一种超级电容器级联高压装置的控制方法
一种超级电容器级联高压装置的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种超级电容器级联高压电源的控制方法。
【背景技术】
[0002] 电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器 电压设及的电压范围为1KV及W上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将 220V或380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发 展为采用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是 电网电能、柴油发电机，但在山区，W上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的 发展，由超级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可W分为小体积和重 量的模块，通过人力背到车辆难W到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。
[0003] 超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充 电电源组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流 后给电容器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器 充电。在超级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，每一级的超级电容器组也是由多 个超级电容器单体串联而成，一般超级电容器单体电压在2. 7V左右，在电容器电压较高 时，需要几千个超级电容器单体串联输出，对超级电容器单体的一致性要求较高。由于超级 电容器单体的差异性是必然存在的，较多单体串联使用时系统故障率高，实用性差，影响使 用。
[0004] 中国专利201010185126. 2公开了一种级联型逆变器的控制系统，重点是主控系 统的实现方式，未设及级联电路控制时序的控制方法。中国专利201210259287. 0公开了一 种线性放大器高压级联装置及方法，重点是级联电路拓扑，未设及具体的控制控制方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种超级电容器级联高压装置的控制 方法。本发明可W使得超级电容器组级联充电电源中所串联的超级电容器单体大幅减小， 提高充电装置的可靠性和实用性。本发明适用于目标充电电压在1KV及W上的高压电容器 充电。
[0006] 本发明所基于的超级电容器级联高压装置包括5个组成部分；超级电容器组级联 系统、控制系统、限流电感、高压电容器，W及负载控制开关。超级电容器组级联系统高压输 出的高压端串联限流电感后，连接负载控制开关的电流输入级，负载控制开关的电流输出 级连接高压电容器的高压极，高压电容器的低压极连接超级电容器级联系统低压输出端。 超级电容器组级联系统由多个超级电容器组串联而成，每个超级电容器组串联一个控制开 关后再并联一个二极管，组成超级电容器级联系统中的一级，多级串联后即形成超级电容 器组级联系统。超级电容器组级联系统在控制系统控制下实现输出可控的高压电源功能。
[0007] 高压电容器和负载控制开关均为M个，M为大于等于1的正整数。M组高压电容器 和M个负载控制开关中的M值相同，M的值由高压电容器容量、与超级电容器级联系统输出 正极端串联的限流电感的电感量、充电所需时间，W及超级电容器组级联系统的最大充电 电流确定。超级电容器组级联系统高压输出的高压端串联限流电感后，连接M个负载控制 开关的电流输入级，M个负载控制开关的电流输出级分别连接M个高压电容器高压极，M个 高压电容器的低压极分别连接超级电容器级联系统低压输出端。
[0008] 对超级电容器级联高压装置的控制方法如下：
[0009] 所述超级电容器组级联系统输出的总电压为高压电容器所需目标电压的一半，在 高压电容器目标充电电压确定后，控制系统根据超级电容器组输出电压之和等于目标充电 电压一半的原则，选择投入工作的超级电容器组的数量，然后控制系统控制M个负载控制 开关中的一个负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制 开关同时闭合，即控制超级电容器组级联系统同时输出电压，对分组的M组高压电容器中 的某一组充电。利用谐振原理使与该负载控制开关连接的该组高压电容器的电压在半个谐 振周期时达到超级电容器组级联系统输出电压的2倍。在半个谐振周期时刻，该负载控制 开关断开，结束对与该负载控制开关连接的该组高压电容器充电，然后控制系统控制另一 个负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统输出电压，对与此负载控制开关连接 的该组高压电容器充电 ，如此分时序分组对高压电容器充电。该一控制方法可W有效 降低超级电容器组单体超级电容器的数量。
[0010] 超级电容器组级联系统的分级可根据情况确定，分级越多，所需控制开关和二极 管越多，高压电容器上电压级差越小，分级越少，超级电容器组级联系统越简单，但高压电 容器的电压级差越大。为了满足高压电容器不同目标电压的充电要求，每级超级电容器组 的电压可各不相同，通过超级电容器组的组合可输出不同的等级的电压。每组高压电容器 的充电时间^ =WIT，超级电容器组最大输出电流能力需大于等于，其中U为在不 同组合时投入工作的各级超级电容器组电压之和，L为与超级电容器级联系统高压端串联 的限流电感的电感量、C为高压电容器的容量。根据式;高压电容器容量增加时，所 需超级电容器组级联系统的输出电流变大，对超级电容器组输出电流能力要求变高，此时， 为降低超级电容器组输出电流的要求，可将高压电容器分成M组，采用负载时序充电的控 制方式。充电启动时，控制系统输出M个负载控制开关中某一个的闭合信号，同时输出超级 电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关的闭合信号，使各级超级电容器组中控制 开关同时闭合，超级电容器组同时输出电压，对M组高压电容器中的一组充电。当充电电流 变为0时，控制系统输出该负载控制开关的断开信号，使该负载控制开关断开，各级超级电 容器组中控制开关同时断开，超级电容器组停止输出电压。等待该负载控制开关恢复到截 止状态后，控制系统输出与下一组高压电容器连接的负载控制开关的闭合信号，同时输出 超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关的闭合信号，使各级超级电容器组中 控制开关同时闭合，超级电容器组同时输出电压，对下一组高压电容器充电。
[0011] 当超级电容器的输出电流大于超级电容器组的最大输出电流能力时，采用负载时 序充电的控制方式。
[0012] 本发明的积极效果是：
[0013] 1.本发明控制方法能够大幅度降低级联超级电容器组中超级电容器单体的串联 个数，提高系统的可靠性。
[0014] 2.本发明超级电容器组级联系统的控制开关和负载控制开关工作在软开关状态， 有效降低开关两端电压尖峰和电磁干扰。
[0015] 3.本发明对高压电容器采用分组时序充电的方式，在所需超级电容器组级联系统 输出电流较大的大容量高压电容器的充电场合，能够有效降低限流电感的电感量和对超级 电容器组输出的电流能力的要求。
[0016] 4.该方法采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使用寿命、 超快直流源蓄能、适合低温条件的特点。
[0017]本发明可用于大功率高压电源的快速充放电领域，尤其是对负载电压精度要求不 高的场合，特别适用于电火花震源充电。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明所基于的超级电容器级联高压装置的结构组成示意图，图中；1超级 电容器组级联系统，2控制系统，3限流电感，4高压电容器，5负载控制开关；
[0019] 图2为【具体实施方式】的电路拓扑；
[0020] 图3为【具体实施方式】中控制系统输出的控制时序。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0022] 如图1所示，本发明所基于的超级电容器级联高压装置包括5个组成部分；超级电 容器组级联系统1、控制系统2、限流电感3、M组高压电容器4,W及M个负载控制开关5。超 级电容器组级联系统1高压输出的高压端串联限流电感3后，连接M个负载控制开关5的 电流输入级，M个负载控制开关5的电流输出级分别连接M组高压电容器4的高压极，M组 高压电容器4的低压极分别 连接超级电容器级联系统1的低压输出端。超级电容器组级联 系统1由多个超级电容器组串联而成，每个超级电容器组串联一个控制开关后再并联一个 二极管，组成超级电容器级联系统中的一级，多级串联后即形成超级电容器组级联系统。
[0023]本发明对超级电容器级联高压装置的控制方法如下：
[0024] 首先根据高压电容器的电压确定超级电容器级联系统输出的最高电压。不考虑系 统中的电压损耗时，超级电容器组级联系统输出的最高电压等于高压电容器的最高负载电 压的一半。根据高压电容器所需的充电电压等级确定每级超级电容器组的输出电压，高压 电容器负载电压等级等于超级电容器组级联系统所能叠加出的电压等级的2倍。其次对高 压电容器分组，分组原则是根据与超级电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感L的 电感量、高压电容器C的电容量、每组高压电容器的充电时间和超级电容器级联系统输出 电流能力决定，每组高压电容器的充电时间f，超级电容器组最大输出电流需小于 等于，其中U为在不同组合时投入工作的各级超级电容器组电压之和，L为所述超级 电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感的电感量、C为高压电容器的容量。
[0025]超级电容器级联系统中，每组超级电容器按照电流方向串联控制开关后再并联二 极管，形成超级电容器级联系统中的一级。每一级超级电容器组串联连接形成超级电容器 级联系统。超级电容器级联系统输出的高压端串联限流电感，限流电感输出端接所有负载 控制开关电流输入端，负载控制开关电流输出端分别接各组电容器的高压端，各组电容器 低压端均连接超级电容器级联系统的低压端；控制系统输出的用于控制超级电容器级联系 统的控制信号端数量与超级电容器级联系统级数相同，且分别连接至超级电容器级联系统 每一级的控制开关的驱动端，同时控制系统输出的用于控制负载控制开关的控制端数量与 负载电容器分组数相同，且分别连接至负载控制开关的控制端，控制系统的高压测量端接 在限流电感与负载控制开关的连接线上，W保证在整个充电过程中能够测量所有负载电容 器上的电压，控制系统的电流测量线圈套在充电回路中。
[0026]W下W10kV、5mF的超级电容器级联高压装置为例说明本发明的控制过程。如图 2所示，本发明控制方法所基于的超级电容器级联高压装置采用12级串联，其中9级超级 电容器组电压500V，另外S级超级电容器组电压分别为100V、200V、300V，超级电容器组最 大输出电流均为120A，超级电容器级联高压装置中控制开关采用1200V、200AIGBT开关， 二极管选用1200V、200A普通二极管。控制系统选用可输出17路的延时触发系统，其中12 路具有相同延时触发时间，用于超级电容器级联系统中IGBT开关的开通与闭合控制，其余 5路用于5组高压电容器负载控制开关的控制。限流电感选用2.甜、100A、应间耐压15kV 娃钢片铁屯、电感；5个负载控制开关SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SC贴选用15kV、500A晶闽管 串联高压开关，高压电容器分5组，每组ImF。图3所示为控制系统输出的超级电容器级联 系统中的控制开关IGBT控制信号和超级电容器组输出电流、5个负载控制开关SCRUSCR2、 SCR3、SCR4、SCR5的控制信号和充电电流。如其中方波为控制信号，正弦半波为充电电流 信号，充电电流峰值为100A。假设充电目标电压lOkV，则控制系统仅控制9组500V超级电 容器组和200V、300V超级电容器组投入使用。如图3所示，超级电容器级联系统的11路 控制开关和第一负载控制开关SCR1闭合后，超级电容器组为高压电容器C1充电，在充电电 流降为0后，超级电容器级联系统的10路开关和第一负载控制开关SCR1断开，高压电容器 C1上电压在忽略系统损耗的情况下达到lOkV，该一充电周期为157ms。等待3ms，保证第 一负载控制开关SCR1恢复截止状态后，超级电容器级联系统的10路控制开关和第二负载 控制开关SCR2、第=负载控制开关SCR3、第四负载控制开关SCR4、第五负载控制开关SCR5 依次实现上述控制过程，780ms后，高压电容器上电压均达到lOkV，完成充电要求。由于超 级电容器级联系统在限流电感和控制开关上存在损耗，因此最终高压电容器上电压稍小于 lOkV，采用的补偿措施是适当提高超级电容器级联系统的电压或多串联几组电压较低的超 级电容器组，根据充电电压情况确定是否投入。如果充电电压目标为1.4kV，则控制系统控 制500V、200V超级电容器组各1组投入使用，控制系统仅输出上述2组超级电容器组开关 开通信号，控制过程与lOkV充电相同。
[0027] 高压电容器上的电压级差等于超级电容器组级联系统最低电压级差的2倍。上述 具体实施中，超级电容器级联系统能够叠加出的电压级差是100V，因此在高压电容器上的 电压级差200V，为了降低该级差，可W在超级电容器级联系统中加入l〇V、20V、30V的级联 超级电容器组，可将高压电容器上的电压级差降低到20V。
[0028] 本发明主要用于大功率高压电源的快速充放电领域，基于目前超级电容器组、 IGBT、二极管器件、晶闽管串连高压开关的性能，完全能够满足上述需求，本发明装置在实 现完成lOkV充电时使得串联超级电容器单体超级电容器个数减少近一半，有效的提高了 充电系统的可靠性。
【主权项】
1. 一种超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的控制方法根据超级 电容器级联高压装置中的超级电容器组级联系统输出的最高电压为高压电容器所需最高 目标电压的一半的原则，选择超级电容器组级联系统参与工作的超级电容器组数量；控制 选定的超级电容器组输出电压，利用谐振原理使电容器的电压在半个谐振周期时达到电源 电压的2倍的原理，对高压电容器充电。2. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的 高压电容器上的电压级差等于超级电容器组级联系统最低电压级差的2倍。3. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，超级电 容器组的最大输出电流能力大于等于式中：U为在不同组合时投入工作的各级超 级电容器组电压之和，L为与超级电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感的电感量、 C为高压电容器的容量；当超级电容器的输出电流大于超级电容器组的最大输出电流能力 时，采用负载时序充电的控制方式。4. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，在高压 电容器目标充电电压确定后，控制系统根据超级电容器组输出电压之和等于目标充电电压 一半的原则选择投入工作的超级电容器组，然后控制系统控制M个负载控制开关中的一个 负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关同时闭 合，利用谐振原理使与该负载控制开关连接的该组高压电容器的电压在半个谐振周期时达 到超级电容器组级联系统输出电压的2倍；在半个谐振周期时刻，该负载控制开关断开，结 束对与该负载控制开关连接的该组高压电容器充电，然后控制系统控制另一个负载控制开 关闭合，并控制超级电容器组级联系统输出电压，对与此负载控制开关连接的该组高压电 容器充电，如此分时序分组对高压电容器充电。5. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的 高压装置的充电直流源为N个超级电容器组。
【专利摘要】一种超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的控制方法根据超级电容器级联高压装置中的超级电容器组级联系统输出的最高电压为高压电容器所需最高目标电压的一半的原则，确定超级电容器组级联系统中超级电容器组所需超级电容器单体个数；单次充电任务中，通过控制选定超级电容器组输出电压等于本次充电任务目标电压的一半，利用谐振原理使电容器的电压在半个谐振周期时达到电源电压的2倍的原理，分时序对分组的高压电容器充电。
【IPC分类】H02J7/00
【公开号】CN104901360
【申请号】CN201510247271
【发明人】高迎慧, 刘坤, 樊爱龙, 付荣耀
【申请人】中国科学院电工研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种超级电容器级联高压电源的控制方法。
【背景技术】
[0002] 电火花震源是通过高压电容器放电对地质情况进行勘探的装置，其中高压电容器 电压设及的电压范围为1KV及W上，需要高压电源对其进行充电。最初采用的方法是将 220V或380V电网电压经工频变压器升压、整流后形成高压电源给高压电容器充电，后来发 展为采用高频开关变换技术，目的是减小工频变压器的体积。充电电源的初级能源一般是 电网电能、柴油发电机，但在山区，W上两种初级能源均受到限制。随着超级电容器技术的 发展，由超级电容器提供初始能源的方式成为可能，而且超级电容器可W分为小体积和重 量的模块，通过人力背到车辆难W到达的地区，使电火花震源在山区的应用成为可能。
[0003] 超级电容器组作为初始能源的充电系统有两种方式，一是超级电容器组与高频充 电电源组成充电系统，超级电容器组提供低压大电流，经高频充电电源变换成高压小电流 后给电容器充电；一种是由超级电容器组采用级联拓扑串联起来，直接输出高压给电容器 充电。在超级电容器组采用级联拓扑串联的充电系统中，每一级的超级电容器组也是由多 个超级电容器单体串联而成，一般超级电容器单体电压在2. 7V左右，在电容器电压较高 时，需要几千个超级电容器单体串联输出，对超级电容器单体的一致性要求较高。由于超级 电容器单体的差异性是必然存在的，较多单体串联使用时系统故障率高，实用性差，影响使 用。
[0004] 中国专利201010185126. 2公开了一种级联型逆变器的控制系统，重点是主控系 统的实现方式，未设及级联电路控制时序的控制方法。中国专利201210259287. 0公开了一 种线性放大器高压级联装置及方法，重点是级联电路拓扑，未设及具体的控制控制方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种超级电容器级联高压装置的控制 方法。本发明可W使得超级电容器组级联充电电源中所串联的超级电容器单体大幅减小， 提高充电装置的可靠性和实用性。本发明适用于目标充电电压在1KV及W上的高压电容器 充电。
[0006] 本发明所基于的超级电容器级联高压装置包括5个组成部分；超级电容器组级联 系统、控制系统、限流电感、高压电容器，W及负载控制开关。超级电容器组级联系统高压输 出的高压端串联限流电感后，连接负载控制开关的电流输入级，负载控制开关的电流输出 级连接高压电容器的高压极，高压电容器的低压极连接超级电容器级联系统低压输出端。 超级电容器组级联系统由多个超级电容器组串联而成，每个超级电容器组串联一个控制开 关后再并联一个二极管，组成超级电容器级联系统中的一级，多级串联后即形成超级电容 器组级联系统。超级电容器组级联系统在控制系统控制下实现输出可控的高压电源功能。
[0007] 高压电容器和负载控制开关均为M个，M为大于等于1的正整数。M组高压电容器 和M个负载控制开关中的M值相同，M的值由高压电容器容量、与超级电容器级联系统输出 正极端串联的限流电感的电感量、充电所需时间，W及超级电容器组级联系统的最大充电 电流确定。超级电容器组级联系统高压输出的高压端串联限流电感后，连接M个负载控制 开关的电流输入级，M个负载控制开关的电流输出级分别连接M个高压电容器高压极，M个 高压电容器的低压极分别连接超级电容器级联系统低压输出端。
[0008] 对超级电容器级联高压装置的控制方法如下：
[0009] 所述超级电容器组级联系统输出的总电压为高压电容器所需目标电压的一半，在 高压电容器目标充电电压确定后，控制系统根据超级电容器组输出电压之和等于目标充电 电压一半的原则，选择投入工作的超级电容器组的数量，然后控制系统控制M个负载控制 开关中的一个负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制 开关同时闭合，即控制超级电容器组级联系统同时输出电压，对分组的M组高压电容器中 的某一组充电。利用谐振原理使与该负载控制开关连接的该组高压电容器的电压在半个谐 振周期时达到超级电容器组级联系统输出电压的2倍。在半个谐振周期时刻，该负载控制 开关断开，结束对与该负载控制开关连接的该组高压电容器充电，然后控制系统控制另一 个负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统输出电压，对与此负载控制开关连接 的该组高压电容器充电 ，如此分时序分组对高压电容器充电。该一控制方法可W有效 降低超级电容器组单体超级电容器的数量。
[0010] 超级电容器组级联系统的分级可根据情况确定，分级越多，所需控制开关和二极 管越多，高压电容器上电压级差越小，分级越少，超级电容器组级联系统越简单，但高压电 容器的电压级差越大。为了满足高压电容器不同目标电压的充电要求，每级超级电容器组 的电压可各不相同，通过超级电容器组的组合可输出不同的等级的电压。每组高压电容器 的充电时间^ =WIT，超级电容器组最大输出电流能力需大于等于，其中U为在不 同组合时投入工作的各级超级电容器组电压之和，L为与超级电容器级联系统高压端串联 的限流电感的电感量、C为高压电容器的容量。根据式;高压电容器容量增加时，所 需超级电容器组级联系统的输出电流变大，对超级电容器组输出电流能力要求变高，此时， 为降低超级电容器组输出电流的要求，可将高压电容器分成M组，采用负载时序充电的控 制方式。充电启动时，控制系统输出M个负载控制开关中某一个的闭合信号，同时输出超级 电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关的闭合信号，使各级超级电容器组中控制 开关同时闭合，超级电容器组同时输出电压，对M组高压电容器中的一组充电。当充电电流 变为0时，控制系统输出该负载控制开关的断开信号，使该负载控制开关断开，各级超级电 容器组中控制开关同时断开，超级电容器组停止输出电压。等待该负载控制开关恢复到截 止状态后，控制系统输出与下一组高压电容器连接的负载控制开关的闭合信号，同时输出 超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关的闭合信号，使各级超级电容器组中 控制开关同时闭合，超级电容器组同时输出电压，对下一组高压电容器充电。
[0011] 当超级电容器的输出电流大于超级电容器组的最大输出电流能力时，采用负载时 序充电的控制方式。
[0012] 本发明的积极效果是：
[0013] 1.本发明控制方法能够大幅度降低级联超级电容器组中超级电容器单体的串联 个数，提高系统的可靠性。
[0014] 2.本发明超级电容器组级联系统的控制开关和负载控制开关工作在软开关状态， 有效降低开关两端电压尖峰和电磁干扰。
[0015] 3.本发明对高压电容器采用分组时序充电的方式，在所需超级电容器组级联系统 输出电流较大的大容量高压电容器的充电场合，能够有效降低限流电感的电感量和对超级 电容器组输出的电流能力的要求。
[0016] 4.该方法采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使用寿命、 超快直流源蓄能、适合低温条件的特点。
[0017]本发明可用于大功率高压电源的快速充放电领域，尤其是对负载电压精度要求不 高的场合，特别适用于电火花震源充电。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明所基于的超级电容器级联高压装置的结构组成示意图，图中；1超级 电容器组级联系统，2控制系统，3限流电感，4高压电容器，5负载控制开关；
[0019] 图2为【具体实施方式】的电路拓扑；
[0020] 图3为【具体实施方式】中控制系统输出的控制时序。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0022] 如图1所示，本发明所基于的超级电容器级联高压装置包括5个组成部分；超级电 容器组级联系统1、控制系统2、限流电感3、M组高压电容器4,W及M个负载控制开关5。超 级电容器组级联系统1高压输出的高压端串联限流电感3后，连接M个负载控制开关5的 电流输入级，M个负载控制开关5的电流输出级分别连接M组高压电容器4的高压极，M组 高压电容器4的低压极分别 连接超级电容器级联系统1的低压输出端。超级电容器组级联 系统1由多个超级电容器组串联而成，每个超级电容器组串联一个控制开关后再并联一个 二极管，组成超级电容器级联系统中的一级，多级串联后即形成超级电容器组级联系统。
[0023]本发明对超级电容器级联高压装置的控制方法如下：
[0024] 首先根据高压电容器的电压确定超级电容器级联系统输出的最高电压。不考虑系 统中的电压损耗时，超级电容器组级联系统输出的最高电压等于高压电容器的最高负载电 压的一半。根据高压电容器所需的充电电压等级确定每级超级电容器组的输出电压，高压 电容器负载电压等级等于超级电容器组级联系统所能叠加出的电压等级的2倍。其次对高 压电容器分组，分组原则是根据与超级电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感L的 电感量、高压电容器C的电容量、每组高压电容器的充电时间和超级电容器级联系统输出 电流能力决定，每组高压电容器的充电时间f，超级电容器组最大输出电流需小于 等于，其中U为在不同组合时投入工作的各级超级电容器组电压之和，L为所述超级 电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感的电感量、C为高压电容器的容量。
[0025]超级电容器级联系统中，每组超级电容器按照电流方向串联控制开关后再并联二 极管，形成超级电容器级联系统中的一级。每一级超级电容器组串联连接形成超级电容器 级联系统。超级电容器级联系统输出的高压端串联限流电感，限流电感输出端接所有负载 控制开关电流输入端，负载控制开关电流输出端分别接各组电容器的高压端，各组电容器 低压端均连接超级电容器级联系统的低压端；控制系统输出的用于控制超级电容器级联系 统的控制信号端数量与超级电容器级联系统级数相同，且分别连接至超级电容器级联系统 每一级的控制开关的驱动端，同时控制系统输出的用于控制负载控制开关的控制端数量与 负载电容器分组数相同，且分别连接至负载控制开关的控制端，控制系统的高压测量端接 在限流电感与负载控制开关的连接线上，W保证在整个充电过程中能够测量所有负载电容 器上的电压，控制系统的电流测量线圈套在充电回路中。
[0026]W下W10kV、5mF的超级电容器级联高压装置为例说明本发明的控制过程。如图 2所示，本发明控制方法所基于的超级电容器级联高压装置采用12级串联，其中9级超级 电容器组电压500V，另外S级超级电容器组电压分别为100V、200V、300V，超级电容器组最 大输出电流均为120A，超级电容器级联高压装置中控制开关采用1200V、200AIGBT开关， 二极管选用1200V、200A普通二极管。控制系统选用可输出17路的延时触发系统，其中12 路具有相同延时触发时间，用于超级电容器级联系统中IGBT开关的开通与闭合控制，其余 5路用于5组高压电容器负载控制开关的控制。限流电感选用2.甜、100A、应间耐压15kV 娃钢片铁屯、电感；5个负载控制开关SCR1、SCR2、SCR3、SCR4、SC贴选用15kV、500A晶闽管 串联高压开关，高压电容器分5组，每组ImF。图3所示为控制系统输出的超级电容器级联 系统中的控制开关IGBT控制信号和超级电容器组输出电流、5个负载控制开关SCRUSCR2、 SCR3、SCR4、SCR5的控制信号和充电电流。如其中方波为控制信号，正弦半波为充电电流 信号，充电电流峰值为100A。假设充电目标电压lOkV，则控制系统仅控制9组500V超级电 容器组和200V、300V超级电容器组投入使用。如图3所示，超级电容器级联系统的11路 控制开关和第一负载控制开关SCR1闭合后，超级电容器组为高压电容器C1充电，在充电电 流降为0后，超级电容器级联系统的10路开关和第一负载控制开关SCR1断开，高压电容器 C1上电压在忽略系统损耗的情况下达到lOkV，该一充电周期为157ms。等待3ms，保证第 一负载控制开关SCR1恢复截止状态后，超级电容器级联系统的10路控制开关和第二负载 控制开关SCR2、第=负载控制开关SCR3、第四负载控制开关SCR4、第五负载控制开关SCR5 依次实现上述控制过程，780ms后，高压电容器上电压均达到lOkV，完成充电要求。由于超 级电容器级联系统在限流电感和控制开关上存在损耗，因此最终高压电容器上电压稍小于 lOkV，采用的补偿措施是适当提高超级电容器级联系统的电压或多串联几组电压较低的超 级电容器组，根据充电电压情况确定是否投入。如果充电电压目标为1.4kV，则控制系统控 制500V、200V超级电容器组各1组投入使用，控制系统仅输出上述2组超级电容器组开关 开通信号，控制过程与lOkV充电相同。
[0027] 高压电容器上的电压级差等于超级电容器组级联系统最低电压级差的2倍。上述 具体实施中，超级电容器级联系统能够叠加出的电压级差是100V，因此在高压电容器上的 电压级差200V，为了降低该级差，可W在超级电容器级联系统中加入l〇V、20V、30V的级联 超级电容器组，可将高压电容器上的电压级差降低到20V。
[0028] 本发明主要用于大功率高压电源的快速充放电领域，基于目前超级电容器组、 IGBT、二极管器件、晶闽管串连高压开关的性能，完全能够满足上述需求，本发明装置在实 现完成lOkV充电时使得串联超级电容器单体超级电容器个数减少近一半，有效的提高了 充电系统的可靠性。
【主权项】
1. 一种超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的控制方法根据超级 电容器级联高压装置中的超级电容器组级联系统输出的最高电压为高压电容器所需最高 目标电压的一半的原则，选择超级电容器组级联系统参与工作的超级电容器组数量；控制 选定的超级电容器组输出电压，利用谐振原理使电容器的电压在半个谐振周期时达到电源 电压的2倍的原理，对高压电容器充电。2. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的 高压电容器上的电压级差等于超级电容器组级联系统最低电压级差的2倍。3. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，超级电 容器组的最大输出电流能力大于等于式中：U为在不同组合时投入工作的各级超 级电容器组电压之和，L为与超级电容器级联系统输出的高压端串联的限流电感的电感量、 C为高压电容器的容量；当超级电容器的输出电流大于超级电容器组的最大输出电流能力 时，采用负载时序充电的控制方式。4. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，在高压 电容器目标充电电压确定后，控制系统根据超级电容器组输出电压之和等于目标充电电压 一半的原则选择投入工作的超级电容器组，然后控制系统控制M个负载控制开关中的一个 负载控制开关闭合，并控制超级电容器组级联系统中各级超级电容器组控制开关同时闭 合，利用谐振原理使与该负载控制开关连接的该组高压电容器的电压在半个谐振周期时达 到超级电容器组级联系统输出电压的2倍；在半个谐振周期时刻，该负载控制开关断开，结 束对与该负载控制开关连接的该组高压电容器充电，然后控制系统控制另一个负载控制开 关闭合，并控制超级电容器组级联系统输出电压，对与此负载控制开关连接的该组高压电 容器充电，如此分时序分组对高压电容器充电。5. 按照权利要求1所述的超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的 高压装置的充电直流源为N个超级电容器组。
【专利摘要】一种超级电容器级联高压装置的控制方法，其特征在于，所述的控制方法根据超级电容器级联高压装置中的超级电容器组级联系统输出的最高电压为高压电容器所需最高目标电压的一半的原则，确定超级电容器组级联系统中超级电容器组所需超级电容器单体个数；单次充电任务中，通过控制选定超级电容器组输出电压等于本次充电任务目标电压的一半，利用谐振原理使电容器的电压在半个谐振周期时达到电源电压的2倍的原理，分时序对分组的高压电容器充电。
【IPC分类】H02J7/00
【公开号】CN104901360
【申请号】CN201510247271
【发明人】高迎慧, 刘坤, 樊爱龙, 付荣耀
【申请人】中国科学院电工研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日
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