一种具备异常保护机制的直流供电系统的制作方法

1.本实用新型涉及电网供电系统优化技术领域，尤其涉及一种具备异常保护机制的直流供电系统。


背景技术：

2.变电站作为电力系统不可或缺的部分，与电力系统共同发展了100多年，在这100 多年的发展历程中，变电站在建造场地、电压等级、设备情况等方面都发生了巨大的变化；在电压等级上，随着电力技术的发展，由原来以少量110kv和220kv变电站为枢纽变电站，35kv为终端变电站的小电网输送模式，逐步发展成以特高压1000kv变电站和500kv 变电站为枢纽变电站，220kv、110kv变电站为终端变电站的大电网输送模式；在电气设备方面，一次设备由原来敞开式的户外设备为主，逐步发展到全封闭气体组合电器(gis) 和半封闭气体组合电器(hgis)；二次设备由早期的晶体管和集成电路保护发展到微机保护。
3.而直流电源系统是变电站的重要组成部分，是继电保护控制装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等二次系统的供电电源，主要由蓄电池组和整流装置两部分组成，其输入端与交流供电端连接，输出端与直流母线或负载连接。正常运行情况下，直流电源系统由站用交流电经整流装置提供，当突发交流失电时，站用直流电源系统转由蓄电池组供电，蓄电池组便成为唯一的直流电源。但是，应用蓄电池组作为备用供电，普遍存在以下不可忽视的安全隐患，由于电池组维护量巨大，目前系统内每年都有大量电池组维护不到位的情况，部分站电池组运行状况恶劣，基本没有容量，运检人员又无法及时监测知情，这种情况下，在交流电源消失后蓄电池组带负载瞬间直流母线电压急剧下降，不仅会影响涉及负载的正常供电，甚至会导致变电站保护装置无法动作，从而引发事故扩大或烧毁一次设备，造成巨大的经济损失，大大降低供电可靠性，由于电池组没有容量，没有起到应有的作用，甚至可能由一起普通的线路故障扩大到全站停电，所以当蓄电池组无法正常供电时，如何在交流电源消失后保障直流系统可靠供电保证保护装置能够正确动作，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本实用新型提供了一种具备异常保护机制的直流供电系统，在一个实施例中，所述系统包括：功率校正充电模块、超级电容模块、升压模块和管控模块；
5.所述功率校正充电模块，其输入端通过ac/dc转换器与交流供电电路连接，为所述超级电容模块供电；
6.所述超级电容模块的输入端与所述功率校正充电模块连接，输出端与所述升压模块连接，结合所述升压模块为具备供电需求的直流侧一次设备和二次设备供电；
7.所述功率校正充电模块、超级电容模块和升压模块均与管控模块通信连接，由所述管控模块根据采集的状态信息控制各模块的运行。
8.优选地，一个实施例中，所述功率校正充电模块包括整流单元、充电电路、功率因
数校正电路和谐振隔离单元；
9.所述整流单元的输入端与所述ac/dc转换器连接，输出端与充电电路连接；
10.所述充电电路采用boost升压电路拓扑，其包括充电电感(l)、充电开关管(q) 和充电二极管(d)、充电电容(c)和辅助负载；
11.所述充电电感的输入端与所述整流单元的输出端连接，所述充电开关管与充电电感并联，所述充电二极管与充电电感串联，所述充电电容进一步与充电二极管连接；所述辅助负载并行连接在所述充电电容的两端；
12.所述功率因数校正电路的输入端通过dc/dc转换器与整流单元连接，其采用基于 dc/dc转换器电流信号控制的连续平均电流控制模式；
13.谐振隔离单元包括电连接的谐振电路和输出电路，所述谐振电路中的开关采用零压软开关电路。
14.一个实施例中，所述功率因数校正电路包括：电流电压取样电路、电流环路、电压环路、乘法器和校正电路；
15.所述电流电压取样电路，其采用设置的电流采样元件(s)采集充电电感(l)的电流取样值，并设置第一分压电阻(r1)和第二分压电阻(r2)对整流后的电压进行分压取样，还设置第三分压电阻(r4)和第四分压电阻(r5)对充电电路输出的电压进行分压取样；
16.所述校正电路包括第一比较器(k1)、第二比较器(k2)和第三比较器(k3)；所述第一比较器的反向输入端接收所述电流取样值，正向输入端与乘法器的输出端连接；乘法器的输入数据包括电压取样值和输出电压误差信号(ue)；
17.所述第二比较器的正向输入端与第一比较器的输出端连接，反向输入端连接锯齿波信号，输出端与开关电路的开关管的基极连接；
18.所述第三比较器的正向输入端连接标准电压信号，反向输入端接入输出电压采样信号；
19.所述电流环路连接在所述第一比较器的负向输入端和输出端之间，使输入功率因数校正电路的电流波形更接近正弦波；
20.所述电压环路包括一电容(c4)，连接在第三比较器的负向输入端和输出端之间，是输出电压保持恒定。
21.具体地，一个实施例中，所述整流单元采用全波整流器，输出正弦半波直流电压.
22.进一步地，一个实施例中，所述电流环路包括第一电阻(r7)、第一电容(c2)和第二电容(c3)，所述第一电阻和第一电容串行连接，所述第二电容并行连接在第一电阻和第一电容的两端。
23.一个实施例中，所述谐振隔离单元作为次级隔离变换元件，其通过变压器隔离接收来自功率因数校正电路的初级能量。
24.具体地，在一个实施例中，所述谐振隔离单元包括点连接的谐振电路和输出电路所述谐振电路中的开关采用零压软开关电路；
25.所述谐振电路包括与第一开关管(q1)和第二开关管(q2)连接的谐振电容(cs)，以及与谐振电容依次串联的第一谐振电感(ls)和第二谐振电感(lp)，所述第二谐振电感的输出端连接第二开关管；
26.所述输出电路包括变压器、第一滤波二极管(d1)、第二滤波二极管(d2)、输出电容
(cout)和输出辅助负载rout，所述输出电路通过变压器(tr)与所述谐振电路电连接，所述第一滤波二极管和第二滤波二极管分别与变压器副边连接构成全波整流电路，经过连接的输出电容为输出负载提供直流电；其中所述第一滤波二极管和第二滤波二极管采用快恢复二极管。
27.一个实施例中，所述谐振隔离单元的零压软开关电路包括零压谐振软开关(sr)、与零压谐振软开关并联的辅助电感(lr)和与零压谐振软开关串联的辅助电容(cr)，所述谐振电路的第一开关管和第二开关管分别连接零压谐振软开关的两端子。
28.一个实施例中，所述超级电容模块包括超级电容组和电容均衡电路；
29.所述电容均衡电路与各个超级电容连接，包括：与各个超级电容连接的多组第一均衡开关(s1)和第二均衡开关(s2)，各组第一均衡开关和第二均衡开关与对应的超级电容并联；
30.所述管控模块根据采集的各超级电容的电压数据生成对应均衡开关的控制指令，所述电容均衡电路根据管控模块的控制指令控制均衡开关运行，使各个超级电容的电压维持均衡。
31.一个实施例中，所述升压模块采用boost升压电路，其输入端与所述超级电容模块的输出端连接，其包括第一升压电容(c10)，升压电感(l10)、升压开关管(q10)、升压二极管(d10)、第二升压电容(c20)和辅助电阻(rl)；
32.所述第一升压电容对输入的电压进行滤波，所述升压电感的输入端与所述第一升压电容的一端连接，升压开关管连接在升压电感的输出端和第一升压电容另一端之间，并在与升压开关管并联的支路上依次连接升压二极管和第二升压电容；
33.所述辅助电阻并行连接在所述第二升压电容的两端。
34.与最接近的现有技术相比，本实用新型还具有如下有益效果：
35.本实用新型提供的一种具备异常保护机制的直流供电系统，该系统由功率校正充电模块、超级电容模块、升压模块和管控模块组成，本实用新型的供电系统可以与蓄电池备用供电模块并行组合运行，其中采用超级电容模块作为中间及储能器件，即使当蓄电池备用供电性能故障无法有效提供备用电能，遇到断电或强烈电压波动的情况，也能够及时的控制保护电路工作，避免异常影响大范围扩张，危及需求侧的一次设备；
36.另外的，本系统采用所述功率校正充电模块为所述超级电容模块供电，将超级电容的利用性能控制在最高，节省了超级电容的成本和占地空间，同时结合升压模块实现需求侧的直流供电，将超级电容中所述能量的利用率尽可能提高，进一步保障了异常发生时保护电路的正常运行。
37.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
38.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
39.图1是本实用新型一实施例提供的具备异常保护机制的直流供电系统的结构示意
图；
40.图2是本实用新型实施例提供的直流供电系统的功率校正充电模块中充电电路的结构拓扑图；
41.图3是本实用新型一实施例提供的直流供电系统的功率因数校正电路的结构拓扑图；
42.图4是本实用新型实施例提供的直流供电系统的功率校正充电模块的电感电流平均值与整流后电压波形对比图；
43.图5是本实用新型另一实施例中直流供电系统的谐振隔离单元的工作原理拓扑图；
44.图6是本实用新型实施例中直流供电系统的谐振隔离单元零电压软开关电路的结构拓扑图；
45.图7是本实用新型又一实施例提供的直流供电系统的超级电容模块中电压均衡电路的结构拓扑图；
46.图8是本实用新型实施例提供的直流供电系统的升压电路的结构拓扑图。
47.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
48.以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此本实用新型的实施人员可以充分理解本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本实用新型。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。
49.在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制，使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。
50.这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
51.变电站作为电力系统不可或缺的部分，与电力系统共同发展了100多年，在这100 多年的发展历程中，变电站在建造场地、电压等级、设备情况等方面都发生了巨大的变化；在电压等级上，随着电力技术的发展，由原来以少量110kv和220kv变电站为枢纽变电站，35kv为终端变电站的小电网输送模式，逐步发展成以特高压1000kv变电站和500kv 变电站为枢纽变电站，220kv、110kv变电站为终端变电站的大电网输送模式；在电气设备方面，一次设备由原来敞开式的户外设备为主，逐步发展到全封闭气体组合电器(gis) 和半封闭气体组合电器(hgis)；二次设备由早期的晶体管和集成电路保护发展到微机保护。
52.而直流电源系统是变电站的重要组成部分，是继电保护控制装置、自动化装置、高压断路器分合闸机构、通信、计量、事故照明等二次系统的供电电源，主要由蓄电池组和整流装置两部分组成，其输入端与交流供电端连接，输出端与直流母线或负载连接。正常运行情况下，直流电源系统由站用交流电经整流装置提供，当突发交流失电时，站用直流电源系统转由蓄电池组供电，蓄电池组便成为唯一的直流电源。但是，应用蓄电池组作为备用供电，普遍存在以下不可忽视的安全隐患，由于电池组维护量巨大，目前系统内每年都有大量电池组维护不到位的情况，部分站电池组运行状况恶劣，基本没有容量，运检人员又无法及时监测知情，这种情况下，在交流电源消失后蓄电池组带负载瞬间直流母线电压急剧下降，不仅会影响涉及负载的正常供电，甚至会导致变电站保护装置无法动作，从而引发事故扩大或烧毁一次设备，造成巨大的经济损失，大大降低供电可靠性，例如，2020 年8月底，某110kv变电站，因雷电暴雨天发生线路故障，引发站用电柜故障，在交流电源切换时，整流模块失去工作电源，由蓄电池组为全站保护及自动化装置供电，但由于该站电池运行时间过长，电池内阻普遍严重超标，容量大大下降，在带直流负载瞬间电池开路直流系统失电，保护装置失去工作电源闭锁，没能切断故障点，造成烧毁多面开关柜，并越级跳闸，引发全站停电的恶性事故，对社会造成严重的不良影响。该事故
53.由于电池组没有容量，没有起到应有的作用，甚至可能由一起普通的线路故障扩大到全站停电，所以当蓄电池组无法正常供电时，如何在交流电源消失后保障直流系统可靠供电保证保护装置能够正确动作，是一个亟待解决的问题。
54.具体地，铅酸蓄电池是目前发电厂、变电站直流电源系统的主流选择，占到总体装用量的99％以上。但在实际应用中，铅酸电池不可避免地存在以下可能导致其无法正常供电的风险因素：
55.(1)对运行环境要求高：
56.铅酸蓄电池一般要求运行环境温度控制在15℃～30℃之间，最佳运行环境温度25℃。但在实际运行中，由于设计、运维等方面不到位，蓄电池运行温度往往无法维持规定范围内，直接对电池容量及寿命造成影响。试验证明，当环境温度高于40℃时，温度每升高 10℃，电池寿命便缩短1/2。
57.(2)安全性较差：
58.铅酸蓄电池在运行过程中，其内部电解液存在外溢风险，易造成设备腐蚀及人身伤害事故，当外溢电解液流滴到其它电池或设备上时，易引起直流系统接地、短路；阀控式铅酸电池对过充电较为敏感，在过充情况下有燃烧及爆炸危险；此外，铅酸蓄电池在充电末期或过充电时会有氢气析出，若通风不良，氢气聚集，易引发爆燃事故，规程要求容量超过300ah时需设置独立的蓄电池室。
59.(3)使用寿命短：
60.单体电池一致性差，部分电池长期过(欠)充，性能劣化严重。蓄电池充电不足，极板上的硫酸铅不能完全溶解而堆积在极板上，造成负极极板硫酸盐化，活性物质减少，蓄电池内阻增加、容量下降而提前失效；境温度升高或过充电造成蓄电池失水，电解液比重增高，酸性加剧正极板腐蚀，造成蓄电池内部开路；部分制造厂盲目压低成本，极板厚度、电解液浓度不满足标准要求，致使极板腐蚀加速，进一步缩短电池寿命；非同批次电池无法匹配互换，个别电池劣化，需将整组电池更换，拉低整体寿命，造成较大资源浪费。
61.(4)运维工作量大：
62.国家电网公司《国网直流电源系统设备检修规范》规定，对阀控式密封铅酸蓄电池的检查应每年至少检查1次，检查项目包括端电压、内阻、温度和外观4大项12小项；核对性放电工作量大，铅酸蓄电池特性决定其必须定期开展核容测试，而其充放电倍率低，按照常规测试方法及反措要求周期开展测试，充放电时间长，消耗大量人力物力，现场超期检测现象较为普遍。
63.(5)状态监测困难：
64.蓄电池浮充状态下，监测蓄电池外观、环境温度、端电压无法直观判断蓄电池容量不足及其它内部质量问题，小电流放电等手段难以发现蓄电池极耳腐蚀、连接线虚接等隐患；单组蓄电池供电无冗余，当站用交流失电、大电流冲击、意外低压时，可能出现电池开路、短时间容量“跳水”崩溃现象，引发直流母线失压事故。
65.(6)环保压力大：
66.铅酸电池含有重金属铅及腐蚀性酸电解液，会对人体造成危害，废旧铅酸处理不当会对自然环境造成污染。电力系统大量使用铅酸电池，环保压力越来越大，社会责任不容忽视。目前，变电站直流电源系统采用的铅酸电池技术上几乎没有提升空间，必须有更可靠方案来填补这多年的痛点。
67.电容器是储存电荷的电子器件，在许多电子设备中得到了广泛的运用，但由于新时期行业技术的迅速发展，早期的电路结构逐渐被更复杂的电路形式取代，普通的电容器已经满足不了电路运行的需要，超级电容器应运而生，其作为电荷存储器件，通常用作真空开关、仪器仪表、数码相机、设备通信模块等微小电流供电的后备电源；太阳能产品以及小型充电产品的充电电池，但是还未出现过有效将超级电容应用于电网供电系统以支持断电保护机制的技术。
68.虽然超级电容器的优点良多，但是其也不是所有方面都是优越的，由于超级电容器的原理，其存在以下缺点：
①
泄漏损害，超级电容安装的位置不合理，容易引起电解质的泄漏等问题，破坏了电容器的结构性能。
②
电路限制，超级电容仅限于直流电路使用，这是由于与铝电解电容器相比，超级电容的内阻更大，不适合在交流电路的运行要求。
③
价格昂贵，由于超级电容是新一代的高科技产品，其刚刚推向市场时价格相对较高，增加了设备运行的成本投入。受到制造技术的限制，我国在使用超级电容时还存在安装、调试等方面的不足，不少设备因盲目使用超级电容造成电路故障，影响了整个设备性能的发挥。
69.基于上述现状，本实用新型基于超级电容应用和优化设置考虑，提供一种能够保障交流供电中断、蓄电池组异常运行时能够有效保护直流母线及负载不受损害的直流供电系统，采用本技术中具备断电保护机制的直流供电系统，即使蓄电池组内部故障无法保证直流负载保护装置的正常工作供电，利用包括超级电容器的辅助供电模块也能够为直流负载及保护装置提供提示所需电量和切断故障点的电量，能够有效将断电的损害和影响控制到最小。
70.此外，需要说明的是，虽然超级电容理论上能够作为直流系统辅助保障模块，但目前技术并不完善，若不按照合理的结构部署电路，是无法完全解决传统铅酸蓄电池可靠性差、智能化程度低、人工工作量大、寿命短、本质安全不足等问题的，接下来基于附图详细描述本实用新型实施例的直流供电系统。
71.实施例
72.超级电容在没有电时电压为零，处于短路状态，这样要求充电模块需要从0v开始工作，并且能尽快把超级电容充满，迅速满足直流母线工作需要。这就要求充电模块在输出电压低时，输出电流尽量大。在超级电容电压达到升压单元可以正常工作时，充电模块既给升压模块供电，又给超级电容充电，升压模块负责给直流母线供电，目前充电模块的技术水平已经完全满足超级电容的充电要求，由超级电容模块有充电单元供电时，升压单元长时间处于轻载工作状态，所以要求升压单元在轻载工作时的效率要高，在直流系统容量一定的情况下，充电模块的效率越高，系统配备的超级电容的容量就可以越小，如果升压单元的效率太低，要求配备更多的超级电容，不仅增加系统成本，而且会增大占用空间。其难点在于既要满足操作时的冲击功率，又要满足长时间轻载运行的效率。
73.图1示出了本实用新型实施例一提供的具备异常保护机制的直流供电系统的结构示意图，参照图1可知，该直流供电系统包括：功率校正充电模块、超级电容模块、升压模块和管控模块；
74.所述功率校正充电模块，其输入端通过ac/dc转换器与交流供电电路连接，为所述超级电容模块供电；
75.所述超级电容模块的输入端与所述功率校正充电模块连接，输出端与所述升压模块连接，结合所述升压模块为具备供电需求的直流侧一次设备和二次设备供电；
76.所述功率校正充电模块、超级电容模块和升压模块均与管控模块通信连接，由所述管控模块根据采集的状态信息控制各模块的运行。
77.领域内提高功率因数的方法我们称之为pfc(power factor correction)功率因数矫正，本方案实施例中的充电模块，采用两级功率变换充电电路，前级使用boost拓扑做的功率因数校正，后级采用llc高效隔离变换器，控制输出给超级电容充电。其中，前级具体采用apfc(active power factor correction)有源功率因数校正，使满载功率因数达到0.995以上，谐波电流含量控制在5％以下，对电网污染非常小，同时对供电电源的要求也比较低，只要交流电源达到功率要求，不需要配备更大的供电电源。
78.因此，在一个实施例中，所述功率校正充电模块包括整流单元、充电电路、功率因数校正电路和谐振隔离单元；
79.所述整流单元的输入端与所述ac/dc转换器连接，输出端与充电电路连接；所述整流单元为全波整流器，输出正弦半波直流电压；
80.所述充电电路采用boost升压电路拓扑，其包括充电电感l、充电开关管q和充电二极管d、充电电容c和辅助负载，如图2所示；
81.所述充电电感的输入端与所述整流单元的输出端连接，所述充电开关管与充电电感并联，所述充电二极管与充电电感串联，所述充电电容进一步与充电二极管连接；所述辅助负载并行连接在所述充电电容的两端；
82.所述功率因数校正电路的输入端通过dc/dc转换器与整流单元连接，其采用基于 dc/dc转换器电流信号控制的连续平均电流控制模式；
83.所述谐振隔离单元包括电连接的谐振电路和输出电路，所述谐振电路中的开关采用零压软开关电路。
84.基于上述结构可知，本系统的充电电路基本属于一种开关电源，它与传统的开关
电源的区别在于：本系统在dc/dc变换之前没有滤波电容，电压是滤波单元的全波整流器输出的半波正弦脉动电压，且这个正弦半波脉动直流电压和dc/dc整流器的输出电流以及充电电路输出的电压都受到监控模块实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。
85.基于功率因数校正策略，本实用新型本产品采用连续电流模式(ccm模式)，ccm 模式中的直接电流控制来源于dc/dc变换器的电流控制模式。
86.应用直接电流控制模式时，将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。下面就结合附图对利用平均电流控制技术的boost pfc电路进行介绍，电路拓扑图如图3所示；
87.具体地，如图3所示，在一个实施例中，所述功率因数校正电路包括：电流电压取样电路、电流环路、电压环路、乘法器和校正电路；
88.所述电流电压取样电路，其采用设置的电流采样元件s采集充电电感l的电流取样值，并设置第一分压电阻r1和第二分压电阻r2对整流后的电压进行分压取样；还设置第三分压电阻r4和第四分压电阻r5对充电电路输出的电压进行分压取样；
89.所述校正电路包括第一比较器k1、第二比较器k2和第三比较器k3；所述第一比较器的反向输入端输入所述电流取样值，正向输入端与乘法器z的输出端连接；乘法器的输入数据包括电压取样值和输出电压误差信号ue；
90.所述第二比较器k2的正向输入端与第一比较器k1的输出端连接，反向输入端连接锯齿波信号，输出端与开关电路的开关管的基极连接；
91.所述第三比较器的正向输入端连接标准电压信号，反向输入端接入输出电压采样信号；
92.所述电流环路连接在所述第一比较器的负向输入端和输出端之间，是输入功率因数校正电路的电流波形更接近正弦波；
93.所述电压环路包括一电容c4，连接在第三比较器的负向输入端和输出端之间，是输出电压保持恒定。
94.一个实施例中，所述电流环路包括第一电阻(r7)、第一电容(c2)和第二电容(c3)，所述第一电阻和第一电容串行连接，所述第二电容并行连接在第一电阻和第一电容的两端。
95.本系统采用上述实施例的平均电流控制具有双环控制技术的优点，电流环使输入电流波形更接近正弦波，电压环使升压型dc/dc输出电压uo恒定，由电流取样元件s获得充电电感l中的电流取样，并由分压电阻r1和r2分压以取得整流后的电压取样信号。k1正向输入端信号来自乘法器z，作为k1的基准信号，k1反向输入端信号来自电感电流取样信号。若电感电流偏小时，k1输出增大，与锯齿波比较后的pwm信号占空比增加，使充电开关管q的导通时间变长而截止时间减少。
96.在boost pfc电路中，q管导通，l贮能，通过电感的电流i
l
增加，而q管截止时，充电二极管d导通，电容c充电，流过电感的电流i
l
减小，这样使电感电路中电流 i
l
可跟踪基准信号波形，即i
l
的平均值i与整流后的电压波形接近同相，如图4所示；
97.在前级的boost pfc电路中，设pwm信号周期为t，q管截止时间为toh，则 uo＝t/toh
·
ui，当boost pfc电路中uo上升时，输出电压的取样值与标准电压uref 比较后使k2输
出下降，从而使uz下降；使k1输出下降，即toh增加，uo下降，以保持输出电压稳定。
98.所述谐振隔离单元作为次级隔离变换元件，其通过变压器隔离接收来自功率因数校正电路的初级能量。在一个实施例中，所述谐振隔离单元包括电连接的谐振电路和输出电路，所述谐振电路中的开关采用零压软开关电路。
99.本系统中采用llc高效隔离变换模式，采用全数字控制，其具有效率高，体积更小，重量更轻，可靠性更高等特点，实现了隔离功率变换，其工作原理拓扑图如图5所示；
100.如图5，所述谐振电路包括与第一开关管q1和第二开关管q2连接的谐振电容cs，以及与谐振电容依次串联的第一谐振电感ls和第二谐振电感lp，所述第二谐振电感的输出端连接第二开关管；
101.所述输出电路包括变压器、第一滤波二极管d1、第二滤波二极管d2、输出电容cout 和输出辅助负载rout，所述输出电路通过变压器tr与所述谐振电路电连接，所述第一滤波二极管和第二滤波二极管分别与变压器副边连接构成全波整流电路，经过连接的输出电容为输出负载提供直流电；其中所述第一滤波二极管和第二滤波二极管采用快恢复二极管。
102.其工作过程中，通过控制q1和q2的导通关断时间实现软开关控制，高效精准的把初级能量传输到次级，实现输出电压、功率的精准控制。具体地，上半周q1导通， q2处于关断状态，vin电压通过q1、ls、lp对cs充电，变压器初级电压为vin
‑
vcr，变压器输出能量；当q1关断时，正弦波电流尚未归零，可使q2处于零压条件，此时开通q2，电路进入下半周工作。在下半周，cs上的储能电压通过q2、ls、lp形成lc谐振式放电，变压器输出能量，完成一个周期的工作。
103.一个可选的实施例中，所述谐振隔离单元应用的零电压软开关电路包括零压谐振软开关sr、与sr并联的辅助电感lr和与sr串联的辅助电容cr，以及分别连接在软开关sr 两端的第一开关管和第二开关管，其原理拓扑图如图6所示。
104.如图所示，电感lr和电容cr可以是拓扑中的基本元件，也可以是专为sr开关软化而设计的辅助元件。b、c两端子连线可以是电路直接短接，也可以是高频等效连接。
105.lr、cr、sr组成的谐振开关可视为整个功率变换拓扑中的一个环节，在开关过渡过程中，利用lr、cr谐振过程，当电感lr把电容cr的储存电荷向外抽空，sr端电压降为零时，sr方才开启导通，则为零压开启，sr导通状态时端电压为零，突然关断sr，lr、 cr则会形成谐振，谐振电流自上而下充入电容cr，其充电速率由lr、cr谐振频率确定，相比开关管电流波形下降沿时间，cr上电压上升过程要慢很多，在设计上只要保证当sr 电流下降到零时，cr上尚未建立起不可忽略的电压，就可以看做是零压关断，显然，sr 的零压关断时在cr的缓冲保护下完成的。
106.实际应用时，充电模块给超级电容充电的初始电流13.5a，当充电模块输出电压达到55v时，充电模块输出电流随输出电压上涨而降低，控制充电模块恒功率输出750w，当模块输出电压达到设定电压时，模块给设置的负载供电，输出电压220～260vdc可设，恒功率输出时，输出功率可设。
107.目前常用的超级电容器充电储能方式有两种：
108.(1)恒流充电
109.恒流充电的主要特点是具有较大的适应性，可以任意选择充电电源。对超级电容器进行恒流充电，可以看到超级电容器的端电压随时间按直线规律升高。由于超级电容器
的充电电流选择范围较大，因此可结合不同应用需求以及超级电容器自身状况进行优化控制。例如，对于电动客车充电站等对时间要求敏感的场合，可以选择大电流，短时间的充电模式：对于ups等备用电流系统，可以采用小电流补充能量。
110.恒流充电的变型是分段恒流充电，即在充电初期设定较大的充电电流，而后及时根据监测到的端电压值来变更减少充电电流设定值，此方法也称为递减电流充电法。
111.(2)浮充充电
112.类似于电化学电源，超级电容器在静止保持态时，以漏电流的形式自放电，特别是使用有机电解液的超级电容器自放电率要大一些。从电气应用角度可以认为，超级电容器的等效并联阻抗rep在静止时会消耗一部分电能，同时瞬间小功率放电也会令超级电容器损失一部分能量。因此，维持超级电容器备用存储能量的最佳方法就是在给超级电容器不断浮充充电，以备储能量的减少。超级电容器电解液的挥发或分解速度随超级电容器施加电压的上升而增加，同时，超级电容器的使用寿命也随工作电压上升而减少，因此在超级电容器的浮充充电储能过程中要注意对电压的监测。在浮充电过程中，如果选择的浮充电压太低，就不能补偿超级电容器的自放电损耗，则会造成超级电容器的充电储能量不足，是超级电容器有效储能容量得不到充分利用。超级电容器浮充电压也不能过高，否则会过多地增加能量损耗或因严重过充电超过超级电容器的额定电压而缩短其使用寿命。因此，对于超级电容器来说要保证搞可靠性的浮充充电，浮充电压的选择很重要。
113.一个实施例中，本系统的所述超级电容模块包括超级电容组和电容均衡电路；
114.所述电容均衡电路与各个超级电容连接，包括：与各个超级电容连接的多组第一均衡开关s1和第二均衡开关s2，各组第一均衡开关和第二均衡开关与对应的超级电容并联；
115.所述管控模块根据采集的各超级电容的电压数据生成对应均衡开关的控制指令，所述电容均衡电路根据管控模块的控制指令控制均衡开关运行，使各个超级电容的电压维持均衡。
116.单个电容器的电压均衡电路其原理如图7所示，其中电解电容cf作为目标电容，管控模块通过电压检测单元实时检测每支超级电容器的工作电压，比较出当前工作周期内电压最高的电容器(cmax)，电压最低的电容器(cmin)。
117.在下一个工作周期内，开关s1导通，开关s2关断，电流i1从流出经过s1、cf形成回路loop1，cmax向cf放电；当cf电压接近于cmax的电压时，开关s1关断，开关s2导通，电流i2从cf流出经过s2、cmin形成回路loop2，cf向放电；当cf 电压接近于cmin的电压时，开关s2关断，开关s1导通，重复上述工作过程，cmax和 cmin之间的电压差会越来越小，最终实现超级电容器的电压均衡。
118.实际应用中，当单电容器电压均衡系统达到稳态时，cmax的电压为umax，cmin的电压为umin，f的电压在u12和un之间变化。其均衡过程可分为充电和放电两个阶梯：
119.(1)t0≤t≤t
on
阶段
120.在t＝t0时刻，s1导通，s2关断，cmax向cf放电，cf的初始电压为uf2，设在 t时刻的电压为uf1(t)。将图3.1回路loop1中超级电容器、cf、开关分别用各自等效电路替换。超级电容器可采用串联rc模型，其中rc为等效串联内阻。cf可等效为低等效串联阻抗的电解电容器，电路模型由一个理想的电容和一个等效串联内阻rd构成。由于cmax的容量远远大于
cf的容量，所以在一个很短的时间内cmax可以等效为一个电压源。
121.(2)t
on
≤t≤t阶段
122.在t＝t
on
时刻，s1关断，s2导通，cf向cmin放电，cf的初始电压为un，设在 t时刻的电压为uf2(t)。将图3.1回路loop2中超级电容器、cf、开关分别用各自等效电路替换，同理将cmin等小成一个电压源，其中t是开关管的开关周期，当充放电的时间相等，即t＝t/2时，电容器cf的充放电终止电压分别为uf1和uf2，则可得：
[0123][0124][0125][0126]
一个实施例中，本系统的所述升压模块采用boost升压电路，其输入端与所述超级电容模块的输出端连接，其包括第一升压电容c10，升压电感l10、升压开关管q10、升压二极管d10和第二升压电容c20；
[0127]
所述第一升压电容c10对输入的电压进行滤波，所述升压电感l10的输入端与所述第一升压电容c10的一端连接，升压开关管q10连接在升压电感的输出端和第一升压电容另一端之间，并在与升压开关管并联的支路上依次连接升压二极管d10和第二升压电容c20；
[0128]
所述升压电路还包括并行连接在c20两端的辅助电阻rl。
[0129]
boost升压电路是一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量，从而使输出电压比输入电压高，其电路拓扑结构图如图8；
[0130]
实际应用时，所述升压电路的工作过程可分为充电和放电两部分，所述管控模块采集升压电路的运行状态的信号，判断升压电路的充放电状态；当超级升压电路属于充电状态时，控制所述升压开关管导通，当所述升压电路属于放电状态时，控制所述升压开关管关断；
[0131]
在充电时候，开关管导通，可理解为开关管mos管这里相当于一根线直接将漏极 d和源极连起来，相当于把mos管短接，这时候输入电压流过电容c1滤波，电感l1、mos管q1，随着l1不断充电，电感上的电流线性增加，到达一定时候电感储存了一定能量；在这过程当中，二极管d1反偏截止，由电容c2(电容c2有电是因为上一次放电时给电容c2充电)给负载提供能量，维持负载工作；
[0132]
当开关管不导通时候，此时q1相当于断开，由于电感有反向电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，而是会缓慢的逐渐放电。由于原来的电回路已经断开，电感只能通过 d1、辅助负载rl、c1回路放电，也就是说电感开始给电容c2充电，加上给c2充电之前已经有c2提供电压，因此电容两端电压升高。
[0133]
本系统中采用dc/dc3kw升压电路，一般设置输出电容c2要足够大，这样在输出端
才能保证放电时候能够保持一个持续的电流，同时二极管一般至少采用快恢复二极管。
[0134]
本系统中采用上述实施例中的升压模块能够满足输入范围宽，升压倍数高，输出功率大，并对轻载效率有极高的要求。为了扩大电容存储能量的利用率，本系统设置dc/dc 升压模块输入40v时就可以把输出电压升到直流母线要求的电压范围内；同时，母线电压低于185v时，要求dc/dc 3kw升压电路可以把输出电压升到母线要求的电压范围内，所以，dc/dc 3kw升压电路的输入范围为40～185v，也就是说高端工作电压是低端工作电压的将近5倍。同时要把电容电压升高到220v给母线供电，升压倍数为5.5倍。实际电路需要考虑电感线圈的电阻等，电感线圈电阻越大，boost电路实际的增益越小，所以，要想达到5.5倍升压，必须通过增加电感线径减小电感上的内阻，实现升压倍数满足升压要求。而解决功率大问题，需要选择电流更大的开关管，同时根据输出电压选定开关管的耐压满足要求。
[0135]
超级电容不像电池，是通过化学反应把电能转化成化学能存储在电池中，而放电时，是通过化学能转化成电能放出来的，相对电压比较稳定，超级电容存储能量的方式是通过电容将电核存在电容器中，根据电容存放电核的计算公式q＝cu和电容里存储的能量公式w＝cu2，说明，电容存储能量多少和电容上的电压的平方成正比关系的。所以，电容容量需要根据母线需求的能量和电容存储的能量的利用率来确定，系统中超级电容容量的大小。如果超级电容里存储的能量的利用率太低，不仅需要增加成本配备更大的超级电容，而且需要增加占地面积，给它足够的空间存放超级电容，电容里存储的能量的利用率就显得非常重要了。
[0136]
电容存储的能量利用率根据能量守恒定律进行计算，按照电容充电到220v计算，母线电压低至185v以下时，直流设备将停止工作。
[0137]
按照电容放电到185v计算，利用能量守恒定律推导得出电容存储能量利用率：
[0138]
η＝(cumax2
‑
cumin2)
÷
cumax2
×
100％＝(2202
‑
1852)/2202
×
100％≈29.3％
[0139]
如果增加升压模块，将电容里185v～40v电压存的电能升压供给给母线使用，则利用率为：
[0140]
η＝(cumax2
‑
cumin2)
÷
cumax2
×
100％＝(2202
‑
402)/2202
×
100％≈96.7％
[0141]
根据计算得出，在给母线提供相同能量的前提下，配备了升稳压模块的直流保障模块使用的超级电容大约是没有配备升稳压模块的电容的三分之一。
[0142]
超级电容模块有充电模块供电时，升压模块长时间处于轻载工作状态，所以要求升压模块在轻载工作时的效率要高，在直流系统容量一定的情况下，充电单元的效率越高，系统配备的超级电容的容量就可以越小，如果升压单元的效率太低，要求配备更多的超级电容，不仅增加系统成本，而且会增大占用空间，采用本实用新型的直流供电系统只需要少量的超级电容，且占用空间小。
[0143]
管控模块对超级电容充电过程全程智能监控，运行状态实时感知上传，当超级电容电压达到升压模块工作的电压后，升压模块开始工作，将电容电压升到直流母线需要的电压，直流母线所带的设备可以正常工作。而随着超级电容上的电压升高，超过升压模块的输出电压时，升压模块自动退出工作，充电模块通过给超级电容充电的同时，通过防反灌二极管给直流母线供电。充电模块达到设定电压时，给超级电容充满电，只给直流母线供电。此时超级电容处在满容量待命状态，升压模块也处于待命状态。当直流系统出现冲击性负载时，由超级电容提供能量，而完成操作后，充电模块及时把超级电容充满备用。出现交流
停电情况的话，首先需求侧直流母线由超级电容直接给母线供电，当超级电容的电压降低到升压模块设定的输出电压时，由升压模块把超级电容的电压升高后给母线供电，整个过程保证直流母线电压不出现较大跌落现象，可靠保证后续负载运行。超级电容可以保证直流系统发生异常时直流母线电压的稳定可靠，只要能保证几分钟的正常供电，保护装置即可切断故障点，交流电网系统恢复正常后，充电模块再给超级电容充电，同样超级电容上的电压超过升压模块的输出电压时，升压模块自动退出工作，完成一个工作循环。
[0144]
本实用新型实施例提供的具备异常保护机制的直流供电系统中，各个模块或单元结构可以根据实际供电和取样需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
[0145]
应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
[0146]
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0147]
虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。