專利名稱：串聯(lián)型動態(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電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的串聯(lián)型動態(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電網(wǎng)發(fā)生的電壓暫降、波動等暫態(tài)電能質(zhì)量問題進(jìn)行實(shí) 時的補(bǔ)償，或是價格昂貴且效率低，總之存在著諸多不足。
動態(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 一個動態(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)擾動對 負(fù)荷電壓造成的任何不良影響。
儲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與 功率交換能力。典型和潛在的儲能設(shè)備包括蓄電池、超級電容器、飛輪儲能以
及超導(dǎo)儲能等，這幾種方法都有各自特點(diǎn)和不足。
蓄電池的最大優(yōu)勢在于成本較低，使用簡單；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)時性上不能滿足DVR 進(jìn)行電壓補(bǔ)償時瞬間釋放大功率的要求；同時，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超級電容器是一種新興的儲能元件，具有功率密度大，使用壽命長，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電容器串聯(lián)，且能 量密度相對較低，只能為DVR提供較短時間的電壓補(bǔ)償。
飛輪儲能系統(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)。飛輪儲能具有電力輸入輸出快速、效率高、壽命長等優(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，也就使飛輪儲存的能量受到限制。 其儲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、安全問 題等一系列問題。
超導(dǎo)儲能技術(shù)(SMES)的原理是利用超導(dǎo)線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁場來儲存電能。 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，另外，其穩(wěn)定性也值得關(guān)注，它對溫度、電流 密度和磁場的變化都非常敏感的，它的磁場要等于或高于9T,維持如此高的磁 場也是一項(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)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，用一個混合儲能模 塊實(shí)現(xiàn)恢復(fù)器直流側(cè)的儲能要求，以取代傳統(tǒng)的儲能方式。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是 一種串聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于包括
用于對超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲直流電 形式電能的由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆
變單元和用于將動態(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)，由多個單體超級電容器 串聯(lián)組成的超級電容器組、蓄電池組和兩個電子開關(guān)組成，其中蓄電池組與超級
電容器組經(jīng)一個電子開關(guān)并聯(lián)，用以控制混合儲能系統(tǒng)放電；混合儲能系統(tǒng)經(jīng)另 一個電子開關(guān)并聯(lián)在逆變單元的直流側(cè)。
如上所述的串聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于對超級電容器與蓄電 池混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包括一個由四個功率二極管組成的單相整流橋、 一個由電感及電容組成的濾波器以及三個電子開關(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， 一個電子開關(guān)串聯(lián)充 電裝置與儲能系統(tǒng)之間，作為充電啟動與切除開關(guān)，另兩個電子開關(guān)分別串聯(lián)于 蓄電池和超級電容器的正極，用于控制充電裝置對混合儲能系統(tǒng)充電，及與混合 儲能系統(tǒng)的兩個電子開關(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，包括一個由四個開關(guān)管組成的單相逆變橋。
如上所述的串聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于將動態(tài)電壓恢復(fù)器接 入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個升壓變壓器和一個電容及一個電感組成的 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)用于對超級電容器與蓄電池混合儲能系統(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，是用于從混合儲能系統(tǒng)獲取直流電形 式的電能，并根據(jù)采樣電路對負(fù)載電壓的檢測結(jié)果，對正弦調(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)時間快超級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。
工作時間長蓄電池與超級電容器在技術(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)。而超級電容器則相反,其功率密度大， 充放電效率高，循環(huán)壽命長，非常適應(yīng)于大功率充放電和循環(huán)充放電的場合。將 超級電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、 循環(huán)壽命長等特點(diǎn)相結(jié)合，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內(nèi)部損
5耗、增加放電時間。
性價比髙由于蓄電池和超級電容器同屬于靜止儲能器件，因而在混合使用 時簡單可靠，無需輔機(jī)設(shè)備，運(yùn)行成本低，維護(hù)費(fèi)用少?；旌蟽δ芟到y(tǒng)工作中， 瞬間大電流主要由超級電容器承擔(dān)，可以有效減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，延
長整套儲能系統(tǒng)的使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統(tǒng)的可靠
性和經(jīng)濟(jì)性。
綜上所述，由超級電容器與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)有著其他儲能方式無 法比擬的優(yōu)點(diǎn)，采用此混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復(fù)器動態(tài)響應(yīng)速度快，儲能容 量大，維護(hù)方便，操作簡單，性價比高。


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)施例的超級電容器與蓄電池混合儲能系統(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)施例對本實(shí)用新型的串聯(lián)型動態(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-超級電容器(超級電
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)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其主電路圖如圖1所示,包括:
(1) 用于對超級電容器3與蓄電池4混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包 括一個由四個功率二極管D1-D4組成的單相整流橋、 一個由電感L1及電容 C1組成的濾波器以及三個電子開關(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)充電裝置與儲能系統(tǒng)之間，作為充電啟動與切除開關(guān)；電子開關(guān)K2、 K3分別串聯(lián)于蓄電池4和超級電容器3的正極，用于控制充電裝置對混合 儲能系統(tǒng)充電及與電子開關(guān)K4、 K5配合，實(shí)現(xiàn)選擇放電；
(2) 用于存儲直流電形式電能的由超級電容器3和蓄電池4組成的混合儲能 系統(tǒng)，此混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在充電裝置和逆變單元的直流側(cè)，由多個單體超級電容器串聯(lián)組成的超級電容器組3、蓄電池組4、兩個電子開關(guān)K4、 K5 組成。其中蓄電池組4與超級電容器組3經(jīng)一個電子開關(guān)K4并聯(lián)，用以控 制主放電電源；整個混合儲能系統(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，包括一個由四個開關(guān)管(TD1-TD4)組 成的單相逆變橋；
(4) 用于將動態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個升壓變 壓器Tup和一個電容C2及一個電感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)施例的超級電容 器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的充放電電路圖如圖2所示，整個混合儲能系統(tǒng)的充放 電過程分為三個部分兩儲能元件分別充電、超級電容器3放電、蓄電池4放電。
系統(tǒng)初始化時，先由電子開關(guān)K1、 K2、 K3閉合，通過整流濾波回路對兩儲 能元件:超級電容器3與蓄電池4分別充電，當(dāng)兩儲能元件端電壓達(dá)到額定值時, Kl、 K2、 K3斷開，切斷充電回路；
超級電容器3與蓄電池4并聯(lián)，中間由電子開關(guān)K4連接，超級電容器3并 聯(lián)在逆變端，中間有一個啟動開關(guān)K5連接，電子開關(guān)K4由兩儲能元件端壓差控 制，若蓄電池端電壓高過超級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)出啟動信號，K5閉合，由 超級電容器3先向逆變單元供電，若暫降時間較短，超級電容器3端壓下降不明 顯影響補(bǔ)償效果，則僅由超級電容器3供電，K4保持?jǐn)嚅_。若暫降時間較長， 或暫降次數(shù)頻繁，超級電容器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，同時對超級電容器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， 切除負(fù)載5。
權(quán)利要求1、串聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于包括用于對超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲電能的由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元和用于將動態(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)，由多個單體超級電容器串聯(lián)組成的超級電容器組、蓄電池組和兩個電子開關(guān)組成，其中蓄電池組與超級電容器組經(jīng)一個電子開關(guān)并聯(lián)，用以控制混合儲能系統(tǒng)放電；混合儲能系統(tǒng)經(jīng)另一個電子開關(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)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于對超 級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，包括一個由四個功率二極 管組成的單相整流橋、 一個由電感及電容組成的濾波器以及三個電子開關(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 電子開關(guān)串聯(lián)充電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)之間，作為充電啟動與切除開關(guān)，另兩個電子 開關(guān)分別串聯(lián)于蓄電池和超級電容器的正極，用于控制充電系統(tǒng)對混合儲能系統(tǒng) 充電，及與混合儲能系統(tǒng)的兩個電子開關(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，包括一個由四個開關(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)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，其特征在于用于將動 態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元，包括一個升壓變壓器和一個電容及 一個電感組成的濾波器，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電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的串聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，該動態(tài)電壓恢復(fù)器包括用于對超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置、用于存儲直流電形式電能的由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)、用于輸出補(bǔ)償電壓的逆變單元、用于將動態(tài)電壓恢復(fù)器接入電力系統(tǒng)的升壓濾波單元。本實(shí)用新型提出的動態(tài)電壓恢復(fù)器，用一個混合儲能模塊實(shí)現(xiàn)恢復(fù)器直流側(cè)的儲能要求，以取代傳統(tǒng)的儲能方式，滿足了對電力系統(tǒng)中電壓短時跌落的補(bǔ)償要求，同時相比較于采用傳統(tǒng)儲能單元的動態(tài)電壓恢復(fù)器具有更好的動態(tài)響應(yīng)，更長的補(bǔ)償時間，具有更高性價比，更注重環(huán)保。
文檔編號H02J15/00GK201290010SQ200820190538
公開日2009年8月12日 申請日期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 申請人:國網(wǎng)武漢高壓研究院