本發(fā)明涉及永磁開關(guān)控制方式，特別是涉及一種高功率、快速儲能、釋能以及循環(huán)使用壽命長的永磁開關(guān)超級電容操作箱。
背景技術(shù)：
GLS-200系列智能相控開關(guān)設(shè)備，是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的斷路器相控技術(shù)向中壓系統(tǒng)進行延伸的創(chuàng)新性產(chǎn)品。它有機地集成了綜合自動化、相控技術(shù)、永磁開關(guān)等多項智能化技術(shù)，在作為智能化變電站基礎(chǔ)建設(shè)平臺的同時，可以很好地完成抑制電力電容器組、電力變壓器等非線性負載投切暫態(tài)沖擊的任務(wù)。
GLS-200系列智能相控開關(guān)設(shè)備控制部分，主要用于實現(xiàn)中壓系統(tǒng)電力電容器組和空載變壓器等非線性負載的相控投切控制策略及完成相應(yīng)的保護測控功能。相控技術(shù)的實質(zhì)就是通過控制斷路器分合閘時電壓或電流的初相角來抑制開關(guān)操作時所產(chǎn)生的涌流和過電壓等暫態(tài)沖擊，從而達到提高電能質(zhì)量，延長設(shè)備使用壽命和檢修周期的目的。該項技術(shù)目前已經(jīng)成為智能電網(wǎng)一次設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)，已在我國的超高壓輸電系統(tǒng)建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用。
相控技術(shù)是一種精確控制技術(shù)，其對自動化裝置和執(zhí)行機構(gòu)的測控精度要求很高。要求相控永磁斷路器的合閘、分閘時間要滿足一定的要求并且穩(wěn)定、離散性小。目前選用普通的鋁電解電容器，電容量一般為幾千微法，通過充電模塊將220V交流轉(zhuǎn)化為220V直流，對鋁電解電容進行儲能。動作時，鋁電解電容迅速放電，驅(qū)動相控永磁斷路器，控制合閘、分閘。
鋁電解電容儲能低，并且隨著時間的推移，電容的容量隨時間變化而衰減，漏電增加，阻抗變大，這些會影響到相控永磁斷路器的速度，即影響合閘、分閘的時間；鋁電解電容的壽命和工作環(huán)境受限多；鋁電解電容放電過程中電壓下降快，端電壓變化快不利于合閘、分閘的反饋控制，將加大反饋控制實施的難度和技術(shù)要求。以上鋁電解電容的諸多劣勢都將會影響相控永磁斷路器的合閘、分閘時間的穩(wěn)定性以及合閘、分閘的開關(guān)速度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
基于此，有必要提供一種高功率、快速儲能、釋能以及循環(huán)使用壽命長的永磁開關(guān)超級電容操作箱。
一種永磁開關(guān)超級電容操作箱，包括降壓型功率變換器、超級電容模組、相控永磁斷路器、升壓型功率變換器及控制模塊；
所述降壓型功率變換器輸入外接電源，并將所述外接電源轉(zhuǎn)換為所述超級電容模組所需的電壓，從而對所述超級電容模組進行充電；所述超級電容模組通過升壓型功率變換器進行升壓轉(zhuǎn)換后輸出給所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)電壓大小控制所述相控永磁斷路器合閘或分閘的時間和開關(guān)速度。
在其中一個實施例中，所述超級電容模組采用恒流充電、浮充充電、脈沖充電及組合充電中的至少一種充電方式。
在其中一個實施例中，所述超級電容模組在相同能效的情況下，所述降壓型功率變換器的輸出大電流對所述超級電容模組進行充電。
在其中一個實施例中，所述超級電容模組采用恒流放電、恒壓放電或恒功率放電。
在其中一個實施例中，所述超級電容模組采用恒壓放電方式。
在其中一個實施例中，所述超級電容模塊的最大額定輸出功率為10-18KW。
在其中一個實施例中，所述超級電容模塊包括若干個超級電容器，所述超級電容器的儲能公式為：
其中，uC為超級電容器電壓，CF為超級電容器電容值。
在其中一個實施例中，所述升壓型功率變換器將外接電源升壓至直流220V-500V。
在其中一個實施例中，所述升壓型功率變換器或降壓型功率變換器采用脈寬調(diào)制方式、頻率調(diào)制方式或混合調(diào)制方式。
上述永磁開關(guān)超級電容操作箱采用降壓型功率變換器對超級電容模組進行充電。在超級電容模組通過升壓型功率變換器進行升壓轉(zhuǎn)換后，輸出給控制模塊，因此，相控永磁斷路器的合閘或分閘的時間和開關(guān)速度由電壓的大小決定。由于采用了超級電容模組，超級電容蓄能充沛，能量密度大，容量隨著時間變化小，故幾乎不影響相控永磁斷路器的合、分閘時間，解決了分合閘時間波動的不利影響。
附圖說明
圖1為永磁開關(guān)超級電容操作箱的模塊圖。
具體實施方式
為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。
需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
如圖1所示，為永磁開關(guān)超級電容操作箱的模塊圖。
一種永磁開關(guān)超級電容操作箱，包括降壓型功率變換器101、超級電容模組102、相控永磁斷路器103、升壓型功率變換器104及控制模塊105。
所述降壓型功率變換器101輸入外接電源，并將所述外接電源轉(zhuǎn)換為所述超級電容模組102所需的電壓，從而對所述超級電容模組102進行充電；所述超級電容模組102通過升壓型功率變換器進行升壓，升壓轉(zhuǎn)換后輸出給所述控制模塊105，所述相控永磁斷路器103的合閘或分閘的時間和開關(guān)速度由電壓的大小決定。
超級電容模塊包括若干個超級電容器。
超級電容器是一種新型電力儲能器件，隨著碳納米技術(shù)的發(fā)展，超級電容器的制造成本不斷降低，而其功率密度和能量密度卻在不斷提高。在高功率，快速儲能、釋能，以及循環(huán)使用壽命長的應(yīng)用場合，超級電容器儲能發(fā)揮顯著的優(yōu)勢。
永磁開關(guān)上用的鋁電解電容蓄能能量低，電容的容量隨時間變化而衰減，會影響到相控永磁斷路器103的合、分閘時間；并且放電過程中端電壓變化快，不利于合閘、分閘的反饋控制，將加大反饋控制實施的難度和技術(shù)要求。
相比于鋁電解電容，采用超級電容可以解決上述問題：
超級電容器蓄能充沛，并且相對鋁電解電容，超級電容的容量隨時間變化衰減很小，并且在整個開關(guān)動作過程中蓄能部分是恒壓的，有利于確保動作精度。
由于超級電容器存儲的能量與端電壓具有簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，只需通過檢測超級電容的端電壓，就可以估算出儲能量，方便儲能單元的能量管理、簡化控制手段，有利于實現(xiàn)斷路器的合閘、分閘反饋控制。
超級電容器能夠提供多種不同性能參數(shù)的規(guī)格化產(chǎn)品供選用，根據(jù)應(yīng)用需求通過多只超級電容器串、并聯(lián)構(gòu)成超級電容器儲能陣列滿足應(yīng)用要求，產(chǎn)品無需定制，節(jié)省時間，相對也比較經(jīng)濟。
相對于蓄電池，超級電容有以下優(yōu)勢：(1)超級電容可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作，而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作；(2)超級電容使用的材料是安全無毒的，而蓄電池具有毒性，對環(huán)境造成污染；(3)超級電容器儲能是通過吸附作用來轉(zhuǎn)移電荷的，電極板上沒有發(fā)生類似于蓄電池的化學(xué)活化反應(yīng)，因此具有更快的響應(yīng)速度，充電迅速。超級電容可以在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池在如此短時間內(nèi)充滿電將是極危險或幾乎不可能的；(4)超級電容比蓄電池具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率和循環(huán)使用壽命。
綜上所述，超級電容相比于鋁電解電容和蓄電池有很多優(yōu)勢，但是超級電容也有以下缺點：(1)單體超級電容的儲能有限，雖然超級電容容量目前最高能達幾千法拉，但電壓一般為2.7V左右，為了達到應(yīng)用場合的220V電壓輸出，需要串聯(lián)多個超級電容單體，但是這樣會造成內(nèi)阻很高，導(dǎo)致放電電流和功率很低，從而影響相控永磁斷路器103的合、分閘速度。(2)串聯(lián)多個超級電容單體升壓至所需220V，會造成體積過大，從而影響永磁開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。(3)串聯(lián)多個超級電容單體時，超級電容單體上的電壓差別大，嚴重時會影響超級電容的性能和壽命。
在本實施例中，超級電容模組102中的超級電容器采用并聯(lián)的方式。由于超級電容單體串聯(lián)的模式會造成放電電流小，體積過大，并且單體不能均壓，容易損壞的缺點，所以采用并聯(lián)方式。
超級電容器的單體額定電壓一般為2.7V，所以先將超級電容充至2.7V，然后通過DC-DC變換，升壓至220V。為了保證外部電源失效時，斷路器可以正常工作。
在本實施例中，超級電容模組102采用恒流充電、浮充充電、脈沖充電及組合充電中的至少一種充電方式。
在本實施例中，對超級電容模組102采用先恒流充電的方式，而后采用浮充充電的方式。
超級電容器近似等效為一個內(nèi)阻串聯(lián)一個電容器，若采用大電流充電至其額定電壓停止充電，實際并沒有充滿。原因主要有兩點：一是由于電流較大時，超級電容內(nèi)阻上壓降較大；二是由于大電流充電時，充電電荷易在電極兩端出現(xiàn)瞬時積累，形成浮充。所以采用先恒流充電，而后采用浮充充電(恒壓充電)，用小電流浮充的方式為超級電容器儲能陣列補充電能。
超級電容模組102在相同能效的情況下，所述降壓型功率變換器101的輸出大電流對所述超級電容模組102進行充電。
隨著放電過程的進行，超級電容器的端電壓逐漸下降。在恒壓放電應(yīng)用中，超級電容器采用直接連接負載的放電方式，有效儲能利用率較低。為滿足負載需求及提高儲能利用率，通常需要為超級電容器配置電力電子變換器，通過調(diào)節(jié)功率變換器使超級電容器處于恒流放電、恒壓放電或恒功率放電等運行模式，其中恒壓放電是實際應(yīng)用中最常使用的方式。恒壓放電有利于確保相控永磁斷路器103的動作精度，以及實現(xiàn)合分閘反饋控制?？紤]到體積、成本、效率以及可靠性，超級電容模組102采用升壓的方式，而不是直接串聯(lián)輸出220V直流。
具體的，先將超級電容模塊通過24V開關(guān)電源充電到輸出電壓24V，電流570A；繼而通過BOOST電路升壓到220V，50A左右輸出(BOOST電路功率按80％計算)。所以實現(xiàn)的超級電容模組102能提供最大額定14KW的有功功率輸出，持續(xù)時間為1s，釋能輸出時的接口電壓為220V，無隔離要求。
超級電容模塊的最大額定輸出功率為10-18KW。
所述超級電容器的儲能公式為：
其中，uC為超級電容器電壓，CF為超級電容器電容值。上述公式為理想超級電容器的儲能量公式。
雖然，超級電容器單體電壓值比較低(不到3伏)，但可以通過采用多只超級電容器串并聯(lián)的形式進行擴容，這樣便于采用模塊化方法設(shè)計超級電容器直流儲能單元，生產(chǎn)制造周期短，調(diào)試方便、維護經(jīng)濟。
超級電容器小電流放電，等效串聯(lián)電阻RES上電壓降可以忽略，此時超級電容器等效為理想電容器，能夠按照理想電容的能量公式進行儲能容量的分析。這種情況下多只超級電容器構(gòu)成一定容量的儲能陣列時，可以按照能量約束法進行優(yōu)化設(shè)計。
在大電流放電情況下，由于不能忽略RES上的功耗，這種情況下采用功率約束法對超級電容器儲能陣列進行分析優(yōu)化。
超級電容器在使用時，通常要設(shè)定一個額定工作電壓UW，一個最低工作電壓Umin。放電電流為ic(t)時，若滿足Umin＞＞iC(t)RES，則可以忽略等效串聯(lián)電阻RES的存在，超級電容器等效為理想電容器。對于標稱額定電容量為CF的電容器，其可釋放的儲能量W可表示為：
假設(shè)儲能單元由m只超級電容器串聯(lián)，n組超級電容器并聯(lián)，理想情況超級電容器儲能陣列存儲的能量W滿足下式：
實際應(yīng)用中，m×n，m，n均取整數(shù)，相當于將超級電容量儲能陣列進行了適當?shù)臄U容，自然地補償了為簡化設(shè)計而忽略的RES部分的能耗。
功率約束法：
當超級電容器單體個數(shù)確定的儲能單元中，超級電容器的串并聯(lián)形式并不影響單體超級電容器在釋能應(yīng)用中的功率輸出與能量輸出
超級電容器在應(yīng)用中需要采用均壓模塊減緩充放電過程中電容器端電壓分布不均勻的現(xiàn)象，并采用串、并聯(lián)技術(shù)增加儲能容量。在大容量、高效率應(yīng)用場合，通常選用額定電壓較高，電容值較大的超級電容器，這樣可以減少構(gòu)成儲能陣列的電容器單體個數(shù)，以及需要檢測、保護的之路數(shù)，相應(yīng)的儲能單元的體積減小、重量減輕，附加成本降低。
在這種大電流、高功率應(yīng)用場合，采用常規(guī)能量約束法，但是考慮到超級電容器儲能陣列傳輸?shù)墓β?、電流較大，在等效內(nèi)阻上的消耗不可忽略，利用功率約束條件更為適宜。
在大電流功率放電場合，通過采用功率約束法確定超級電容器儲能陣列的電容器個數(shù)，可以保證設(shè)計的儲能單元滿足系統(tǒng)功率時間要求，又不至于構(gòu)成儲能陣列的超級電容個數(shù)過多。
功率變換器是超級電容器直流儲能單元的重要組成部分，常用的功率變換器有升壓、降壓、升降壓三種。
外部供電電源是交直流220V電壓，通過降壓型功率變換器101轉(zhuǎn)換為給超級電容模組102充電的合適電壓，超級電容額定電壓一般為2.7V左右，接著通過升壓型功率變換器104將幾伏電壓升壓至直流220V～500V，具體電壓根據(jù)實際應(yīng)用而定。
升壓型功率變換器104將外接電源升壓至直流220V-500V。
功率變換器采用脈寬調(diào)制方式、頻率調(diào)制方式或混合調(diào)制方式。
功率變換器的調(diào)制方式有三種：
(1)脈寬調(diào)制方式(PWM)，周期不變，導(dǎo)通時間可改變；
(2)頻率調(diào)制方式(PFM)，導(dǎo)通時間不變，頻率可改變；
(3)混合調(diào)制模式。
這三種方式具有以下共同點：
(1)用時間比率控制(TRC)的穩(wěn)壓原理。無論是改變開關(guān)導(dǎo)通時間還是開關(guān)周期，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比。因此，盡管它們采用的方式不同，但控制目標一致；
(2)負載由輕變重，或者輸入電壓從高變低時，分別通過增加脈寬、提高頻率的方法，使輸出電壓保持穩(wěn)定。
本實施例中選用PWM方式，因為PWM開關(guān)控制時，輸出電壓中諧波的頻率固定，濾波器設(shè)計容易，開關(guān)過程中所產(chǎn)生的電磁干擾容易控制，并且由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號比獲得可變頻率信號容易實現(xiàn)。
相控技術(shù)是一種精確控制技術(shù)，其對自動化裝置和執(zhí)行機構(gòu)的測控精度要求很高。隨著時間的推移，鋁電解電容本身的容量發(fā)生變化，會影響到開關(guān)速度，其端電壓下降快會影響分、合閘控制。
超級電容蓄能充沛，能量密度大，容量隨著時間變化小，故幾乎不影響相控斷路器的合、分閘時間，解決了分合閘時間波動的不利影響；其次在整個開關(guān)過程中超級電容蓄能裝置的輸出是恒壓的，這樣有利于減少反饋控制實施的技術(shù)難度，從而提供了反饋控制的有效性穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)對相控永磁斷路器103的分合閘時間和開關(guān)速度進行可靠控制，以滿足現(xiàn)場的技術(shù)需求。超級電容器還具有容量配置靈活、易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計、循環(huán)使用壽命長、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好、免維護等優(yōu)點，這些特性使其更適于苛刻的工作環(huán)境。
上述永磁開關(guān)超級電容操作箱采用降壓型功率變換器101對超級電容模組102進行充電。在超級電容模組102通過升壓型功率變換器104進行升壓轉(zhuǎn)換后，輸出給控制模塊105，因此，所述相控永磁斷路器103的合閘或分閘的時間和開關(guān)速度由電壓的大小決定。由于采用了超級電容模組102，超級電容蓄能充沛，能量密度大，容量隨著時間變化小，故幾乎不影響相控永磁斷路器103的合、分閘時間，解決了分合閘時間波動的不利影響。
以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當認為是本說明書記載的范圍。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。