謝本建 徐 平 許錦蘭 林斯正 吳松澤

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直流供電系統(tǒng)中超級電容應(yīng)用研究

謝本建1徐 平1許錦蘭2林斯正2吳松澤2

（1. 深圳藝樸露科技有限公司，廣東 深圳 518100；2. 海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司海口供電局，?？?571000）

隨著自動化程度的不斷提高，在直流供電系統(tǒng)負(fù)載中，精密的自動化設(shè)備越來越多，而依靠單一的蓄電池供電的直流系統(tǒng)，越來越不能滿足通信、保護(hù)、控制等系統(tǒng)的高可靠性要求的需要。本文介紹了一種新興的直流供電方式的應(yīng)用，利用超級電容與蓄電池組成的新型儲能系統(tǒng)，提高了直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)和圖表，驗(yàn)證了該儲能系統(tǒng)的實(shí)踐效果，為其進(jìn)一步的開發(fā)與研究提供參考。

超級電容；儲能系統(tǒng)；直流供電

超級電容器是在 20世紀(jì)中期電化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型儲能電氣原件，業(yè)內(nèi)也稱為電化學(xué)電容，也有的稱為黃金電容。其儲能的過程是可逆的，而且在這個(gè)過程中并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它的功率密度高，使用壽命長，放點(diǎn)完成后恢復(fù)時(shí)間短，還具有結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，越來越得到各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。它本身具有電容和電池兩種元器件的特性，在某些領(lǐng)域其使用性能可能會更優(yōu)于電池。近些年，我國對超級電容器的應(yīng)用也得到了飛速的發(fā)展，其在各行各業(yè)的使用范圍也在不斷擴(kuò)大，包括電動汽車領(lǐng)域、數(shù)據(jù)記憶存儲領(lǐng)域、便攜儀器應(yīng)用研究領(lǐng)域以及應(yīng)急后備電源領(lǐng)域等，特別是在電動汽車領(lǐng)域。2004年7月份由上海奧威科技，上海交大等十幾家科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的電容公交車快速充電系統(tǒng)通過驗(yàn)收，并在上海張江開始投入試運(yùn)行階段。

直流供電系統(tǒng)中主要負(fù)載有：控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和通信裝置系統(tǒng)的直流操作電源。此外，事故照明系統(tǒng)也采用直流電源供電，各行各業(yè)都離不開直流電源供電系統(tǒng)。因此，直流系統(tǒng)的安全性和可靠性的提升是一個(gè)非常重要的問題?，F(xiàn)如今大多數(shù)直流電源采用蓄電池作為儲能設(shè)備，而蓄電池雖然容量能夠滿足直流系統(tǒng)的需求，但存在功率密度低、對于大電流的輸出能力差等缺點(diǎn)。對于某些重要領(lǐng)域，如電力、醫(yī)學(xué)等，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性十分重要，為提高直流系統(tǒng)的供電的穩(wěn)定性及作為備用電源的可靠性，必須采用大容量功率型蓄電池組，它的缺點(diǎn)是價(jià)格高壽命短，后期維護(hù)工作繁瑣，存在事故隱患。這樣可以將超級電容與蓄電池組相結(jié)合，利用超級電容的動態(tài)響應(yīng)速度快、大電流輸出能力強(qiáng)以及充電恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)蓄電池組的缺點(diǎn)，采用混合儲能的直流電源系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的組合方案。

1 超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的超級電容儲能系統(tǒng)包括核心元件超級電容、電路的控制機(jī)構(gòu)（電源開關(guān)）、超級電容狀態(tài)控制器（DC-DC變換器）及相關(guān)參數(shù)檢測控制設(shè)備。超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖如圖1所示。

圖1 超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖

從圖1可見，參數(shù)檢測控制裝置的作用主要是監(jiān)測直流供電系統(tǒng)和超級電容器各項(xiàng)工作參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，確保整個(gè)超級電容工作系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。如果超級電容在充電狀態(tài)時(shí)，改變DC-DC變換器的狀態(tài)，使得其變換為一個(gè)降壓電路向超級電容充電；而在超級電容放電時(shí)，將DC-DC變換器變換為升壓電路使超級電容向電網(wǎng)輸送電能。超級電容在充電完成后會處于空閑狀態(tài)，當(dāng)直流系統(tǒng)因操作、故障等原因出現(xiàn)電壓大幅變化時(shí)，參數(shù)檢測控制裝置會將監(jiān)測結(jié)果傳輸至DC-DC變換器，其根據(jù)分析結(jié)果改變工作方式，使超級電容作為電源，向直流電網(wǎng)輸送電能，以維持直流系統(tǒng)電壓不變。

2 超級電容儲能系統(tǒng)的等效電路

由于超級電容的電感比較小，基本在nH級別，因此，在分析時(shí)，將超級電容的電感忽略不計(jì)，把它的等效電路簡化，變換為一個(gè) R、C串聯(lián)支路模型，把超級電容的等效阻抗看作為一個(gè)時(shí)變量。為便于分析的角度考慮，先將超級電容串聯(lián)內(nèi)阻 RSC和電容值CSC看為不變量。

若采用的超級電容的相關(guān)參數(shù)為2800F/2.7V，則超級電容的內(nèi)阻約為1mΩ。超級電容工作的系統(tǒng)電壓越高，串聯(lián)的超級電容越多，從而形成超級電容組。若直流系統(tǒng)的電壓為DC 1000V，則可將超級電容的額定工作電壓設(shè)置為800V，使得DC-DC變換器工作在一個(gè)寬松的工作范圍內(nèi)，如條件滿足，則需要約320個(gè)這樣的超級電容，將其串聯(lián)起來形成一個(gè)單組，假如用1個(gè)包含2個(gè)單組電容的超級電容組，可計(jì)算得2800F÷320×2=17.5F，由超級電容的參數(shù)可知電壓工作范圍 664～864V，超級電容組件的儲能及最大可釋放的能量計(jì)算為

由此可見，超級電容等效串聯(lián)電阻的存在，消耗了部分能量，從而降低了超級電容組件輸出持續(xù)到時(shí)間，當(dāng)在此能量輸出功率為 300W時(shí)，可持續(xù)釋放約8.9s左右。

在混合儲能單元中 DC-DC變換器的雙向變換功能，是混和儲能系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，通過對Buck/Boost雙向功率變換器進(jìn)行分析，其特點(diǎn)具有體積小、且功率器件數(shù)量少以及工作效率高的優(yōu)點(diǎn)?；旌蟽δ芟到y(tǒng)等效電路圖如圖2所示。

圖2 混合儲能系統(tǒng)等效電路圖

圖2 中，d為開關(guān)S1或D1導(dǎo)通的時(shí)間；iL為電感電流的狀態(tài)變量；Uc為理想電容電壓。

根據(jù)狀態(tài)空間平均法得出狀態(tài)方程如下：

式中，RCPL為恒功率負(fù)載，當(dāng)負(fù)載功率為P0時(shí)，可得 RCPL=uc2/P0。

在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，通過將方程的線性化處理，可得到控制電感電流輸出傳遞函數(shù)為

如果電感電流連續(xù)，就可得充電電流最大值Idp為

式中，DT為S1開關(guān)占空比；Idv為超級電容的平均電流。

假如當(dāng)上式中的電感值足夠大而電感電流的脈動ΔId不大時(shí)，可采用平均值IdCUR 來表示內(nèi)阻壓降idCUR ，根據(jù)下式：

可得以下結(jié)果，即

理想狀態(tài)中儲能系統(tǒng)為負(fù)載提供連續(xù)電流，如果有 Idv=0，此時(shí)超級電容輸出電流 id則處于臨界狀態(tài)。

3 超級電容儲能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

某變電站通信系統(tǒng)，直流電源取自于二次直流屏直流220V轉(zhuǎn)換成直流48V的直流電源，未改造前為蓄電池組儲能直流屏供電的直流電源，系統(tǒng)存在以下缺陷，即當(dāng)直流系統(tǒng)中某一供電支路出現(xiàn)短路等故障時(shí)，在空氣開關(guān)脫扣隔離故障點(diǎn)前一段時(shí)間，發(fā)生直流母線電壓跌落式下降，從而造成通信設(shè)備因電壓跌落過低而重啟，使事故近一步擴(kuò)大。該變電站通過后期改造，在通信電源直流系統(tǒng)中增加短路補(bǔ)償器，該短路補(bǔ)償器與直流系統(tǒng)空氣開關(guān)脫扣曲線配合，解決因支路短路故障引起的系統(tǒng)重啟問題。而短路補(bǔ)償器的核心裝置就是超級電容。

短路補(bǔ)償器工作原理：當(dāng)監(jiān)測控制系統(tǒng)檢測到某一供電支路短路時(shí)，使DC-DC轉(zhuǎn)換器變換成為升壓電路，使短路補(bǔ)償器內(nèi)的超級電容釋放大電流，減緩直流母線電壓跌落，使短路支路的空氣開關(guān)有足夠的時(shí)間脫扣，隔離故障點(diǎn)，保證其他支路的通信設(shè)備正常工作，不受電壓跌落的影響而重啟。直流系統(tǒng)中短路補(bǔ)償器的接線示意圖如圖3所示。

分別對安裝與不安裝短路補(bǔ)償裝置直流系統(tǒng)進(jìn)行了短路模擬實(shí)驗(yàn)，獲得以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 直流系統(tǒng)中短路補(bǔ)償器的接線示意圖

在未安裝短路補(bǔ)償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負(fù)載正常狀態(tài)下母線電壓檢測為 53.6V，此時(shí)模擬支路短路故障，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，從發(fā)生短路故障開始，電源電壓從40V（通信系統(tǒng)工作電壓最低允許值）下降至0，再從0～40V用時(shí)約10ms，母線電壓直線下降至0，且電壓恢復(fù)正常時(shí)間過長，從而導(dǎo)致所有設(shè)備重啟或死機(jī)。

圖4 未安裝短路補(bǔ)償器時(shí)直流系統(tǒng)電壓變化曲線

在安裝短路補(bǔ)償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負(fù)載正常狀態(tài)下母線電壓為 53.5V，模擬短路實(shí)驗(yàn)后，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖5所示，可以看出，電源電壓從 40V下降至 33V，再從 33V到 40V用時(shí)約 2ms，大大降低了電壓跌落的幅值和電壓恢復(fù)時(shí)間。由此可見，安裝補(bǔ)償器設(shè)備時(shí)補(bǔ)償器內(nèi)的超級電容對母線電壓具有緩沖作用，短路支路跳閘后，其他通信支路工作正常，不受短路支路故障影響。

圖5 安裝短路補(bǔ)償裝置后直流系統(tǒng)電壓變化曲線

該短路補(bǔ)償裝置在?？诘貐^(qū) 12個(gè) 110kV變電站試點(diǎn)應(yīng)用，試運(yùn)行后推廣至電網(wǎng)公司范圍內(nèi)的所有變電站使用。試運(yùn)行內(nèi)容主要包括：在?？诘貐^(qū)選取已有48V通信DC-DC模塊的12個(gè)110kV作為本項(xiàng)目的試驗(yàn)變電站，各安裝1臺短路補(bǔ)償器，測試在各種負(fù)載條件、各種運(yùn)行環(huán)境下短路補(bǔ)償器的實(shí)際性能表現(xiàn)。通過設(shè)備投入的前期運(yùn)行觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，提高了通信系統(tǒng)和變電站各監(jiān)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，延長了蓄電池組投入的使用壽命，減少了直流系統(tǒng)后期運(yùn)行過程中的維護(hù)成本。

4 結(jié)論

現(xiàn)如今，幾乎各行各業(yè)都離不開直流供電系統(tǒng)，而以往采用單一蓄電池供電已經(jīng)不能滿足如今直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)，避免了單一蓄電池供電時(shí)，因故障產(chǎn)生跌落電壓造成負(fù)荷重啟死機(jī)等情況的發(fā)生。我們采用了超級電容—蓄電池混合供電系統(tǒng)，充分利用并發(fā)揮了超級電容的功率密度高、壽命長的特點(diǎn)，既滿足了直流系統(tǒng)的要求，又實(shí)現(xiàn)了蓄電池充放電的靈活控制，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

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Study on Application of Super Capacitor in DC Power Supply System

Xie Benjian1Xu Ping1Xu Jinlan2Lin Sizheng2Wu Songze2
(1. Shenzhen EPLU SCI-EECH Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518100;2. Hainan Power Grid Corporation Limited Haikou Power Supply Bureau, Haikou 571000)

With the continuous improvement of automation, DC power supply system load, more and more precision automation was be equipped, and rely on a single battery-powered DC system, more and more can not meet the communication, protection, control and other systems of high reliability requirements This paper introduces a new type of DC power supply application, the use of super capacitor and battery composed of a new energy storage system, greatly improving the DC power supply system stability and reliability, through the practical application of data and charts, verify The practical effect of the energy storage system, for its further development and research to provide a reference.

super capacitor; energy storage system; DC power supply

謝本建（1981-），男，漢族，四川省廣漢市人，本科，高級工程師，研究方向?yàn)榕潆娂夹g(shù)經(jīng)濟(jì)，主要從事企業(yè)高低壓配電運(yùn)行管理工作。