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