[发明专利]基于超级电容器的直流不间断电源系统及其优化计算方法

说明书

技术领域

本发明属于配电自动化终端技术领域，涉及配电自动化终端的智能直流不间断电源，尤其是一种基于超级电容器的直流不间断电源系统及其优化计算方法。

背景技术

配电自动化站所终端、馈线终端和配变终端的运行可靠性直接影响到配电自动化系统的运行可靠性。从以往的经验来看，终端配套供电电源异常是导致现场终端损坏或出现故障的主要原因之一。因此，我们必须充分了解和高度重视终端配套供电电源。现有配电自动化终端智能直流不间断电源存在使用寿命短及维护困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超级电容器的直流不间断电源系统及其优化计算方法，能够解决现有配电自动化终端智能直流不间断电源电源的使用寿命短及维护困难的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于超级电容器储能的智能直流不间断电源系统，包括EMI滤波电路、AC/DC整流器、变换器、双向可控开关、超级电容器SC和控制器；

输入单相交流经EMI滤波电路输出至AC/DC整流器，所述AC/DC整流器的输出端与变换器相连接，经过变换器进行稳压、限流和滤波后，向配电自动化终端输出稳定的电压；

所述控制器的输入端与AC/DC整流器相连接，用于检测单相交流经AC/DC整流后是否失电；该控制器的输出端与所述双向可控开关相连接，用于向双向可控开关发出响应控制信息；该双向可控开关与所述超级电容器SC相连接，所述双向可控开关根据接收控制信息，完成导通状态转换，实现超级电容器SC充、放电状态转换；所述AC/DC整流器的输出端通过双向可控开关与所述超级电容器SC相连接，当单相交流带电时，对超级电容器SC进行恒流限压充电；该超级电容器SC通过双向可控开关和变换器与配电自动化终端的输入端相连接，当单相交流失电时，用于为配电自动化终端供电。

而且，所述双向可控开关和超级电容器SC的输出端分别与控制器的输入端相连接，用于采集不间断电源系统的工作状态以及超级电容SC的充、放电状态；所述控制器还与可拓展通信接口相连接，实现超级电容SC的充、放电状态及直流不间断电源系统的工作情况信号远传功能，实现调度端进行实时监测和远程控制。

而且，所述控制器还与可扩展人机交互界面相连接，该人机交互界面通常为可操作的触摸屏，通过可视触摸屏可实现对直流不间断电源的现场监测、现场控制及报警功能。

而且，所述超级电容SC的最小工作电压的优化计算方法为：

步骤1、计算超级电容器SC的剩余储能比率，并绘制剩余储能比率ξ与归一化的电容电压关系图；

步骤2、根据步骤1的剩余储能比率ξ与归一化的电容电压关系图，确定超级电容器SC的最小工作电压。

而且，所述步骤1的剩余储能比率ξ的计算方法为：假设放电前，SC的初始电压为U_M，最小有效工作电压为U_min，则根据电容存储的能量W＝0.5CU²可得，由此造成的不可利用的剩余储能W_S与其初始能量W_M之比，即剩余储能比率ξ为：

而且，所述超级电容SC的容量的优化计算方法为：

假设在直流不间断开关电源中，失电后SC需要提供的功率为P_o，变换器的转换效率为η，需要维持的时间为T_W，则失电后，SC应提供的能量为：

由于SC可提供的能量为根据能量守恒，W₁＝W₂，得出

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明针对超级电容用作储能元件的智能直流不间断电源所存在的问题，提出一种通过附加变换器有效提升超级电容储能利用率的智能直流不间断电源的优化方法，并将其应用于配电自动化终端单元中，从而提高配电自动化系统的稳定性和可靠性。

2、本发明采用附加变换器降低超级电容器的工作电压，从而提高超级电容器储能的利用率，延长失电情况下电源的待机工作时间。

3、本发明根据超级电容器最小工作电压与剩余能量的关系，确定超级电容器最小有效工作电压。

4、本发明根据附加变换器的期望输出功率、失电待机时间及超级电容器的最小工作电压，确定了超级电容器容量。

附图说明

图1是本发明的一种基于超级电容器的智能直流不间断电源的系统连接图；

图2是本发明的超级电容器SC的剩余储能比率ξ与电容电压关系图。