超级电容在智能变电站直流供电系统中的应用

李顺昕，霍菲阳，刘 丽，李 莉，张晓冬

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院 北京 100053；2.北京交通大学 电气学院，北京 100044）

超级电容在智能变电站直流供电系统中的应用

李顺昕1，霍菲阳1，刘 丽1，李 莉1，张晓冬2

（1.国网冀北电力有限公司经济技术研究院 北京 100053；2.北京交通大学 电气学院，北京 100044）

针对智能变电站一体化直流供电系统存在的不足，本文提出了基于超级电容的分布式直流供电系统，并对其相关内容进行了研究。首先对分布式直流供电系统进行了总体设计，其次对超级电容进行了容量匹配，对双向DC-DC变换器进行了选型与参数设计，最后对并联均流技术进行研究，完成了对均流控制单元的设计。

智能变电站；直流系统；超级电容；双向DC-DC变换器

随着智能电网的不断发展和长期运行实践的积累，智能变电站直流供电系统采用一体化电源的供电方式逐渐暴露了一些不足之处。首先，一体化电源供电系统采用蓄电池组作为备用电源，但是蓄电池组存在单只蓄电池质量影响整组蓄电池工作性能，新旧蓄电池难以匹配，蓄电池的使用带来环境污染以及蓄电池组检修、维护及更换成本高等问题。另外，一体化电源供电系统采用集中式供电模式，该种模式存在直流电源柜接线多，直流电屏布置复杂，负荷间干扰严重，直流母线电缆传输距离远，基建成本高以及蓄电池组故障影响全站直流负荷供电等问题[1-2，5]。针对智能变电站直流供电系统存在的不足，文中提出了基于超级电容的分布式直流供电系统，并对其相关内容进行了研究。

1 基于超级电容的分布式直流供电系统总体结构设计

目前，智能变电站直流供电系统普遍采用一体化直流电源结构。该种电源结构需要选用大容量的蓄电池组，一旦发生电源故障，极易导致整个直流系统瘫痪，严重时甚至会造成电力系统大面积停电。常规的变电站集中式的直流电源系统结构框图如图1所示，直流系统各负载均从直流母线获取电源，由于线路电流较大，且传输距离较远，导致由线路引起的压降过大，造成负载的供电电压均波动较大，降低了直流系统的供电质量；并且，该种供电方式布线复杂，传输距离远，容易对系统中其他信号造成电磁干扰，影响信号的有效、准确传递。

文中提出的分布式直流供电系统用超级电容替代蓄电池组作为系统储能元件，采用标准模块化设计，以多模块分散并联冗余方式取代传统集中式直流供电系统中充电机、串联蓄电池组、蓄电池巡检的设计。文中提出的优化设计方法是按照负荷性质兼顾地理位置对直流供电系统负荷进行分组，并根据实际需求配置不同容量的超级电容标准模块组。分布式直流供电系统的结构图如图2所示，各个模块提供给负载的电压质量只与模块本身有关，且按与负载就近原则进行配置，因此电压稳定。

图1 集中式直流供电系统结构

图2 分布式直流供电系统结构

分布式直流供电系统中并联用超级电容标准模块主要由AC/DC模块、超级电容组、双向DC-DC变换器模块、状态监测及通信等部分组成。直流供电系统负荷获取电源的途径有两种，一是交流电源经过AC/DC变换器变换后为负载提供电源；另一个是由超级电容组放电为负载提供电源。变电站正常运行时，交流侧电源经AC/DC变换器变换后既为负载供电，又对超级电容充电；当交流侧断电时，由超级电容向负载供电，并维持一定的供电时间。

通过将超级电容组与与之匹配的AC/DC变换器模块、双向DC-DC变换器模块等器件创新设计为并联用超级电容标准模块，多只并联用超级电容标准模块采用并联冗余的方式进行组合，组成满足实际需要的分布式超级电电容模块组，解决了蓄电池存在的问题[3-4，6，8]。

2 超级电容的选择与双向DC-DC变换器的设计

2.1 超级电容的选择

文中将变电站直流供电系统负荷按电压等级兼顾地理位置进行分组，将直流供电系统负荷分为动力负荷、控制负荷及弱电控制负荷等3类。其中专供动力负荷的供电电压为直流220 V，专供控制负荷的供电电压为直流110 V，弱电控制或弱电接线的供电电压为直流48 V。

根据变电站直流供电系统负荷统计要求，可得到 《电力工程直流系统设计手册》中的典型工程算例，其中照明负荷功率为4.5 kW[7]。

超级电容组是由超级电容单体经过串并联组合而成，在变电站交流电源断电时，超级电容组经双向DC-DC变换器为直流系统负荷提供直流电源，因此，要求设计的超级电容组具有足够的储能，进而需要对超级电容单体进行串并联组合。超级电容储能具有以下特点：

1）超级电容单体储存的能量可按式（1）计算

ESC为超级电容单体所储存的能量，C为超级电容单体容量，USC为超级电容单体端电压。

2）超级电容的端电压一般在其最大电压值的50%～100%范围内变化，即超级电容的放电深度一般按0.25计算，也可理解为超级电容可释放的能量一般为其可储存最大能量的75%。SOC取值范围如下：

其中，SOC为超级电容的放电深度，是用来标称当前超级电容容量的状态参数。SOC的定义可从电量角度或能量角度定义，若从能量角度定义，其计算公式如式（3）。

从式（3）可知，通过控制超级电容的两端电压即可以调节超级电容的储能，其控制较蓄电池来说就比较方便。通过检测准确可靠的状态参数对超级电容进行管理与控制，从而能够更有效的使用超级电容，减少对其损害，延长其使用寿命[9-10]。

所以依据上述原则设计超级电容组的电容值如式（4）所示。

通过以上分析，可推出超级电容的串联数m和并联数n的计算公式。

根据以上约束条件，在确定超级电容组整体容量与超级电容单体参数的条件下，超级电容组的各个参数就能确定。该变电站直流负荷中事故照明负荷为4.5 kW，若选用美国Maxwell公司的BMOD0165P048型超级电容，其额定电压为48 V，容量为165 F，内阻为5 mΩ，则若按照需保证变电站停电后2 h内的直流供电，2 n倍对超级电容进行容量配置，则需配置超级电容总能量为：

又超级电容单体工作时可释放能量为：

则根据已知条件及式（6）和式（7）得，每只并联用超级电容标准模块需要超级电容21块，m=3，n=7。

2.2 双向DC-DC变换器的设计

隔离式双向DC-DC变换器存在隔离变压器，通过调节隔离变压器的增益来实现双向DC-DC变换器的大范围调压，结构复杂，成本高。而非隔离式双向DC-DC变换器具有结构简单、功率开关器件较少以及成本低等优点。本文选用技术比较成熟的双向半桥型拓扑结构的非隔离式双向DC-DC变换器作为并联用超级电容标准模块中的双向DC-DC变换器[12-14]。其结构图如图3所示。双向变换器不需要选取低压侧的滤波电容，原因是低压侧连接的是大容量超级电容组，因此设计重点是储能电感L和高压侧滤波电容Cd。本文中对双向DC-DC变换器参数的设计要求如表1所示。

1）电感值L的选择

本设计中选取IGBT为开关管，为了减小无源器件的体积和减少变换器的噪声，开关频率采用10 kHz。

主电感作为双向DC-DC变换器核心器件之一，其数值的大小主要由电路的工作模式和电流纹波的大小所约束。本文中的双向DC-DC变换器是在电感电流连续状态下工作的，因此可以先算出临界连续导电模式下双向DC-DC变换器的电感值。图4所示为变换器电感电流连续模式下电感电流的示意图，其中，ΔI表示峰值电流与电流平均值之差，Ipeak表示电感的峰值电流，Iavg表示电感的平均电流，D表示Boost模式下的占空比，T表示变换器的开关周期。

表1 双向DC-DC变换器参数要求

图3 双向DC-DC变换器结构

图4 电路临界导通时电感电流变化图

则可以得出公式（8）：

其中，VL为电感两端的电压，V1为输入端电压，V2为输出端电压，P0为超级电容向直流供电系统提供的最大功率[15]。

主电感平均值与变换器功率之间的关系为：

电感电流最大值，最小值和平均值之间的关系如下：

在电感电流临界连续模式下，ΔI=Iavg，推导出临界电感值为：

根据本文对变换器的参数要求，得L=796 μH

由于本文需要电感电流工作在连续模式下，因此，取 L=800 μH。

2）高压侧滤波电容值Cd的计算

当交流侧电源断电时，变电站直流供电系统由超级电容提供电源，超级电容储存的能量通过双向DC-DC变换器为直流供电系统提供能量。在电感电流连续模式下，在每一个开关周期高压侧电容充电或者放电的能量为ΔQ，则由ΔQ形成的纹波电压可表示为：

可计算得在电感电流连续模式时，指定电压纹波限值，需要的电容值为：

根据本文的参数设计要求计算得Cd=625.7 μF取 Cd=1 000 μF。

3 超级电容标准模块并联均流设计

多模块电源并联运行要求各并联模块能够实现电流自动平衡，即均流。本文采用最大电流法均流技术实现系统的均流，采用UC3907作为其控制芯片。

并联均流是通过控制每个电源模块的功率级来实现的。电源系统中各个整流模块电路相互并联对负载供电，每个整流模块上装一个UC3907控制芯片，在电源系统中安装一条电流均分总线。通过检测每个模块输出电流，由于二极管的单向导电性，输出电流最大的模块被指定为主模块，其电流信号为母线电压信号。根据主模块数据对其他模块的输出电流进行调节，使其向主模块增值，直到各并联电源模块的输出电流达到均流要求。图5为并联电源模块采用最大电流法时的工作示意图，均流电路嵌在电压环补偿电路中，芯片内部提供的电压基准值与均流信号的和构成了有效电压基准值。第i个并联模块的输出通过连接电阻Zci连接到公共点，均流信号ICOM为最大电流模块的电流信号，有效电压基准值VRi为基准电压 VREFi与信号 Mi（ICOM-Ii）的和。

采用UC3907芯片控制电源系统实现均流技术的过程可概括为利用均流母线、UC3907芯片与光藕电路，实现并联电源模块的输出电压反馈，将其与集成芯片UC3907的基准电压相比较，产生误差电压，实现对PWM控制器与驱动器的控制。系统工作过程中，动态选择主模块，依据主模块输出电流调节从模块输出电流，实现负载电流的均分。图6为对本文并联电源模块采用UC3907控制时的均流控制单元的设计。

图6中，R1与R2为并联电源模块输出电压监测电阻，电容C1、C2与电阻R5共同组成反馈补偿网络D1s与R9用来指示主模块，电流传感器H1用来监测并联电源模块的输出电流。滤波电容C3的主要作用时用来降低电流调整引发的噪声。控制芯片UC3907、均流母线及光藕组成电压负反馈电路。在对电压环进行调节时，不需要考虑电流环的作用，控制芯片UC3907内部参考电压值不变。若系统已处于稳定状态，当模块输出电压变大时，则引脚11的输入电源变大，均流控制电压减小，驱动放大器的输出电流变大，反馈电压增加，并联电源模块输出电压降低，回到系统稳定状态。电压环节的调节过程属于闭环负反馈控制。根据UC3907的电流环结构可以得出，当电压环已经稳定时电流环的调节作用才体现出来。如果并联电源模块的输出电流的反馈电压低于均流母线电压，则控制芯片的调整放大器输出变大，电压放大器基准值变大，电压环开始起调节作用，并联电源的模块输出电压增加，输出电流增大，各并联电源模块的输出电流实现均衡。

图5 N个电源模块并联工作示意图

图6 UC3907应用电路图

4 结 论

文中以超级电容在智能变电站直流供电系统中的应用为主要研究内容，主要包括基于超级电容的分布式直流供电系统的总体结构设计、并联用超级电容标准模块结构的设计、多模块电源并联均流的设计。

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The application of super capacitor in the DC power supply system of intelligent substation

LI Shun-xin1，HUO Fei-yang1，LIU Li1，LI Li1，ZHANG Xiao-dong2
（1.National network of North China Electric Power Co LTD ，Beijing 100053，China； 2.School of Electrical Engineering ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China）

This paper puts forward a distributed DC supply system based on super capacitor，which aims at solving the shortage of the DC power supply system of the smart substation.It also makes referencing research on this system.Firstly，it puts forward a distributed DC supply system based on super capacitor and designs it.Secondly，the capacity of super capacitor is matched to the designing requirement and the type and parameters of bidirectional DC-DC power converter is also confirmed.Finally，Parallel current sharing technology is presented in the paper，and the current sharing control unit is also designed.

intelligent substation；DC system；the super capacitor；bidirectional DC-DC power converter

TN711.2

：A

：1674－6236（2017）14-0073-05

2016-06-06稿件编号：201606051

李顺昕（1972—），男，安徽芜湖人，硕士，高级工程师。研究方向：电力系统规划。