變電直流屏中超級(jí)電容充電電路的探討

重慶市奧林匹克體育中心 崔黎明

隨著世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨之產(chǎn)生了許多新型元器件并運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，超級(jí)電容是其中之一，它是一種專門(mén)用于儲(chǔ)能的特種電容，實(shí)現(xiàn)了電容量由微法向法拉級(jí)的飛躍，是一種理想的大功率物理電源。它不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上，用它來(lái)代替老式電容儲(chǔ)能硅整流直流屏和蓄電池直流屏將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。

首先我們將超級(jí)電容直流屏與蓄電池直流屏的性能進(jìn)行對(duì)比。

1、蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電都會(huì)縮短使用壽命，而超級(jí)電容不存在過(guò)充電、過(guò)放電的問(wèn)題，只需限制每一個(gè)超級(jí)電容單元的最高充電電壓就行了。

2、蓄電池有較大的維護(hù)量，即便是免維護(hù)蓄電池，同樣需要維護(hù)；而超級(jí)電容只需定期檢測(cè)其容量是否下降就行了，做到了真正意義上的免維護(hù)。

3、蓄電池一旦過(guò)放電，要恢復(fù)其容量得充電數(shù)小時(shí)；而超級(jí)電容恢復(fù)到額定電壓，僅需幾分鐘。

電網(wǎng)停電后，直流屏依靠蓄電池放電來(lái)維持直流母線電壓，電池組的能量究竟有限。停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使電池的能量放完，如不加限制，必然會(huì)導(dǎo)致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無(wú)法再充電而報(bào)廢。而超級(jí)電容當(dāng)電網(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負(fù)荷的情況下仍可保證幾百次的跳閘和數(shù)次合閘。假如是母線短路，引起電網(wǎng)電壓過(guò)低，只要繼電保護(hù)能正確動(dòng)作，在短短的幾秒鐘內(nèi)，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒(méi)有必要維持一定時(shí)間的直流供電。當(dāng)事故處理完畢后，電網(wǎng)恢復(fù)供電，在幾分鐘內(nèi)，將超級(jí)電容充滿電，實(shí)施合閘。

為了解決串聯(lián)超級(jí)電容分壓不均長(zhǎng)期使用而損壞的問(wèn)題，美國(guó)MAXC(DOUBLE LAYER CAPACITORS PRODUCT INFORMATION& APPLICATION DATA)公司雙電層電容器(超級(jí)電容器)產(chǎn)品信息和應(yīng)用資料上介紹的兩種簡(jiǎn)單方法圖1、圖2所示，但這兩種電路只適用于在相對(duì)負(fù)載小的設(shè)備中運(yùn)用，其次，分壓電阻消耗能量大，充電電流相對(duì)也不能太大，使用范圍比較窄。

在直流屏中合閘電壓直流220V，電流100A。超級(jí)電容標(biāo)稱容量1.2F，耐壓280V。超級(jí)電容耐壓高容量大，必須將82只容量100F耐壓3.4V大容量超級(jí)電容串聯(lián)起來(lái)使用才能達(dá)到目的。為了克服以上串聯(lián)使用存在的問(wèn)題，我提出以下方案共探討。

圖1 使用平衡電壓的分流電阻分壓電路

圖2 使用分壓器并聯(lián)納二級(jí)管過(guò)壓保護(hù)的電路

圖3 串聯(lián)多個(gè)大容量超級(jí)電容使用方塊圖

圖4 能量均衡裝置的示意圖

具體實(shí)施方案。圖3所示，實(shí)用串聯(lián)多個(gè)大容量超級(jí)電容使用的方塊圖，在圖3中以三個(gè)大容量超級(jí)電容A、B、C作為實(shí)施例說(shuō)明，可看出在串聯(lián)的兩個(gè)大容量超級(jí)電容A、B與或B、C間連接有能量均衡裝置1、la，該能量均衡裝置1、la能檢測(cè)到兩個(gè)大容量超級(jí)電容A、B或B、C的充電電壓高低電位差，同時(shí)通過(guò)能量均衡裝置，能夠讓每一大容量超級(jí)電容的電壓均衡和達(dá)到能量均衡分布的效果，使其不論在充、放電時(shí)，均能讓各大容量超級(jí)電容的電氣特性保持一致，串聯(lián)大容量超級(jí)電容通過(guò)能量均衡裝置，會(huì)有效提升其整體電壓穩(wěn)定和功率輸出，可提高推動(dòng)直流屏操作機(jī)構(gòu)跳閘、合閘可靠性，且達(dá)到能量均勻分布的狀態(tài)；其中該能量均衡裝置1、la旁按保護(hù)電路2、2a，令該保護(hù)電路2、2a得以檢測(cè)大容量超級(jí)電容A、B、C的電壓和溫度變化，當(dāng)有發(fā)現(xiàn)任一大容量超級(jí)電容A、B或C充、放電時(shí)電壓高低異常(例如過(guò)高或過(guò)低)或是超過(guò)警戒溫度，該保護(hù)電路2、2a均可發(fā)出警告訊號(hào)，同時(shí)透過(guò)輸出入端口3、3a通知該連接的充電或放電設(shè)備4、5進(jìn)行處理，進(jìn)而保護(hù)大容量超級(jí)電容A、B、C和其連接的充、放電設(shè)備4、5。

圖4為能量均衡裝置的示意圖，其中該能量均衡裝置1，包含由控制單元11和第一、第二分配電路12、13所組成，且該控制單元11與兩個(gè)大容量超級(jí)電容A、B并聯(lián)，并通過(guò)以檢測(cè)取得兩個(gè)大容量超級(jí)電容A、B的電壓，經(jīng)其內(nèi)部電路比較后，由控制單元11送出信號(hào)，以選擇并致動(dòng)第一或第二分配器12或13導(dǎo)通；該第一、第二分配器12或13分別與該大容量超級(jí)電容A、B呈并聯(lián)狀態(tài)，其間并具互斥連動(dòng)的特性；例如當(dāng)該控制單元11經(jīng)比較兩大容量超級(jí)電容A、B的耐壓具有高低差異時(shí)，即會(huì)輸出一信號(hào)通知第一(或第二)分配器12或13導(dǎo)通，且使第二或第一分配器13或12截止，由于該第一或第二分配器12或13與大容量超級(jí)電容A、B并聯(lián)，借此該電壓較高的大容量超級(jí)電容A或B即會(huì)透過(guò)該第一或第二分配器12或13將電量輸送往電壓較低的大容量超級(jí)電容B或A，而達(dá)到電量均衡分布和能量均勻分布的狀態(tài)。

[1]聞超,邱瑞昌,趙曉紅,韓嘯一.基于超級(jí)電容的直流不間斷電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2011(07).