專利名稱：基于超級電容的動力ups系統(tǒng)及其儲能方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在線式動力不間斷電源裝置，特別涉及一種在線式交直流動力不間斷電源系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對電的質量要求越來越高，從連續(xù)供電到穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電，從改善功率因數(shù)到抗電磁干擾。隨著用戶用電量越來越大，大量的現(xiàn)代控制手段不斷被采用，如變頻調速器，IGBT等，這些現(xiàn)代手段對瞬間電網(wǎng)的狀態(tài)反應十分敏感，不允許電源電壓大幅下降。某些關鍵設備的意外終止對于連續(xù)運轉的生產(chǎn)企業(yè)是致命的，除了會造成嚴重的經(jīng)濟損失，有時甚至會引發(fā)重大的安全事故。諸如，高度連續(xù)化生產(chǎn)線如化纖聚酯生產(chǎn)中，任何瞬間的停機都會造成生產(chǎn)的巨大損失；化肥生產(chǎn)中，造粒噴頭電機的停機就會堵塞噴嘴； 高壓聚乙烯生產(chǎn)中，反應釜控制電機的停機將造成重大事故；高穩(wěn)定性場合如超大規(guī)模集成電路的加工、重要的計算機機房及程控機機房控制等，計算機機房的瞬時停機將造成硬盤數(shù)據(jù)的丟失?？傊陉P鍵及重要場合、絕對不能瞬間停電。
目前，晃電也是最為常見、危害最大的電能質量問題之一?；坞娛侵腹╇婋妷撼霈F(xiàn)突然下降又在較短時間內恢復的現(xiàn)象，其持續(xù)時間一般為O. 5 I. 5秒。引起晃電的原因通常是輸電線路的瞬間短路或大功率設備的突然啟動造成的。具有發(fā)生的隨機性大，持續(xù)時間短的特點，由此可能出現(xiàn)在輸電、用電等多個環(huán)節(jié)，并很難確定每次晃電的故障原因。目前晃電已成為高度連續(xù)化生產(chǎn)企業(yè)需要應對的主要的電力故障之一。
通常，企業(yè)會在關鍵任務中部署備用電源系統(tǒng)，以確保如服務器、電信設備、生產(chǎn)線等關鍵設備的連續(xù)供電。但是在柴油發(fā)電機、微型渦輪發(fā)電機、蓄電池等供電設備中，只有蓄電池可以在出現(xiàn)供電故障時立即啟動，而其他設備則需要數(shù)秒至一分鐘的啟動時間。 根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，90%以上的供電故障及干擾持續(xù)不到一秒鐘，但卻相對頻繁。使用蓄電池作為備用電源的儲能系統(tǒng)，雖然可以解決關鍵設備的意外終止或“晃電”現(xiàn)象，但是在實際應用中蓄電池壽命衰減嚴重，且維護成本高，另外受環(huán)境溫度影響大。發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供一種基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)，以超級電容器組為儲能單元，利用超級電容器高功率、高安全、壽命長、免維護、無污染、能提供快速的能量釋放等優(yōu)點，并采用在線并聯(lián)熱備方式彌補動力設備在電網(wǎng)晃電期間造成的電力能源缺口，從而克服電網(wǎng)晃電的不良現(xiàn)象。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)予以實現(xiàn)的技術方案是包括整流器、逆變器、雙向DC/DC變換器和儲能系統(tǒng)；所述整流器用于將輸入配電的交流電壓轉換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源；所述逆變器用于將前端的高壓直流電壓轉換成滿足負載使用要求的交流電壓；所述儲能系統(tǒng)由超級電容器組C、超級電容均衡電路及超級電容器管理系統(tǒng)CMS組成；所述超級電容器組C包括若干個并聯(lián)的超級電容器子系統(tǒng)構成，每個超級電容器子系統(tǒng)由若干支超級電容器單體串聯(lián)構成；所述超級電容均衡電路由一個旁路開關和一均衡電阻構成；每個超級電容器單體均分別并聯(lián)有一超級電容均衡電路；所述超級電容器管理系統(tǒng)CMS至少包括超級電容器電壓監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器電流監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器溫度監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器過壓過流保護系統(tǒng)和通訊顯示系統(tǒng)；所述雙向DC-DC變換器包括開關管Q1、開關管Q2、穩(wěn)壓電感L、濾波電容Q和限流電阻 R ;其中開關管Ql和開關管Q2采用內部帶有反向體二極管的開關管；所述開關管Ql的輸入端連接至電源US的正極，所述開關管Ql的輸出端連接至所述開關管Q2的輸入端；所述開關管Q2的輸出端連接至電源US的負極；所述濾波電容Q并聯(lián)在電源US上；所述限流電阻R串聯(lián)在所述超級電容器組C的正極和穩(wěn)壓電感L之間，所述穩(wěn)壓電感L的另一端連接至所述開關管Ql和開關管Q2之間的連線上；所述超級電容器組C的負極連接至電源US的負極；所述整流器通過所述雙向DC-DC變換器對所述儲能系統(tǒng)進行充電和浮充電。
本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)的儲能方法是當系統(tǒng)處于正常工作運行狀態(tài)時，所述開關管Ql加載驅動信號，開關管Q2不加驅動信號；開關管Ql驅動信號為高電平時，所述開關管Ql導通，所述開關管Q2正向截止，所述開關管Q2中的反向體二極管導通； 所述整流器輸出電壓直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲存能量，開關管Ql驅動信號為低電平時，所述開關管Ql正向截止，穩(wěn)壓電感L釋放能量，電感電流流過限流電阻R，超級電容器組C和開關管Q2中的反向體二極管形成的環(huán)路，實現(xiàn)為超級電容器組C充電；當系統(tǒng)處于后備運行狀態(tài)時，所述開關管Ql不加驅動信號，所述開關管Ql正向截止，所述開關管Ql的反向體二極管導通，當所述開關管Q2驅動信號為高電平時，所述開關管Q2導通，所述超級電容器組C作為電源直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲能，當所述開關管Q2驅動信號為低電平時，所述開關管Q2截止，穩(wěn)壓電感L儲存的能量和超級電容器組C 一起對外放電，此時雙向DC-DC變換器的輸出電壓為超級電容器組C電壓與穩(wěn)壓電感L電壓之和， 從而為所述逆變器提供能量。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明以超級電容器組為儲能單元的動力不間斷電源，采用在線并聯(lián)熱備方式， 彌補動力設備在電網(wǎng)晃電期間造成的電力能源缺口。
以超級電容器組為儲能單元，在低溫條件下(極限溫度-40°c)仍能正常工作，并具有免維護、壽命長(高達10年以上)、功率性強的特點，可以滿足大功率的瞬時供電要求。
另外，其中還包括一雙向DC/DC變換器，可以解決超級電容器組限流充電和系統(tǒng)穩(wěn)壓放電的問題，從而減少電路分立元件的數(shù)量，系統(tǒng)結構緊湊、體積小、可靠性高。
本發(fā)明能有效的克服電網(wǎng)“晃電”或電網(wǎng)“閃絡”的現(xiàn)象，可廣泛應用于化纖、化工、 電力、石油、電子、制藥、新能源等大、中型連續(xù)化生產(chǎn)企業(yè)。


圖I是本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)的原理框圖2是本發(fā)明中雙向DC/DC變換器的結構圖3是本發(fā)明超級電容器組的聯(lián)結方式圖4是本發(fā)明超級電容均衡電路原理圖5是本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)時儲能電原理圖6是本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)的處于后備運行狀態(tài)時釋放能量電原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
如圖I所示，本發(fā)明基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)，包括整流器、逆變器、雙向 DC/DC變換器和儲能系統(tǒng)。所述整流器用于將輸入配電的交流電壓轉換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源，系統(tǒng)正常工作運行時，整流器通過雙向DC-DC變換器對儲能系統(tǒng)進行充電和浮充電。所述逆變器是將前端的高壓直流電壓轉換成滿足負載使用要求的交流電壓的轉換器。該直流電壓正常工作運行下來自整流器的輸出，后備運行期間來自儲能系統(tǒng)的放電過程。而儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)晃電期間、以及倒閘操作期間使UPS系統(tǒng)繼續(xù)運行。
如圖2所示，所述雙向DC-DC變換器包括開關管Ql、開關管Q2、穩(wěn)壓電感L、濾波電容CL和限流電阻R ;其中開關管Ql和開關管Q2采用內部帶有反向體二極管的開關管； 所述開關管Ql的輸入端連接至電源US的正極，所述開關管Ql的輸出端連接至所述開關管 Q2的輸入端；所述開關管Q2的輸出端連接至電源US的負極；所述濾波電容并聯(lián)在電源 US上；所述限流電阻R串聯(lián)在所述超級電容器組C的正極和穩(wěn)壓電感L之間，所述穩(wěn)壓電感L的另一端連接至所述開關管Ql和開關管Q2之間的連線上；所述所述超級電容器組C 的負極連接至電源US的負極。如圖I所示，所述整流器通過所述雙向DC-DC變換器對所述儲能系統(tǒng)進行充電和浮充電。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，所述開關管Ql加載驅動信號， 開關管Q2不加驅動信號；開關管Ql驅動信號為高電平時，所述開關管Ql導通，所述開關管 Q2正向截止，所述開關管Q2中的反向體二極管導通；所述整流器輸出電壓直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲存能量，開關管Ql驅動信號為低電平時，所述開關管Ql截止，穩(wěn)壓電感L釋放能量，電感電流流過限流電阻R，超級電容器組C和開關管Q2中的反向體二極管形成的環(huán)路，實現(xiàn)為超級電容器組C充電；當系統(tǒng)處于后備運行狀態(tài)時，所述開關管Ql不加驅動信號，所述開關管Ql正向截止，所述開關管Ql的反向體二極管導通，當所述開關管 Q2驅動信號為高電平時，所述開關管Q2導通，所述超級電容器組C作為電源直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲能，當所述開關管Q2驅動信號為低電平時，所述開關管Q2截止，穩(wěn)壓電感L儲存的能量和超級電容器組C 一起對外放電，此時雙向DC-DC變換器的輸出電壓為超級電容器組C電壓與穩(wěn)壓電感L電壓之和，從而為所述逆變器提供能量。本發(fā)明使用雙向DC-DC變換器根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)實現(xiàn)自動切換儲能電路的工作模式，當UPS系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，儲能電路工作在BUCK模式，超級電容器組C處于限流充電狀態(tài)；當UPS 系統(tǒng)處于后備運行狀態(tài)時，儲能電路工作在BOOST模式，超級電容器組C對負載穩(wěn)壓放電。 本發(fā)明可以減少電路分立元件的數(shù)量，使系統(tǒng)結構緊湊，可靠性提高。
所述儲能系統(tǒng)由超級電容器組C、超級電容均衡電路及超級電容器管理系統(tǒng)CMS 組成。
由于超級電容單體的耐壓值比較小，而對于儲能系統(tǒng)來說，由GB/ T19826-2005——《電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求》中規(guī)定，動力UPS應能夠達到穩(wěn)定“動力母線電壓最大變化范圍為(87. 5% 112. 5%)直流系統(tǒng)標稱電壓”，所以實際應用中需要使用多個超級電容單體進行串、并聯(lián)組成超級電容組以達到合適的容量及耐壓值。
如圖3所示，本發(fā)明中的所述超級電容器組C包括若干個并聯(lián)的超級電容器子系統(tǒng)構成，每個超級電容器子系統(tǒng)由若干支超級電容器單體串聯(lián)構成，如圖3，由超級電容器單體Cn、C12…Cln串聯(lián)組成的超級電容器子系統(tǒng)Cl，由超級電容器單體C21、C22…C2n串聯(lián)組成的超級電容器子系統(tǒng)C2，…，由超級電容器單體Cml、Cm^Cmn串聯(lián)組成的超級電容器子系統(tǒng)Cm，然后超級電容器子系統(tǒng)Cl，C2,…，Cm并聯(lián)組成超級電容器組模塊。
而由于生產(chǎn)過程中材質及工藝等原因，即使同一型號的超級電容單體也會存在一定的內阻、容量等參數(shù)的偏差。在串并聯(lián)使用時，單體電容器參數(shù)的分散性是制約其壽命和可靠性的主要因素。為了提高儲能效率，本發(fā)明中超級電容均衡電路采用開關電阻法，即， 所述超級電容均衡電路由一個旁路開關和一均衡電阻構成；每個超級電容器單體均分別并聯(lián)有一超級電容均衡電路；如圖4，超級電容器單體C11和一個旁路開關Sn、均衡電阻R11并聯(lián)組成，超級電容器單體C12和一個旁路開關S12、均衡電阻R12并聯(lián)組成，…，超級電容器單體Cln和一個旁路開關Sln、均衡電阻Rln并聯(lián)組成，超級電容器單體C21和一個旁路開關 S21、均衡電阻R21并聯(lián)組成，超級電容器單體C22和一個旁路開關S22、均衡電阻R22并聯(lián)組成，…，超級電容器單體C2n和一個旁路開關S2n、均衡電阻R2n并聯(lián)組成，…，超級電容器單體Cml和一個旁路開關Sml、均衡電阻Rml并聯(lián)組成，超級電容器單體Cm2和一個旁路開關 Sm2、均衡電阻Rm2并聯(lián)組成，…，超級電容器單體Cnm和一個旁路開關Smn、均衡電阻Rnm并聯(lián)組成，其中旁路開關Sn、S12.....Sln, S21, S22.....S2n, , Sml, Sm2.....Snm分別與超級電容器管理系統(tǒng)CMS相聯(lián)，由超級電容器管理系統(tǒng)CMS控制通斷。所述超級電容器管理系統(tǒng) CMS至少包括超級電容器電壓監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器電流監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器溫度監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器過壓過流保護系統(tǒng)和通訊顯示系統(tǒng)；至于所述超級電容器管理系統(tǒng)CMS的匹配、選型等均屬于本技術領域的公知常識，在此不再贅述。
當超級電容器管理系統(tǒng)CMS監(jiān)控到超級電容器單體的工作電壓達到給定的參考電壓值，旁路開關S閉合，充電電流就會從均衡電阻上流過，使超級電容器單體上的電壓不再上升或者上升速度大幅度下降。可根據(jù)充電電流的大小，選擇合適的均衡電阻。該系統(tǒng)具有電壓監(jiān)控精度高，均衡效果好和可靠性高的優(yōu)點。
UPS系統(tǒng)處于正常工作運行狀態(tài)時，如圖5所示提供給負載的所有電力都經(jīng)過整流器和逆變器的雙重轉換。整流器通過雙向DC/DC變換器對儲能系統(tǒng)進行浮充電以保持儲能系統(tǒng)處于滿充電狀態(tài)。此時，雙向DC/DC變換器可自動切換電路工作模式BUCK模式， 超級電容處于限流充電狀態(tài)；超級電容器管理系統(tǒng)CMS動態(tài)監(jiān)測超級電容器電壓、電流、溫度，并控制超級電容均衡電路中的旁路開關通斷以使超級電容器單體快速達到均衡。
在電網(wǎng)晃電期間、以及倒閘操作期間，UPS系統(tǒng)自動切換為后備運行狀態(tài)，如圖6 所示儲能系統(tǒng)無間斷地切入，通過雙向DC/DC變換器為逆變器提供直流電壓，并經(jīng)過逆變繼續(xù)為負載供電。此時，雙向DC/DC變換器可自動切換電路工作模式B00ST模式，超級電容對負載穩(wěn)壓放電。UPS將持續(xù)運行到儲能系統(tǒng)放電時間終止，或在輸入配電恢復正常時回到正常運行方式。
盡管上面結合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)，包括整流器、逆變器、雙向DC/DC變換器和儲能系統(tǒng)；所述整流器用于將輸入配電的交流電壓轉換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源；所述逆變器用于將前端的高壓直流電壓轉換成滿足負載使用要求的交流電壓； 其特征在于 所述儲能系統(tǒng)由超級電容器組C、超級電容均衡電路及超級電容器管理系統(tǒng)CMS組成；所述超級電容器組C包括若干個并聯(lián)的超級電容器子系統(tǒng)構成，每個超級電容器子系統(tǒng)由若干支超級電容器單體串聯(lián)構成；所述超級電容均衡電路由一個旁路開關和一均衡電阻構成；每個超級電容器單體均分別并聯(lián)有一超級電容均衡電路； 所述超級電容器管理系統(tǒng)CMS至少包括超級電容器電壓監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器電流監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器溫度監(jiān)控系統(tǒng)、超級電容器過壓過流保護系統(tǒng)和通訊顯示系統(tǒng)； 所述雙向DC-DC變換器包括開關管Ql、開關管Q2、穩(wěn)壓電感L、濾波電容Q和限流電阻R;其中 開關管Ql和開關管Q2采用內部帶有反向體二極管的開關管；所述開關管Ql的輸入端連接至電源US的正極，所述開關管Ql的輸出端連接至所述開關管Q2的輸入端；所述開關管Q2的輸出端連接至電源US的負極；所述濾波電容Q并聯(lián)在電源US上；所述限流電阻R串聯(lián)在所述超級電容器組C的正極和穩(wěn)壓電感L之間，所述穩(wěn)壓電感L的另一端連接至所述開關管Ql和開關管Q2之間的連線上；所述超級電容器組C的負極連接至電源US的負極； 所述整流器通過所述雙向DC-DC變換器對所述儲能系統(tǒng)進行充電和浮充電。
2.根據(jù)權利要求I所述基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)，其特征在于，所述超級電容器單體為雙電層電容器、贗電容、法拉第準電容和鋰離子電容器中的一種。
3.根據(jù)權利要求I或2所述基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)的儲能方法，其特征在于 當系統(tǒng)處于正常工作運行狀態(tài)時，所述開關管Ql加載驅動信號，開關管Q2不加驅動信號；開關管Ql驅動信號為高電平時，所述開關管Ql導通，所述開關管Q2正向截止，所述開關管Q2中的反向體二極管導通；所述整流器輸出電壓直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲存能量，開關管Ql驅動信號為低電平時，所述開關管Ql截止，穩(wěn)壓電感L釋放能量，電感電流流過限流電阻R，超級電容器組C和開關管Q2中的反向體二極管形成的環(huán)路，實現(xiàn)為超級電容器組C充電； 當系統(tǒng)處于后備運行狀態(tài)時，所述開關管Ql不加驅動信號，所述開關管Ql正向截止，所述開關管Ql的反向體二極管導通，當所述開關管Q2驅動信號為高電平時，所述開關管Q2導通，所述超級電容器組C作為電源直接加在穩(wěn)壓電感L上，穩(wěn)壓電感L儲能，當所述開關管Q2驅動信號為低電平時，所述開關管Q2截止，穩(wěn)壓電感L儲存的能量和超級電容器組C一起對外放電，此時雙向DC-DC變換器的輸出電壓為超級電容器組C電壓與穩(wěn)壓電感L電壓之和，從而為所述逆變器提供能量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超級電容的動力UPS系統(tǒng)，包括整流器、逆變器、雙向DC/DC變換器、儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)由超級電容器組、超級電容均衡電路和CMS組成。整流器用于將輸入配電的交流電壓轉換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源；逆變器用于將前端的高壓直流電壓轉換成滿足負載使用要求的交流電壓；整流器通過雙向DC-DC變換器對儲能系統(tǒng)進行充電和浮充電。本發(fā)明以超級電容器為儲能單元，采用在線并聯(lián)熱備方式，彌補動力設備在電網(wǎng)晃電期間造成的電力能源缺口。本發(fā)明在低溫條件下(極限溫度-40℃)仍能正常工作，具有體積小、免維護、壽命長、功率性強、可靠性高等特點，可以滿足大功率的瞬時供電要求。
文檔編號H02J15/00GK102931721SQ201210440199
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權日2012年11月7日
發(fā)明者邱宗清, 張秀婷, 李學濤, 張震 申請人:麥思博爾能源技術(天津)有限公司