一种基于超级电容储能的应急电源及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超级电容储能的应急电源及其控制方法，该应急电源包括：输入滤波模块、输出滤波模块、放电电路、充电电路、数字控制模块、储能模块、自检模块；输入滤波模块与充电电路连接，充电电路与储能模块连接，储能模块与放电电路连接，放电电路与输出滤波模块连接，储能模块设有超级电容；数字控制模块控制储能模块、放电电路、充电电路及自检模块的工作状态；数字控制模块基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，通过功率守恒、恒流、涓流控制完成储能装置充电过程，基于恒功率控制算法完成放电过程，设置工作状态阈值实时改变储能装置状态；本发明专利技术提高了电路响应速度和调节速度，达到稳定性可靠的目的。可靠的目的。可靠的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超级电容储能的应急电源及其控制方法


[0001]本专利技术涉及应急电源
，具体涉及一种基于超级电容储能的应急电源及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着数字化的发展，越来越多的大功率设备采用数字作为核心控制，一旦发生断电情况，无疑会产生系统性的危险，故通过小功率应急电源给设备提供一定的续电时间，让设备正常关机也尤为重要。
[0003]常用的应急电源有：独立于正常电源的发电机组、供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路、蓄电池供电的不间断电源(UPS)和应急电源，但多年来，运行经验表明，电气故障是无法限制在某个范围内部的，电力部门从未保证过不断电。因此，应急电源应是与电网在电气上独立的各种电源，即柴油发电机和蓄电池(UPS)。柴油发电机组至今已经有五、六十年的历史了，然而，随着社会的进步，需求的提高，这种传统的做法也暴露出许多的问题。如柴油机发电机噪音大，排烟中含有有害气体，污染大气等。但是它的发电容量大，在大容量的场合，依然有应用。UPS是不间断电源，但是它一般用于计算机、办公设备等场合，对环境要求比较高。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种基于超级电容储能的应急电源及其控制方法，本专利技术应急电源充电电路环路控制的电流与电压双环PID环节为模拟S域转化为数字Z域，即数字化PID，应急电源的放电电路采用的是单电压环控制，控制输出电压，提高了电路响应速度和调节速度，并以BUCK电路作为充电电路，既能满足降压充电，又能简单化控制，放电电路以BOOST电路作为主电路，满足升压放电的过程，达到稳定性可靠的目的；储能器件采用超级电容模组，具有高能量、低内阻，超过1,000,000次的循环寿命等特点，同时具有耐高低温、安全可靠、性能稳定、易更换、免维护等优点。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种基于超级电容储能的应急电源，包括：输入滤波模块、输出滤波模块、放电电路、充电电路、数字控制模块、储能模块、自检模块；
[0007]所述输入滤波模块与充电电路连接，所述充电电路与储能模块连接，所述储能模块与放电电路连接，所述放电电路与输出滤波模块连接，所述储能模块设有超级电容；
[0008]所述数字控制模块分别与储能模块、放电电路、充电电路及自检模块连接，控制储能模块、放电电路、充电电路及自检模块的工作状态；
[0009]所述数字控制模块基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，充电电压与充电电流分别进行PID控制并分别输出两个比较值，选择较大的比较值与基波进行比较后输出驱动控制充电电路工作，放电电压目标量控制采用单电压环PID算法，控制输出电压；
[0010]通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程，基于恒功率控制算法完成放电过程；
[0011]设置工作状态阈值，实时改变储能装置状态；
[0012]检测充放电电路的故障信息，封闭升降压驱动的同时将下降沿信号上传至数字控制芯片，强制PWM驱动输出低电平。
[0013]作为优选的技术方案，还设有备用电路，在主电路失效情况下切换至备用电路工作，主电路与备用电路的结构相同。
[0014]作为优选的技术方案，所述储能装置采用两路串联的单体电容进行并联。
[0015]本专利技术还提供一种基于超级电容储能的应急电源的控制方法，包括下述步骤：
[0016]基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，充电电压与充电电流分别进行PID控制并分别输出两个比较值，选择较大的比较值与基波进行比较后输出驱动控制充电电路工作，放电电压目标量控制采用单电压环PID算法，控制输出电压；
[0017]构建基于超级电容的储能装置，通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程，基于恒功率控制算法完成放电过程，使充电时间可控和输出时间可控；
[0018]通过NTC电阻采集应急电源环境温度和超级电容高低温特性，拟制充放电特性曲线，根据充放电特性曲线设置工作状态阈值，实时改变储能装置状态；
[0019]检测充放电电路的故障信息，封闭升降压驱动的同时将下降沿信号上传至数字控制芯片，强制PWM驱动输出低电平。
[0020]作为优选的技术方案，所述基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，所述PID控制将模拟PID的S域转化为数字PID的Z域，具体计算公式为：
[0021]cmp(z)＝(k
p
+k
i
+k
d
)
·
V
oerr
(z)
‑
(k
p
+2
·
k
d
)
·
V
oerr
(z)
·
z
‑1[0022]+k
d
·
V
oerr
(z)
·
z
‑2+cmp(z)
·
z
‑1[0023]其中，Z表示当前计算数值，cmp代表PID调节输出量，V
oerr
表示被控量的实际值与目标值之差，K
p
为比例系数，K
i
为积分系数，K
d
为微分系数。
[0024]作为优选的技术方案，所述应急电源的充电电路拓扑采用BUCK降压电路，采样BUCK电路输出电压和输出电流，分别进行PID调节后得到PID调节输出量cmp，提取其中较大的PID调节输出量cmp作为比较值与基波进行比较，得到的PWM作为BUCK电路开关管的驱动；
[0025]所述应急电源的放电电路拓扑采用BOOST升压电路，采样BOOST电路输出电压进行电压环PID调节，调节得到的PID调节输出量cmp作为比较值与基波进行比较，得到的PWM作为BOOST升压电压开关管的驱动。
[0026]作为优选的技术方案，通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程，具体步骤包括：在充电开始阶段采用功率守恒算法，当输入电流稳定不变时，充电过程由功率守恒改为恒流充电，当输出电压上升并稳定到设定值时，由恒流充电改为涓流充电。
[0027]作为优选的技术方案，根据充放电特性曲线设置工作状态阈值，实时改变储能装置状态，具体步骤包括：
[0028]设定高温工作阈值和低温工作阈值，在高温工作阈值和低温工作阈值的温度区间，通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程；
[0029]达到低温工作阈值时，充电电压目标值下降，充电电流随着实际充电电压上升而下降；
[0030]达到高温工作阈值时，充电电压目标值下降，充电电流不变。
[0031]作为优选的技术方案，设置逐波限流点和硬件过流点，当充电输入过流、充电输出过流、放电输入过流、放电输出过流达到逐波限流点时，保护电路输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超级电容储能的应急电源，其特征在于，包括：输入滤波模块、输出滤波模块、放电电路、充电电路、数字控制模块、储能模块、自检模块；所述输入滤波模块与充电电路连接，所述充电电路与储能模块连接，所述储能模块与放电电路连接，所述放电电路与输出滤波模块连接，所述储能模块设有超级电容；所述数字控制模块分别与储能模块、放电电路、充电电路及自检模块连接，控制储能模块、放电电路、充电电路及自检模块的工作状态；所述数字控制模块基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，充电电压与充电电流分别进行PID控制并分别输出两个比较值，选择较大的比较值与基波进行比较后输出驱动控制充电电路工作，放电电压目标量控制采用单电压环PID算法，控制输出电压；通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程，基于恒功率控制算法完成放电过程；设置工作状态阈值，实时改变储能装置状态；检测充放电电路的故障信息，封闭升降压驱动的同时将下降沿信号上传至数字控制芯片，强制PWM驱动输出低电平。2.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的应急电源，其特征在于，还设有备用电路，在主电路失效情况下切换至备用电路工作，主电路与备用电路的结构相同。3.根据权利要求1所述的基于超级电容储能的应急电源，其特征在于，所述储能装置采用两路串联的单体电容进行并联。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述基于超级电容储能的应急电源的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，充电电压与充电电流分别进行PID控制并分别输出两个比较值，选择较大的比较值与基波进行比较后输出驱动控制充电电路工作，放电电压目标量控制采用单电压环PID算法，控制输出电压；构建基于超级电容的储能装置，通过功率守恒、恒流、涓流控制算法完成储能装置充电过程，基于恒功率控制算法完成放电过程，使充电时间可控和输出时间可控；通过NTC电阻采集应急电源环境温度和超级电容高低温特性，拟制充放电特性曲线，根据充放电特性曲线设置工作状态阈值，实时改变储能装置状态；检测充放电电路的故障信息，封闭升降压驱动的同时将下降沿信号上传至数字控制芯片，强制PWM驱动输出低电平。5.根据权利要求4所述的基于超级电容储能的应急电源的控制方法，其特征在于，所述基于PID控制完成应急电源充电电压与电流控制，以及放电电压控制，所述PID控制将模拟PID的S域转化为数字PID的Z域，具体计算公式为：cmp(z)＝(k
p
+k
i
+k
d
)
·
V
oerr
(z)
‑
(k
p
+2
·
k

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋传荣，李刚，黄金亮，张镇墅，
申请(专利权)人：海华电子企业中国有限公司，
类型：发明
国别省市：