基于超级电容的DTU后备电源系统设计

宋德胜 陈淑琴

摘 要：针对传统DTU后备电源高低温性能差、循环寿命短、维护成本高等缺点，本文提出了一种基于超级电容的DTU后备电源系统设计，在分析DTU对后备电源的技术要求基础上，本文对该后备电源系统进行了电气和结构设计。最后通过使用Arbin超级电容测试设备，分别对所设计超级电容模组的容量内阻和后备电源系统的模拟工况进行了全面测试。实验结果表明，本文所设计超级电容DTU后备电源系统满足DTU相关技术要求，具有较好的推广价值和市场前景。

关键词：超级电容器；DTU；后备电源系统

1 引言

在电力配网自动化系统中，站所终端DTU主要安装在配电网馈线回路的开关站、环网柜等处，可以实现对供电线路的遥信、遥测、遥控等功能[1]，对配网供电的可靠运行起着非常重要的作用。由于DTU装置一般安装在户外，其工作环境比较恶劣，因此，DTU后备电源系统的可靠性和免维护性非常重要。

目前，DTU装置所使用的后备电源多为铅酸电池或锂电池[2]，但由于这两种电池具有高低温性能差、循环寿命短等缺点，使其维护成本较高。超级电容器是一种隶属于物理储能的新型储能器件，由于其具有高低温性能好、免维护、循环寿命长等优点[3]，已经被广泛应用于风电、轨道交通等领域[4，5]。本文将依据天津供电公司对DTU 后备电源的技术要求，设计一款基于超级电容的DTU后备电源系统，并通过模拟DTU运行工况验证了该系统的可行性。

2 电源系统设计

以国家电网天津供电公司对DTU后备电源的技术要求为例，其要求超级电容型DTU后备电源系统220VAC输入，48VDC输出，超级电容模组额定电压63V，模组内阻不大于25mΩ，模组容量不小于200F，且模组提供的电量能够满足80W负载稳定运行60min前提下，然后操作400W电机进行12次启停操作（模拟开关分合闸），其中启动时间10s，停止时间40s。为实现上述功能，本文设计的基于超级电容的DTU后备电源系统拓扑图如图1所示。

图1 超级电容DTU后备电源系统拓扑图

本文使用2.7V350F超级电容单体，然后将超容单体进行串并联组成DTU用超级电容后备电源模组。根据模组额定电压要求，超容单体串联数量为：

（1）

为提高超级电容后备电源模组使用的通用性，本文设计24串超容单体为一个子模块，然后通过多个子模块并联实现DTU所需容量要求。则子模块容量为：

（2）

根据超级电容DTU后备电源系统带载能力要求，电源系统所需提供的总电量为：

（3）

由电源系统技术要求可知，超容模组需要220VAC输入和48VDC稳定输出，故选择CPW-A300型AC/DC模块和CPW-D400型DC/DC模块实现其技术要求，其中CPW-D400模块的输入电压范围为22V～63V，故由公式 ，得

（4）

由公式（2）和公式（4）可得，所需子模块的并联数量为：

由于天津供电公司所提供技术要求已在国网DTU技术规范上充分考虑裕量，故本文设计中不再考虑电量设计裕量。

3 实验研究

为验证上述超级电容DTU后备电源系统是否满足技术要求，本文拟使用Arbin超级电容测试设备分别对超容模组和后备电源系统进行了容量内阻测试和DTU工况测试。

3.1容量内阻测试

使用Maxwell六步法对本文所设计的24S14P超容模组进行容量内阻测试，其中，充放电电流为20A。测试曲线如图2所示。

图2 超级电容模组容量内阻测试曲线图

根据上述测试曲线和测试数据可以推算出超容模组的容量和内阻分别为：217.88F

和20.57mΩ，模组测试容量均大于技术要求容量和理论设计容量；内阻实际值小于技术要求值。故模组容量内阻满足需求。

3.2 DTU工况测试

根据技术要求，所设计超级电容DTU后备电源系统需满足80Wh不间断放电，并进行400W电机启停12次。因该工况测试的电压均为48VDC，故可将功率测试等效为恒流测试。为提高测试通用性和节约测试成本，本文使用Arbin设备对上述过程进行恒流放电模拟测试，通过Arbin设备测试软件进行编程测试，得到系统输出电压和超容模组电压曲线如图3所示。

图3 超级电容DTU后备电源系统电压曲线

由图3可知，本文所设计的超级电容DTU后备电源系统能够满足80Wh和400W电机电量需求，且在400W电机测试完成后仍有部分电量富余，从而验证了本文所设计电源系统的可行性和适用性。

4 结束语

为提高DTU后备电源的高低温特性和免维护特性，本文设计了一款基于超级电容的DTU后备电源系统，该系统由超级电容模组、AC/DC模块、DC/DC模块和相关配件组成。通过使用Arbin超级电容测试设备，分别对所设计超级电容模组的容量内阻和后备电源系统的模拟工况进行全面测试。实验结果表明，本文所设计超级电容DTU后备电源系统满足DTU相关技术要求，具有较好的推广价值和市场前景。

参考文献

[1]国家电网公司. Q/GDW 514-2013 配网自动化终端/子站功能规范[S]. 北京：中国电力出版社，2013.

[2]朱吉然，冷华，唐海国. 配电自动化终端后备电源选型探讨[J]. 供用电，2014（05）：64-69.

[3]朱磊，陈晖等. 超级电容器研究及其应用[J]. 稀有金属，2003，27（3）.

[4]王鑫，谢清华等. 超级电容器在微电网中的应用[J]. 电网与清洁能源，2009，25（6）.

[5]黃晓斌，张熊，韦统振. 超级电容器的发展及应用现状[J]. 电工电能新技术，2017，36（11）：63-70.

（1.作者身份证号码：371481198204054571；

2.作者身份证号码：132525198110244527）