基于超级电容器的直流电源装置研制

直流系统在变电站、工矿企业变配电所、水电站、发电厂等供电系统中占有重要的地位，主要用于高压断路器的分合闸、继电保护、通信设备、事故照明等方面的供电。此外，也作为通讯设备、计算机设备等重要场合的备用电源。

目前变电站中使用的直流屏主要有镉镍电池直流屏、阀控密封铅酸蓄电池直流屏、电解电容储能直流屏等[1]，其中铅酸蓄电池直流屏最为普遍，而铅酸电池存在功率密度低、工作温度范围窄、使用寿命短、维护难、环境污染等缺点，逐步被绿色、高效新型蓄电池替代是必然趋势。

超级电容器功率密度大、充放电效率高、免维护、长寿命以及绿色环保等特点，在变电站、配电网等直流系统中应用前景日益受到关注。文献[2]中将蓄电池和超级电容器并联混合储能应用于直流系统，以提升蓄电池的功率输出能力。文献[3-4]将混合储能应用于分布式发电系统以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电小循环次数，延长蓄电池的使用寿命。本文探讨了基于超级电容器单独储能的直流源方式，并研制了超级电容器储能原理样机，实验结果证实了方案的可行性。

1 系统设计方案

1.1 参数设计

根据变电站等直流系统设计相关技术标准[5]，变电站直流负荷可以分为控制负荷、动力负荷、通信及弱电控制负荷。控制和动力负荷可以合并为220 V直流供电，主要是分合闸操作负荷，为短时冲击负荷；弱电控制和通信负荷通常采用48 V供电，主要是信号设备与保护监控装置，为长期运行负荷。根据上述负荷情况，提出直流电源设计参数，如表1所示。

1.2 系统构架

电源装置总体方案如图1所示。系统可以分为AC/DC充电单元、DC/DC放电单元、主控制单元和储能单元。

正常运行时，AC/DC电路将所用变、低压柜或PT引入的交流电转为直流为超级电容器充电，同时经DC/DC电路提供分合闸回路、通信装置电源；当出现事故导致交流失电时，由超级电容器模组经DC/DC电路提供直流操作电源。超级电容器均衡监视电路与主控板之间通过CAN总线进行通信。主控板将超级电容器的电压、电流、温度、电源充放电状态、故障等信息通过LCM显示模块实现外部显示，提供外置按键实现充放电管理，实现装置的智能控制。此外，主控板的串行通信模块可通过RS485等方式实现远程通讯。

表1 直流电源参数

图1 系统结构图

2 功能单元原理

2.1 AC/DC充电单元

AC/DC单元的主电路采用图2所示的双管正激电路。主芯片采用UC3845，基于运放LM324和光耦PC817搭建恒压限流控制电路，以实现超级电容器的快速充电。

图2 AC/DC单元原理图

2.2 DC/DC单元

2.2.1 主电路设计

DC/DC单元是本装置设计的重点，既要求输入宽范围，以满足超级电容器深度放电的要求，设计放电深度为90%，即输入电压范围为15～48 Vdc；同时要求电路具备高升压比并能满足冲击负荷的要求，按最低输入15 V计，输出220 Vdc时升压比为14.7，而且此时最大冲击负荷为300 W。最后，还要具备并联均流功能。

图3所示为DC/DC单元的原理简图。电路可以分为两个部分：一部分是Boost电路，基于PWM芯片UC3842，实现48 Vdc输出，电路相对简单；另外一路输出220 Vdc，采用两路反激串联输出，提高升压比，同时满足瞬时冲击功率的要求，芯片采用UC3845。

图3 DC/DC单元原理图

2.2.2 输出并联均流电路设计

由于超级电容器的能量密度相对较低，为了实现装置储能容量的可扩充性，在DC/DC的两路输出端均并联均流电路。目前主要的并联均流方法主要可分为输出阻抗法、主从均流法、平均电流均流法和峰值电流均流法。本文采用基于芯片UC3902的峰值电流均流电路，电路原理如图4所示。

图4 UC3902 输出均流电路

图4中R1，R2，R3构成电压采样电路，R4为输出电流采样电阻，采样连接SEN端，R1、ADJ-ADJR、R5构成分流控制回路，不同电源的均流母线短接。电路工作的原理是，当不同电源输出并联时，当某一电源由于输出电压较低而导致输出电流低于所有模块的输出电流最大值时，流经R1、ADJ-ADJR、R5的控制电流会变大，这样R3的电压反馈值会变小，进而控制电路PWM占空比增大，输出电压升高，达到新的平衡状态。

2.3 主控制单元

主控制单元的功能在于实现充放电控制，监控充放电状态，监控超级电容器工作状态。采用意法半导体ARM Cortex M3架构STM32F103ZET6芯片，其具备CAN总线及UART串口等多种通信接口。主控板负责超级电容模组运行参数监测并提供基础人机交互功能，实现超级电容器状态监测，充放电状态监测，充放电单元运行控制等等。结构框图如图5所示。

2.4 超级电容器储能单元

储能单元由多个超级电容器串并联而成，采用被动均压的方式，并对外提供can通信接口，传递电容器温度、循环次数、电压等信息。

内部为2.7 V450 F电容20串4并，额定电压54 V，等效容值为450×4/20=90 F，浮充电压48 V，存电量为103 680 J，约为28.8 Wh。放电深度拟达到90%，需要放电到15 V。超级电容模组采用限幅耗能均衡方式进行动态电压均衡。从48 V放电到15 V的容量为0.5×90×(482－152)/3 600=26 Wh。

图5 主控单元结构图

3 样机实验记录与数据

3.1 测试平台

基于之前的电路设计，组建实验样机并搭建测试平台。Chroma程控交流电源提供可调交流电，充电板的输出端分别接超级电容器和DC/DC放电板，DC/DC放电输出接Chroma可编程AC/DC电子负载，接线实物图如图6所示。

图6 样机测试平台

3.2 充电储能测试

实验测试了单台样机的充放电特性。图7所示为超级电容器模组的充电电流波形及电压变化波形，充电平均电流约8 A，最大充电功率约400 W。电容器从15 V充电到48 V需要约5 min 20 s，达到了预期要求。

图7 超级电容器充电波形

3.3 放电带载测试

当交流侧失电时，电源需要给断路器操动机构和继保装置、通信设备等供电，单台样机的离线带载能力设置为，在交流输入断电后，满足开关柜分合闸操作不小于1次(300 W，15 s计)，直流48 V供电＞40 min(25 W计)。样机在输出300 W，220 Vdc冲击负荷时的电压电流暂态波形如图8所示，可以看出，超级电容器的抗冲击负荷能力很强。

超级电容器离线带载电压变化曲线如图9所示，在一次冲击负荷300 W，15 s后，带载25 W负荷约48 min。需要指出的是，超级电容器的能量密度相对较低，持续带载的能力并不强，但由于样机兼容了输出并联均流的功能，所以样机的离线带载能力可以通过多台样机的并联来进一步的弥补，相关的实验会在下一步的工作中开展。

图8 220 V支路突加300 W(通道1：电压；通道2：电流)

图9 超级电容器冲击和持续带载工作曲线

4 结论与展望

本文探讨了超级电容器作为储能介质在直流操作电源中的应用，研制成功了相应的储能电源样机。通过相关的实验得出，超级电容器相比于传统的蓄电池，其功率密度高，能很好地响应变电站等处的冲击负荷的要求，充放电倍率高，容量利用率更高，同时维护简单，寿命更长。然而，它也存在能量密度相对较低的缺点，所以持续带载的表现欠佳。本装置提出通过输出并联扩容的方式，能一定程度上弥补其缺陷，对提升其续航能力的研究还需进一步的开展。随着超级电容器相关技术的进一步发展，其在变电站、配电网等相关场合的直流系统中将具有更广泛的应用前景和发展空间。