电容储能电源制造技术

一种为冲击性负载设计的专用电源，其特征是：电容储能装置将直流电源上的能量（如：Ｐ＝６００瓦，ｔ＝１０秒）转移到电容器组上，在需要时突然向冲击性负载释放能量（如：Ｐ＝２１．５千瓦、ｔ＝０．２秒）。结果使直流电源对冲击性负载的实际输出功率变得很小。最终全面降低了成套直流电源屏的功率配置和能量储备。它在发电厂和变电站的直流系统中可作为合闸、发电机起励及其它冲击性负载的电源，也适用于其他需要提供瞬时大能量的场合。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容储能电源的所属
是电力系统，主要应用于发电厂、变电站的直流系统中。在直流系统中存在一种特殊的负载——冲击性负载，其特点是工作时间极短(几百毫秒以内)，功率却很大(1千瓦至几十千瓦)。如高、低压断路器的合闸及跳闸操作、自并励发电机起励等即属此类。电容储能电源就是用于驱动冲击性负载的专用电源。这类负载中尤以高压断路器的合闸操作实现难度最大，因此，本文仅以高压断路器的合闸操作为例，以CD12型电磁操作机构为实验对象，对电容储能电源加以说明。为了叙述的方便，假设实验对象是用于220伏的直流系统中。成套直流电源屏一般都配置了专用的合闸电源，以便为电磁操作机构提供足够的合闸动能。长期以来，合闸电源都是采用直接输出方式。直接输出方式即合闸过程中电源与合闸线圈之间发生了直接的电气连接，也即由直流电源直接承受冲击电流的工作方式。现以CD12型电磁操作机构为例，查得其合闸线圈的主要技术数据如下合闸时间t＝0.2秒合闸电压U＝220伏合闸电流I＝97.5安——《水电站机电设计手册》电气二次 水利电力出版社据此，知其合闸消耗能量W＝Pt＝UIt＝220伏×97.5安×0.2秒＝4.29千焦为了便于比较，再以一节普通R20锌锰干电池为例，求其储存的全部能量，其主要数据为公称容量Q＝1.2安时电压U＝1.5伏据此，知其存储能量W＝Pt＝1.5伏×1.2安×3600秒＝6480焦＝6.48千焦我们惊奇地发现，高压断路器合闸耗能居然不足一节普通干电池的能量。那么，直流屏的实际能量配置为多大呢？，以湖南长沙电工厂的GZ-23/GNG-1-20/220型直流屏为例，其蓄电池的数据为输出电压U＝220伏蓄电池容量Q＝20安时——《产品说明书》GZ-23/GN电力系统用镉镍直流系统电源屏长沙电工厂据此推得储存能量W＝Pt＝UIt＝220伏×20安×3600秒＝15840000焦＝15840千焦这一结果是CD12型电磁操作机构合闸耗能的3692.3倍，它们的悬殊是如此之大，为了获得不足一节干电池的能量，竟使用了能量数千倍于它的蓄电池组，不仅如此，为了保障大容量蓄电池组的正常使用，附属的充电设备和监控设备的也达到了相当的规格。在合闸电源中一般还配置了数十千瓦级的三相硅整流合闸电源。毫无疑问，这些是极端不合理的，是严重的配匹失当现象。由此看来，在合闸电源的能量储备与合闸线圈的能量消耗之间，需要找到新的平衡点。为什么长期以来合闸电源的能量储备远大于实际需要？原来，合闸线圈合闸过程中不仅有能量的需求，还有储备功率的需求。对于CD12型电磁操作机构，其合闸线圈的合闸功率为P＝UI＝220伏×97.5安＝21.45千瓦数值表明，合闸功率相当大。这么大的功率在直流系统中是绝无仅有的，在常规负载(包括事故负载)仅有数百瓦至数千瓦之间的情况下，最大负载激增至数十千瓦级，增加幅度达十至数十倍。这就要求成套直流电源屏必须有足够的功率储备，方能满足合闸需要。这就导致了前述的合闸电源能量储备配匹失当的现象。也导致实际应用中昂贵的设备完成极短暂的合闸任务后就长期闲置或使用率低下的现象。长期以来，人们已经为此付出了高昂的代价。上述问题迫使我们寻求解决的办法，其实，这完全可以办到。只要在直流电源上采用间接输出技术。间接输出技术即在直流电源与合闸线圈之间加入电容储能电源，也即直流电源不承受冲击电流的新的工作方式。新方式的核心部分是电容器，我们将要利用它的两个特性1电荷存储作用——有别于蓄电池，无须任何维护管理、且寿命几乎是半永久性的储能形式。2可瞬时释放全部能量——一项将蓄电池远远抛在后面的特性。利用第一个特性，用相对较长的时间(如10秒)从直流电源上以较小的功率(如600瓦)向电容器充电并储存起来，等待合闸命令。利用第二个特性，在接到合闸命令后，用相对极短的时间(几百毫秒)由电容器向合闸线圈突然释放大功率(可达数十千瓦)的能量达到合闸目的，随即转入储能待令状态。实际上，在成套直流电源屏与冲击性负载之间，电容器起到了电流缓冲和功率增强的作用。因此，正确选择电容器致关重要。对于CD12型电磁操作机构，如前所述合闸能耗W＝4.29千焦合闸电压U＝220伏由此可得电容器合闸所需的电容值 结果表明，电容值很大，实际值将比理论值更大一些，不过，由于现代生产技术的突飞猛进，已经有电容值很大，成本较低的电解电容器投放市场，单只电容值可达几万微法甚至几法拉。实用中为了使成本更低，采用多只较小的电容串并联以达到需要的数值，这样的电容器组成本可以更低。最终的目标综上所述，在直流系统中，成套直流电源屏的功率配置必须考虑冲击性负载的需要，传统上直流电源采用直接输出方式，使通常仅有数百瓦至数千瓦级的功率配置不得不提高到数十千瓦级，并导致能量储备远远超过了实际需要。然而冲击性负载的实际能量消耗很小且使用率极低。造成设计制造和运行维护中出现很大的浪费。电容储能电源采用了间接输出技术，从而解决了这一难题。提出电容储能电源的根本目的在于全面降低成套直流电源屏的功率配置和能量储备，使之符合实际需要。结构与原理电容储能电源包括电容储能装置与电容器组，电容储能装置是电容储能电源的控制部分。它的的作用是将直流电源上的能量有效地转移到电容器组中加以储存。为了使之发挥正常效能，采用附附图说明图1所示的接线，电容储能装置提供了四个外接端子，依次为输入端正极①、输出端正极②、公共负极③、使能控制端④。电容储能装置输入端①与公共端③经开关K1接至直流操作小母线+KM、-KM上，取得了工作电源，在输出端②与公共端③之间连接着电容器组，电容器组则连接各路冲击负载，其中一路经开关K2连接在断路器合闸母线+HM、-HM上，另一路通过K3连接在其它冲击负载上。通过使能控制端④可以在机外控制电容储能装置的启动与停止，便于配合微机设备实现程序控制，改变其工作时间或控制其电压上限值即可获得不同的输出电压以适应不同的冲击性负载。电容器组是由单只68000μF、160V的电解电容器通过串并联组合而成，供货单位广东省朝阳市立星电气有限公司。电容器组的取值按最大的冲击负载(合闸线圈)的需要而定，为兼顾合闸功率更大的电磁操作机构，电容值可适当增大。如果知道实际应用的电磁操作机构型号，则电容值可针对该机构而定。限于实验条件，附图1所标电容值非最佳值。电容储能装置实际是一只常见的开关电源，略有不同的是在开关变压器的初级采用恒流控制，整体则是恒功率输出。基本构成有输入电路、电容器均压电路、辅助开关电源、脉宽调制器、功率推动和功率开关电路、电流采样电路、开关变压器及输出电路、自动启停电路、电容器组放电电路、指示灯电路共十个部分，见附图2所示的电容储能装置原理接线图。下面对照附图2逐一说明。1输入电路 在电源输入端接入了熔断器保护和软开机电路。打开电源开关K接通外部电源，经熔断器DR，即进入软开机电路。在接通电源的瞬间，由于电容储能装置存在大电容，将出现冲击电流。一般软开机电路的过度时间太长，不适应本装置。本电路则在电容的充电回路中串入限流电阻R2抑制冲击电流，当电容充电即将进入稳态时，接于辅助开关电源输出端的继电器J自动短接限流电阻R2保证正常供电。2电容均压电路 将来自输入端的220伏的单电压变换为功率开关电路需要的正、负对称本文档来自技高网...

【技术保护点】
为了提出恰当的权利要求，需要分析电容储能电源与现有技术的技术特性。二者的共同特点是：电源都是取自于成套直流电源屏上的直流电源；负载都是冲击性负载。在现有的技术条件下，冲击性负载在工作时只能与直流电源在电气上直接相连，是原始的接线方式。但 问题是：冲击性负载虽然能量消耗很少且使用率极低，但功率一般都很大，因此，直流电源的功率配置与能量储备只能大幅增加。采用电容储能电源，上述问题就不复存在。其特征是：电容储能装置将直流电源上的能量转移到电容器组上，在需要时突然向冲击性负 载释放能量；

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】为了提出恰当的权利要求，需要分析电容储能电源与现有技术的技术特性。二者的共同特点是电源都是取自于成套直流电源屏上的直流电源；负载都是冲击性负载。在现有的技术条件下，冲击性负载在工作时只能与直流电源在电气上直接相连，是原始的接线方式。但问题是冲击性负载虽然能量消耗很少且使用率极低，但功率一般都很大，因此，直流电源的功率配置与能量储备只能大幅增加。采用电容储能电源，上述问题就不复存在。其特征是1电容储能装置将直流电源上的能量转移到电容器组上，在需要时突然向冲击性负载释放能量；2存储能量在数千焦以上，能输出瞬时大功率；3不使冲击性负载与直流电源发生直接连通，因而直流电源不存在冲击电流。具有电流缓冲作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙奎，
申请(专利权)人：龙奎，
类型：发明
国别省市：42[中国|湖北]