基于超級(jí)電容的礦用直流屏設(shè)計(jì)

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(jì)了基于超級(jí)電容的礦用直流屏系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu);其次對(duì)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(shí)物測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于超級(jí)電容的礦用直流屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：超級(jí)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(gè)十分重要的獨(dú)立系統(tǒng)，是變電站安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)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(lái)，直流系統(tǒng)中的蓄電池采取了多種組合方式。隨著人們對(duì)供電可靠性的要求越來(lái)越高，220 kV及以上的高壓樞紐變電站中心也開(kāi)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(guò)直流母線分配給各個(gè)直流負(fù)載。變電站正常運(yùn)行時(shí)，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(hù)壓力大、維護(hù)成本高、不能在線維護(hù)等固有缺陷[3-4]。而超級(jí)電容作為一種新型電力儲(chǔ)能裝置，具有充電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、充放電效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染以及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5]。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容的各自特點(diǎn)，筆者提出了一種基于超級(jí)電容的礦用直流屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 ? ?礦用直流屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》對(duì)礦用直流屏系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。儲(chǔ)能系統(tǒng)由3套28 V/15 000 F超級(jí)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(tái)28 V超級(jí)電容器模組、1塊CMS主控、2臺(tái)AC/DC變換器、2臺(tái)雙向DC/DC變換器、2個(gè)熔斷器、20個(gè)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(gè)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(shí)，通過(guò)AC/DC模塊對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電，同時(shí)通過(guò)DC/DC模塊對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。當(dāng)超級(jí)電容模組電壓低于57 V時(shí)，DC/DC模塊開(kāi)始對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電;當(dāng)超級(jí)電容模組電壓高于84 V時(shí)，停止充電。

當(dāng)外部AC380 V母線供電斷開(kāi)時(shí)，超級(jí)電容模組通過(guò)DC/DC模塊對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電;當(dāng)超級(jí)電容模組電壓低于60 V時(shí)，DC/DC模塊停止對(duì)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(jí)電容的額定電壓值很低，在實(shí)際使用時(shí)需要將單體超級(jí)電容串聯(lián)在一起組成電容器組，因此電容器組中每個(gè)單體電容的電壓能否保持一致就顯得尤為重要。此外，超級(jí)電容器組在交流側(cè)供電穩(wěn)定時(shí)充當(dāng)負(fù)載吸收電能，供電斷開(kāi)時(shí)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(jì)的重點(diǎn)。

2.1 ? ?均壓電路

如圖2所示，超級(jí)電容按照單體間的均壓過(guò)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(guò)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(guò)能量的循環(huán)傳遞，避免了能量大量損耗的問(wèn)題，有效提高了能量的利用率，同時(shí)由于均壓的速度較快，能夠在短時(shí)間釋放能量或儲(chǔ)存能量，滿足一些大功率場(chǎng)合的要求。

本設(shè)計(jì)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(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電容之間的均壓過(guò)程。

當(dāng)電容C1的電壓值較高時(shí)，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(shí)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(guò)高頻變壓器，可有效實(shí)現(xiàn)電氣隔離和能量存儲(chǔ)，但其也存在成本過(guò)高、體積較大和系統(tǒng)損耗增加等問(wèn)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(diǎn)，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(jì)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(jì)

超級(jí)電容直流屏系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)由“首頁(yè)” “統(tǒng)計(jì)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(bào)警”7個(gè)界面組成。通過(guò)人機(jī)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(bào)警信息記錄等。

3 ? ?測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 ? ?測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試平臺(tái)使用波紋電阻對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。該實(shí)驗(yàn)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(jí)電容充電實(shí)驗(yàn)

測(cè)試平臺(tái)在直流屏的充電實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的電壓、電流波形圖如圖7、圖8所示。

由超級(jí)電容充電的電壓、電流波形圖可以看出，在充電初期會(huì)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(jí)電容滿載實(shí)驗(yàn)

測(cè)試平臺(tái)在直流屏的滿載放電實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的電壓、電流波形圖如圖9、圖10所示。

由超級(jí)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(guò)程中，其輸出電壓始終保持在220 V左右，直至超級(jí)電容放電結(jié)束，整個(gè)放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間為140 min。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用超級(jí)電容取代傳統(tǒng)鉛蓄電池的直流屏裝置，對(duì)超級(jí)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并成功搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。由相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，基于超級(jí)電容搭建的直流屏系統(tǒng)具有充電速度快、放電時(shí)間長(zhǎng)、倍率高等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于超級(jí)電容本身具備維護(hù)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使得其相較于傳統(tǒng)的使用蓄電池作為儲(chǔ)能單元的直流屏，具有更大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)保證變電站、配電網(wǎng)等直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著更加積極的作用。

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收稿日期：2020-12-14

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