專利名稱：一種基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置及其供電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電站設(shè)備電源供電技術(shù)范疇和超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)范疇，特別是指一種效率高、重量輕、占用空間小、可直接安裝在高壓開關(guān)柜上、不需要作日常維護(hù)、能夠長(zhǎng)期獨(dú)立工作的基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置及其供電方法，由其適用于開閉所。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)大規(guī)模城網(wǎng)的建設(shè)和改造工程的不斷深入，IOkV開閉所作為IOkV配電網(wǎng)中的重要設(shè)施，在具有一定負(fù)荷密度的城市中壓配電網(wǎng)中的地位越來越重要。高層建筑和大型公共建筑的不斷涌現(xiàn)使城市功能越來越趨向完善和復(fù)雜化。電力用戶對(duì)配電網(wǎng)的可靠性及靈活性提出了更高的要求。建好IOkV開閉所，對(duì)構(gòu)建IOkV城鎮(zhèn)配電網(wǎng)主網(wǎng)架，提高配電網(wǎng)的供電能力，有著舉足輕重的作用。加強(qiáng)對(duì)配電網(wǎng)的控制，提高配電網(wǎng)運(yùn)行及調(diào)度的靈活性，從而大大提高整個(gè)配電網(wǎng)供電的可靠性。有了一定數(shù)量的開閉所。可實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，部分城網(wǎng)設(shè)備檢修時(shí)，可以進(jìn)行運(yùn)行方式的調(diào)整，做到設(shè)備檢修時(shí)用戶不停電；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)。開閉所可發(fā)揮其操作靈活的優(yōu)勢(shì)，迅速隔離故障單元，減小停電范圍。目前，大多的開閉所采用的是交流操作電源，其一般是從現(xiàn)場(chǎng)PT柜內(nèi)電壓互感器(PT)上取電，如JDZW2-12W型電壓互感器(PT)，變比是10/0. 22kV，容量達(dá)1200VA，瞬間容量可達(dá)3000VA，時(shí)間可達(dá)30ms，再如自帶熔絲(XRNP-10/0. 5A)保護(hù)型的JDZRW2-12W2， 長(zhǎng)期使用容量為300VA，短期使用容量為800VA，最大容量為960VA，類似的還有JDZC-10、 JDZF8-10、JDZX8-10電壓比均可以為10000/100/220，容量達(dá)1000VA,最大可以做到 2000VA。這種方式電源比較容易獲取，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，維護(hù)費(fèi)用低，實(shí)施簡(jiǎn)單，而缺點(diǎn)是系統(tǒng)失掉電后交流操作電源會(huì)同時(shí)斷掉，開閉所運(yùn)行可靠性不高，其對(duì)PT的要求會(huì)比較高，感性負(fù)載的操作會(huì)影響到系統(tǒng)一次側(cè)供電質(zhì)量，且不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不能滿足大容量開閉所的操作需要，送電與故障時(shí)不能保證線路保護(hù)的正確動(dòng)作。另一種交流供電方式是交流操作電源引自就近的配變站，這種方式基本不會(huì)影響到自己系統(tǒng)的一次側(cè)供電質(zhì)量，但會(huì)增加線路長(zhǎng)度和設(shè)備投資、維護(hù)的工作量也會(huì)相應(yīng)的增加，再者現(xiàn)在開閉所很多都是無人值班的，且遠(yuǎn)離住宅區(qū)，線路敷設(shè)問題不好解決，建造費(fèi)用大幅上升；如果從架空線公用變上獲取，安全及可靠性又得不到保證。還有很多開閉所采用的是直流操作電源，這種情況下開閉所需配備由蓄電池組成的直流屏，其能能存儲(chǔ)較大的電能而實(shí)現(xiàn)停電后較長(zhǎng)時(shí)間的直流供給，如PZDK-BG01壁掛式直流屏，其輸出電流為0 6安培，電池容量為220伏/7 M安時(shí)。然而開閉所實(shí)際上并不需要停電后長(zhǎng)時(shí)間的直流供給，考慮到要保證事故分閘的可靠性而使用了這樣的設(shè)備， 會(huì)帶來很高的運(yùn)營(yíng)成本，而且需要經(jīng)常的維護(hù)保養(yǎng)，電池的使用壽命也不長(zhǎng)。另外故障率也因電池的多節(jié)串聯(lián)而增加(任何一節(jié)電池有問題，都將影響整個(gè)蓄電池組的照常工作。)從環(huán)保角度來講，它不是一種綠色能源。超級(jí)電容器是近幾年才發(fā)展起來的一種專門用于儲(chǔ)能的特種電容器，有著法拉級(jí)的超大電容量，比傳統(tǒng)的電解電容器的積能密度高上百倍，漏電流小近千倍，它的放電比功率較蓄電池高近十倍，不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長(zhǎng)達(dá)十年以上，是一種理想的大功率物理二次電源，已成功的用作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源，電動(dòng)車的起步、加速、爬坡電源，高壓開關(guān)的分合閘操作電源及用于電傳動(dòng)裝甲車和大型充磁設(shè)備中。超級(jí)電容的主要特點(diǎn)歸納為(1)充電速度快，充電10秒 10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；( 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年，沒有“記憶效應(yīng)” ；(3)大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率彡90% ； (4)功率密度高，可達(dá)300W/KG 5000W/KG，相當(dāng)于電池的5 10倍；( 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；(6)充放電線路簡(jiǎn)單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)； (7)超低溫特性好，溫度范圍寬-40°C +70°C;(8)檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出；(9)容量范圍通常0. IF-IOOOF0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)中開閉操作電源的供電技術(shù)不能滿足使用需求，可靠性及環(huán)保性有待提高。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置，設(shè)置在電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器與直流負(fù)載之間，所述電站直流電源裝置包括電源模塊和儲(chǔ)能模塊， 電源模塊由整流調(diào)理子模塊、恒功率充電子模塊、電流返送電路組成，儲(chǔ)能模塊由電容儲(chǔ)能子模塊、充放電控制子模塊、余電釋放子模塊組成；電流返送電路為一反向耐壓1000V的二極管，所述二極管最大持續(xù)導(dǎo)通電流10A，電源模塊設(shè)有一個(gè)輸入端端口 0，和兩個(gè)輸出端端口 1和端口 2，儲(chǔ)能模塊設(shè)有連接端口 端口 3，其中端口 0連接電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器輸出端，端口 1連接直流負(fù)載，端口 2連接儲(chǔ)能模塊的端口 3，端口 0與整流調(diào)理子模塊的輸入端相連，整流調(diào)理子模塊輸出端與恒功率充電子模塊輸入端及端口 1相連，恒功率充電子模塊輸出端與端口 2相連，端口 2經(jīng)電流返送電路與電源模塊端口 1相連，二極管的方向?yàn)閺亩丝?2指向端口 1，儲(chǔ)能模塊的端口 3與充放電控制子模塊的輸入端相連，充放電控制子模塊的輸出端與電容儲(chǔ)能子模塊的輸入端相連，電容儲(chǔ)能子模塊的輸出端與余電釋放子模塊的輸入端相連，所述的電容儲(chǔ)能子模塊由η個(gè)超級(jí)電容和η組平衡均壓電路組成，超級(jí)電容串聯(lián)， η組平衡均壓電路分別與η個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)，第1個(gè)超級(jí)電容的正端作為電容儲(chǔ)能子模塊的正極，第η個(gè)超級(jí)電容的負(fù)端作為電容儲(chǔ)能子模塊的負(fù)極。所述充放電控制子模塊由電壓門限電路和開關(guān)執(zhí)行部件組成，電壓門限電路由電壓門限檔位切換開關(guān)、分壓電路、工作電源、基準(zhǔn)電壓、電壓比較器和執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)組成，工作電源接入分壓電路和基準(zhǔn)電壓電路，切換開關(guān)接入分壓電路，分壓電路和基準(zhǔn)電壓接入電壓比較器，電壓比較器輸出端接入執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路接入開關(guān)執(zhí)行部件；其中執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)由大功率二極管、多個(gè)P溝道MOSFET并聯(lián)組成，所述多個(gè)P溝道 MOSFET的G極、D級(jí)、S級(jí)分別并聯(lián)連接，開關(guān)執(zhí)行部件的共同S極端口與電容儲(chǔ)能子模塊相連，開關(guān)執(zhí)行部件的共同D極端口與開關(guān)電源供應(yīng)器相連，電壓門限電路有兩級(jí)門限檔位， 通過電壓門限檔位切換開關(guān)進(jìn)行切換。
所述的余電釋放子模塊由放電開關(guān)和mXn個(gè)電阻組成，η個(gè)電阻串聯(lián)為一組，m組串聯(lián)電阻再并聯(lián)，得到電阻陣，放電開關(guān)與所述電阻陣串聯(lián)，放電開關(guān)和電阻陣不相連的一端分別為余電釋放子模塊的兩個(gè)電極。使用上述基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置的供電方法為，電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器輸出交流電源，輸入電源模塊，由整流調(diào)理子模塊進(jìn)行整流和升壓，輸出電壓穩(wěn)定的直流電；所述直流電分別輸入恒功率充電子模塊和直流負(fù)載，恒功率充電子模塊經(jīng)充放電控制子模塊控制電容儲(chǔ)能子模塊進(jìn)行充電，充滿電后電容儲(chǔ)能子模塊處于充電保持狀態(tài)，在直流負(fù)載用電需求短時(shí)增大且超過了整流調(diào)理輸出模塊最大輸出功率的情況下，電源模塊和儲(chǔ)能模塊共同給直流負(fù)載供電；當(dāng)電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器斷電時(shí)，儲(chǔ)能模塊將儲(chǔ)存的電能經(jīng)充放電控制子模塊由電流返送電路返送到端口 1，給直流負(fù)載供電；充放電控制子模塊設(shè)有高低兩個(gè)電壓門限，由檔位切換開關(guān)進(jìn)行切換，當(dāng)儲(chǔ)能模塊的電壓低于充放電控制子模塊的高電壓門限時(shí)，由充放電控制子模塊關(guān)斷電容儲(chǔ)能子模塊的放電回路，停止對(duì)直流負(fù)載供電，此時(shí)如將電壓門限檔位切換開關(guān)切到低電壓門限檔位，則電容儲(chǔ)能子模塊將繼續(xù)對(duì)外供電，直至電容儲(chǔ)能子模塊的電壓低于設(shè)定的低電壓門限；電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器供電恢復(fù)后，恒功率充電子模塊立即經(jīng)充放電控制子模塊開始對(duì)儲(chǔ)能模塊充電，充滿后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直至下一個(gè)充放電周期。本發(fā)明克服現(xiàn)有開閉所操作電源供電技術(shù)存在的不足，提供了一種不需從其他配變站外接電源、通過高壓開關(guān)柜PT 二次側(cè)供電而不會(huì)影響系統(tǒng)一次側(cè)供電質(zhì)量的電站操作電源用直流電源裝置及供電方法。本直流電源裝置基于超級(jí)電容儲(chǔ)能，作為開閉所負(fù)載和保護(hù)動(dòng)作的應(yīng)急電源，正常使用情況下能給多數(shù)開閉所負(fù)載提供工作電源，也可以在系統(tǒng)失電后30毫秒內(nèi)，給保護(hù)裝置和電站設(shè)備提供備用應(yīng)急直流電源，其使用壽命長(zhǎng)，效率高、重量輕、占用空間小、可直接安裝在高壓開關(guān)柜上、不需要作日常維護(hù)、能夠長(zhǎng)期獨(dú)立工作。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是1)電源裝置由電源模塊和儲(chǔ)能模塊兩個(gè)獨(dú)立模塊組成。電源模塊由整流調(diào)理輸出子模塊、恒功率充電子模塊、電流返送電路組成。儲(chǔ)能模塊由電容儲(chǔ)能子模塊、充放電控制子模塊、余電釋放子模塊組成。本發(fā)明的模塊少，集成度高，兩個(gè)獨(dú)立模塊可以采用標(biāo)準(zhǔn)的19英寸高度機(jī)箱，與保護(hù)設(shè)備一起屏柜安裝，體積比市場(chǎng)上任何一種直流電源產(chǎn)品都小很多，不只為用戶節(jié)約設(shè)備建設(shè)成本，而且可以節(jié)約寶貴的城市場(chǎng)地占用成本。2)本發(fā)明電源裝置解決開閉所正常負(fù)載運(yùn)行和應(yīng)急電源供給問題，相比其他供電方式，具有穩(wěn)定可靠、體積小巧的特點(diǎn)。因開閉所數(shù)量眾多和分布廣闊，老的供電方式多需要人員定期維護(hù)和檢修，耗費(fèi)大量的人力投入，本發(fā)明電源裝置采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，并對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)和控制電路，可做到免維護(hù)運(yùn)行。本發(fā)明電源裝置第一次把超級(jí)電容技術(shù)應(yīng)用到開閉所和類似電站環(huán)境，并且采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高壓220V儲(chǔ)能，直接給負(fù)載供電，避免中間電壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，大大提高裝置可靠性。本發(fā)明拋棄傳統(tǒng)的供電方法，解決了多年來困擾開閉所供電的問題，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。3)本發(fā)明采用基于超級(jí)電容的直流電源相比采用交流操作電源，具有節(jié)約投資， 不受電力系統(tǒng)布線建設(shè)條件和安全因素的影響，且能保證在外部系統(tǒng)斷電的情況，仍然能保持應(yīng)急供電，且在下次系統(tǒng)上電時(shí)能保障合間與三相短路故障的情況下保護(hù)裝置能夠保護(hù)正確動(dòng)作。相比交流操作電源，還具有一次系統(tǒng)電壓質(zhì)量不受二次系統(tǒng)負(fù)載影響的特點(diǎn)。4)電源裝置采用整流調(diào)理輸出子模塊從開閉所一次PT 二次側(cè)直接取電，并通過恒功率充電子模塊直接對(duì)強(qiáng)電220V電容儲(chǔ)能子模塊充電，配合充放電控制子模塊合理分配釋放電容組的存儲(chǔ)容量，保證系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)的應(yīng)急用電供給?？梢匀〈鷱倪h(yuǎn)端配電站取電模式，降低開閉所對(duì)外界供電系統(tǒng)的依賴，節(jié)約建設(shè)成本并可減少用電危險(xiǎn)?；脙?chǔ)能模塊因?yàn)榧闪顺浞烹娍刂?、?chǔ)能電容組、余電釋放等功能。具備適用于絕大多數(shù)開閉所變電站負(fù)載容量的儲(chǔ)能容量，在供電方法上，還具有充放電門限自動(dòng)關(guān)閉和打開功能，保證電源裝置能在系統(tǒng)故障停電后保存足夠的能量，在系統(tǒng)再次送電時(shí)保障保護(hù)裝置的正常動(dòng)作。余電釋放功能保障在安裝調(diào)試和檢修時(shí)保護(hù)人身使用安全。6)電源模塊因?yàn)榧缮龎汉驼鳌⒑愎β食潆娨约半娏鞣此偷裙δ?。具備適用于絕大多數(shù)開閉所變電站的功率輸出和充電功能，同時(shí)具有過載保護(hù)、負(fù)載功耗檢測(cè)和儲(chǔ)能電能自動(dòng)切換反送功能。電源模塊可以直接給開閉所負(fù)載供電，并與儲(chǔ)能模塊配套使用，具備電站應(yīng)急電源的完整功能。7)整流調(diào)理輸出子模塊采用雙相交錯(cuò)CCM PFC電路技術(shù)，用于輸出最大1500W的最大功率，同時(shí)可以在輸入端得到幾乎純凈的正弦電流波形，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生任何干擾和額外負(fù)擔(dān)，不會(huì)影響系統(tǒng)一次側(cè)供電質(zhì)量，充分考慮了變電站應(yīng)用對(duì)可靠性的要求。8)恒功率充電子模塊采用高性能固定頻率電流模式控制器UC3843作為主控芯片，具備恒流恒壓輸出的同時(shí)具備隔離功能，并具有過功率保護(hù)特性，即使在充電電容出現(xiàn)短路故障的條件下，利用其良好的隔離特性不會(huì)影響系統(tǒng)供電的正常輸出。9)電容儲(chǔ)能子模塊采用超級(jí)電容組和均壓保護(hù)電路構(gòu)建成強(qiáng)電直流220V儲(chǔ)能模塊，恰當(dāng)?shù)膬?chǔ)能容量，能保證多數(shù)開閉所的應(yīng)急使用，并使得模塊的體積更加符合大多數(shù)開閉所的使用情況，節(jié)約安裝空間?？焖俪潆娦阅芎痛箅娏鞣烹娞匦允沟弥绷麟娫吹膽?yīng)急特性更強(qiáng)。均壓保護(hù)電路的應(yīng)用使得直流電源的穩(wěn)定性更高，具有單個(gè)電容損壞不影響整體使用性能的容錯(cuò)功能，且能做到免維護(hù)使用。10)充放電控制子模塊設(shè)置了 180V和140V兩級(jí)門限檔位的電壓門限電路，避免在PT失電后電容儲(chǔ)能子模塊全部放電，保障電容儲(chǔ)能子模塊留有足夠的能量，確保合閘送電與系統(tǒng)故障情況下能給保護(hù)裝置和斷路器提供足夠的工作能量，至少保證系統(tǒng)在合閘于故障時(shí)保護(hù)裝置和斷路器能夠在0. 5秒之內(nèi)快速正常動(dòng)作一次。同時(shí)避免了像直流屏那樣在PT斷電后仍對(duì)直流負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間的不必要的直流供給，減少儲(chǔ)能模塊的設(shè)計(jì)容量，進(jìn)一步降低成本，同時(shí)節(jié)約能源；開關(guān)執(zhí)行部件采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)的方式，能開斷高達(dá)IOA及以上的220V高壓直流電，取代如歐姆龍的G9EB-1這樣的DC功率繼電器，使用MOSFET的成本僅為使用DC功率繼電器的十分之一，而且MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路的功耗比DC功率繼電器線圈功耗小，不到0. 1W，進(jìn)一步減少了直流電源裝置的自身損耗。11)在對(duì)電站內(nèi)斷路器進(jìn)行合閘或分閘操作時(shí)，直流負(fù)載會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)大電流，此時(shí)在整流調(diào)理輸出子模塊輸出功率不足的情況下，電容儲(chǔ)能子模塊與整流調(diào)理輸出子模塊會(huì)共同給直流負(fù)載供電，由于超級(jí)電容有大電流放電能力超強(qiáng)的特性，故不會(huì)造成整流調(diào)理輸出子模塊過載或PT過載等情況，安全可靠。12)所述基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置設(shè)有余電釋放子模塊，較之于直流屏， 它不需要借助外部設(shè)備就能將電容儲(chǔ)能模塊中的余電釋放掉，充分考慮了進(jìn)行裝置維護(hù)時(shí)的安全性和易操作性。


圖1是本發(fā)明的直流電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的整流調(diào)理輸出模塊電路圖。圖3是本發(fā)明的恒功率充電子模塊電路圖。圖4是本發(fā)明的電容儲(chǔ)能子模塊電路框圖。圖5是本發(fā)明的充放電控制子模塊電路圖。圖6是本發(fā)明的余電釋放子模塊電路框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出具體實(shí)施例，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1所示，基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置設(shè)置在電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器與直流負(fù)載之間，所述電站直流電源裝置包括電源模塊和儲(chǔ)能模塊，電源模塊由整流調(diào)理子模塊、恒功率充電子模塊、電流返送電路組成，儲(chǔ)能模塊由電容儲(chǔ)能子模塊、充放電控制子模塊、余電釋放子模塊組成；電流返送電路為一反向耐壓1000V的二極管，所述二極管最大持續(xù)導(dǎo)通電流10A，電源模塊設(shè)有一個(gè)輸入端端口 0，和兩個(gè)輸出端端口 1和端口 2，儲(chǔ)能模塊設(shè)有連接端口 端口 3，其中端口 0連接電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器輸出端， 端口 1連接直流負(fù)載，端口 2連接儲(chǔ)能模塊的端口 3，端口 0與整流調(diào)理子模塊的輸入端相連，整流調(diào)理子模塊輸出端與恒功率充電子模塊輸入端及端口 1相連，恒功率充電子模塊輸出端與端口 2相連，端口 2經(jīng)電流返送電路與電源模塊端口 1相連，二極管的方向?yàn)閺亩丝?2指向端口 1，儲(chǔ)能模塊的端口 3與充放電控制子模塊的輸入端相連，充放電控制子模塊的輸出端與電容儲(chǔ)能子模塊的輸入端相連，電容儲(chǔ)能子模塊的輸出端與余電釋放子模塊的輸入端相連，所述的電容儲(chǔ)能子模塊由η個(gè)超級(jí)電容和η組平衡均壓電路組成，超級(jí)電容串聯(lián)， η組平衡均壓電路分別與η個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)，第1個(gè)超級(jí)電容的正端作為電容儲(chǔ)能子模塊的正極，第η個(gè)超級(jí)電容的負(fù)端作為電容儲(chǔ)能子模塊的負(fù)極。如圖2所示，整流調(diào)理輸出子模塊采用雙相交錯(cuò)CCM PFC技術(shù)，主芯片PFC控制器為TI公司的UCC28070，UCC28070的端口 14 (GDA)通過雙高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器TC4427AC 與兩個(gè)MOSFET相連，UCC28070的端口 17 (GDB)通過雙高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器TC4427AC與兩個(gè)MOSFET相連。具體工作原理為輸入交流電壓經(jīng)扼流線圈LF1、LF2濾波后由整流橋 BDl全波整流，由電感Li、電感L2、MOSFET管Ql Q4、二極管Dl、二極管D2組成雙相交錯(cuò) PFC電路完成升壓功能；互感器CT1、CT2組成電流取樣回路；由R7、R8、R22組成輸出電壓檢測(cè)回路，通過主控制器UCC28070誤差比較放大實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓；以變壓器Tl和VIPER22A 芯片IC8為主要器件構(gòu)成輔助源電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主芯片的供電。如圖3所示，恒功率充電子模塊由MOSFET管Ql、MOSFET管Q2、變壓器Τ2、二極管 D10、二極管Dll組成單端反激電路；電阻R38、電阻R39完成輸出電流取樣，取樣信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器IC3放大處理后經(jīng)光耦PCl隔離傳輸至原邊主控制芯片UC3843的引腳1，完成閉環(huán)PWM控制；以變壓器Τ3和VIPER22A芯片IC2為主要器件構(gòu)成輔助源電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)主芯片
8的供電。如圖4所示，電容儲(chǔ)能子模塊由η個(gè)超級(jí)電容和η組平衡均壓電路組成，超級(jí)電容1的負(fù)端接超級(jí)電容2的正端、超級(jí)電容2的負(fù)端接超級(jí)電容3的正端，以此類推，超級(jí)電容η-1的負(fù)端接超級(jí)電容η的正端，平衡均壓電路1與超級(jí)電容1并聯(lián)、平衡均壓電路2 與超級(jí)電容2并聯(lián)，以此類推，平衡均壓電路η與超級(jí)電容η并聯(lián)，超級(jí)電容1的正端作為電容儲(chǔ)能子模塊端口的正極，超級(jí)電容η的負(fù)端作為電容儲(chǔ)能子模塊端口的負(fù)極。由于開閉所大多不會(huì)超過4臺(tái)機(jī)組(斷路器、儲(chǔ)能電機(jī)及配套的保護(hù)裝置)，所以電容儲(chǔ)能子模塊的設(shè)計(jì)容量將參照4臺(tái)機(jī)組同時(shí)動(dòng)作一次的能耗來設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，開閉所內(nèi)一臺(tái)機(jī)組的一次操作平均工作電流約1. 2Α，工作時(shí)間3. 6s (示波器讀數(shù))，即平均每次能耗約 220X 1. 2X3. 6S ^ 950J，四臺(tái)機(jī)組都操作一次則能耗約為3800J，根據(jù)設(shè)備工作電壓不低于額定工作電壓的80%考慮，則有3800J = 1/2XCX (2 202-(2 20 X 80% )2) 得出 C 0. 436F因此，將電容儲(chǔ)能子模塊設(shè)計(jì)0. 6F/250V的規(guī)格足以滿足開閉所用電需求。據(jù)此， 超級(jí)電容選用60F/2. 7V的規(guī)格，2. 7V的額定電壓在串聯(lián)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降壓處理，通常以2. 5V為計(jì)算值，單體超級(jí)電容的個(gè)數(shù)η也相應(yīng)計(jì)算得出 模塊電壓=單體電容電壓X單體電容數(shù)量模塊電壓=250V= 2. 5VX 100 只即 η = 100模塊可短時(shí)承受的最高電壓U Max > 270V模塊電容量=單體電容容量/單體電容數(shù)量模塊電容量=60F/100= 0. 6F模塊滿電時(shí)總儲(chǔ)能量=0.5X模塊電容量X(模塊電壓)2= 0. 5X0. 6FX250V2= 18. 75kJ平衡均壓電路主要采用了電壓探測(cè)器驅(qū)動(dòng)MOS管的通斷來實(shí)現(xiàn)平衡均壓，選用的電壓探測(cè)器的發(fā)覺電壓要與單體電容的額定電壓相等或略低。如圖5所示，充放電控制子模塊由電壓門限電路、開關(guān)執(zhí)行部件組成，電壓門限電路有電壓門限檔位切換開關(guān)Si，由RR3、RR4、RR11、RR12組成的分壓電路，主要由7812實(shí)現(xiàn)的工作電源，由RR13、RR14實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)電壓，選用UA741作為電壓比較器，由RR8、RR9、 RRlO和Ql組成的執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)；開關(guān)執(zhí)行部件由大功率二極管VDl和多個(gè)P溝道MOSFET 管Q2 Q4并聯(lián)組成，多個(gè)P溝道MOSFET的G極并聯(lián)連接，多個(gè)P溝道MOSFET的D極并聯(lián)連接，多個(gè)P溝道MOSFET的S極并聯(lián)連接，開關(guān)執(zhí)行部件的共同S極端口(DC+)與電容儲(chǔ)能子模塊相連，開關(guān)執(zhí)行部件的共同D極端口(DC+’)與開關(guān)電源供應(yīng)器相連，電壓門限電路有兩級(jí)門限檔位，其中高電壓設(shè)定值檔位用于正常工作模式，低電壓設(shè)定值檔位用于應(yīng)急情況下供電，具體設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而定，通常高電壓設(shè)定值檔位設(shè)在180V 190V之間、低電壓設(shè)定值檔位設(shè)在140V左右，值的設(shè)定通過調(diào)整分壓電路的個(gè)電阻的阻值實(shí)現(xiàn)， 電阻也可用調(diào)壓器替代，這樣調(diào)節(jié)比較方便，只是會(huì)造成產(chǎn)品出廠調(diào)試麻煩一些，需要逐個(gè)調(diào)整調(diào)壓器的阻值，通過電壓門限檔位切換開關(guān)(Si)進(jìn)行檔位切換。如圖6所示，余電釋放子模塊由放電開關(guān)、多個(gè)電阻(11、12……mn)組成，其中放電開關(guān)的一端(A)作為余電釋放子模塊的端口的一極(一般作為正極)，放電開關(guān)通過若干電阻的一端(B)作為余電釋放子模塊的端口的另一極(一般作為負(fù)極)，電阻采用串聯(lián)、 并聯(lián)方式結(jié)合。為了保證放電發(fā)熱不會(huì)影響到電容儲(chǔ)能子模塊的正常工作，余電釋放子模塊的功率和放電速度需要做一個(gè)綜合的考慮，通過調(diào)研和對(duì)用戶溝通，認(rèn)為五分鐘左右將充滿電的電容儲(chǔ)能子模塊電壓降低到安全電壓以下是一個(gè)可以承受的時(shí)間長(zhǎng)度，這樣同時(shí)為避免余電釋放子模塊短時(shí)間發(fā)熱過大贏得了時(shí)間，本直流電源裝置的余電釋放子模塊采用了 96只1. 5KQ/3ff的金屬膜電容，組成了 mXn = 4X24的電阻矩陣，組合后的總電阻為 250 Ω左右，余電釋放時(shí)的最大電流不超過1Α，每個(gè)電阻的最大功耗為2. 5W，平均功耗約為 1W,試驗(yàn)證明，其滿足設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明的基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置的供電方法是從電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器(PT)輸入的交流電源，由整流調(diào)理輸出模塊完成整流和升壓功能，輸出電壓穩(wěn)定的直流電；恒功率充電子模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)電容儲(chǔ)能子模塊的快速充電功能和隔離功能(避免電容短路故障對(duì)系統(tǒng)的破壞)，同時(shí)避免在電源輸入接通過程中很大的瞬態(tài)電流對(duì)電網(wǎng)的影響；在PT輸入正常情況下，整流調(diào)理輸出模塊端口 1輸出高穩(wěn)定度的直流電源給電機(jī)儲(chǔ)能和信號(hào)引導(dǎo)等直流負(fù)載使用，整流調(diào)理輸出模塊端口 2對(duì)電容儲(chǔ)能子模塊實(shí)時(shí)充電， 充滿電后電容儲(chǔ)能子模塊處于充電保持狀態(tài)，在負(fù)載用電需求短時(shí)增大且超過了整流調(diào)理輸出模塊最大輸出功率的情況下，整流調(diào)理輸出模塊和電容儲(chǔ)能子模塊會(huì)共同給直流負(fù)載供電；PT斷電后，電容儲(chǔ)能子模塊可立即將儲(chǔ)存的電能經(jīng)充放電控制子模塊反送到所述基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置的出口給直流負(fù)載供電，直至電容儲(chǔ)能子模塊的電壓低于充放電控制子模塊的電壓門限檔位切換開關(guān)的高檔位設(shè)定值時(shí)，由充放電控制子模塊關(guān)斷電容儲(chǔ)能子模塊的放電回路，停止對(duì)直流負(fù)載供電；如將電壓門限檔位切換開關(guān)切到低檔位，電容儲(chǔ)能子模塊將繼續(xù)對(duì)外供電，直至電容儲(chǔ)能子模塊的電壓低于電壓門限檔位切換開關(guān)的低檔位設(shè)定值；PT供電恢復(fù)后，恒功率充電子模塊立即經(jīng)充放電控制子模塊開始對(duì)電容儲(chǔ)能子模塊充電，充滿后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直至下一個(gè)充放電周期。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在高壓開關(guān)柜的電壓互感器上取電的電站直流操作電源，基于超級(jí)電容儲(chǔ)能，其可直接安裝在開關(guān)柜上，不需額外增加電站空間，具有瞬時(shí)輸出功率大、效率高、可靠性高、免維護(hù)、體積小、成本低等特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置，其特征是設(shè)置在電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器與直流負(fù)載之間，所述電站直流電源裝置包括電源模塊和儲(chǔ)能模塊，電源模塊由整流調(diào)理子模塊、恒功率充電子模塊、電流返送電路組成，儲(chǔ)能模塊由電容儲(chǔ)能子模塊、充放電控制子模塊、余電釋放子模塊組成；電流返送電路為一反向耐壓1000V的二極管，所述二極管最大持續(xù)導(dǎo)通電流10A，電源模塊設(shè)有一個(gè)輸入端端口 0，和兩個(gè)輸出端端口 1和端口 2，儲(chǔ)能模塊設(shè)有連接端口 端口 3，其中端口 0連接電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器輸出端， 端口 1連接直流負(fù)載，端口 2連接儲(chǔ)能模塊的端口 3，端口 0與整流調(diào)理子模塊的輸入端相連，整流調(diào)理子模塊輸出端與恒功率充電子模塊輸入端及端口 1相連，恒功率充電子模塊輸出端與端口 2相連，端口 2經(jīng)電流返送電路與電源模塊端口 1相連，二極管的方向?yàn)閺亩丝?2指向端口 1，儲(chǔ)能模塊的端口 3與充放電控制子模塊的輸入端相連，充放電控制子模塊的輸出端與電容儲(chǔ)能子模塊的輸入端相連，電容儲(chǔ)能子模塊的輸出端與余電釋放子模塊的輸入端相連，所述的電容儲(chǔ)能子模塊由η個(gè)超級(jí)電容和η組平衡均壓電路組成，超級(jí)電容串聯(lián)，η組平衡均壓電路分別與η個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)，第1個(gè)超級(jí)電容的正端作為電容儲(chǔ)能子模塊的正極，第η個(gè)超級(jí)電容的負(fù)端作為電容儲(chǔ)能子模塊的負(fù)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置，其特征是所述充放電控制子模塊由電壓門限電路和開關(guān)執(zhí)行部件組成，電壓門限電路由電壓門限檔位切換開關(guān)、 分壓電路、工作電源、基準(zhǔn)電壓、電壓比較器和執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)組成，工作電源接入分壓電路和基準(zhǔn)電壓電路，切換開關(guān)接入分壓電路，分壓電路和基準(zhǔn)電壓接入電壓比較器，電壓比較器輸出端接入執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路接入開關(guān)執(zhí)行部件；其中執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)由大功率二極管、多個(gè)P溝道MOSFET并聯(lián)組成，所述多個(gè)P溝道MOSFET的G極、D級(jí)、S 級(jí)分別并聯(lián)連接，開關(guān)執(zhí)行部件的共同S極端口與電容儲(chǔ)能子模塊相連，開關(guān)執(zhí)行部件的共同D極端口與開關(guān)電源供應(yīng)器相連，電壓門限電路有兩級(jí)門限檔位，通過電壓門限檔位切換開關(guān)進(jìn)行切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置，其特征是所述的余電釋放子模塊由放電開關(guān)和mXn個(gè)電阻組成，η個(gè)電阻串聯(lián)為一組，m組串聯(lián)電阻再并聯(lián)， 得到電阻陣，放電開關(guān)與所述電阻陣串聯(lián)，放電開關(guān)和電阻陣不相連的一端分別為余電釋放子模塊的兩個(gè)電極。
4.一種使用如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置的供電方法，其特征是電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器輸出交流電源，輸入電源模塊，由整流調(diào)理子模塊進(jìn)行整流和升壓，輸出電壓穩(wěn)定的直流電；所述直流電分別輸入恒功率充電子模塊和直流負(fù)載，恒功率充電子模塊經(jīng)充放電控制子模塊控制電容儲(chǔ)能子模塊進(jìn)行充電，充滿電后電容儲(chǔ)能子模塊處于充電保持狀態(tài)，在直流負(fù)載用電需求短時(shí)增大且超過了整流調(diào)理輸出模塊最大輸出功率的情況下，電源模塊和儲(chǔ)能模塊共同給直流負(fù)載供電；當(dāng)電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器斷電時(shí)，儲(chǔ)能模塊將儲(chǔ)存的電能經(jīng)充放電控制子模塊由電流返送電路返送到端口 1，給直流負(fù)載供電；充放電控制子模塊設(shè)有高低兩個(gè)電壓門限，由檔位切換開關(guān)進(jìn)行切換，當(dāng)儲(chǔ)能模塊的電壓低于充放電控制子模塊的高電壓門限時(shí)，由充放電控制子模塊關(guān)斷電容儲(chǔ)能子模塊的放電回路，停止對(duì)直流負(fù)載供電，此時(shí)如將電壓門限檔位切換開關(guān)切到低電壓門限檔位，則電容儲(chǔ)能子模塊將繼續(xù)對(duì)外供電，直至電容儲(chǔ)能子模塊的電壓低于設(shè)定的低電壓門限；電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器供電恢復(fù)后，恒功率充電子模塊立即經(jīng)充放電控制子模塊開始對(duì)儲(chǔ)能模塊充電，充滿后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直至下一個(gè)充放電周期。
全文摘要
一種基于超級(jí)電容的電站直流電源裝置及供電方法，設(shè)置在電站高壓開關(guān)柜的電壓互感器與直流負(fù)載之間，所述電站直流電源裝置包括電源模塊和儲(chǔ)能模塊，電源模塊由整流調(diào)理子模塊、恒功率充電子模塊、電流返送電路組成，儲(chǔ)能模塊由電容儲(chǔ)能子模塊、充放電控制子模塊、余電釋放子模塊組成。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在高壓開關(guān)柜的電壓互感器上取電的電站直流操作電源，基于超級(jí)電容儲(chǔ)能，其可直接安裝在開關(guān)柜上，不需額外增加電站空間，具有瞬時(shí)輸出功率大、效率高、可靠性高、免維護(hù)、體積小、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J9/04GK102355042SQ20111027320
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者沈宏平, 馬如明, 黃水生 申請(qǐng)人:南京天溯自動(dòng)化控制系統(tǒng)有限公司