CN1362769A - 电容储能电源 - Google Patents

Abstract

一种为冲击性负载设计的专用电源,其特征是:电容储能装置将直流电源上的能量(如:P=600瓦,t=10秒)转移到电容器组上,在需要时突然向冲击性负载释放能量(如:P=21.5千瓦、t=0.2秒)。结果使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小。最终全面降低了成套直流电源屏的功率配置和能量储备。它在发电厂和变电站的直流系统中可作为合闸、发电机起励及其它冲击性负载的电源,也适用于其他需要提供瞬时大能量的场合。

Description

电容储能电源

电容储能电源的所属技术领域是电力系统，主要应用于发电厂、变电站的直流系统中。

在直流系统中存在一种特殊的负载——冲击性负载，其特点是：工作时间极短(几百毫秒以内)，功率却很大(1千瓦至几十千瓦)。如高、低压断路器的合闸及跳闸操作、自并励发电机起励等即属此类。电容储能电源就是用于驱动冲击性负载的专用电源。这类负载中尤以高压断路器的合闸操作实现难度最大，因此，本文仅以高压断路器的合闸操作为例，以CD12型电磁操作机构为实验对象，对电容储能电源加以说明。为了叙述的方便，假设实验对象是用于220伏的直流系统中。

成套直流电源屏一般都配置了专用的合闸电源，以便为电磁操作机构提供足够的合闸动能。长期以来，合闸电源都是采用直接输出方式。

直接输出方式

即合闸过程中电源与合闸线圈之间发生了直接的电气连接，也即由直流电源直接承受冲击电流的工作方式。现以CD12型电磁操作机构为例，查得其合闸线圈的主要技术数据如下：

    合闸时间：t＝0.2秒

    合闸电压：U＝220伏

    合闸电流：I＝97.5安

                       ——《水电站机电设计手册》电气二次  水利电力出版社

据此，知其合闸消耗能量

         W＝Pt＝UIt＝220伏×97.5安×0.2秒＝4.29千焦

为了便于比较，再以一节普通R20锌锰干电池为例，求其储存的全部能量，其主要数据为

         公称容量：Q＝1.2安时

         电压：U＝1.5伏

据此，知其存储能量

    W＝Pt＝1.5伏×1.2安×3600秒＝6480焦＝6.48千焦

我们惊奇地发现，高压断路器合闸耗能居然不足一节普通干电池的能量。那么，直流屏的实际能量配置为多大呢？，以湖南长沙电工厂的GZ-23/GNG-1-20/220型直流屏为例，其蓄电池的数据为：

    输出电压：U＝220伏

蓄电池容量：Q＝20安时

        ——《产品说明书》GZ-23/GN电力系统用镉镍直流系统电源屏长沙电工厂

据此推得储存能量

         W＝Pt＝UIt＝220伏×20安×3600秒＝15840000焦＝15840千焦

这一结果是CD12型电磁操作机构合闸耗能的3692.3倍，它们的悬殊是如此之大，为了获得不足一节干电池的能量，竟使用了能量数千倍于它的蓄电池组，不仅如此，为了保障大容量蓄电池组的正常使用，附属的充电设备和监控设备的也达到了相当的规格。在合闸电源中一般还配置了数十千瓦级的三相硅整流合闸电源。毫无疑问，这些是极端不合理的，是严重的配匹失当现象。由此看来，在合闸电源的能量储备与合闸线圈的能量消耗之间，需要找到新的平衡点。

为什么长期以来合闸电源的能量储备远大于实际需要？原来，合闸线圈合闸过程中不仅有能量的需求，还有储备功率的需求。对于CD12型电磁操作机构，其合闸线圈的合闸功率为

    P＝UI＝220伏×97.5安＝21.45千瓦

数值表明，合闸功率相当大。这么大的功率在直流系统中是绝无仅有的，在常规负载(包括事故负载)仅有数百瓦至数千瓦之间的情况下，最大负载激增至数十千瓦级，增加幅度达十至数十倍。这就要求成套直流电源屏必须有足够的功率储备，方能满足合闸需要。这就导致了前述的合闸电源能量储备配匹失当的现象。也导致实际应用中昂贵的设备完成极短暂的合闸任务后就长期闲置或使用率低下的现象。长期以来，人们已经为此付出了高昂的代价。

上述问题迫使我们寻求解决的办法，其实，这完全可以办到。只要在直流电源上采用间接输出技术。

间接输出技术

即在直流电源与合闸线圈之间加入电容储能电源，也即直流电源不承受冲击电流的新的工作方式。新方式的核心部分是电容器，我们将要利用它的两个特性：

1电荷存储作用——有别于蓄电池，无须任何维护管理、且寿命几乎是半永久性的储能形式。

2可瞬时释放全部能量——一项将蓄电池远远抛在后面的特性。

利用第一个特性，用相对较长的时间(如：10秒)从直流电源上以较小的功率(如：600瓦)向电容器充电并储存起来，等待合闸命令。

利用第二个特性，在接到合闸命令后，用相对极短的时间(几百毫秒)由电容器向合闸线圈突然释放大功率(可达数十千瓦)的能量达到合闸目的，随即转入储能待令状态。

实际上，在成套直流电源屏与冲击性负载之间，电容器起到了电流缓冲和功率增强的作用。因此，正确选择电容器致关重要。对于CD12型电磁操作机构，如前所述：

    合闸能耗：W＝4.29千焦

    合闸电压：U＝220伏

由此可得电容器合闸所需的电容值

结果表明，电容值很大，实际值将比理论值更大一些，不过，由于现代生产技术的突飞猛进，已经有电容值很大，成本较低的电解电容器投放市场，单只电容值可达几万微法甚至几法拉。实用中为了使成本更低，采用多只较小的电容串并联以达到需要的数值，这样的电容器组成本可以更低。

最终的目标

综上所述，在直流系统中，成套直流电源屏的功率配置必须考虑冲击性负载的需要，传统上直流电源采用直接输出方式，使通常仅有数百瓦至数千瓦级的功率配置不得不提高到数十千瓦级，并导致能量储备远远超过了实际需要。然而冲击性负载的实际能量消耗很小且使用率极低。造成设计制造和运行维护中出现很大的浪费。电容储能电源采用了间接输出技术，从而解决了这一难题。提出电容储能电源的根本目的在于：全面降低成套直流电源屏的功率配置和能量储备，使之符合实际需要。

结构与原理

电容储能电源包括电容储能装置与电容器组，电容储能装置是电容储能电源的控制部分。它的的作用是将直流电源上的能量有效地转移到电容器组中加以储存。为了使之发挥正常效能，采用附图1所示的接线，电容储能装置提供了四个外接端子，依次为输入端正极①、输出端正极②、公共负极③、使能控制端④。

电容储能装置输入端①与公共端③经开关K1接至直流操作小母线+KM、-KM上，取得了工作电源，在输出端②与公共端③之间连接着电容器组，电容器组则连接各路冲击负载，其中一路经开关K2连接在断路器合闸母线+HM、-HM上，另一路通过K3连接在其它冲击负载上。

通过使能控制端④可以在机外控制电容储能装置的启动与停止，便于配合微机设备实现程序控制，改变其工作时间或控制其电压上限值即可获得不同的输出电压以适应不同的冲击性负载。

电容器组是由单只68000μF、160V的电解电容器通过串并联组合而成，供货单位：广东省朝阳市立星电气有限公司。电容器组的取值按最大的冲击负载(合闸线圈)的需要而定，为兼顾合闸功率更大的电磁操作机构，电容值可适当增大。如果知道实际应用的电磁操作机构型号，则电容值可针对该机构而定。限于实验条件，附图1所标电容值非最佳值。

电容储能装置实际是一只常见的开关电源，略有不同的是在开关变压器的初级采用恒流控制，整体则是恒功率输出。基本构成有输入电路、电容器均压电路、辅助开关电源、脉宽调制器、功率推动和功率开关电路、电流采样电路、开关变压器及输出电路、自动启停电路、电容器组放电电路、指示灯电路共十个部分，见附图2所示的电容储能装置原理接线图。下面对照附图2逐一说明。

1输入电路  在电源输入端接入了熔断器保护和软开机电路。打开电源开关K接通外部电源，经熔断器DR，即进入软开机电路。在接通电源的瞬间，由于电容储能装置存在大电容，将出现冲击电流。一般软开机电路的过度时间太长，不适应本装置。本电路则在电容的充电回路中串入限流电阻R2抑制冲击电流，当电容充电即将进入稳态时，接于辅助开关电源输出端的继电器J自动短接限流电阻R2保证正常供电。

2电容均压电路  将来自输入端的220伏的单电压变换为功率开关电路需要的正、负对称电压。由一对1000μF、250V的电解电容串联而成，另由一对22KΩ的电阻来平衡电压的微量不等、一对1μF聚丙烯电容来降低电源高频内阻。

3辅助开关电源  该电源为5W、12V的一体化微型开关电源，为SG3525A控制芯片供电。产品出自中日合资上海三基电子工业有限公司，是SANKI系列微型开关电源之一。

4脉宽调制器  其PWM控制芯片采用SG3525A，它是一只16脚IC芯片，SG3525A及其外围电路组成脉宽调制器，其工作原理是：当电源接通后，此芯片内部的三角波振荡器起振，其频率由接于5、6脚的电容Ct、电阻Rt决定。同时，从外部反馈回来的信号在内部误差比较器与2脚设定的基准电压相比较检出误差信号，再经内部比较器与三角波相比较产生调制脉冲串，该脉冲被处理成互为反相的两路脉宽调制信号分别由11、14脚输出，推动后级功率电路，从而控制整个开关电路的协调运作。

5功率推动和功率开关电路  功率推动电路为组成半桥的两只功率管提供驱动电压。半桥功率开关电路采用两只功率场效应管组成。驱动信号来自SG3525A的11、14脚，通过隔离变压器B1将驱动信号耦合至Q1、Q2功率管。

6电流采样电路  将开关变压器初级电流信号反馈至脉冲调制器以形成闭环电流自动控制。电流互感器LH将开关变压器B2初级电流信号送至整流桥ZL变换成直流电压，该电压经C1滤波后，通过电位器W、阻容补偿电路加至SG3525A的1脚，通过内部误差比较器与2脚的设定电压相比较，所得的误差信号将对脉冲调制器的输出脉宽进行修正，从而保证开关变压器初级电流的恒定。调整W可对电流值进行设定。

7开关变压器及输出电路  开关变压器B2采用PQ50型磁性材料，工作频率可选100kHz。输出电路实际是两组并联的全波整流电路，可以增大负荷能力。

8自动启停电路  判断输出端电容器组的端电压是否充电至要求值，以控制电容储能装置的启动与停止。在输出端由稳压二极管DW1、DW2及电阻R3组成的串联电路中，当外接电容器组充电达到要求的电压值后，两只稳压二极管导通，从电阻R3上就得到了我们需要的关断信号，该信号被送至SG3525A的10脚关断控制端。该脚电压只要高于0.8伏，即可关闭输出脉冲，电容储能装置停止工作。并且当电容器组的端电压稍有降低，导致10脚电压降低时，电容储能装置重新启动。因此，任何因素(包括冲击性负载工作)造成电容器组的端电压降低，都会迅速恢复，根据需要，恢复时间可以不大于10秒。此外，装置的外接端子④通过二极管D4连接在自动启停电路上，它是电容储能装置的外接使能控制端。

9电容器组放电电路  考虑到实用中当电容储能装置退出工作时，可能在电容器组上存在电压，出于安全目的，将电容器组上的电荷泄放掉。电源开关K是一只双刀双掷开关，当它处于关闭位置时，将外部的电容器组与泄放电阻R1接通，达到泄放目的。

10指示灯电路  为便于了解电容储能装置的工作状态，加入了两只发光二极管，LED1是电源指示灯，LED2是充电指示灯。当LED2熄灭时，表明电容器组充电完毕。该灯的驱动电流取自于SG3 525A的11、14脚功率推动端。

重要提示：

1对于110伏直流系统，附图2元件参数和电路形式应作适当调整。

2电容储能装置一般不允许空载；

3电容器组的平均充电电流不大，但充电初期的电流却很大，开关变压器的次级及整流二极管应有足够的电流裕量；

附图2电容储能装置的主要技术标准：

输入电压：170～320伏

最大输入电流：3.6安

输出功率：600瓦

输出电压：0～280伏

使能控制端输入电平：5伏(低电平有效)

实施关键：

1电容器组向冲击性负载放电过程也是端电压跌落的过程，因此，根据负载性质的不同，其充电电压可适当提高，实用中可取：

    合闸电压为220伏时：300伏

    合闸电压为110伏时：150伏

    自并励发电机起励：起励电压的120％

2在断路器有重合闸要求的场合，可安装两套电容储能电源相互配合使用，当其中一套处于电压恢复期时，则另一套处于储能待令状态，从而保证输出连续。

3对于少数能量需求特别大的电磁操作机构如CD6-G型、其电容储能电源应专门设计。

深远的影响

电容储能电源对直流系统产生的直接作用是：

1使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小。大功率的冲击性负载(20千瓦以上)如同小功率的常规负载(如：600瓦)。因此，直流系统的最大负荷便由常规负载决定，一般在数百瓦至数千瓦之间。降低了几倍至几十倍。

2  能量储备无需考虑冲击性负载的需要，只需考虑常规负载的需要。而常规负载无瞬时大能量的需求，因此，蓄电池容量可降低几倍至十几倍。

以上特点首先反映在成套直流电源屏的设计制造上，将出现以下重大变革：

1功率配置全面降低，由数十千瓦级下降到数千瓦级；

2全面淘汰或更新体积大、笨重、耗能的设备，主要有：

(1)大功率三相硅整流合闸电源纯属多余，将其淘汰。全套包括三相变压器、三相整流桥、附属的监控和保护装置；

(2)大容量的蓄电池组换之以小容量的蓄电池组；

(3)蓄电池组充电设备与监控管理设备的技术规格随蓄电池组的小型化同比下降。

3整体将实现小型化、精巧化、轻量化、节能型。

此外，电容储能电源的影响也体现在实际运行中，主要是：

1蓄电池组容量配匹符合实际需要，利用率大幅提高。

2蓄电池组以及充电装置的小型化，使之在长期运行中节约了可观的电能。

3没有了冲击电流，使得蓄电池组获得了相对较长的使用寿命；

4蓄电池组的小型化为我们节约了可观的使用成本。实际的蓄电池组一般以3～5年为周期报废更新，电容储能电源使我们避免了对昂贵的大容量蓄电池组进行反复投资。

以上充分说明，我们在直流系统的控制技术上又向前迈进了一大步，可以预见，电容储能电源将引起成套直流电源屏的一次革命。

Claims (1)

1. 为了提出恰当的权利要求，需要分析电容储能电源与现有技术的技术特性。二者的共同特点是：电源都是取自于成套直流电源屏上的直流电源；负载都是冲击性负载。

   在现有的技术条件下，冲击性负载在工作时只能与直流电源在电气上直接相连，是原始的接线方式。但问题是：冲击性负载虽然能量消耗很少且使用率极低，但功率一般都很大，因此，直流电源的功率配置与能量储备只能大幅增加。

   采用电容储能电源，上述问题就不复存在。其特征是：

   1电容储能装置将直流电源上的能量转移到电容器组上，在需要时突然向冲击性负载释放能量；

   2存储能量在数千焦以上，能输出瞬时大功率；

   3不使冲击性负载与直流电源发生直接连通，因而直流电源不存在冲击电流。具有电流缓冲作用；

   4使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小。因而直流电源的功率不需要那么大，但照样能驱动冲击性负载。具有功率增强作用。

   因此，电容储能电源具有一定的实用价值。

   (1)电容储能电源及其组成部件电容储能装置；

   (2)为了适应不同的冲击性负载，根据上述电容储能电源的技术特征对其功率大小和电路形式进行过调整的电容储能电源；

   (3)为了实际需要，将组成部件分散布置到实施本技术的设备上的电容储能电源；

   (4)根据上述电容储能电源的技术特征而派生的“电容储能合闸电源”、“电容储能起励电源”、“电容储能跳闸电源”……诸如此类针对特定的冲击性负载，有具体适用对象的装置或系列装置；

   5本范围1～4项产品的用途及制造方法。

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