CN110380509A - 一种基于电容电池的防电网瞬间断电***及其工作方法 - Google Patents

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丁红文
薛建德
黄鑫磊
李冠龙
李旭冉
汪振东
郭婷
李盼盼
杨迎阁
杨志杰
戎阳枫
马行星
金丽
黄昌达
赵鑫
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State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本发明公开了一种基于电容电池的防电网瞬间断电***及其工作方法，控制器输入端连接电压检测模块，控制器输出端连接继电器，控制器还通过无线通信模块与电网监控终端连接，电压检测模块连接外部电网，继电器输出端连接备用电源，外部电网、备用电源、电容电池UPS电源均连接负载设备；工作方法包括以下步骤：根据现有大多数计算机的功率计算出所需电容的大小；根据电容大小制作UPS不间断电源；连接不间断电源和电脑，同时UPS不间断电源充电直到电量充足；判断台式电脑是否处于断电状态，若确认台式电脑断电启动UPS不间断电源；本发明是一种安全可靠、准确度高、实时性强的基于电容电池的防电网瞬间断电***。

Description

一种基于电容电池的防电网瞬间断电***及其工作方法
技术领域：
本发明涉及电容电池UPS电源技术领域，尤其涉及一种基于电容电池的防电网瞬间断电***及其工作方法。
背景技术：
随着社会的信息化和现代化进程的快速发展，人们生活水平的逐渐提高，用户对供电可靠性的要求越来越高。重要活动场所诸如政府机构、体育馆、大型医院以及大型会议中心等，在停电的情况下，后果是不可想象的，不仅会破坏正常的生产和生活安排，而且还导致某些经济损失和严重的负面社会影响。因此，需要研究不间断电源技术，以维持正常稳定的社会生活秩序。
目前，信息高速爆发，如何防止停电造成的数据丢失，如何确保信息安全，人们已经注意到并且UPS提供了解决这个问题的方法。UPS***由储能装置，整流装置和逆变装置组成，为电气设备提供稳定持续的电力供应。如果电源正常，如果电源与电源不匹配或需要从电源中移除，UPS***将为储能器充电，UPS***将从外部电源中移除电气设备。该设备通过转换器发出标准交流电源，继续为电源供电。UPS在严格的***安全稳定性要求中发挥着重要作用。
电容电池实际上就是一个电容器，只是由于其容量比普通电容器大得多，它的外在表现和电池相同，因此取名“电容电池”，也有人把它称作是“超级电容”。超级电容器是在近几十年的发展过程中,取得了较为良好的研究成果和应用效果,其是一种集常规电容器与化学电池间二者性能为一体的新型储能电子元器件。它不仅具备传统电容器的放电功率性能,同时也具备化学电池应有的电荷储备功能。随着电源技术研究的进一步深入,超级电容器其容量可达数千法拉,与常规可充电蓄电池相比,其具有性能优越、能源转换效率高、实用环保等功能,在UPS不间断直流电源***中,具有良好的理论研究和实际推广应用前景。超级电容(又称双电层电容)是由两个电极、一个隔膜和电解液组成，其中，隔膜一般为多孔的绝缘材料，可以让电解液中的正负离子通过，防止电接触。超级电容中的能量以静电荷的形式储存在电极和电解液表面，而且充放电过程几乎是物理过程，因此，过充和过放对超级电容的寿命影响较小，且没有记忆效应。相比于电池，超级电容具有极高的循环寿命(通常大于500 000次)和功率密度，但是其能量密度非常低(10-30Wh/L)。
针对现有台式计算机在突然停电或电源突然断开的情况下，导致电脑文件、项目等重要东西突然损毁的问题，目前采用的基于电池的电容电池UPS电源价格昂贵，一般用于重要安保单位，比如广播电台、工厂等。且基于电池的UPS过充和过放均导致电池寿命小。因此，亟待提出一种基于电容电池的UPS不间断电源技术方案。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于电容电池的防电网瞬间断电***及其工作方法，以解决现有技术的不足。
本发明由如下技术方案实施：一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，包括控制器、电压检测模块、无线通信模块、电网监控终端、备用电源、继电器、电容电池UPS电源，所述所述控制器输入端连接电压检测模块，所述所述控制器输出端连接继电器，所述控制器还通过无线通信模块与电网监控终端连接，所述电压检测模块连接外部电网，所述所述继电器输出端连接备用电源，所述外部电网、备用电源、电容电池UPS电源均连接负载设备。
优选的，所述所述电压检测模块为电压互感器。
优选的，所述无线通信模块为GPRS模块、WIFI模块、蓝牙模块任意一种。
优选的，所述所述电网监控终端为手机或者监控计算机。
优选的，所述备用电源为发电机或者备用电网。
优选的，所述电容电池UPS电源包括输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器、充电器以及电容电池，所述输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器依次连接，所述充电器输入端连接输入滤波器输出端，所述充电器输出端连接电容电池，所述电容电池输出端连接逆变器输入端。
一种基于电容电池的防电网瞬间断电***的工作方法，包括以下步骤：
(1)根据现有大多数计算机的功率计算出所需电容的大小；
(2)根据电容大小制作UPS不间断电源；
(3)连接不间断电源和电脑，同时UPS不间断电源充电直到电量充足；
(4)判断台式电脑是否处于断电状态，若确认台式电脑断电启动UPS不间断电源，UPS不间断电源向台式电脑放电。
优选的，所述步骤(1)具体为：根据静态电容容量动态电容容量C为电容容量，Q为C储存的电量，U为C两端电压，结合Q＝It，可得到电容基本方程：
此公式是电容瞬时电压与瞬时电流的关系，如计算后的电容容量不在单体范围内，可将多个超级电容器串并联组成模组，以满足实际使用具体所需：
多电容器并联计算公式:C＝C1+C2+C3+…+Cn
多电容器串联计算公式:
本发明的优点：
(1)本发明设计了与外部电网并联的UPS电源，在外部电网瞬间断电时可以保障短时间的连续供电保障。然后，控制器控制备用电源(发电机或者备用电网)工作给负载设备供电，进一步延长了在电力抢修前的供电保障时间。同时，控制器发送报警信号给用户或者电力维护人员及时抢修电力，实现供电保障。其设计合理，环环相扣，可靠性好，应急及时，有效保障了电力正常连续供应，输出电压恒定，不会对台式电脑造成损伤。(2)采用基于电容电池的UPS不间断电源，充放电循环寿命长，可大电流充放电，在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。(3)充电时间短。UPS不间断电源完全充电只需数分钟甚至几十秒钟。(4)免维护。UPS不间断电源的维护工作极少，可实现真正的免维护。(5)对工作环境温度要求不高。UPS不间断电源正常工作时的温度范围为-40～65℃。(6)检测方便。由电容电池供电的UPS的不间断电源严格对应于其电压。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明原理框图；
图2是正常供电时UPS不间断电源工作原理示意图；
图3是断电时UPS不间断电源工作原理示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，包括控制器1、电压检测模块2、无线通信模块3、电网监控终端4、备用电源7、继电器8、电容电池UPS电源9，控制器1输入端连接电压检测模块2，控制器1输出端连接继电器8，控制器1还通过无线通信模块3与电网监控终端4连接，电压检测模块2连接外部电网5，继电器8输出端连接备用电源7，外部电网5、备用电源7、电容电池UPS电源9均连接负载设备6。
其中，电压检测模块2为电压互感器。
无线通信模块3为GPRS模块、WIFI模块、蓝牙模块任意一种。
电网监控终端4为手机或者监控计算机。
备用电源7为发电机或者备用电网。
电容电池UPS电源9包括输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器、充电器以及电容电池，输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器依次连接，充电器输入端连接输入滤波器输出端，充电器输出端连接电容电池，电容电池输出端连接逆变器输入端。
一种基于电容电池的防电网瞬间断电***的工作方法，包括以下步骤：
1根据现有大多数计算机的功率计算出所需电容的大小；
2根据电容大小制作UPS不间断电源；
3连接不间断电源和电脑，同时UPS不间断电源充电直到电量充足；
4判断台式电脑是否处于断电状态，若确认台式电脑断电启动UPS不间断电源，UPS不间断电源向台式电脑放电。
其中，步骤1具体为：根据静态电容容量动态电容容量C为电容容量，Q为C储存的电量，U为C两端电压，结合Q＝It，可得到电容基本方程：
此公式是电容瞬时电压与瞬时电流的关系，如计算后的电容容量不在单体范围内，可将多个超级电容器串并联组成模组，以满足实际使用具体所需：
多电容器并联计算公式:C＝C1+C2+C3+…+Cn
多电容器串联计算公式:
正常工作时，外部电网5为负载设备6供电。当外部电网5故障(瞬间停电)，与外部电网5并联的UPS电源9瞬间切换为负载设备6供电，实现不间断连续供电。由于UPS电源9供电时间有限，不能长时间作为供电电源。此时电压检测模块2检测到外部电网5故障，将故障信号发送到控制器1，控制器一方面控制继电器8动作，进而继电器8切换备用电源7(发电机或者备用电网)工作给负载设备6供电，另一方面通过无线通信模块3发送报警信号给电网监控终端4，电网监控终端4为用户手机或者变电站的电网监控计算机，当收到电网故障的信号后电力维护人员将到现场抢修，实现供电保障。
其中，充电电路对UPS不间断电源的充电采用先恒流后恒压的充电策略，即在没有达到额定电压值前先采用恒流充电，一旦达到额定电压值，它将被改为恒压浮充，防止单体超级电容过充而造成损坏，并补偿由电容器内部电阻引起的能量损失。
放电电路当市电断电或低于设定值时，则UPS不间断电源将对负载恒压放电，即超级电容器组对负载恒压放电。虽然超级电容器的比功率大，但是当放电电流高时能量密度低，能量损失更快，并且超级电容器两端的电压下降得更快，因此要改变占空比来提高升压比，以维持输出电压恒定。由于采用峰值电流控制方式，当其输出的电流型控制芯片占空比大于50％时，***不能稳定工作，主要表现为扰动信号产生的误差被逐渐放大以及轻载和空载时电源失控，必须加入斜坡补偿电路。斜坡补偿采用的方法是在电流反馈电压处加入斜坡补偿电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：包括控制器(1)、电压检测模块(2)、无线通信模块(3)、电网监控终端(4)、备用电源(7)、继电器(8)、电容电池UPS电源(9)，所述所述控制器(1)输入端连接电压检测模块(2)，所述所述控制器(1)输出端连接继电器(8)，所述控制器(1)还通过无线通信模块(3)与电网监控终端(4)连接，所述电压检测模块(2)连接外部电网(5)，所述所述继电器(8)输出端连接备用电源(7)，所述外部电网(5)、备用电源(7)、电容电池UPS电源(9)均连接负载设备(6)。
2.如权利要求1所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：所述所述电压检测模块(2)为电压互感器。
3.如权利要求1所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：所述无线通信模块(3)为GPRS模块、WIFI模块、蓝牙模块任意一种。
4.如权利要求1所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：所述所述电网监控终端(4)为手机或者监控计算机。
5.如权利要求1所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：所述备用电源(7)为发电机或者备用电网。
6.如权利要求1所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***，其特征在于：所述电容电池UPS电源(9)包括输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器、充电器以及电容电池，所述输入滤波器、整流器、逆变器、静态开关、输出滤波器依次连接，所述充电器输入端连接输入滤波器输出端，所述充电器输出端连接电容电池，所述电容电池输出端连接逆变器输入端。
7.一种基于电容电池的防电网瞬间断电***的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据现有大多数计算机的功率计算出所需电容的大小；
(2)根据电容大小制作UPS不间断电源；
(3)连接不间断电源和电脑，同时UPS不间断电源充电直到电量充足；
(4)判断台式电脑是否处于断电状态，若确认台式电脑断电启动UPS不间断电源，UPS不间断电源向台式电脑放电。
8.根据权利要求7所述的一种基于电容电池的防电网瞬间断电***的工作方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：根据静态电容容量动态电容容量C为电容容量，Q为C储存的电量，U为C两端电压，结合Q＝It，可得到电容基本方程：
此公式是电容瞬时电压与瞬时电流的关系，如计算后的电容容量不在单体范围内，可将多个超级电容器串并联组成模组，以满足实际使用具体所需：
多电容器并联计算公式:C＝C1+C2+C3+…+Cn
多电容器串联计算公式:
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