DTU备用电源的设计与研究

孙广涛，曹善军，翟贺鹏，郑晓果，李燕燕，郅娇娇

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

随着时代的发展，用户对供电可靠性要求越来越高。环网柜是配网系统重要的组成部分，其可靠运行直接影响供电可靠性。其中，站所终端（Distribution Terminal Unit，DTU）、通信模块等二次元器件作为环网柜的主要组成部分，其工作的稳定性又直接影响环网柜的可靠性，因此为DTU、通信模块等二次系统提供可靠的后备电源至关重要。目前，DTU常用的后备电源为铅蓄电池。铅酸电池在其寿命期内存在电池臌胀、漏液等现象，给后期的维护带来了一定的困扰。因此，新的标准已经明确铅蓄电池和超级电容均需具备[1-2]。文中针对站所终端（DTU）备用电源设计了超级电容充放电控制电源，通过对充放电控制电源和超级电容各项参数的计算与选择，详细分析了超级电容充放电原理，实现输出电压纹波10%、充电电流纹波1%，实现了主备电源无缝切换，提高了站所终端设备的运行稳定性。它可以在交流侧失电情况下无缝向DTU、通信模块等二次系统提供应急供电15 min，满足国标要求。

1 后备电源的原理及要求

在供电系统回路中，DTU广泛应用于环网柜、开闭所以及变电站等配电自动化终端，可以实现开关柜的运行状态监测、远方/就地控制等。DTU各项功能的稳定、可靠运行离不开二次电源，因此国标要求DTU电源为双路进线电源且备用电源为铅酸电池供电和超级电容供电，能够实现主备电源的无缝切换。目前，各个厂家的DTU电源管理模块已实现二次主电源为双进线、备用电源为铅酸电池和超级电容。但是，由于各个厂家采用继电器实现无缝切换，导致主备电源切换存在几秒至几十秒的时间差，对DTU、通信模块的正常工作存在安全隐患。另外，铅蓄电池使用寿命可以达到8年，但在其寿命期内存在电池臌胀、漏液等现象，因此后备电源选择铅蓄电池和超级电容变得十分必要。超级电容[3-4]的优势在于其使用寿命为10年，且在整个寿命期内仅需定期检测超级电容两端电压，不存在漏液、鼓胀等现象。超级电容的容量和寿命受环境影响较小，在10 kV配电网工程项目中已经得到了推广和应用。根据DL/T721—2013《配电网自动化系统远方终端》的规定，当后备电源为超级电容供电方式时，应保证停电后能分-合-分操作3次，维持终端及通信模块至少运行15 min。超级电容充放电原理如图1所示[5]，交流电源经整流桥回路完成AC/DC变换，然后经由Buck电路降压斩波后完成DC/DC变换，逆变回路将电源逆变为高频电源，经高频变压器完成输入/输出隔离，最终经过整流完成超级电容充放电。当超级电容需要作为备用电源投入时，采用MOS管向负载供电，完成备用电源的无缝投入。

图1 超级电容充放电原理示意图

2 充放电回路硬件设计

超级电容的充放电硬件电路见图1。MOS管VT1、二极管D2、电感L1以及电容C0组成BUCK降压斩波电路。逆变回路将整流后的直流电源逆变为高频电源，经高频变压器隔离、整流后，经电阻R1为电容充电，接触器KJ2、电阻R1完成电容放电回路。当主回路电流失电后，MOS管VT2迅速导通，完成主备电源的无缝对接。经查《配电自动化终端技术规范》后，主要技术指标如表1所示。

表1 超级电容充放电技术指标

2.1 电感计算

在Buck电路中，电感L1的选择决定着整个充放电回路的带载能力、纹波系数甚至整个充放电模块的体积。电感计算公式如下：

式中：Vin为前级输入电压，Vout为前级输出电压，Ton为MOS管导通时间，I0为前级输出电流。

根据文献[6]，MOS管导通时间跟占空比D和周期T成正比，因此：

将表1中的参数代入式（1）和式（2）中，计算电感L1得1.1 mH，设计时按1.5倍裕量取2 mH。

2.2 输出电容参数计算

Buck电路中，前级输出电容的选择直接影响输出电压的纹波和瞬态过冲电压。由于文献[6]输出电压的纹波与电容等效串联电阻（ESR）成反比、与电容容值成正比，因此降低输出电压纹波的途径选择低ESR高容值的电容。但是，低ESR的电容成本较高，选择多个电容并联的方式。

将表1中的参数代入式（3），计算得电容C0为0.2 μF。由于系统工作时不可避免的短暂过冲和设计时的裕量，选择低ESR的陶瓷电容C0为20 μF。

2.3 高频变压器的选择

高频变压器一般选择AP法得到变压器的AP值，进一步计算变压器的原边、副边线径以及匝数等参数，具体计算公式如下[7]：

式中：Jcmil/A表示变压器的电流密度，取500 cmil/A；Bmax表示铁氧体磁芯，取1 500 Gs；K表示窗口面积的填充系数，取0.4。

变压器的初级匝数与次级匝数比为：

根据法拉第定律，计算变压器原边匝数：

其中，Ae表示磁芯横截面积。

原边和副边的导线线径跟流过该导线的电流有限制有关，因此原边和副边的导线线径计算如下：

3 控制回路设计

电源控制回路主要包含PWM波电路、软启动电路、三角波电路、过流保护电路以及过压保护电路等。由于初期电容无电荷和电源初始阶段无输出导致的初始输出误差，会在电源启动过程中出现涌流和过冲电压。涌流和过冲电压的存在会导致MOS管一直处于导通状态，发热严重，甚至导致整个电源控制模块失效、损坏。将文中参数导入spectre软件，得到如图2所示的波形图。

图2 未加软启动的波形图

由图2可以看出，当未加软启动电路时，有一个接近4.8 A的涌流，严重超过了输出电流。因此，设计了软启动电路，如图3所示。

图3 软启动电路

根据文献[8]，用三极管、电容和电阻的方式组成软启动回路，通过控制电容电压的上升率来控制输出电压误差。当电容C3两端电容上升过程中，误差放大器不会有输出，从而避免在电源模块初始阶段MOS管一直有输出发热损坏。加软启动后，仿真波形如图4所示。

图4 加软启动后的仿真波形图

4 超级电容回路设计

依据DL/T 721—2013的规定，超级电容应提供15 min内DTU、通信模块、其他二次设备和断路器分-合-分操作3次所需的能量。目前，DTU的容量,小于等于30 VA，通信模块15 VA，其他二次设备预计30 VA。根据文献[9]，环网柜分合闸消耗的是瞬时功率，分合闸持续时间为2～3个工频周波合计0.1 s，断路器储能能时间约为15 s，因此断路器完成一次分-合-分循环需要的总能量约为：

式中，Ed表示断路器消耗的总能量，E1表示断路器分合闸瞬间消耗的能量，E2表示断路器储能消耗的能量。

因此，计算超级电容在15 min内需要的能量：

式中：Eq表示DTU、通信模块和其他二次设备消耗的能量。

设计中，超级电容工作电压为60 V，因此选择单体容量为3 V/3 000 F，采用20个单体电容串联、3个并联的方式。经查，该型号单体电容的最小工作电压为1.67 V。参考文献[10]的超级电容能够释放的总能量为：

式中：M表示电容串联个数，N表示电容并联个数，C表示容量。

5 结 论

文中介绍了站所终端（DTU）备用电源的原理，通过搭建超级电容充放电硬件电路、控制回路、回路各项参数计算与选择，详细分析了超级电容充放电原理，实现了输出电压60 V、纹波10%、充电电流2 A、纹波1%，实现了主备电源无缝切换，提高了站所终端设备的运行稳定性，为智能电网的可靠运行提供了坚实的基础，可为配网工程中超级电容的设计和管理提供借鉴。