一種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統的製作方法
2023-09-18 10:30:10
一種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統，其特徵在於：其包括主電源、備用電源和能量收集器；所述主電源和能量收集器並聯並分別通過各自的充電模塊為備用電源充電；其中所述主電源為PT/CT，PT/CT直接與環網櫃母線連接，輸出低壓電源對環網櫃檢測裝置、通訊裝置以及電動裝置供電以及備用電源充電；所述能量收集器為光伏能量收集器、風能能量收集器、振動能量收集器、射頻能量收集器、溫差能量收集器的一種或幾種；所述備用電源為超級電容器模組。本實用新型由於採用了超級電容作為和能量收集器混合能量供電，具有便於現有環網櫃改造、能量利用率高、系統運行可靠、續航能力強、使用壽命長的優點。
【專利說明】—種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種屬於智能電網配網自動化的【技術領域】，尤其是一應用於配網自動化電動操作的超級電容器及能量收集器混合能量系統統。
【背景技術】
[0002]隨著電網升級改造的推進，智能電網的概念近年來被提上日程。要把現有電網改造成智能電網，作為配網終端設備勢必要進行自動化改造，例如環網櫃等。一方面，環網櫃等配網終端設備改造過程中，要增加新設備，包括數據檢測、數據整理、數據傳輸以及負荷開關的電動操作機構，另一方面，則要為整個新增自動作業系統提供電源。
[0003]一種電源系統方案是採用母線取電，加裝鉛酸電池組作為備用電源。當電網正常時，通過PT/CT直接從電網母線取電經調諧後對配網自動化終端設備供電，當電網出現故障的時候則使用鉛酸電池作為備用電源進行臨時短時間供電。但是使用鉛酸電池備用電源存在很多問題:
[0004]1.鉛酸電池佔地空間很大，在有些配網終端設備例如環網櫃的電動化操作改造過程中無法安裝在櫃體內部，成本很高。
[0005]2.利用鉛酸電池作為配網終端設備的電動操作電源，電動操作所需功率高達500W甚至更高，而電動操作的時間很短，因此高功率型電源比鉛酸電池更有優勢。
[0006]3.鉛酸電池作為備用電源維護成本高，而且鉛酸電池循環壽命短。根據現有電池技術水平，鉛酸電池循環壽命最大為幾千次。
[0007]4.鉛酸電池作為備用電池可靠性差。以現在用的鉛鉛酸電池為例，其運行溫度範圍為O — 50°C。而環網櫃大多安裝在戶外，環境惡劣，尤其是在中北部地區，冬季溫度經常在零下，電池的可靠性大打折扣。
[0008]5.鉛酸電池有汙染。現有環網櫃備用電池以鉛酸電池居多，汙染不言而喻。
[0009]電動操作備選電源之一是鋰離子電池，鋰離子電池能量密度較高，然而鋰離子電池在循環壽命上存在缺陷，重要的是其在惡劣環境下的可靠性和安全性大大折扣。
[0010]超級電容器由於具有高功率密度、循環壽命長、環境適應性好(-40— 70°C)等特點，十分適合配網自動化終端設備的電動操作電源，在惡劣的戶外環境尤其適合，其缺點是能量密度低，續航能力不足。
【發明內容】
[0011]本實用新型目的在於針對現有技術的缺陷提供一種使用壽命長、可靠性、安全性和經濟性的協調統一的應用於配網自動化電動操作的超級電容器及能量收集器混合能量系統。
[0012]本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案:
[0013]一種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統，其特徵在於:其包括主電源、備用電源和能量收集器；所述主電源和能量收集器並聯並分別通過各自的充電模塊為備用電源充電；其中
[0014]所述主電源為PT/CT，PT/CT直接與環網櫃母線連接，輸出低壓電源對環網櫃檢測裝置、通訊裝置以及電動裝置供電以及備用電源充電；
[0015]所述能量收集器為光伏能量收集器、風能能量收集器、振動能量收集器、射頻能量收集器、溫差能量收集器的一種或幾種；
[0016]所述備用電源為超級電容器模組。
[0017]其進一步特徵在於:所述超級電容器模組由多個超級電容器單體經過串聯和/或並聯組成，該模組還包括超級電容器管理系統，超級電容器管理系統以PCB板為載體，對超級電容器模組進行狀態監控、單體電壓平衡以及異常狀況報警。
[0018]進一步的:所述系統輸出由主電源、備用電源和能量收集器中的一個或多個供電。
[0019]本實用新型具有下述優點:
[0020]1.使用超級電容器作為備用電源，能夠在不改變現有環網櫃櫃體結構的情況下實現自動化改造；
[0021]2.超級電容器能夠在剛好滿足使用電量的前提下，提供足夠的放電功率，能量利用率高；
[0022]3.超級電容器循環壽命高達100萬次以上，使用溫度為-40°C — 70°C，保證了備用電源系統運行的可靠性和免維護；
[0023]4.能量收集器收集能量並存儲到超級電容器後備電源中，增強了超級電容器的續航能力。
[0024]5.混合能量系統確保在電網失電狀態下的監測，通訊以及分合閘操作所需要的能量。低成本高效地實現了智能電網配網自動化終端的操作要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型實施例1原理圖。
【具體實施方式】
[0026]本實用新型提出了一種應用於配網自動化電動操作的超級電容器及能量收集器混合能量系統。
[0027]所述能量系統包括主電源、備用電源以及能量收集器。
[0028]所述主電源為PT/CT，PT/CT直接與環網櫃母線連接，輸出低壓電源對環網櫃檢測裝置、通訊裝置以及電動裝置供電以及給備用電源充電；
[0029]所述備用電源為超級電容器模組。
[0030]所述超級電容器模組由超級電容器單體經過串聯和/或並聯組成，所用單體數量由實際使用過程所需電壓、功率以及故障狀態操作時間決定。
[0031]所述超級電容器模組還包括超級電容器管理系統，超級電容器管理系統以PCB板為載體，對超級電容器模組進行狀態監控、單體電壓平衡以及異常狀況報警。
[0032]所述能量收集器為光伏能量收集器、風能能量收集器、振動能量收集器、射頻能量收集器、溫差能量收集器的一種或幾種。
[0033]該能量系統的控制策略為:[0034]能量收集器收集到的能量優先地通過能量收集器充電模塊直接儲存到超級電容器模組之中，當超級電容器充滿電後，繼續保持對超級電容器模組浮充，保持超級電容器模組一直處於滿電狀態，當能量收集器輸出功率大於超級電容器模組的充電功率時，能量收集器輸出的剩餘能量供給電動操作、檢測裝置以及通訊裝置等用電單元。
[0035]當電網正常工作時，PT/CT持續從電網母線取電，一方面對配網終端設備用電單元供電，另一方面通過AC/DC充電模塊與能量收集器協同對超級電容器模組充電。當超級電容器充滿電後，協同能量收集器保持對超級電容器模組浮充，保持超級電容器模組一直處於滿電狀態。
[0036]當電網出現故障的時候，PT/CT無法從電網取電，此時如果能量收集器的輸出功率大於配網自動化終端設備功率需求，則由能量收集器供電的同時對超級電容器模組保持浮充狀態；如果能量收集器的輸出功率不能滿足配網自動化終端設備的工作功率要求，例如瞬時功率要求很大的分合閘操作，則由超級電容器模組協同能量收集器同時提供操作電源。
[0037]能量收集器種類的選擇根據具體應用場合來決定，例如戶外環網櫃選擇光伏電池作為能量收集器；能量收集器功率的匹配根據後備電源的儲能能力，和能量收集器的工作時間等計算匹配。
[0038]實施例1:
[0039] 在某一 IOKV戶外環網櫃改造過程中，環網櫃自動化作業系統(包括數據採集、處理、通訊以及分合閘操作等)所需電源為48V，最大功率需求500W，其中電動分合閘要求在一個合閘過程(約70ms)內電壓變化範圍為48V的85%~?10%，在一個分閘過程(約50ms)內電壓變化範圍為48V的65%~?20%，在一個儲能過程(約5s)內電壓變化範圍為48V的859^110%。並且要求電源系統能滿足在6個分合閘循環過程中保持上述電壓範圍。主電源斷電後數據採集、處理以及通訊電源要求電壓48V，最大功率20W，平均功率4W，持續時間8小時。
[0040]後備電源超級電容器模組根據環網櫃自動化操作所需電量進行計算。超級電容器模組能量計算公式為
[0041]E=0.5C (Vm2-V02)
[0042]其中，E為電容器組滿載電量，單位J ；C為超級電容器模組容量，單位F ；Vffl為超級電容器模組額定電壓，單位V ;V。為超級電容器模組放電終止電壓，單位為V。
[0043]一般情況下，Vo=0.5Vm,則
[0044]E=0.5C (Vm2 -V02 ) =75% X 0.5CVm2
[0045]可以看出，超級電容器模組放電深度高達75%，充分使用了超級電容器的潛能。
[0046]5個分合閘循環過程總能量需求為500WX5sX2X6=30000J ；
[0047]匹配超級電容器採用2.7V 3000F超級電容器單體，其單體能量為
0.5X3000FX2.7VX2.7V=10935J ；
[0048]2.7V 3000F超級電容器可用能量(以放電到1.35V計算):10935JX0.75=8201J ；
[0049]8隻上述單體組成模組可用能量:8201 JX8=65608J ;為6次分合閘操作所學能量的2倍有餘。
[0050]數據採集、處理以及通訊能量需求為4WX8h=3X8X3600J=115200J，可以看出選用的8隻2.7V3000F超級電容器單體組成的超級電容器模組可用能量僅為數據採集、處理以及通訊能量需求的57%，增加超級電容器的單體數目會增加更大的成本和體積，因此本發明採用能量收集器的方法與超級電容器模組組成混合能量系統。
[0051]由於此實施例為戶外環網櫃，選擇光伏能量收集器與超級電容器模組作為混合能量系統。光伏能量收集器為21V20W光伏電池板，在主電源正常情況下，足以滿足數據採集、處理以及通訊的能量需求，並把多餘的能量供給超級電容器模組使之保持浮充狀態。在主電源故障時，光伏能量收集器可以持續的保持對數據採集、處理以及通訊系統的供電，並在超級電容器模組供電進行電動操作後，甚至在其電壓降至最低操作電壓後90分鐘內使其充滿電。
[0052]選擇2.7V 3000F超級電容器單體8隻串聯組成21.6V 375F超級電容器模組作為系統後備電源，該超級電容器模組體積為600_X200_X 130mm。
[0053]選擇21V20W光伏電池板作為能量收集器，其尺寸為520mmX 460mmX 25mm。
[0054]本發明實施例工作原理如圖1所示。正常工作狀態下，PT/CT從環網櫃進線取電，協同光伏能量收集器對環網櫃內部運行狀態數據進行採集，再由數據處理模塊對採集數據處理，然後通過通訊系統傳輸給遠方控制中心，並通過充電電路對超級電容器充電，當電容器組充滿電後保持浮充狀態。當突然出現電網故障的時候，PT/CT無法從母線取電，光伏能量收集器繼續進行數據採集、處理以及通訊系統的供電並保持對超級電容器浮充；當需要分合閘操作時，超級電容器通過升壓電路輸入48V電壓，按照指令驅動電機進行分合閘操作，本實施例所用超級電容器模組可滿足分合閘循環12次，此時超級電容器模組電壓降為10.8V，升壓電路停止工作；在能量收集器能即使採集很微弱的能量時，仍能對超級電容器模組進行充電，正常日間環境下90分鐘可使超級電容器模組充滿電。
【權利要求】
1.一種應用於配網自動化電動操作的混合能量系統，其特徵在於:其包括主電源、備用電源和能量收集器；所述主電源和能量收集器並聯並分別通過各自的充電模塊為備用電源充電；其中 所述主電源為PT/CT，PT/CT直接與環網櫃母線連接，輸出低壓電源對環網櫃檢測裝置、通訊裝置以及電動裝置供電以及備用電源充電； 所述能量收集器為光伏能量收集器、風能能量收集器、振動能量收集器、射頻能量收集器、溫差能量收集器的一種或幾種； 所述備用電源為超級電容器模組。
2.根據權利要求1所述的應用於配網自動化電動操作的混合能量系統，其特徵在於:所述超級電容器模組由多個超級電容器單體經過串聯和/或並聯組成，該模組還包括超級電容器管理系統，超級電容器管理系統以PCB板為載體，對超級電容器模組進行狀態監控、單體電壓平衡以及異常狀況報警。
3.根據權利要求1或2所述的應用於配網自動化電動操作的混合能量系統，其特徵在於:所述系統輸出由主電源、備用電源和能量收集器中的一個或多個供電。
【文檔編號】H02J7/34GK203537039SQ201320640203
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】孫偉, 王俊華 申請人:海博瑞恩電子科技無錫有限公司