專利名稱：串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種采用超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的串聯(lián)型動(dòng)態(tài) 電壓恢復(fù)器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電壓暫降是指供電電壓有效值在短時(shí)間內(nèi)突然下降的事件，在電網(wǎng)中這種現(xiàn) 象的持續(xù)時(shí)間大多為0. 5 1. 5s。電壓暫降與中斷己成為影響大工業(yè)商戶最主要 的電能質(zhì)量問題。而電壓暫降的次數(shù)遠(yuǎn)比電壓中斷發(fā)生的次數(shù)多，由于暫降發(fā)生 次數(shù)較為頻繁，所以從總體上看，暫降帶來的損失是巨大的。
針對(duì)電壓暫降的危害，傳統(tǒng)的改善措施主要有
(1) 降低生產(chǎn)設(shè)備自身對(duì)電壓暫降的敏感程度。
(2) 減少電網(wǎng)的故障數(shù)目。
(3) 縮短故障清除時(shí)間。
(4) 安裝補(bǔ)償裝置來抑制或消除電能質(zhì)量問題的影響，傳統(tǒng)的方法有加裝靜 止補(bǔ)償裝置(如TCR、 TSC、 SR);采用不間斷電源(UPS);安裝備用發(fā)電機(jī)等。
這些方法或是不能對(duì)電網(wǎng)發(fā)生的電壓暫降、波動(dòng)等暫態(tài)電能質(zhì)量問題進(jìn)行實(shí) 時(shí)的補(bǔ)償，或是價(jià)格昂貴且效率低，總之存在著諸多不足。
動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的定制電力裝置，是目前最 有效和經(jīng)濟(jì)的解決電壓跌落和上升問題的方法，其基本思想是在用戶線路中插入 一個(gè)動(dòng)態(tài)受控的電壓源，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ乖撾妷旱窒捎陔娏ο到y(tǒng)擾動(dòng)對(duì) 負(fù)荷電壓造成的任何不良影響。
儲(chǔ)能單元在電壓暫降期間給負(fù)載提供有功功率，必須具有一定的能量存儲(chǔ)與 功率交換能力。典型和潛在的儲(chǔ)能設(shè)備包括蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能以
及超導(dǎo)儲(chǔ)能等，這幾種方法都有各自特點(diǎn)和不足。
蓄電池的最大優(yōu)勢(shì)在于成本較低，使用簡(jiǎn)單；但蓄電池的電能轉(zhuǎn)換效率低， 由于自身充放電電流的限制，它不能提供較大的功率，在實(shí)時(shí)性上不能滿足DVR 進(jìn)行電壓補(bǔ)償時(shí)瞬間釋放大功率的要求；同時(shí)，蓄電池壽命較短，維護(hù)費(fèi)用高， 且多采用重金屬或酸堿性原料，不利于環(huán)保。
3超級(jí)電容器是一種新興的儲(chǔ)能元件，具有功率密度大，使用壽命長(zhǎng)，免維護(hù) 且環(huán)保的特點(diǎn)；缺點(diǎn)是單體電壓低，要形成較高電壓需要多個(gè)電容器串聯(lián)，且能 量密度相對(duì)較低，只能為DVR提供較短時(shí)間的電壓補(bǔ)償。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由飛輪和電機(jī)、變頻器等組成主機(jī)，由真空泵、制冷裝置 等組成輔機(jī)。飛輪儲(chǔ)能具有電力輸入輸出快速、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但飛輪 本體材料的許用應(yīng)力使轉(zhuǎn)速不能無限的升高，也就使飛輪儲(chǔ)存的能量受到限制。 其儲(chǔ)能效率受到軸承摩擦的制約，用來穩(wěn)定和定位飛輪的控制系統(tǒng)較復(fù)雜。此外， 冷卻技術(shù)、真空技術(shù)也有待提高。因飛輪的髙速旋轉(zhuǎn)還帶來噪聲、振動(dòng)、安全問 題等一系列問題。
超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)(SMES)的原理是利用超導(dǎo)線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)來儲(chǔ)存電能。 SMES設(shè)備最重要的組成部分是超導(dǎo)線圈、冷卻池制冷系統(tǒng)、氦桶和外圍設(shè)備。 SMES的優(yōu)點(diǎn)有，效率非常高，可以達(dá)到90%，輸出功率大，易形成較高電壓。 缺點(diǎn)主要是制冷系統(tǒng)增加了造價(jià)，另外，其穩(wěn)定性也值得關(guān)注，它對(duì)溫度、電流 密度和磁場(chǎng)的變化都非常敏感的，它的磁場(chǎng)要等于或高于9T,維持如此高的磁 場(chǎng)也是一項(xiàng)難度非常大的技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，用一個(gè)混合儲(chǔ)能模 塊實(shí)現(xiàn)恢復(fù)器直流側(cè)的儲(chǔ)能要求，以取代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是 一種串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于包括
用于對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲(chǔ)直流電 形式電能的由超級(jí)電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆
變單元和用于將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元；
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在充電裝置和逆變單元的直流側(cè)，由多個(gè)單體超級(jí)電容器 串聯(lián)組成的超級(jí)電容器組、蓄電池組和兩個(gè)電子開關(guān)組成，其中蓄電池組與超級(jí)
電容器組經(jīng)一個(gè)電子開關(guān)并聯(lián)，用以控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)另 一個(gè)電子開關(guān)并聯(lián)在逆變單元的直流側(cè)。
如上所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于對(duì)超級(jí)電容器與蓄電 池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包括一個(gè)由四個(gè)功率二極管組成的單相整流橋、 一個(gè)由電感及電容組成的濾波器以及三個(gè)電子開關(guān)，濾波器的電容并聯(lián)在 整流橋的直流側(cè)，濾波器中的電感串聯(lián)在充電電流回路中， 一個(gè)電子開關(guān)串聯(lián)充 電裝置與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間，作為充電啟動(dòng)與切除開關(guān)，另兩個(gè)電子開關(guān)分別串聯(lián)于 蓄電池和超級(jí)電容器的正極，用于控制充電裝置對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，及與混合 儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩個(gè)電子開關(guān)配合，實(shí)現(xiàn)選擇放電。
如上所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變 單元，包括一個(gè)由四個(gè)開關(guān)管組成的單相逆變橋。
如上所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接 入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個(gè)升壓變壓器和一個(gè)電容及一個(gè)電感組成的 濾波器，逆變單元的輸出串聯(lián)電感后與電容并聯(lián)，升壓變壓器的副邊并聯(lián)濾波電 容，原邊接入電力系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的恢復(fù)電壓功能。
本實(shí)用新型的工作原理(1)用于對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行 充電的充電裝置中，單相整流橋用于將從系統(tǒng)獲取的交流電形式的電能通過不控 整流轉(zhuǎn)換成直流電形式的電能，并將該電能從整流橋的直流側(cè)輸出，用以給混合 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，濾波器的電容用于濾除輸出電壓中的高頻諧波成分，濾波器中的 電感；(2)用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元，是用于從混合儲(chǔ)能系統(tǒng)獲取直流電形 式的電能，并根據(jù)采樣電路對(duì)負(fù)載電壓的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)正弦調(diào)制脈沖系列占空比 進(jìn)行控制，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電形式的電能后從逆變橋的交流輸出側(cè)輸出； (3)用于將串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元中，濾波電容 用于濾除逆變單元輸出電壓中的高頻諧波成分，電感用于調(diào)節(jié)濾波效果。
本實(shí)用新型的有益效果是
響應(yīng)時(shí)間快超級(jí)電容器的功率密度達(dá)到5kW/kg,可在瞬間釋放出上千安 電流。
工作時(shí)間長(zhǎng)蓄電池與超級(jí)電容器在技術(shù)性能上具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性。蓄電池 的能量密度大，但功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短，對(duì)充放電過程敏感, 大功率充放電和頻繁充放電的適應(yīng)性不強(qiáng)。而超級(jí)電容器則相反,其功率密度大， 充放電效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，非常適應(yīng)于大功率充放電和循環(huán)充放電的場(chǎng)合。將 超級(jí)電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、 循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)相結(jié)合，可以提高混合儲(chǔ)能裝置的功率輸出能力、降低內(nèi)部損
5耗、增加放電時(shí)間。
性價(jià)比髙由于蓄電池和超級(jí)電容器同屬于靜止儲(chǔ)能器件，因而在混合使用 時(shí)簡(jiǎn)單可靠，無需輔機(jī)設(shè)備，運(yùn)行成本低，維護(hù)費(fèi)用少?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)工作中， 瞬間大電流主要由超級(jí)電容器承擔(dān)，可以有效減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，延
長(zhǎng)整套儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命；還可以縮小儲(chǔ)能裝置的體積、改善供電系統(tǒng)的可靠
性和經(jīng)濟(jì)性。
綜上所述，由超級(jí)電容器與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有著其他儲(chǔ)能方式無 法比擬的優(yōu)點(diǎn)，采用此混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，儲(chǔ)能容 量大，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。


圖l,本實(shí)用新型實(shí)施例的主電路圖。
圖2,本實(shí)用新型實(shí)施例的超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電路圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器做詳細(xì)的說明。
圖l中標(biāo)記的說明1-系統(tǒng)電源，2-系統(tǒng)等效阻抗，3-超級(jí)電容器(超級(jí)電
容器組)，4-蓄電池(蓄電池組)，5-負(fù)載。
本實(shí)用新型實(shí)施例的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其主電路圖如圖1所示,包括:
(1) 用于對(duì)超級(jí)電容器3與蓄電池4混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包 括一個(gè)由四個(gè)功率二極管D1-D4組成的單相整流橋、 一個(gè)由電感L1及電容 C1組成的濾波器以及三個(gè)電子開關(guān)K1、 K2、 K3，濾波器的電容C1并聯(lián)在 整流橋的直流側(cè)，濾波器中的電感L1串聯(lián)在充電電流回路中，電子開關(guān)K1 串聯(lián)充電裝置與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間，作為充電啟動(dòng)與切除開關(guān)；電子開關(guān)K2、 K3分別串聯(lián)于蓄電池4和超級(jí)電容器3的正極，用于控制充電裝置對(duì)混合 儲(chǔ)能系統(tǒng)充電及與電子開關(guān)K4、 K5配合，實(shí)現(xiàn)選擇放電；
(2) 用于存儲(chǔ)直流電形式電能的由超級(jí)電容器3和蓄電池4組成的混合儲(chǔ)能 系統(tǒng)，此混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在充電裝置和逆變單元的直流側(cè)，由多個(gè)單體超級(jí)電容器串聯(lián)組成的超級(jí)電容器組3、蓄電池組4、兩個(gè)電子開關(guān)K4、 K5 組成。其中蓄電池組4與超級(jí)電容器組3經(jīng)一個(gè)電子開關(guān)K4并聯(lián)，用以控 制主放電電源；整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)電子開關(guān)K5并聯(lián)在逆變單元的直流側(cè)；
(3) 用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元，包括一個(gè)由四個(gè)開關(guān)管(TD1-TD4)組 成的單相逆變橋；
(4) 用于將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個(gè)升壓變 壓器Tup和一個(gè)電容C2及一個(gè)電感L2組成的濾波器，逆變單元的輸出串聯(lián) 電感L2后與電容C2并聯(lián)，升壓變壓器Tup的副邊并聯(lián)濾波電容C2，原邊 接入電力系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的恢復(fù)電壓功能。
以下詳細(xì)介紹本實(shí)用新型實(shí)施例的工作流程，本實(shí)用新型實(shí)施例的超級(jí)電容 器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電路圖如圖2所示，整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放 電過程分為三個(gè)部分兩儲(chǔ)能元件分別充電、超級(jí)電容器3放電、蓄電池4放電。
系統(tǒng)初始化時(shí)，先由電子開關(guān)K1、 K2、 K3閉合，通過整流濾波回路對(duì)兩儲(chǔ) 能元件:超級(jí)電容器3與蓄電池4分別充電，當(dāng)兩儲(chǔ)能元件端電壓達(dá)到額定值時(shí), Kl、 K2、 K3斷開，切斷充電回路；
超級(jí)電容器3與蓄電池4并聯(lián)，中間由電子開關(guān)K4連接，超級(jí)電容器3并 聯(lián)在逆變端，中間有一個(gè)啟動(dòng)開關(guān)K5連接，電子開關(guān)K4由兩儲(chǔ)能元件端壓差控 制，若蓄電池端電壓高過超級(jí)電容器端壓某一限定值，電子開關(guān)K4閉合。正常 情況電子開關(guān)K4、 K5斷開。當(dāng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)暫降，發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，K5閉合，由 超級(jí)電容器3先向逆變單元供電，若暫降時(shí)間較短，超級(jí)電容器3端壓下降不明 顯影響補(bǔ)償效果，則僅由超級(jí)電容器3供電，K4保持?jǐn)嚅_。若暫降時(shí)間較長(zhǎng)， 或暫降次數(shù)頻繁，超級(jí)電容器3端壓下降較多，不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載5電壓完全恢復(fù)， 則K4閉合，由蓄電池4提供逆變單元直流電源，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容器3充電。若 暫降繼續(xù)持續(xù)，蓄電池4不足以提供恢復(fù)電壓，則由DVR主電路發(fā)出停機(jī)信號(hào)， 切除負(fù)載5。
權(quán)利要求1、串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于包括用于對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲(chǔ)電能的由超級(jí)電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元和用于將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在充電裝置和逆變單元的直流側(cè)，由多個(gè)單體超級(jí)電容器串聯(lián)組成的超級(jí)電容器組、蓄電池組和兩個(gè)電子開關(guān)組成，其中蓄電池組與超級(jí)電容器組經(jīng)一個(gè)電子開關(guān)并聯(lián)，用以控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)另一個(gè)電子開關(guān)并聯(lián)在逆變單元的直流側(cè)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于對(duì)超 級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包括一個(gè)由四個(gè)功率二極 管組成的單相整流橋、 一個(gè)由電感及電容組成的濾波器以及三個(gè)電子開關(guān)，濾波 器的電容并聯(lián)在整流橋的直流側(cè)，濾波器中的電感串聯(lián)在充電電流回路中， 一個(gè) 電子開關(guān)串聯(lián)充電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間，作為充電啟動(dòng)與切除開關(guān)，另兩個(gè)電子 開關(guān)分別串聯(lián)于蓄電池和超級(jí)電容器的正極，用于控制充電系統(tǒng)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng) 充電，及與混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩個(gè)電子開關(guān)配合，實(shí)現(xiàn)選擇放電。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于輸出 補(bǔ)償電壓的逆變單元，包括一個(gè)由四個(gè)開關(guān)管組成的單相逆變橋。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于將動(dòng) 態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個(gè)升壓變壓器和一個(gè)電容及 一個(gè)電感組成的濾波器，逆變單元的輸出串聯(lián)電感后與電容并聯(lián)，升壓變壓器的 副邊并聯(lián)濾波電容，原邊接入電力系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的恢復(fù)電壓功 能。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采用超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，該動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器包括用于對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲(chǔ)直流電形式電能的由超級(jí)電容器和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元、用于將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元。本實(shí)用新型提出的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器，用一個(gè)混合儲(chǔ)能模塊實(shí)現(xiàn)恢復(fù)器直流側(cè)的儲(chǔ)能要求，以取代傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式，滿足了對(duì)電力系統(tǒng)中電壓短時(shí)跌落的補(bǔ)償要求，同時(shí)相比較于采用傳統(tǒng)儲(chǔ)能單元的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，更長(zhǎng)的補(bǔ)償時(shí)間，具有更高性價(jià)比，更注重環(huán)保。
文檔編號(hào)H02J15/00GK201290010SQ200820190538
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者飛 劉, 婷 尹, 硯 杜, 陳軒恕 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究院