容充电上限电压(充电截止电压)；

U1：充电起始电压，通过装置输出侧与超级电容相连，通过输出侧电压监测信号实时测试得到；

I：充电电流，充电电流是已知的，将已知的信息，通过人机界面下发给控制系统，控制系统内部进行运算，产生调制指令，调制指令通过信号给IGBT的驱动器，去驱动IGBT输出的占空比(调制占空比就是PWM调制技术)，实现电流大小的控制。

本发明的人机界面单元包含显示操作和控制系统，控制系统中有指令电流运算单元和系统检测反馈的端口相关保护电路。

双向充电装置人机界面单元与AC/DC、DC/DC单元双向联通，将预置指令信号下发给AC/DC单元，AC/DC单元通过指令电流运算单元通过数据处理产生指令电流，各脉冲驱动装置和同步脉冲发生装置工作，经过数据处理产生同步信号，调制PWM脉宽，用以驱动AC/DC单元的IGBT器件，产生电压波形，将输出直流电压达到额定电压即：输出直流电压就是装置给超级电容充电的实时电压，随着给超级电容充电输出电压会不断升高，通过控制达到额定电压，就是装置给超级电容充电完成的上限电压。输入侧电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈到指令单元，形成闭环反馈，稳定输出直流电压为恒定值。DC/DC单元三组并联方式运行，为3组独立H桥方式，共用低电位，实现并联冗余功能，通过指令电流运算单元通过数据处理产生指令电流，形成各脉冲驱动装置和同步脉冲发生装置，经过数据处理产生同步信号，同时驱动3组H桥，对其进行调制PWM脉宽调制驱动。采用恒流充电方式，输出电压随之升高，通过输出侧的总电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈到指令单元，形成闭环反馈，修正调制PWM脉宽，保持恒流充电，直至达到预置的充电电压上限阈值。3组H桥输出侧的电流互感器检测信号，反馈到反馈到指令单元，通过调制3组H桥的均流性，同时当任意H桥异常时，自动均流输出，不影响双向充电系统的正常使用。

其中，指令电流是控制系统发出的指令信号，去驱动各脉冲驱动装置，就是通过弱电控制强电方式将信号级指令信号放大，然后驱动装置去驱动IGBT开关占比。同步脉冲发生装置就是根据指令电流实现各个脉冲信号的同步。

人机界面中根据需求的指令，通过指令运算产生需要的驱动信号。产生的驱动信号去驱动IGBT的通断，可以恒流的方式达到需要的电压值。

3)当需要降低超级电容电压或者维护放电时，人机界面单元设置输出电压和电流值，电流值设定为负值，可以实现超级电容能量回馈电网。通过通讯方式下发给DC/DC单元，按照设定的预置条件对超级电容组放电，采用恒流充电方式进行放电管理，将超级电容能量回馈至电网，安全、节能。

再次参见附图4所示，电压调节器就是将设定的电压和电压检测反馈回来计算的值进行修正，目的就是能够保证按照设定的要求输出，即输出值与设定值相同。

将电压有效值PI调节后的值，其实是信号级的，通过幅值计算环节，实时下发给下一个环节，幅值计算就是按照给定的信号，通过功放比例比如1：100等比例转换成。

保护模块主要是根据输出侧检测的电压、电流值给保护模块，当检测与装置设定值差别大时将输出信号切断，避免装置因为过压、过流等损坏。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，包括：

充电AC/DC单元、DC/DC单元及人机界面单元，AC/DC单元输入侧与电网相连，所述AC/DC单元和DC/DC单元直流侧串联，DC/DC单元输出侧接超级电容；

所述AC/DC单元将三相交流电转换为直流电压，为DC/DC单元提供恒定的直流母线电压；

所述人机界面单元根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发至DC/DC单元；

所述DC/DC单元按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈至人机界面单元，进行实时监控充电功率。

2.如权利要求1所述的一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，所述DC/DC单元包括3组并联冗余运行的H桥结构，3组H桥结构共用低电位。

3.如权利要求1所述的一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，还包括设置在AC/DC单元输入侧的电流互感器以及设置在AC/DC单元输出侧的电压互感器，输入侧电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号作为反馈信号，形成闭环反馈，以使AC/DC单元稳定输出直流电压为恒定值。

4.如权利要求1所述的一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，所述AC/DC单元的输入侧三相有并联电容高频吸收回路，所述高频吸收回路输入侧依次串联有KM2交流接触器、电抗器、输入采样电流互感器及三相整流单元，所述三相整流单元并联至电容C1；

KM1交流接触器与限流电阻串联后与KM2交流接触器并联；

优选的，所述AC/DC单元在初始工作时，KM1交流接触器闭合，经过限流电阻，输入电抗器，再经过输入采样电流互感器，通过反向并联二极管对三相整流单元进行被动整流，当电容C1母线电压升至第一设定值时，吸合KM2交流接触器，将限流回路旁路，同时断开KM1交流接触器；

当C1两端母线电压升至第二设定值时，通过PWM整流方式将母线电压提高，维持直流母线电压，保持直流侧工作电压恒定。

5.如权利要求1所述的一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，所述DC/DC单元输入侧经过3组H桥结构，所述DC/DC单元高压端输出侧分别通过电感L1～L3、输出采样电流互感器、总输出电流互感器后给超级电容组充或放电。

6.一种动态电压恢复器双向充电方法，其特征是，包括：

根据超级电容容量和充电时间要求，设置输出电压和电流值，通过通讯方式下发至DC/DC单元；

DC/DC单元按照设定的预置条件对超级电容充电，同时将超级电容的实时电压和充电电流反馈至人机界面单元，进行实时监控充电功率。

7.如权利要求6所述的一种动态电压恢复器双向充电方法，其特征是，所述AC/DC单元将三相交流电通过PWM整流方式，转换为直流电压；通过双向变换，采用四象限PWM技术，实现能量双向流动。

8.如权利要求1所述的一种动态电压恢复器双向充电装置，其特征是，所述DC/DC单元通过PWM斩波双向变换方式，根据充放电需求，实时调整输出电压、电流，实现对超级电容可控充放电管理；

优选的，所述DC/DC单元输出电压根据不同的超级电容设定不同的充电电压上限阀值，根据超级电容的电压需求对IGBT器件进行斩波，采用斩波方式输出电压不高于输出侧电压。

9.如权利要求6所述的一种动态电压恢复器双向充电方法，其特征是，所述DC/DC单元充电时间计算方式为：

T：充电时间；U2：充电上限电压；U1：充电起始电压；I：充电电流。

优选的，所述人机界面单元针对人机界面单元输入参数通过数据处理产生指令电流，经过数据处理产生同步信号，同步信号用于调制PWM脉宽，用以驱动AC/DC单元的开关器件，产生电压波形；

将输出直流电压达到的额定电压，输入侧电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈至人机界面单元，形成闭环反馈，稳定输出直流电压为恒定值；

优选的，所述人机界面单元通过数据处理产生指令电流，经过数据处理产生同步信号，同时驱动3组H桥，对其进行调制PWM脉宽调制驱动；

所述DC/DC单元采用恒流充电方式，输出电压随之升高，通过输出侧的总电流互感器检测信号和输出侧电压检测信号，反馈到人机界面单元，形成闭环反馈，修正调制PWM脉宽，保持恒流充电，直至达到预置的充电电压上限阈值。

10.如权利要求7所述的一种动态电压恢复器双向充电方法，其特征是，当需要降低超级电容电压或者维护放电时，人机界面单元设置输出电压和电流值，电流值设定为负值，通过通讯方式下发给DC/DC单元，按照设定的预置条件对超级电容组放电，采用恒流充电方式进行放电管理，将超级电容能量回馈至电网。

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