基于超級電容的礦用直流屏設計

王濤 張代友 程應順 王爍焱

摘 要：首先基于相關技術要求，設計了基于超級電容的礦用直流屏系統的整體結構;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行了分析;最后搭建了實物測試平臺，通過充放電實驗數據驗證了基于超級電容的礦用直流屏系統設計的可行性。

關鍵詞：超級電容;DC/DC變換器;均壓電路

0 ? ?引言

變電站是電力系統的重要組成部分，擔負著所在區域的供電任務。直流供電系統作為變電站中一個十分重要的獨立系統，是變電站安全、穩定、可靠運行的重要保障，因此，直流供電系統一直被人們視為變電站的“心臟”。自20世紀50年代以來，直流系統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兩組或兩組以上的多組蓄電池組。

隨著智能電網的不斷發展，傳統的蓄電池電源系統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中，蓄電池組由單體蓄電池串聯而成，并將串聯得到的額定電壓通過直流母線分配給各個直流負載。變電站正常運行時，蓄電池組處于浮充狀態。在串聯結構中，蓄電池組存在可靠性不高、環境保護壓力大、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、循環壽命長、工作溫度范圍寬、充放電效率高、對環境無污染以及免維護等優點[5]。針對以上問題，結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的設計方案。

1 ? ?礦用直流屏系統設計

《電力工程直流系統設計技術規程》對礦用直流屏系統的參數設計提供了指導。儲能系統由3套28 V/15 000 F超級電容模組串聯構成，形成2P24S的系統架構。礦用直流屏系統由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，當外部AC380 V母線供電穩定時，通過AC/DC模塊對外部負載進行供電，同時通過DC/DC模塊對超級電容進行充電。當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行充電;當超級電容模組電壓高于84 V時，停止充電。

當外部AC380 V母線供電斷開時，超級電容模組通過DC/DC模塊對外部負載進行供電;當超級電容模組電壓低于60 V時，DC/DC模塊停止對外部負載的供電。

2 ? ?直流屏的關鍵技術

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供電穩定時充當負載吸收電能，供電斷開時充當電源為直流側負載提供電能，因此，雙向DC/DC單元也是直流屏裝置設計的重點。

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移型兩類。

能耗型均壓策略通過電阻等器件以發熱的方式消耗掉多余的能量，能量利用率較低;能量轉移型均壓策略通過能量的循環傳遞，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。

本設計采用基于DC/DC變換器的均壓結構，其電路拓撲如圖3所示，該電路可以通過控制開關管的開通和關斷來實現電容之間的均壓過程。

當電容C1的電壓值較高時，S1導通，電容中的能量流向電感L，再導通S2使電感L的能量流向C2，從而實現電容之間的均壓。

2.2 ? ?雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器根據其拓撲結構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變換器具有許多優點，如體積小，損耗少，制作成本低以及易于系統集成等。因此，本設計采用了雙向半橋型拓撲結構作為直流屏的雙向DC/DC變換器，其電路拓撲結構如圖4所示，主電路由濾波電感、電容、IGBT和等效負載R組成。

2.3 ? ?軟件系統設計

超級電容直流屏系統的人機交互界面設計如圖5所示，整個系統由“首頁” “統計信息” “詳細信息” “詳細單體” “系統設置” “歷史故障”和“故障報警”7個界面組成。通過人機交互界面，可以詳細觀察到電容器的平均電壓、單體電壓、箱內溫度、單體溫度以及電容器的故障報警信息記錄等。

3 ? ?測試平臺實驗結果

3.1 ? ?測試平臺

測試平臺使用波紋電阻對儲能系統進行放電實驗，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束，整個放電過程持續時間為140 min。

4 ? ?結語

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

[參考文獻]

[1] 崔黎明.變電直流屏中超級電容充電電路的探討[J].電子世界，2012（8）：50.

[2] 裴梓翔，劉峰，劉玉婷，等.基于超級電容的開關站DTU應急電源設計[J].科學技術創新，2019（6）：151-153.

[3] 任喜國，楊承志.超級電容直流電源的研究[J].科學技術與工程，2013，13（19）：5642-5648.

[4] 趙立嚴.基于超級電容的直流應急照明系統設計與研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[5] 張煥，魏宜華，黃鍔，等.超級電容器在變電站直流系統中的應用[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、研發工作。