基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及變頻器低電壓穿越支持設(shè)備，具體地說是一種基于超級電容的變 頻器低電壓穿越支持裝置，它能保證變頻器在電網(wǎng)電壓暫降的情況下不停機(jī)，確保與其相 關(guān)的整個生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)工作。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)際電網(wǎng)中，特高壓交直流線路故障、電網(wǎng)低頻振蕩、大型電機(jī)啟動和電網(wǎng)短路故 障等會引起較大的電壓暫降。運(yùn)類電網(wǎng)電壓暫降的情況，經(jīng)常會導(dǎo)致工廠變頻器的停機(jī)，如 果停機(jī)發(fā)生在一些關(guān)鍵設(shè)備上，進(jìn)而會使整個生產(chǎn)系統(tǒng)停止工作，對企業(yè)乃至社會造成嚴(yán) 重的經(jīng)濟(jì)損失。解決此類變頻器低電壓穿越問題的從兩方面著手，一方面是變頻器本身在 低電壓情況下運(yùn)行能力的挖掘，一般變頻器本身可W在低至額定電壓65 %的電壓下維持控 制電路的繼續(xù)工作，但往往由于功率余量的限制，最后還是因過電流而跳機(jī)。另一方面是考 慮在外部給予支持，如早期的串聯(lián)動態(tài)電壓恢復(fù)器值VR)，交流雙電源切換方案，增加在線 式USP電源，利用電網(wǎng)殘壓升壓電路，W及在變頻器的直流側(cè)加蓄電池或并聯(lián)大電容等方 案。
[0003] 超級電容單體容量大，可小型化，充放電效率高，充放電循環(huán)壽命長，真正免維護(hù)， 目前已開始大量投入工業(yè)應(yīng)用。因此，研究利用超級電容實(shí)現(xiàn)變頻器低電壓穿越能力的支 持，具有重要的意義。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置， 其將超級電容儲能單元通過逆止二極管并聯(lián)在普通變頻器電能轉(zhuǎn)換直流環(huán)節(jié)處，使普通變 頻器具備低電壓穿越能力。 陽〇化]為此，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：一種基于超級電容的變頻器低電壓穿越 支持裝置，包括超級電容儲能單元、超級電容均壓單元、超級電容充電單元和逆止二極管， 其特征在于，
[0006] 所述的超級電容儲能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的 單向?qū)ㄐ?，防止變頻器整流單元承擔(dān)額外的超級電容充電電流，確保超級電容儲存的能 量僅在電壓跌落期間輸出給主電路；所述超級電容充電單元的輸入側(cè)與交流電源連接，輸 出側(cè)與超級電容儲能單元連接；所述的超級電容均壓單元與超級電容儲能單元連接。
[0007] 本實(shí)用新型的工作原理是：正常工作時超級電容儲能單元處于儲能狀態(tài)，電壓低 于變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓；在變頻器的進(jìn)線電壓跌落時，超級電容儲能單元可在一定時間 內(nèi)維持變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓不變，保證變頻器正常運(yùn)行。
[0008] 進(jìn)一步，所述的超級電容儲能單元由若干相同容量的單體超級電容串并聯(lián)而成。 串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級電容耐壓確定，單體容量與并聯(lián)數(shù)根據(jù)負(fù)載功率和跌落時間要求確 定。
[0009] 進(jìn)一步，所述的超級電容儲能單元由超級電容充電單元單獨(dú)充電。超級電容充電 單元采用恒壓限流的控制方式，其輸入電壓為交流市電，輸出電壓低于正常時變頻器直流 環(huán)節(jié)的電壓。
[0010] 進(jìn)一步，所述的超級電容均壓單元由均壓電容與級聯(lián)電感端口網(wǎng)級聯(lián)形成，每一 級均壓電容端口通過開關(guān)分別與串聯(lián)超級電容并聯(lián)，并通過電感與下一級均壓電容端口連 接，由此形成串聯(lián)模組電容儲能系統(tǒng)的均壓電路結(jié)構(gòu)；通過控制并聯(lián)均壓電路中所有并 聯(lián)開關(guān)同步"合"與"開"實(shí)現(xiàn)不均衡電荷的轉(zhuǎn)移，使得儲能單體電壓相等。即所述的超級 電容均壓單元通過并聯(lián)電容進(jìn)行均壓，控制過程不依賴高精度采樣，均壓速度受串聯(lián)儲能 單體數(shù)量影響少。
[0011] 本實(shí)用新型的基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置并聯(lián)在普通變頻器電 能轉(zhuǎn)換直流環(huán)節(jié)處，可使普通變頻器具備低電壓穿越能力；本實(shí)用新型充放電循環(huán)壽命長， 真正免維護(hù)，可滿足各工業(yè)領(lǐng)域變頻器低電壓穿越的支持要求。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實(shí)用新型的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2為本實(shí)用新型超級電容儲能單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖3為本實(shí)用新型超級電容均壓單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖4為本實(shí)用新型超級電容充電單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖5為本實(shí)用新型仿真實(shí)驗(yàn)中超級電容端電壓波形圖。
[0017] 圖6為本實(shí)用新型仿真實(shí)驗(yàn)中超級電容輸出電流波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] W下結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0019] 參照圖1，本實(shí)用新型基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置的組成如下： 超級電容儲能單元、超級電容均壓單元、超級電容充電單元和逆止二極管。超級電容充電單 元的輸入側(cè)與交流電源連接，輸出側(cè)與超級電容儲能單元連接。
[0020] 超級電容儲能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的單向?qū)?通性，防止變頻器整流單元承擔(dān)額外的超級電容充電電流，確保超級電容儲存的能量僅在 電壓跌落期間輸出給主電路。超級電容儲能單元由超級電容充電單元單獨(dú)充電，采用恒壓 限流的控制方式，其輸入電壓為交流市電，輸出電壓低于正常時變頻器直流環(huán)節(jié)的電壓。超 級電容儲能單元由若干相同容量的單體超級電容串并聯(lián)而成（圖2)，串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級 電容耐壓確定，單體容量與并聯(lián)數(shù)根據(jù)負(fù)載功率和跌落時間要求確定。超級電容均壓單元 與超級電容儲能單元連接，超級電容均壓單元由均壓電容與級聯(lián)電感端口網(wǎng)級聯(lián)形成，每 一級均壓電容端口通過開關(guān)分別與串聯(lián)超級電容并聯(lián)，并通過電感與下一級均壓電容端口 連接，由此形成串聯(lián)模組電容儲能系統(tǒng)的均壓電路結(jié)構(gòu)。通過控制并聯(lián)均壓電路中所有并 聯(lián)開關(guān)Si~SW同步"合"與"開"可W實(shí)現(xiàn)不均衡電荷的轉(zhuǎn)移，使得儲能單體電壓相等（圖 3)。
[0021] 在交流電源正常時，超級電容處于儲能狀態(tài)，其端電壓低于變頻器的直流環(huán)節(jié)電 壓，不輸出電流；當(dāng)變頻器的進(jìn)線電壓跌落時，則由超級電容儲能單元給逆變單元提供其儲 存的能量，W在一定的時間里維持變頻器的繼續(xù)運(yùn)行。
[0022] 變頻器所帶負(fù)載越大，直流側(cè)電流也越大，交流電壓跌落時，若要維持一定的末期 直流電壓，保證變頻器不停機(jī)，則需要并聯(lián)在直流環(huán)節(jié)的超級電容也就越大。設(shè)超級電容儲 能單元滿充電壓為吼，在電壓跌落的t秒末的電壓為Ut,期間超級電容釋放的能量可表示 為：
(1)
[0024] 運(yùn)時變頻器帶負(fù)載消耗的能量可表示為： 陽02引Wm=PMt似 陽0%] (1)、0)式中：Pm為變頻器帶的電機(jī)功率，CS為超級電容的容量。
[0027] 運(yùn)里不計逆變單元本身的損耗，理想情況下超級電容釋放的能量需與負(fù)載消耗的 能量相等，即：
[0028]Wm=Wc(3)
[0029] 求得超級電容的值為：
(4)
[0031] 由于單體超級電容耐壓值較小，實(shí)際超級電容儲能單元需由若干相同容量的單體 超級電容串并聯(lián)而成，串聯(lián)數(shù)根據(jù)單體超級電容耐壓確定，設(shè)串聯(lián)的超級電容數(shù)量為N。，單 體超級電容耐壓值為Ud,在耐壓上留有余量，則：
(5)
[0033] 單體超級電容的容量C和并聯(lián)數(shù)量Nb與總?cè)萘緾S和串聯(lián)數(shù)量為N。關(guān)系如下：
[0034] NbC=NcCs巧）
[0035] 為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電網(wǎng)波動對超級電容的影響，本實(shí)用新型配置專用的高 頻開關(guān)電源充電器為超級電容充電，充電電路結(jié)構(gòu)示意圖見圖4,充電器輸出額定電壓 500-510V，并具有恒壓限流的功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是：S相交流經(jīng)整流和無源PFC后轉(zhuǎn)換成高 壓直流電，經(jīng)全橋PWM電路后轉(zhuǎn)換為高頻交流，再經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后高頻整流輸出。 采用多個充電模塊并聯(lián)，模塊輸出自主均流，工作時均分負(fù)載。模塊監(jiān)控采用單片機(jī)控制， 實(shí)現(xiàn)模塊輸出電壓電流采集；實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)、均浮充、輸出電壓、輸出限流的自動控制。
[0036] 實(shí)施例計算與仿真：變頻器帶額定負(fù)載15kW，進(jìn)線電壓跌落至20%、持續(xù)時間為 5s，末期超級電容端電壓分別跌落至儲能電壓巧10V)的90%和80%，根據(jù)W上公式（4)， 計算得需要配置3. 03F和1.60F的超級電容。由于配置的超級電容值比較大、充電時間較 長，待電容充電完畢，仿真從第12秒開始，至第19秒結(jié)束，超級電容支持過程直流電壓波形 和放電電流波形分別見圖5-6,仿真中電網(wǎng)電壓跌落從第13秒開始，到第18秒結(jié)束。記錄 放電末期電壓列表1所示。
[0037] 表1超級電容支持直流末期電壓值扣N= 510V，t= 5s)
[0038]

[0039] 數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在5s末直流母線電壓仿真結(jié)果比理論計算值要偏小，運(yùn)是由于理 論計算未計變頻器逆變部分的損耗所致。
[0040] 結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，本實(shí)用新型的裝置輸出直流電流，支持變頻器正常 運(yùn)行，負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生任何波動，說明本實(shí)用新型的裝置能完全滿足變頻器低電 壓穿越的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置，包括超級電容儲能單元、超級電容均 壓單元、超級電容充電單元和逆止二極管，其特征在于， 所述的超級電容儲能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的單向 導(dǎo)通性，防止變頻器整流單元承擔(dān)額外的超級電容充電電流，確保超級電容儲存的能量僅 在電壓跌落期間輸出給主電路；所述超級電容充電單元的輸入側(cè)與交流電源連接，輸出側(cè) 與超級電容儲能單元連接；所述的超級電容均壓單元與超級電容儲能單元連接。2. 如權(quán)利要求1所述的變頻器低電壓穿越支持裝置，其特征在于，所述的超級電容儲 能單元由若干相同容量的單體超級電容串并聯(lián)而成。3. 如權(quán)利要求1或2所述的變頻器低電壓穿越支持裝置，其特征在于，所述的超級電容 儲能單元由超級電容充電單元單獨(dú)充電。4. 如權(quán)利要求1或2所述的變頻器低電壓穿越支持裝置，其特征在于，所述的超級電容 均壓單元由均壓電容與級聯(lián)電感端口網(wǎng)級聯(lián)形成，每一級均壓電容端口通過開關(guān)分別與串 聯(lián)超級電容并聯(lián)，并通過電感與下一級均壓電容端口連接，由此形成串聯(lián)模組電容儲能系 統(tǒng)的均壓電路結(jié)構(gòu)；通過控制并聯(lián)均壓電路中所有并聯(lián)開關(guān)同步"合"與"開"實(shí)現(xiàn)不均衡 電荷的轉(zhuǎn)移，使得儲能單體電壓相等。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于超級電容的變頻器低電壓穿越支持裝置。目前某些電網(wǎng)故障引起較大的電壓暫降會導(dǎo)致工廠變頻器的停機(jī)。本實(shí)用新型的特征在于，所述的超級電容儲能單元通過逆止二極管與變頻器直流環(huán)節(jié)相連，利用二極管的單向?qū)ㄐ裕乐棺冾l器整流單元承擔(dān)額外的超級電容充電電流，確保超級電容儲存的能量僅在電壓跌落期間輸出給主電路；所述超級電容充電單元的輸入側(cè)與交流電源連接，輸出側(cè)與超級電容儲能單元連接；所述的超級電容均壓單元與超級電容儲能單元連接。本實(shí)用新型可使普通變頻器具備低電壓穿越能力，可滿足各工業(yè)領(lǐng)域變頻器低電壓穿越的支持要求。
【IPC分類】H02J3/38, H02J3/32
【公開號】CN204992610
【申請?zhí)枴緾N201520562898
【發(fā)明人】吳跨宇, 宣曉華, 黃曉明, 韓其國, 陳凱, 樓伯良, 馬智良, 熊鴻韜, 沈軼君, 陸海清, 盧岑岑, 盧嘉華, 王興
【申請人】國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 杭州東華電力設(shè)備有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年7月30日