一种可应用于微机控制保护装置的储能系统的制作方法

本实用新型涉及微机控制保护技术领域，特别是一种可应用于微机控制保护装置的储能系统，其可适用于电力系统中对二次继电保护装置输入电源端口电压暂降及中断抗扰度要求高的场合。

背景技术：

电气及电子设备运行中会受到供电电源输入电压暂降、短时中断的影响，在电压暂降及短时中断过程中，应保证装置正常运行，不能出现装置重启等异常现象。随着微机控制保护装置功能的越来越复杂，装置的功耗也越来越大，从原先的十几瓦，当现在的几十瓦，甚至一百瓦以上；另一方面，随着电源端口输入电压暂降及中断抗扰度要求越来越高，通过增加电源板卡上输入电解电容的容值来加大装置的暂降及中断时间变的越来越困难。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题为：利用模块化设计的储能电路，结合装置供电电压检测技术，避免输入电压暂降或短时中断对设备造成的影响，同时可满足装置的功耗水平。

本实用新型采取的技术方案具体为：一种可应用于微机控制保护装置的储能系统，包括电源模块和1个以上储能模块；

电源模块的输入端连接外部电源，输出端为微机控制保护装置提供工作电源；输入端与输出端之间依次连接有整流滤波单元和DC/DC单元；DC/DC单元的输入端连接有输入电压检测单元，DC/DC单元的输出端连接有输出电压检测单元；

各储能模块分别包括充电控制开关、充电电路单元、超级电容组、放电电路单元、放电控制开关和控制单元；充电控制开关连接在充电电路单元输入端与电源模块输出端之间，放电控制开关连接在放电电路单元输出端与电源模块输出端之间；充电电路单元的输出端和放电电路单元的输入端分别连接超级电容组；电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别连接控制单元，控制单元分别控制充电控制开关和放电控制开关的通断状态，从而控制由电源模块向超级电容组充电，或者控制超级电容组放电为微机控制保护装置提供工作电源。

本实用新型中，DC/DC单元的输出端正极与电源模块输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1和Oring控制器；电源输出控制开关的源极连接DC/DC单元，漏极连接电源模块输出端正极； Oring控制器根据电源输出控制开关Q1源极与漏极电压的比较结果，控制电源输出控制开关Q1的导通或关闭。以实现电源模块与各储能模块并联，同时向微机保护控制装置供电。Oring控制器可采用德州仪器公司的LM5050芯片。

进一步的，各储能模块的超级电容组还连接有均压及钳位电路单元。超级电容串联使用时，由于各单体电容的电容值及漏电流等参数存在差异性，在超级电容充电、放电过程及充电完成后长时间运行时，串联的各个单体电容上电压是不相等的，这样会造成串联超级电容组中的部分超级电容出现过电压情况而损坏，因此串联使用时需要进行均压及钳位。

优选的，本实用新型中，超级电容组包括多个由2个以上电容并联连接的电容小组，各电容小组依次串联组成超级电容组；相邻两个电容小组中的电容数量相同，一个电容小组中的各电容分别串联另一电容小组中的一个电容。超级电容组也可采用现有其它电路形式。各电容小组分别并接均压电路和钳位电路。

优选的，本实用新型中，充电控制开关和放电控制开关分别为MOS管；充电控制开关的源极连接充电电路单元，漏极连接电源模块输出端正极，栅极连接控制单元；放电控制开关的漏极连接电源模块输出端正极，源极连接放电电路单元，栅极连接控制单元。控制单元通过控制MOS开关的栅极电压实现MOS开关的通断，从而控制充电电路的导通或者放电电路的导通。

优选的，本实用新型中，输入电压检测单元和输出电压检测单元分别包括比较器，控制单元根据输入电压检测单元和输出电压检测单元输出的电平状态信号控制充电控制开关和放电控制开关的开关状态。比较器将检测到的电压与设定的电压阈值进行比较，进而根据比较结果输出高电平或者低电平，分别代表输入电压或输出电压是否在允许范围内。

输入电压检测单元和输出电压检测单元也可以采用电压测量加微处理器的形式，由微处理器向控制单元输出代表电压范围是否在允许范围内的高电平或低电平信号，或者直接将采集到的电压信号输出至控制单元（输入电压检测单元和输出电压检测单元直接采用电压传感器也可）。

本实用新型在应用时，可根据经验设定输入电压和输出电压的允许范围，以区分外部输入电源电压暂降或暂时中断的情况。控制单元根据输入电压检测单元和输出电压检测单元检测到的电压信号，分别控制充电控制开关和放电控制开关的通断状态，从而控制由电源模块向超级电容组充电，或者超级电容组放电。具体可设计为，当电压不在允许范围时，则输入电压检测单元或输出电压检测单元输出低电平信号，当电压满足允许范围时则输出高电平信号。控制单元可采用微控制器加MOS管驱动芯片的形式，或逻辑门电路加MOS管驱动芯片的形式，当微控制器或逻辑门电路检测到两个检测单元输出的均为高电平信号，则输入电源正常，设备可正常运行，此时控制单元通过驱动芯片控制Q2导通Q3关断，由电源模块向储能模块充电；当两个检测单元输出的电平有一个为低电平时，则控制Q2关断Q3导通，由超级电容组向设备提供运行电源。

优选的，本实用新型中，控制单元包括依次连接的RC滤波电路、逻辑电路和驱动电路；驱动电路包括分别用于驱动充电控制开关Q2和放电控制开关Q3的驱动电路部分；逻辑电路包括与非门和非门，其中电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别通过RC滤波电路，连接逻辑电路中与非门的两个输入端，与非门的输出端连接放电控制开关Q3的驱动电路部分的输入端，以及非门的输入端，非门的输出端连接充电控制开关Q2的驱动电路部分的输入端。当输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端皆输出高电平信号（此时电源模块不存在电压暂降或中断情况，可通过电源模块为微机控制保护装置供电），则与非门输出低电平信号，放电控制开关Q3对应的驱动电路部分不为Q3提供驱动信号，放电控制开关Q3关断；与非门输出的低电平信号经非门转换为高电平信号，此时充电控制开关Q2对应的驱动电路部分可为Q2提供驱动信号，Q2导通，电源模块同时为储能模块的超级电容组充电。当输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端中，有任一输出为低电平，则与非门输出高电平信号，Q3导通，Q2关断，由储能模块中的超级电容组放电为微机控制保护装置提供工作电源。

优选的，控制单元中分别对应驱动Q2和Q3的驱动电路部分分别采用MOS管驱动芯片LTC1154。

为了凸显本实用新型在应用时采用模块化设计，使得系统结构更加简洁，配置更加灵活的特点，以下进一步公开一种可应用于微机控制保护装置的储能系统，包括背板、电源模块板卡和一个以上储能模块板卡；

背板上设有可为设备接入工作电源的电源插接端子，电源模块板卡的输入端连接外部电源，输出端连接背板上的电源插接端子；

电源模块板卡的输入端与输出端之间依次连接有整流滤波单元和DC/DC单元；整流滤波单元的输出端连接有输入电压检测单元，用于检测整流滤波单元输出的电压；DC/DC单元的输出端连接有输出电压检测单元，用于检测DC/DC单元输出的电压；DC/DC单元的输出端正极与电源模块输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1；

各储能模块板卡分别包括充电输入端、放电输出端、超级电容组和控制单元，充电输入端和放电输出端分别连接背板上的电源插接端子；充电输入端与超级电容组之间依次连接有充电控制开关和充电电路单元；超级电容组与放电输出端之间依次连接有放电电路单元和放电控制开关；电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别连接控制单元，控制单元分别控制充电控制开关和放电控制开关的通断状态，从而控制由电源模块向超级电容组充电，或者超级电容组放电。

优选的，背板上还设有输入电压状态信号插接端子和输出电压状态信号插接端子，电源模块中输入电压检测单元的输出端通过输入电压状态信号插接端子连接储能模块板卡的控制单元，输出电压检测单元的输出端通过输出电压状态信号插接端子连接储能模块板卡的控制单元。

进一步的，DC/DC单元的输出端正极与电源模块板卡输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1和Oring控制器；电源输出控制开关为MOS管，其源极连接DC/DC单元，漏极连接电源模块板卡的输出端正极； Oring控制器根据电源输出控制开关Q1源极与漏极电压的比较结果，控制电源输出控制开关Q1的导通或关闭。

本实用新型在应用时，储能模块板卡的数量可根据设备功耗或其它需要设置，各板卡仅通过接线端子连接背板，从而实现板卡之间的信号连接，以及板卡与设备之间的电源传输。避免了接线杂乱的情况，结构非常简洁。

有益效果

本实用新型采用超级电容组来替代传统的使用电解电容储能的方案，相同尺寸情况下，可储能的容量远远大于电解电容类储能设备，能够满足目前微机控制保护装置功耗较大的要求，且电路体积小，成本降低；另外，本实用新型采用模块化设计，将储能模块设计为单独的板卡，与电源板卡解耦设计，运行安全性高，并且支持多块储能板卡并联使用，因此可根据需求选配1个或多个储能模块板卡，结构简单，配置灵活。

附图说明

图1所示为本实用新型系统原理结构示意图；

图2所示为本实用新型均压及钳位电路单元的一种具体实施电路；

图3所示为本实用新型Oring控制器（Oring控制电路）的一种具体实施电路；

图4所示为本实用新型输入电压检测单元的一种具体实施电路；

图5所示为本实用新型输出电压检测单元的一种具体实施电路；

图6所示为本实用新型充电电路单元一种具体实施电路；

图7所示为本实用新型放电电路单元一种具体实施电路；

图8所示为本实用新型控制单元一种具体实施电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

参考图1所示，可应用于微机控制保护装置的储能系统，包括电源模块和1个以上储能模块；

电源模块的输入端连接外部电源，输出端为微机控制保护装置提供工作电源；输入端与输出端之间依次连接有整流滤波单元和DC/DC单元；DC/DC单元的输入端连接有输入电压检测单元，DC/DC单元的输出端连接有输出电压检测单元；

各储能模块分别包括充电控制开关、充电电路单元、超级电容组、放电电路单元、放电控制开关和控制单元；充电控制开关连接在充电电路单元输入端与电源模块输出端之间，放电控制开关连接在放电电路单元输出端与电源模块输出端之间；充电电路单元的输出端和放电电路单元的输入端分别连接超级电容组；电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别连接控制单元，控制单元分别控制充电控制开关和放电控制开关的通断状态，从而控制由电源模块向超级电容组充电，或者控制超级电容组放电为微机控制保护装置提供工作电源。

结合图1和图3，DC/DC单元的输出端正极与电源模块输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1和Oring控制器；电源输出控制开关的源极连接DC/DC单元，漏极连接电源模块输出端正极；Oring控制器根据电源输出控制开关Q1源极与漏极电压的比较结果，控制电源输出控制开关Q1的导通或关闭。以实现电源模块与各储能模块并联，同时向微机保护控制装置供电。Oring控制器,采用德州仪器公司的LM5050芯片。

参考图2，各储能模块的超级电容组还连接有均压及钳位电路单元。超级电容组包括多个由2个以上电容并联连接的电容小组，各电容小组依次串联组成超级电容组；相邻两个电容小组中的电容数量相同，一个电容小组中的各电容分别串联另一电容小组中的一个电容。超级电容组也可采用现有其它电路形式。各电容小组分别并接均压电路和钳位电路。

超级电容串联使用时，由于各单体电容的电容值及漏电流等参数存在差异性，在超级电容充电、放电过程及充电完成后长时间运行时，串联的各个单体电容上电压是不相等的，这样会造成串联超级电容组中的部分超级电容出现过电压情况而损坏，因此串联使用时需要进行均压及钳位。

如图2，均压电路包括电阻RA1、电阻RA2、……电阻RAn ，RA1与超级电容组中C11电容并联，RA2与超级电容组中C12电容并联，RAn与超级电容组中C1n电容并联。钳位电路包括n个相同的子模块电路，分别为子模块电路1、子模块电路2、……子模块电路n，所述子模块电路1包括电压基准芯片M1、比较器U01、电阻RB1、电阻RC1、电阻RD1、电阻RE1、电阻RF1、三极管Q01，电压基准芯片M1可选用ADI公司的REF192芯片，子模块电路2、……子模块电路n与子模块电路1组成相同，所述均压电路中的电阻RA1、电阻RA1、电阻RA2、……电阻RAn选取相同的电阻值，并根据所使用超级电容的具体规格，选取适当的电阻值使得在超级电容组工作时RA1、RA2、……RAn上流过的电流值远大于单个超级电容器的最大漏电流，一般可选取10倍以上，此时各串联的单体超级电容器上电压主要由RA1、RA2、……RAn的电阻值决定；钳位电路的作用是，在充放电过程中及充电完成后长时间运行时，当检测到超级电容两端电压大于设定的门槛值时，比较器U01输出高电平，通过电阻RC1驱动三极管Q01导通，超级电容通过Q01、RB1放电，超级电容两端电压下降，从而将超级电容两端的电压钳位在设定门槛值以内。

结合图1、图6和图7，充电控制开关和放电控制开关分别为MOS管；充电控制开关的源极连接充电电路单元，漏极连接电源模块输出端正极，栅极连接控制单元；放电控制开关的漏极连接电源模块输出端正极，源极连接放电电路单元，栅极连接控制单元。控制单元通过控制MOS开关的栅极电压实现MOS开关的通断，从而控制充电电路的导通或者放电电路的导通。

图6所示为充电电路单元，充电电路单元用于控制超级电容组的充电，采用恒流恒压的充电方式，在充电初始阶段采用恒流充电方式，当超级电容组的电压接近充满时转为恒压充电方式。充电电路单元的主功率电路采用同步整流buck拓扑结构，控制芯片采用专用集成芯片，本实施例中选用TI公司的bq24640，也可选用其他类似功能的集成芯片，Cin为输入滤波电容，Co为输出滤波电容，L1为功率电感，M1、M2为组成buck电路的功率mos管，Rs为电流采样电阻，将输出电流转换成Rs电阻两端的电压，并送到控制芯片bq24640中，芯片使用该信号实现恒流充电方式控制，电阻RF1、电阻RF2通过电阻分压的方式对输出电压进行采样，并将采样的信号送到控制芯片中，用于bq24640芯片实现恒压充电方式控制。

由于在放电过程中，超级电容组上的电压是逐渐减小的，而背板电压有一个正常供电电压范围，放电电路单元的作用是将超级电容组的输出电压稳压到一个固定的值，图7中，本实施例放电电路单元主功率电路采用同步整流boost拓扑结构，控制器选用集成芯片，例如采用LINEAR公司的LTC3786芯片，Cin为输入滤波电容，L1为boost电路的功率电感，M1、M2为boost电路的功率mos管，Rs为电流采样电阻，用以采样boost工作时流过电感L1上的电流，Rs将L1上流过的电感电流转换成Rs两端的电压值，并将它送到控制芯片中，控制芯片使用该信号来实现对电感L1上电流的控制，电阻RF1、电阻RF2通过电阻分压的方式来实现对boost输出电压的采样，并送给控制芯片，控制芯片使用该信号实现对boost电路输出电压的控制。

参考图4和图5，输入电压检测单元和输出电压检测单元分别包括比较器：

图4所示的输入电压检测单元中，被测输入电压亦为整流滤波单元输出端的电压，比较器U11用于将检测到的电压与基准电压进行比较，根据比较结果输出电平信号，控制MOS管Q11的导通或关断，进而通过光耦输出代表输入电压是否在允许范围内的电平信号POWER-OK，作为控制单元的其中一个输入信号。具体的，整流滤波单元的输出电压连接到电阻R2，电阻R2与电阻R3串联，电阻R2、电阻R3串联的公共点连接到比较器U11的同相输入端，电阻R2、电阻R3通过电阻分压的方式实现对整流滤波单元的输出电压的采样，整流滤波单元的输出电压还连接到电阻R4，电阻R4与电容C1串联，稳压管D1与C1并联，R4、C1、D1的作用是将整流滤波单元的输出电压转换成15伏左右的电压，用以给比较器U11、光耦U12、电压基准芯片U13供电，U13的输出通过电阻R1接到U11比较器的反相输入端，用于产生输入电压的比较门槛值，即确定输入电压的允许范围。当U11比较器的同相输入端电压大于反相输入端电压时，比较器U11输出高电平，控制mos管Q11导通，光耦U12内部的发光二极管导通，发光二极管导通后，使得U12内部三极管导通，电阻R4上电压变高，POWER-OK输出高电平，当U11比较器的同相输入端电压小于反相输入端电压时，比较器U11输出低电平，Q1不导通，光耦U12的发光二极管不导通，U12内部的三极管不导通，R4上电压为0，POWER-OK输出低电平。

图5所示的输出电压检测单元中，被测输出电压为DC/DC单元输出端的电压，比较器U21用于将检测到的输出电压与基准电压进行比较，根据比较结果输出代表输出电压是否在允许范围内的电平信号VO-OK，作为控制单元的另一个输入信号。具体的，电阻R2、电阻R3作用是通过电阻分压的方式来实现对DC/DC单元的输出电压进行采样，采样后的电压信号连接到U21比较器的同相输入端，电压基准芯片U22用以产生U21比较器的比较门槛值，即确定输出电压的允许范围。U22的输入接背板电压的正，U22输出经电阻R1接比较器U21的反相输入端，本实施例中U22使用ADI公司的REF192芯片。

输入电压检测单元和输出电压检测单元中的电压基准芯片，可根据经验设定输入电压和输出电压的门槛值，从而得到电压允许范围，以区分外部输入电源电压暂降或暂时中断的情况。

参考图8所示，控制单元根据输入电压检测单元输出的电平状态信号POWER-OK，和输出电压检测单元输出的电平状态信号VO-OK，控制充电控制开关和放电控制开关的开关状态。具体的，控制单元包括依次连接的RC滤波电路、逻辑电路和驱动电路；驱动电路包括分别用于驱动充电控制开关Q2和放电控制开关Q3的驱动电路部分；逻辑电路包括与非门和非门，其中电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别通过RC滤波电路，连接逻辑电路中与非门的两个输入端，与非门的输出端连接放电控制开关Q3的驱动电路部分的输入端，以及非门的输入端，非门的输出端连接充电控制开关Q2的驱动电路部分的输入端。当POWER-OK，和VO-OK皆为高电平信号（此时电源模块不存在电压暂降或中断情况，可通过电源模块为微机控制保护装置供电），则与非门输出低电平信号，放电控制开关Q3对应的驱动电路部分不为Q3提供驱动信号，放电控制开关Q3关断；与非门输出的低电平信号经非门转换为高电平信号，此时充电控制开关Q2对应的驱动电路部分可为Q2提供驱动信号，Q2导通，电源模块同时为储能模块的超级电容组充电。当输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端中，有任一输出为低电平，则与非门输出高电平信号，Q3导通，Q2关断，由储能模块中的超级电容组放电为微机控制保护装置提供工作电源。

控制单元中分别对应驱动Q2和Q3的驱动电路部分分别采用MOS管驱动芯片LTC1154。

实施例2

本实施例系统采用模块化设计，使得系统结构更加简洁，配置更加灵活。具体的，可应用于微机控制保护装置的储能系统，包括背板、电源模块板卡和一个以上储能模块板卡；

背板上设有可为设备接入工作电源的电源插接端子正极端子和负极端子，电源模块板卡的输入端连接外部电源，输出端连接背板上的电源插接端子；

电源模块板卡的输入端与输出端之间依次连接有整流滤波单元和DC/DC单元；整流滤波单元的输出端连接有输入电压检测单元，用于检测整流滤波单元输出的电压；DC/DC单元的输出端连接有输出电压检测单元，用于检测DC/DC单元输出的电压；DC/DC单元的输出端正极与电源模块输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1；

各储能模块板卡分别包括充电输入端、放电输出端、超级电容组和控制单元，充电输入端和放电输出端分别连接背板上的电源插接端子；充电输入端与超级电容组之间依次连接有充电控制开关和充电电路单元；超级电容组与放电输出端之间依次连接有放电电路单元和放电控制开关；电源模块中输入电压检测单元和输出电压检测单元的输出端分别连接控制单元，控制单元分别控制充电控制开关和放电控制开关的通断状态，从而控制由电源模块向超级电容组充电，或者超级电容组放电。

背板上还设有输入电压状态信号POWER-OK插接端子和输出电压状态信号VO-OK插接端子，电源模块中输入电压检测单元的输出端通过输入电压状态信号插接端子连接储能模块板卡的控制单元，输出电压检测单元的输出端通过输出电压状态信号插接端子连接储能模块板卡的控制单元。

DC/DC单元的输出端正极与电源模块板卡输出端正极之间设有电源输出控制开关Q1和Oring控制器；电源输出控制开关为MOS管，其源极连接DC/DC单元，漏极连接电源模块板卡的输出端正极； Oring控制器根据电源输出控制开关Q1源极与漏极电压的比较结果，控制电源输出控制开关Q1的导通或关闭。

本实用新型在应用时，储能模块板卡的数量可根据设备功耗或其它需要设置，各板卡仅通过接线端子连接背板，从而实现板卡之间的信号连接，以及板卡与设备之间的电源传输。避免了接线杂乱的情况，结构非常简洁。

本实用新型采用超级电容组来替代传统的使用电解电容储能的方案，相同尺寸情况下，可储能的容量远远大于电解电容类储能设备，能够满足目前微机控制保护装置功耗较大的要求，且电路体积小，成本降低；另外，本实用新型采用模块化设计，将储能模块设计为单独的板卡，与电源板卡解耦设计，运行安全性高，并且支持多块储能板卡并联使用，因此可根据需求选配1个或多个储能模块板卡，结构简单，配置灵活。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。