CN202978409U - 基于超级电容的动力ups系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于超级电容的动力UPS系统，包括整流器、逆变器、双向DC/DC变换器、储能系统。储能系统由超级电容器组、超级电容均衡电路和CMS组成。整流器用于将输入配电的交流电压转换成高压直流电压，并为逆变器提供电源；逆变器用于将前端的高压直流电压转换成满足负载使用要求的交流电压；整流器通过双向DC-DC变换器对储能系统进行充电和浮充电。本实用新型以超级电容器为储能单元，采用在线并联热备方式，弥补动力设备在电网晃电期间造成的电力能源缺口。本实用新型在低温条件下（极限温度-40℃）仍能正常工作，具有体积小、免维护、寿命长、功率性强、可靠性高等特点，可以满足大功率的瞬时供电要求。

Description

基于超级电容的动力UPS系统
技术领域
本实用新型涉及一种在线式动力不间断电源装置，特别涉及一种在线式交直流动力不间断电源系统。
背景技术
现代工业生产对电的质量要求越来越高，从连续供电到稳压稳频供电，从改善功率因数到抗电磁干扰。随着用户用电量越来越大，大量的现代控制手段不断被采用，如：变频调速器，IGBT等，这些现代手段对瞬间电网的状态反应十分敏感，不允许电源电压大幅下降。某些关键设备的意外终止对于连续运转的生产企业是致命的，除了会造成严重的经济损失，有时甚至会引发重大的安全事故。诸如，高度连续化生产线如化纤聚酯生产中，任何瞬间的停机都会造成生产的巨大损失；化肥生产中，造粒喷头电机的停机就会堵塞喷嘴；高压聚乙烯生产中，反应釜控制电机的停机将造成重大事故；高稳定性场合如超大规模集成电路的加工、重要的计算机机房及程控机机房控制等，计算机机房的瞬时停机将造成硬盘数据的丢失。总之在关键及重要场合、绝对不能瞬间停电。
目前，晃电也是最为常见、危害最大的电能质量问题之一。晃电是指供电电压出现突然下降又在较短时间内恢复的现象，其持续时间一般为0.5～1.5秒。引起晃电的原因通常是输电线路的瞬间短路或大功率设备的突然启动造成的。具有发生的随机性大，持续时间短的特点，由此可能出现在输电、用电等多个环节，并很难确定每次晃电的故障原因。目前晃电已成为高度连续化生产企业需要应对的主要的电力故障之一。
通常，企业会在关键任务中部署备用电源系统，以确保如服务器、电信设备、生产线等关键设备的连续供电。但是在柴油发电机、微型涡轮发电机、蓄电池等供电设备中，只有蓄电池可以在出现供电故障时立即启动，而其他设备则需要数秒至一分钟的启动时间。根据统计数据显示，90%以上的供电故障及干扰持续不到一秒钟，但却相对频繁。使用蓄电池作为备用电源的储能系统，虽然可以解决关键设备的意外终止或“晃电”现象，但是在实际应用中蓄电池寿命衰减严重，且维护成本高，另外受环境温度影响大。
实用新型内容
针对上述现有技术，本实用新型提供一种基于超级电容的动力UPS系统，以超级电容器组为储能单元，利用超级电容器高功率、高安全、寿命长、免维护、无污染、能提供快速的能量释放等优点，并采用在线并联热备方式弥补动力设备在电网晃电期间造成的电力能源缺口，从而克服电网晃电的不良现象。
为了解决上述技术问题，本实用新型基于超级电容的动力UPS系统予以实现的技术方案是：包括整流器、逆变器、双向DC/DC变换器和储能系统；所述整流器用于将输入配电的交流电压转换成高压直流电压，并为逆变器提供电源；所述逆变器用于将前端的高压直流电压转换成满足负载使用要求的交流电压；所述储能系统由超级电容器组C、超级电容均衡电路及超级电容器管理系统CMS组成；所述超级电容器组C包括若干个并联的超级电容器子系统构成，每个超级电容器子系统由若干支超级电容器单体串联构成；所述超级电容均衡电路由一个旁路开关和一均衡电阻构成；每个超级电容器单体均分别并联有一超级电容均衡电路；所述超级电容器管理系统CMS至少包括超级电容器电压监控系统、超级电容器电流监控系统、超级电容器温度监控系统、超级电容器过压过流保护系统和通讯显示系统；所述双向DC-DC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、稳压电感L、滤波电容CL和限流电阻R；其中：开关管Q1和开关管Q2采用内部带有反向体二极管的开关管；所述开关管Q1的输入端连接至电源US的正极，所述开关管Q1的输出端连接至所述开关管Q2的输入端；所述开关管Q2的输出端连接至电源US的负极；所述滤波电容CL并联在电源US上；所述限流电阻R串联在所述超级电容器组C的正极和稳压电感L之间，所述稳压电感L的另一端连接至所述开关管Q1和开关管Q2之间的连线上；所述超级电容器组C的负极连接至电源US的负极；所述整流器通过所述双向DC-DC变换器对所述储能系统进行充电和浮充电。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型以超级电容器组为储能单元的动力不间断电源，采用在线并联热备方式，弥补动力设备在电网晃电期间造成的电力能源缺口。
以超级电容器组为储能单元，在低温条件下（极限温度-40℃）仍能正常工作，并具有免维护、寿命长（高达10年以上）、功率性强的特点，可以满足大功率的瞬时供电要求。
另外，其中还包括一双向DC/DC变换器，可以解决超级电容器组限流充电和系统稳压放电的问题，从而减少电路分立元件的数量，系统结构紧凑、体积小、可靠性高。
本实用新型能有效的克服电网“晃电”或电网“闪络”的现象，可广泛应用于化纤、化工、电力、石油、电子、制药、新能源等大、中型连续化生产企业。
附图说明
图1是本实用新型基于超级电容的动力UPS系统的原理框图；
图2是本实用新型中双向DC/DC变换器的结构图；
图3是本实用新型超级电容器组的联结方式图；
图4是本实用新型超级电容均衡电路原理图；
图5是本实用新型基于超级电容的动力UPS系统的正常工作状态时储能电原理图；
图6是本实用新型基于超级电容的动力UPS系统的处于后备运行状态时释放能量电原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。
如图1所示，本实用新型基于超级电容的动力UPS系统，包括：整流器、逆变器、双向DC/DC变换器和储能系统。所述整流器用于将输入配电的交流电压转换成高压直流电压，并为逆变器提供电源，系统正常工作运行时，整流器通过双向DC-DC变换器对储能系统进行充电和浮充电。所述逆变器是将前端的高压直流电压转换成满足负载使用要求的交流电压的转换器。该直流电压正常工作运行下来自整流器的输出，后备运行期间来自储能系统的放电过程。而储能系统在电网晃电期间、以及倒闸操作期间使UPS系统继续运行。
如图2所示，所述双向DC-DC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、稳压电感L、滤波电容CL和限流电阻R；其中：开关管Q1和开关管Q2采用内部带有反向体二极管的开关管；所述开关管Q1的输入端连接至电源US的正极，所述开关管Q1的输出端连接至所述开关管Q2的输入端；所述开关管Q2的输出端连接至电源US的负极；所述滤波电容CL并联在电源US上；所述限流电阻R串联在所述超级电容器组C的正极和稳压电感L之间，所述稳压电感L的另一端连接至所述开关管Q1和开关管Q2之间的连线上；所述所述超级电容器组C的负极连接至电源US的负极。如图1所示，所述整流器通过所述双向DC-DC变换器对所述储能系统进行充电和浮充电。当系统处于正常工作状态时，所述开关管Q1加载驱动信号，开关管Q2不加驱动信号；开关管Q1驱动信号为高电平时，所述开关管Q1导通，所述开关管Q2正向截止，所述开关管Q2中的反向体二极管导通；所述整流器输出电压直接加在稳压电感L上，稳压电感L储存能量，开关管Q1驱动信号为低电平时，所述开关管Q1截止，稳压电感L释放能量，电感电流流过限流电阻R,超级电容器组C和开关管Q2中的反向体二极管形成的环路,实现为超级电容器组C充电；当系统处于后备运行状态时，所述开关管Q1不加驱动信号，所述开关管Q1正向截止，所述开关管Q1的反向体二极管导通，当所述开关管Q2驱动信号为高电平时，所述开关管Q2导通，所述超级电容器组C作为电源直接加在稳压电感L上，稳压电感L储能，当所述开关管Q2驱动信号为低电平时，所述开关管Q2截止，稳压电感L储存的能量和超级电容器组C一起对外放电，此时双向DC-DC变换器的输出电压为超级电容器组C电压与稳压电感L电压之和，从而为所述逆变器提供能量。本实用新型使用双向DC-DC变换器根据系统的工作状态实现自动切换储能电路的工作模式，当UPS系统处于正常运行状态时，储能电路工作在BUCK模式，超级电容器组C处于限流充电状态；当UPS系统处于后备运行状态时，储能电路工作在BOOST模式，超级电容器组C对负载稳压放电。本实用新型可以减少电路分立元件的数量，使系统结构紧凑，可靠性提高。
所述储能系统由超级电容器组C、超级电容均衡电路及超级电容器管理系统CMS组成。
由于超级电容单体的耐压值比较小，而对于储能系统来说，由GB/T19826-2005——《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》中规定，动力UPS应能够达到稳定“动力母线电压最大变化范围为：（87.5%～112.5%）直流系统标称电压”，所以实际应用中需要使用多个超级电容单体进行串、并联组成超级电容组以达到合适的容量及耐压值。
如图3所示，本实用新型中的所述超级电容器组C包括若干个并联的超级电容器子系统构成，每个超级电容器子系统由若干支超级电容器单体串联构成，如图3，由超级电容器单体C11、C12…C1n串联组成的超级电容器子系统C1，由超级电容器单体C21、C22…C2n串联组成的超级电容器子系统C2，…，由超级电容器单体Cm1、Cm2…Cmn串联组成的超级电容器子系统Cm,然后超级电容器子系统C1,C2,…,Cm并联组成超级电容器组模块。
而由于生产过程中材质及工艺等原因，即使同一型号的超级电容单体也会存在一定的内阻、容量等参数的偏差。在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。为了提高储能效率，本实用新型中超级电容均衡电路采用开关电阻法，即，所述超级电容均衡电路由一个旁路开关和一均衡电阻构成；每个超级电容器单体均分别并联有一超级电容均衡电路；如图4，超级电容器单体C11和一个旁路开关S11、均衡电阻R11并联组成,超级电容器单体C12和一个旁路开关S12、均衡电阻R12并联组成,…,超级电容器单体C1n和一个旁路开关S1n、均衡电阻R1n并联组成,超级电容器单体C21和一个旁路开关S21、均衡电阻R21并联组成,超级电容器单体C22和一个旁路开关S22、均衡电阻R22并联组成,…,超级电容器单体C2n和一个旁路开关S2n、均衡电阻R2n并联组成,…,超级电容器单体Cm1和一个旁路开关Sm1、均衡电阻Rm1并联组成,超级电容器单体Cm2和一个旁路开关Sm2、均衡电阻Rm2并联组成,…,超级电容器单体Cmn和一个旁路开关Smn、均衡电阻Rmn并联组成,其中旁路开关S11、S12、...、S1n，S21、S22、...、S2n，...，Sm1、Sm2、...、Smn分别与超级电容器管理系统CMS相联，由超级电容器管理系统CMS控制通断。所述超级电容器管理系统CMS至少包括超级电容器电压监控系统、超级电容器电流监控系统、超级电容器温度监控系统、超级电容器过压过流保护系统和通讯显示系统；至于所述超级电容器管理系统CMS的匹配、选型等均属于本技术领域的公知常识，在此不再赘述。
当超级电容器管理系统CMS监控到超级电容器单体的工作电压达到给定的参考电压值，旁路开关S闭合，充电电流就会从均衡电阻上流过，使超级电容器单体上的电压不再上升或者上升速度大幅度下降。可根据充电电流的大小，选择合适的均衡电阻。该系统具有电压监控精度高，均衡效果好和可靠性高的优点。
UPS系统处于正常工作运行状态时，如图5所示：提供给负载的所有电力都经过整流器和逆变器的双重转换。整流器通过双向DC/DC变换器对储能系统进行浮充电以保持储能系统处于满充电状态。此时，双向DC/DC变换器可自动切换电路工作模式：BUCK模式，超级电容处于限流充电状态；超级电容器管理系统CMS动态监测超级电容器电压、电流、温度，并控制超级电容均衡电路中的旁路开关通断以使超级电容器单体快速达到均衡。
在电网晃电期间、以及倒闸操作期间，UPS系统自动切换为后备运行状态，如图6所示：储能系统无间断地切入，通过双向DC/DC变换器为逆变器提供直流电压，并经过逆变继续为负载供电。此时，双向DC/DC变换器可自动切换电路工作模式：BOOST模式，超级电容对负载稳压放电。UPS将持续运行到储能系统放电时间终止，或在输入配电恢复正常时回到正常运行方式。
尽管上面结合图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于超级电容的动力UPS系统，包括：整流器、逆变器、双向DC/DC变换器和储能系统；所述整流器用于将输入配电的交流电压转换成高压直流电压，并为逆变器提供电源；所述逆变器用于将前端的高压直流电压转换成满足负载使用要求的交流电压；
其特征在于：
所述储能系统由超级电容器组C、超级电容均衡电路及超级电容器管理系统CMS组成；所述超级电容器组C包括若干个并联的超级电容器子系统构成，每个超级电容器子系统由若干支超级电容器单体串联构成；所述超级电容均衡电路由一个旁路开关和一均衡电阻构成；每个超级电容器单体均分别并联有一超级电容均衡电路；
所述超级电容器管理系统CMS至少包括超级电容器电压监控系统、超级电容器电流监控系统、超级电容器温度监控系统、超级电容器过压过流保护系统和通讯显示系统；
所述双向DC-DC变换器包括开关管Q1、开关管Q2、稳压电感L、滤波电容CL和限流电阻R；其中：
开关管Q1和开关管Q2采用内部带有反向体二极管的开关管；所述开关管Q1的输入端连接至电源US的正极，所述开关管Q1的输出端连接至所述开关管Q2的输入端；所述开关管Q2的输出端连接至电源US的负极；所述滤波电容CL并联在电源US上；所述限流电阻R串联在所述超级电容器组C的正极和稳压电感L之间，所述稳压电感L的另一端连接至所述开关管Q1和开关管Q2之间的连线上；所述超级电容器组C的负极连接至电源US的负极；
所述整流器通过所述双向DC-DC变换器对所述储能系统进行充电和浮充电。
2.根据权利要求1所述基于超级电容的动力UPS系统，其特征在于，所述超级电容器单体为双电层电容器、赝电容、法拉第准电容和锂离子电容器中的一种。
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