王濤 張代友 程應(yīng)順 王爍焱

摘 要：首先基于相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計了基于超級電容的礦用直流屏系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu);其次對直流屏的均壓電路和DC/DC變換器電路的工作原理進(jìn)行了分析;最后搭建了實物測試平臺，通過充放電實驗數(shù)據(jù)驗證了基于超級電容的礦用直流屏系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

關(guān)鍵詞：超級電容;DC/DC變換器;均壓電路

0 ? ?引言

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著所在區(qū)域的供電任務(wù)。直流供電系統(tǒng)作為變電站中一個十分重要的獨立系統(tǒng)，是變電站安全、穩(wěn)定、可靠運行的重要保障，因此，直流供電系統(tǒng)一直被人們視為變電站的“心臟”。自20世紀(jì)50年代以來，直流系統(tǒng)中的蓄電池采取了多種組合方式。隨著人們對供電可靠性的要求越來越高，220 kV及以上的高壓樞紐變電站中心也開始裝設(shè)兩組或兩組以上的多組蓄電池組。

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的蓄電池電源系統(tǒng)也逐漸暴露出一些不足[1-2]。在目前的智能變電站直流供電系統(tǒng)中，蓄電池組由單體蓄電池串聯(lián)而成，并將串聯(lián)得到的額定電壓通過直流母線分配給各個直流負(fù)載。變電站正常運行時，蓄電池組處于浮充狀態(tài)。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，蓄電池組存在可靠性不高、環(huán)境保護壓力大、維護成本高、不能在線維護等固有缺陷[3-4]。而超級電容作為一種新型電力儲能裝置，具有充電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、充放電效率高、對環(huán)境無污染以及免維護等優(yōu)點[5]。針對以上問題，結(jié)合蓄電池和超級電容的各自特點，筆者提出了一種基于超級電容的礦用直流屏系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 ? ?礦用直流屏系統(tǒng)設(shè)計

《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》對礦用直流屏系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計提供了指導(dǎo)。儲能系統(tǒng)由3套28 V/15 000 F超級電容模組串聯(lián)構(gòu)成，形成2P24S的系統(tǒng)架構(gòu)。礦用直流屏系統(tǒng)由3臺28 V超級電容器模組、1塊CMS主控、2臺AC/DC變換器、2臺雙向DC/DC變換器、2個熔斷器、20個直流斷路器和1塊液晶顯示屏組成。整套系統(tǒng)有20路220 V直流輸出，每一路配備1個直流斷路器，并提供20路反饋線路。

其電路原理圖如圖1所示，當(dāng)外部AC380 V母線供電穩(wěn)定時，通過AC/DC模塊對外部負(fù)載進(jìn)行供電，同時通過DC/DC模塊對超級電容進(jìn)行充電。當(dāng)超級電容模組電壓低于57 V時，DC/DC模塊開始對超級電容進(jìn)行充電;當(dāng)超級電容模組電壓高于84 V時，停止充電。

當(dāng)外部AC380 V母線供電斷開時，超級電容模組通過DC/DC模塊對外部負(fù)載進(jìn)行供電;當(dāng)超級電容模組電壓低于60 V時，DC/DC模塊停止對外部負(fù)載的供電。

2 ? ?直流屏的關(guān)鍵技術(shù)

由于單體超級電容的額定電壓值很低，在實際使用時需要將單體超級電容串聯(lián)在一起組成電容器組，因此電容器組中每個單體電容的電壓能否保持一致就顯得尤為重要。此外，超級電容器組在交流側(cè)供電穩(wěn)定時充當(dāng)負(fù)載吸收電能，供電斷開時充當(dāng)電源為直流側(cè)負(fù)載提供電能，因此，雙向DC/DC單元也是直流屏裝置設(shè)計的重點。

2.1 ? ?均壓電路

如圖2所示，超級電容按照單體間的均壓過程的分類可以分為能耗型和能量轉(zhuǎn)移型兩類。

能耗型均壓策略通過電阻等器件以發(fā)熱的方式消耗掉多余的能量，能量利用率較低;能量轉(zhuǎn)移型均壓策略通過能量的循環(huán)傳遞，避免了能量大量損耗的問題，有效提高了能量的利用率，同時由于均壓的速度較快，能夠在短時間釋放能量或儲存能量，滿足一些大功率場合的要求。

本設(shè)計采用基于DC/DC變換器的均壓結(jié)構(gòu)，其電路拓?fù)淙鐖D3所示，該電路可以通過控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷來實現(xiàn)電容之間的均壓過程。

當(dāng)電容C1的電壓值較高時，S1導(dǎo)通，電容中的能量流向電感L，再導(dǎo)通S2使電感L的能量流向C2，從而實現(xiàn)電容之間的均壓。

2.2 ? ?雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為隔離式雙向DC/DC變換器與非隔離式雙向DC/DC變換器。

隔離式雙向DC/DC變換器通過高頻變壓器，可有效實現(xiàn)電氣隔離和能量存儲，但其也存在成本過高、體積較大和系統(tǒng)損耗增加等問題。與隔離式雙向DC/DC變換器相比，非隔離式雙向DC/DC變換器具有許多優(yōu)點，如體積小，損耗少，制作成本低以及易于系統(tǒng)集成等。因此，本設(shè)計采用了雙向半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為直流屏的雙向DC/DC變換器，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，主電路由濾波電感、電容、IGBT和等效負(fù)載R組成。

2.3 ? ?軟件系統(tǒng)設(shè)計

超級電容直流屏系統(tǒng)的人機交互界面設(shè)計如圖5所示，整個系統(tǒng)由“首頁” “統(tǒng)計信息” “詳細(xì)信息” “詳細(xì)單體” “系統(tǒng)設(shè)置” “歷史故障”和“故障報警”7個界面組成。通過人機交互界面，可以詳細(xì)觀察到電容器的平均電壓、單體電壓、箱內(nèi)溫度、單體溫度以及電容器的故障報警信息記錄等。

3 ? ?測試平臺實驗結(jié)果

3.1 ? ?測試平臺

測試平臺使用波紋電阻對儲能系統(tǒng)進(jìn)行放電實驗，實驗裝置如圖6所示。該實驗裝置從上往下所配備的分別是AC/DC變換器、DC/DC變換器、LCD觸控屏、20路輸出端口及斷路器。

3.2 ? ?直流屏超級電容充電實驗

測試平臺在直流屏的充電實驗過程中所測得的電壓、電流波形圖如圖7、圖8所示。

由超級電容充電的電壓、電流波形圖可以看出，在充電初期會進(jìn)行大電流快充，在充電末期，隨著電容電壓的增加，充電電流逐漸減小，直到電容能量充滿為止。

3.3 ? ?直流屏超級電容滿載實驗

測試平臺在直流屏的滿載放電實驗過程中所測得的電壓、電流波形圖如圖9、圖10所示。

由超級電容滿載放電的電壓、電流波形圖可以看出，直流屏電源裝置在放電過程中，其輸出電壓始終保持在220 V左右，直至超級電容放電結(jié)束，整個放電過程持續(xù)時間為140 min。

4 ? ?結(jié)語

本文設(shè)計了一種采用超級電容取代傳統(tǒng)鉛蓄電池的直流屏裝置，對超級電容直流屏的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并成功搭建了實驗樣機。由相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)可以得出，基于超級電容搭建的直流屏系統(tǒng)具有充電速度快、放電時間長、倍率高等突出優(yōu)點，同時由于超級電容本身具備維護簡單、使用壽命長等優(yōu)點，使得其相較于傳統(tǒng)的使用蓄電池作為儲能單元的直流屏，具有更大的經(jīng)濟效益，對保證變電站、配電網(wǎng)等直流系統(tǒng)的安全可靠運行有著更加積極的作用。

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[5] 張煥，魏宜華，黃鍔，等.超級電容器在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2014（22）：64.

收稿日期：2020-12-14

作者簡介：王濤（1973—），男，山東棗莊人，高級工程師，從事電力供配電裝備的生產(chǎn)、研發(fā)工作。