超級電容器高功率直流電源系統研究

萬二平，何嘯月，何 靈，傅博宇，馬新甜

（寧波中車新能源科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

超級電容器作為一種綠色新型的儲能器件，由于其瞬時放電電流大、充電時間短、使用壽命長、溫度特性好和綠色環保等特點，越來越多地應用于風力發電、軌道交通和重型機械等領域[1]。對于重型機械類型的設備需要的大功率儲能系統來說，單個電容的電壓和能量遠遠不能滿足其使用要求。因此，為了滿足容量和電壓等級的需要，一般將多個超級電容器串聯和并聯作為輔助高壓直流電源。該方式正逐漸進入成熟的應用，市場前景廣闊。

1 超級電容器高功率直流電源系統原理

超級電容器高功率直流電源系統由超級電容器儲能系統和充放電控制系統組成[2]。系統主要利用超級電容的高功率特性對負載放電。當需要使用電源設備對外部負載輸出放電時，首先控制系統（含充電機）根據設備電壓狀態、通過主令按鈕實現對超級電容儲能系統的充電；然后，控制系統根據輸出指令和主控制按鈕對負載進行放電輸出。充放電過程通過散熱風扇對系統進行溫度控制，以保證系統的安全運行。

2 超級電容器高功率直流電源系統的組成及部件功能

2.1 超級電容儲能系統組成

超級電容器儲能系統是多只超級電容器串并聯組成的[3]。超級電容器單體額定工作電壓2.5 V，最高電壓2.7 V，額定電容量3 000 F。系統由380支電容單體串聯、多組并聯而成，以滿足系統的電壓和功率要求[4]。

2.2 充放電控制系統組成

主控制系統由交流輸入電路、EMC部件、三相整流濾波電路、大功率DC/DC主電路、輸出電路、儀表主令部件、驅動電路板、控制電路板和放電電路組成[2]，如圖1所示。

圖1 充放電控制系統組成原理

（1）交流輸入電路由電源開關、輸入主回路熔斷器、充電接觸器、預充電電阻和交流控制電源電路組成。

（2）EMC部件用于抑制輸入端電磁干擾信號。在充電電源輸入側設置兩級濾波器，第一級用于抑制電壓諧波，第二級用于抑制輸入電流諧波。

（3）三相整流濾波電路主要由三相整流全橋和濾波電容構成。它將三相AC380V變換成DC500V輸出給大功率DC/DC主電路，同時輸出給控制電路板，用于控制板輸入欠壓判斷。

（4）大功率DC/DC主電路主要由IGBT橋式換流器、高頻整流橋和濾波電容等組成。

（5）輸出電路主要由分流器、反沖電流抑制電路和輸出熔斷器組成。

（6）儀表、主令部件包含充電電源面板上的充電電流表、充電電壓表、按鈕和指示燈。

（7）驅動電路板用于隔離傳輸信號，驅動IGBT橋式換流器，并實現IGBT過流檢測保護。

（8）控制電路板根據設備狀態、主令按鈕實現充、放電電路和散熱風扇的控制，產生IGBT橋式換流器的脈沖寬度調制（PWM）信號，并根據充電電流的大小改變脈沖寬度，以保持充電電流的穩定。

3 總體控制方案設計

本系統主控制操作系統采用西門子S7300系列PLC產品。硬件配置具體包括：西門子CPU314（配置2M存儲卡）、24 V直流電源、16路DI/DO數字量輸入模塊、8路AI/AO模擬量輸入/輸出模塊和WEINVIEW觸摸屏。控制系統的測量采集對象主要包括高壓輸出信號的處理、電壓和電流等傳感器信號的采集和反饋處理。圖2描述了PLC控制系統的控制方案和算法[5]。

圖2 PLC控制算法

PLC程序根據系統的控制邏輯進行編程設計，西門子STEP7組態軟件提供梯形圖、語句表和方框圖的編程方式，采用塊編輯方式代替傳統的編輯方式，程序調用實時性強，優化余地大。

主程序功能包含DC/DC控制、充放電控制、輸入輸出顯示、報警控制及參數記錄等功能[5]。表1為主要功能表意義，表2為程序主要功能塊意義[5]。

表1 控制程序功能表

表2 控制程序功能塊表

主控系統操作界面具有豐富的顯示信息，包含母線電壓、輸出電壓和輸出電流等。

在界面頂部有系統狀態信息，包含設備的充電狀態、故障狀態等信息。監控畫面可執行的操作有充電啟停和數據清除功能。

4 結 論

經過用戶測試驗收，該超級電容器高功率直流電源系統達到了用戶的技術要求，且具有以下特點：

（1）電源系統功率密度大，最大瞬時輸出功率不低于1 MW；

（2）儲能裝置能在700～950 V范圍內充電儲能和放電輸出，工作電壓范圍寬；

（3）自動充電、放電一體化設計，方便使用，減少設備占用空間。

此外，該超級電容高功率電源系統還具有自動補充、過壓保護、欠壓保護和溫度分段控制等功能[4]，具有良好的效果，在重型裝備上將有更廣泛的應用。

[1] 張 琦，王金全.超級電容器及應用探討[J].電氣技術，2007，（8）：67-70.

[2] 劉成印，李 強，薛安忠，等.超級電容直流操作電源究[J].電力自動化設備，2008，28（11）：115-117.

[3] 張 彬，劉 君，穆世霞.超級電容器串聯技術的研究[J].電氣技術，2009，（9）：53-56.

[4] 張慧妍，齊智平.超級電容器儲能單元的設計分析[J].電源技術，2006，30（4）：322-325.

[5] 羅 冰.PLC控制技術在大功率直流電源監控系統中的應用[J].電源技術應用，2013，（5）：6-7.