直流供电系统中超级电容应用研究

谢本建 徐 平 许锦兰 林斯正 吴松泽

（1. 深圳艺朴露科技有限公司，广东 深圳 518100；2. 海南电网有限责任公司海口供电局，海口 571000）

直流供电系统中超级电容应用研究

谢本建1徐 平1许锦兰2林斯正2吴松泽2

（1. 深圳艺朴露科技有限公司，广东 深圳 518100；2. 海南电网有限责任公司海口供电局，海口 571000）

随着自动化程度的不断提高，在直流供电系统负载中，精密的自动化设备越来越多，而依靠单一的蓄电池供电的直流系统，越来越不能满足通信、保护、控制等系统的高可靠性要求的需要。本文介绍了一种新兴的直流供电方式的应用，利用超级电容与蓄电池组成的新型储能系统，提高了直流供电系统的稳定性和可靠性，通过实际应用的数据和图表，验证了该储能系统的实践效果，为其进一步的开发与研究提供参考。

超级电容；储能系统；直流供电

超级电容器是在 20世纪中期电化学领域发展起来的一种新型储能电气原件，业内也称为电化学电容，也有的称为黄金电容。其储能的过程是可逆的，而且在这个过程中并没有发生化学反应，它的功率密度高，使用寿命长，放点完成后恢复时间短，还具有结构简单等特点，越来越得到各行各业的广泛应用。它本身具有电容和电池两种元器件的特性，在某些领域其使用性能可能会更优于电池。近些年，我国对超级电容器的应用也得到了飞速的发展，其在各行各业的使用范围也在不断扩大，包括电动汽车领域、数据记忆存储领域、便携仪器应用研究领域以及应急后备电源领域等，特别是在电动汽车领域。2004年7月份由上海奥威科技，上海交大等十几家科研机构共同开发的电容公交车快速充电系统通过验收，并在上海张江开始投入试运行阶段。

直流供电系统中主要负载有：控制系统、保护系统、信号系统和通信装置系统的直流操作电源。此外，事故照明系统也采用直流电源供电，各行各业都离不开直流电源供电系统。因此，直流系统的安全性和可靠性的提升是一个非常重要的问题。现如今大多数直流电源采用蓄电池作为储能设备，而蓄电池虽然容量能够满足直流系统的需求，但存在功率密度低、对于大电流的输出能力差等缺点。对于某些重要领域，如电力、医学等，直流系统的稳定性和可靠性十分重要，为提高直流系统的供电的稳定性及作为备用电源的可靠性，必须采用大容量功率型蓄电池组，它的缺点是价格高寿命短，后期维护工作繁琐，存在事故隐患。这样可以将超级电容与蓄电池组相结合，利用超级电容的动态响应速度快、大电流输出能力强以及充电恢复时间短等优点，弥补蓄电池组的缺点，采用混合储能的直流电源系统是一个不错的组合方案。

1 超级电容储能系统的结构

一个典型的超级电容储能系统包括核心元件超级电容、电路的控制机构（电源开关）、超级电容状态控制器（DC-DC变换器）及相关参数检测控制设备。超级电容储能系统原理流程图如图1所示。

图1 超级电容储能系统原理流程图

从图1可见，参数检测控制装置的作用主要是监测直流供电系统和超级电容器各项工作参数及运行状态，确保整个超级电容工作系统运行平稳。如果超级电容在充电状态时，改变DC-DC变换器的状态，使得其变换为一个降压电路向超级电容充电；而在超级电容放电时，将DC-DC变换器变换为升压电路使超级电容向电网输送电能。超级电容在充电完成后会处于空闲状态，当直流系统因操作、故障等原因出现电压大幅变化时，参数检测控制装置会将监测结果传输至DC-DC变换器，其根据分析结果改变工作方式，使超级电容作为电源，向直流电网输送电能，以维持直流系统电压不变。

2 超级电容储能系统的等效电路

由于超级电容的电感比较小，基本在nH级别，因此，在分析时，将超级电容的电感忽略不计，把它的等效电路简化，变换为一个 R、C串联支路模型，把超级电容的等效阻抗看作为一个时变量。为便于分析的角度考虑，先将超级电容串联内阻 RSC和电容值CSC看为不变量。

若采用的超级电容的相关参数为2800F/2.7V，则超级电容的内阻约为1mΩ。超级电容工作的系统电压越高，串联的超级电容越多，从而形成超级电容组。若直流系统的电压为DC 1000V，则可将超级电容的额定工作电压设置为800V，使得DC-DC变换器工作在一个宽松的工作范围内，如条件满足，则需要约320个这样的超级电容，将其串联起来形成一个单组，假如用1个包含2个单组电容的超级电容组，可计算得2800F÷320×2=17.5F，由超级电容的参数可知电压工作范围 664～864V，超级电容组件的储能及最大可释放的能量计算为

由此可见，超级电容等效串联电阻的存在，消耗了部分能量，从而降低了超级电容组件输出持续到时间，当在此能量输出功率为 300W时，可持续释放约8.9s左右。

在混合储能单元中 DC-DC变换器的双向变换功能，是混和储能系统中的重要环节，通过对Buck/Boost双向功率变换器进行分析，其特点具有体积小、且功率器件数量少以及工作效率高的优点。混合储能系统等效电路图如图2所示。

图2 混合储能系统等效电路图

图2 中，d为开关S1或D1导通的时间；iL为电感电流的状态变量；Uc为理想电容电压。

根据状态空间平均法得出状态方程如下：

式中，RCPL为恒功率负载，当负载功率为P0时，可得 RCPL=uc2/P0。

在系统的稳态工作点，通过将方程的线性化处理，可得到控制电感电流输出传递函数为

如果电感电流连续，就可得充电电流最大值Idp为

式中，DT为S1开关占空比；Idv为超级电容的平均电流。

假如当上式中的电感值足够大而电感电流的脉动ΔId不大时，可采用平均值IdCUR 来表示内阻压降idCUR ，根据下式：

可得以下结果，即

理想状态中储能系统为负载提供连续电流，如果有 Idv=0，此时超级电容输出电流 id则处于临界状态。

3 超级电容储能系统的实际应用

某变电站通信系统，直流电源取自于二次直流屏直流220V转换成直流48V的直流电源，未改造前为蓄电池组储能直流屏供电的直流电源，系统存在以下缺陷，即当直流系统中某一供电支路出现短路等故障时，在空气开关脱扣隔离故障点前一段时间，发生直流母线电压跌落式下降，从而造成通信设备因电压跌落过低而重启，使事故近一步扩大。该变电站通过后期改造，在通信电源直流系统中增加短路补偿器，该短路补偿器与直流系统空气开关脱扣曲线配合，解决因支路短路故障引起的系统重启问题。而短路补偿器的核心装置就是超级电容。

短路补偿器工作原理：当监测控制系统检测到某一供电支路短路时，使DC-DC转换器变换成为升压电路，使短路补偿器内的超级电容释放大电流，减缓直流母线电压跌落，使短路支路的空气开关有足够的时间脱扣，隔离故障点，保证其他支路的通信设备正常工作，不受电压跌落的影响而重启。直流系统中短路补偿器的接线示意图如图3所示。

分别对安装与不安装短路补偿装置直流系统进行了短路模拟实验，获得以下实验数据。

图3 直流系统中短路补偿器的接线示意图

在未安装短路补偿装置的直流系统中：支路负载正常状态下母线电压检测为 53.6V，此时模拟支路短路故障，直流系统电压变化曲线如图4所示。从图4可以看出，从发生短路故障开始，电源电压从40V（通信系统工作电压最低允许值）下降至0，再从0～40V用时约10ms，母线电压直线下降至0，且电压恢复正常时间过长，从而导致所有设备重启或死机。

图4 未安装短路补偿器时直流系统电压变化曲线

在安装短路补偿装置的直流系统中：支路负载正常状态下母线电压为 53.5V，模拟短路实验后，直流系统电压变化曲线如图5所示，可以看出，电源电压从 40V下降至 33V，再从 33V到 40V用时约 2ms，大大降低了电压跌落的幅值和电压恢复时间。由此可见，安装补偿器设备时补偿器内的超级电容对母线电压具有缓冲作用，短路支路跳闸后，其他通信支路工作正常，不受短路支路故障影响。

图5 安装短路补偿装置后直流系统电压变化曲线

该短路补偿装置在海口地区 12个 110kV变电站试点应用，试运行后推广至电网公司范围内的所有变电站使用。试运行内容主要包括：在海口地区选取已有48V通信DC-DC模块的12个110kV作为本项目的试验变电站，各安装1台短路补偿器，测试在各种负载条件、各种运行环境下短路补偿器的实际性能表现。通过设备投入的前期运行观察，实验结果达到了设计的预期效果，提高了通信系统和变电站各监测控制系统的稳定性和可靠性，延长了蓄电池组投入的使用寿命，减少了直流系统后期运行过程中的维护成本。

4 结论

现如今，几乎各行各业都离不开直流供电系统，而以往采用单一蓄电池供电已经不能满足如今直流系统安全、稳定的运行。超级电容与蓄电池混合储能系统的出现，避免了单一蓄电池供电时，因故障产生跌落电压造成负荷重启死机等情况的发生。我们采用了超级电容—蓄电池混合供电系统，充分利用并发挥了超级电容的功率密度高、寿命长的特点，既满足了直流系统的要求，又实现了蓄电池充放电的灵活控制，延长了蓄电池的使用寿命，提高了直流系统运行的技术经济性。

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Study on Application of Super Capacitor in DC Power Supply System

Xie Benjian1Xu Ping1Xu Jinlan2Lin Sizheng2Wu Songze2
(1. Shenzhen EPLU SCI-EECH Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518100;2. Hainan Power Grid Corporation Limited Haikou Power Supply Bureau, Haikou 571000)

With the continuous improvement of automation, DC power supply system load, more and more precision automation was be equipped, and rely on a single battery-powered DC system, more and more can not meet the communication, protection, control and other systems of high reliability requirements This paper introduces a new type of DC power supply application, the use of super capacitor and battery composed of a new energy storage system, greatly improving the DC power supply system stability and reliability, through the practical application of data and charts, verify The practical effect of the energy storage system, for its further development and research to provide a reference.

super capacitor; energy storage system; DC power supply

谢本建（1981-），男，汉族，四川省广汉市人，本科，高级工程师，研究方向为配电技术经济，主要从事企业高低压配电运行管理工作。