基于超級電容的DTU后備電源系統設計

宋德勝 陳淑琴

摘 要：針對傳統DTU后備電源高低溫性能差、循環(huán)壽命短、維護成本高等缺點，本文提出了一種基于超級電容的DTU后備電源系統設計，在分析DTU對后備電源的技術要求基礎上，本文對該后備電源系統進行了電氣和結構設計。最后通過使用Arbin超級電容測試設備，分別對所設計超級電容模組的容量內阻和后備電源系統的模擬工況進行了全面測試。實驗結果表明，本文所設計超級電容DTU后備電源系統滿足DTU相關技術要求，具有較好的推廣價值和市場前景。

關鍵詞：超級電容器；DTU；后備電源系統

1 引言

在電力配網自動化系統中，站所終端DTU主要安裝在配電網饋線回路的開關站、環(huán)網柜等處，可以實現對供電線路的遙信、遙測、遙控等功能[1]，對配網供電的可靠運行起著非常重要的作用。由于DTU裝置一般安裝在戶外，其工作環(huán)境比較惡劣，因此，DTU后備電源系統的可靠性和免維護性非常重要。

目前，DTU裝置所使用的后備電源多為鉛酸電池或鋰電池[2]，但由于這兩種電池具有高低溫性能差、循環(huán)壽命短等缺點，使其維護成本較高。超級電容器是一種隸屬于物理儲能的新型儲能器件，由于其具有高低溫性能好、免維護、循環(huán)壽命長等優(yōu)點[3]，已經被廣泛應用于風電、軌道交通等領域[4，5]。本文將依據天津供電公司對DTU 后備電源的技術要求，設計一款基于超級電容的DTU后備電源系統，并通過模擬DTU運行工況驗證了該系統的可行性。

2 電源系統設計

以國家電網天津供電公司對DTU后備電源的技術要求為例，其要求超級電容型DTU后備電源系統220VAC輸入，48VDC輸出，超級電容模組額定電壓63V，模組內阻不大于25mΩ，模組容量不小于200F，且模組提供的電量能夠滿足80W負載穩(wěn)定運行60min前提下，然后操作400W電機進行12次啟停操作（模擬開關分合閘），其中啟動時間10s，停止時間40s。為實現上述功能，本文設計的基于超級電容的DTU后備電源系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 超級電容DTU后備電源系統拓撲圖

本文使用2.7V350F超級電容單體，然后將超容單體進行串并聯組成DTU用超級電容后備電源模組。根據模組額定電壓要求，超容單體串聯數量為：

（1）

為提高超級電容后備電源模組使用的通用性，本文設計24串超容單體為一個子模塊，然后通過多個子模塊并聯實現DTU所需容量要求。則子模塊容量為：

（2）

根據超級電容DTU后備電源系統帶載能力要求，電源系統所需提供的總電量為：

（3）

由電源系統技術要求可知，超容模組需要220VAC輸入和48VDC穩(wěn)定輸出，故選擇CPW-A300型AC/DC模塊和CPW-D400型DC/DC模塊實現其技術要求，其中CPW-D400模塊的輸入電壓范圍為22V～63V，故由公式 ，得

（4）

由公式（2）和公式（4）可得，所需子模塊的并聯數量為：

由于天津供電公司所提供技術要求已在國網DTU技術規(guī)范上充分考慮裕量，故本文設計中不再考慮電量設計裕量。

3 實驗研究

為驗證上述超級電容DTU后備電源系統是否滿足技術要求，本文擬使用Arbin超級電容測試設備分別對超容模組和后備電源系統進行了容量內阻測試和DTU工況測試。

3.1容量內阻測試

使用Maxwell六步法對本文所設計的24S14P超容模組進行容量內阻測試，其中，充放電電流為20A。測試曲線如圖2所示。

圖2 超級電容模組容量內阻測試曲線圖

根據上述測試曲線和測試數據可以推算出超容模組的容量和內阻分別為：217.88F

和20.57mΩ，模組測試容量均大于技術要求容量和理論設計容量；內阻實際值小于技術要求值。故模組容量內阻滿足需求。

3.2 DTU工況測試

根據技術要求，所設計超級電容DTU后備電源系統需滿足80Wh不間斷放電，并進行400W電機啟停12次。因該工況測試的電壓均為48VDC，故可將功率測試等效為恒流測試。為提高測試通用性和節(jié)約測試成本，本文使用Arbin設備對上述過程進行恒流放電模擬測試，通過Arbin設備測試軟件進行編程測試，得到系統輸出電壓和超容模組電壓曲線如圖3所示。

圖3 超級電容DTU后備電源系統電壓曲線

由圖3可知，本文所設計的超級電容DTU后備電源系統能夠滿足80Wh和400W電機電量需求，且在400W電機測試完成后仍有部分電量富余，從而驗證了本文所設計電源系統的可行性和適用性。

4 結束語

為提高DTU后備電源的高低溫特性和免維護特性，本文設計了一款基于超級電容的DTU后備電源系統，該系統由超級電容模組、AC/DC模塊、DC/DC模塊和相關配件組成。通過使用Arbin超級電容測試設備，分別對所設計超級電容模組的容量內阻和后備電源系統的模擬工況進行全面測試。實驗結果表明，本文所設計超級電容DTU后備電源系統滿足DTU相關技術要求，具有較好的推廣價值和市場前景。

參考文獻

[1]國家電網公司. Q/GDW 514-2013 配網自動化終端/子站功能規(guī)范[S]. 北京：中國電力出版社，2013.

[2]朱吉然，冷華，唐海國. 配電自動化終端后備電源選型探討[J]. 供用電，2014（05）：64-69.

[3]朱磊，陳暉等. 超級電容器研究及其應用[J]. 稀有金屬，2003，27（3）.

[4]王鑫，謝清華等. 超級電容器在微電網中的應用[J]. 電網與清潔能源，2009，25（6）.

[5]黃曉斌，張熊，韋統振. 超級電容器的發(fā)展及應用現狀[J]. 電工電能新技術，2017，36（11）：63-70.

（1.作者身份證號碼：371481198204054571；

2.作者身份證號碼：132525198110244527）