基于超级电容的矿用直流屏设计

王涛 张代友 程应顺 王烁焱

摘 要：首先基于相关技术要求，设计了基于超级电容的矿用直流屏系统的整体结构;其次对直流屏的均压电路和DC/DC变换器电路的工作原理进行了分析;最后搭建了实物测试平台，通过充放电实验数据验证了基于超级电容的矿用直流屏系统设计的可行性。

关键词：超级电容;DC/DC变换器;均压电路

0    引言

变电站是电力系统的重要组成部分，担负着所在区域的供电任务。直流供电系统作为变电站中一个十分重要的独立系统，是变电站安全、稳定、可靠运行的重要保障，因此，直流供电系统一直被人们视为变电站的“心脏”。自20世纪50年代以来，直流系统中的蓄电池采取了多种组合方式。随着人们对供电可靠性的要求越来越高，220 kV及以上的高压枢纽变电站中心也开始装设两组或两组以上的多组蓄电池组。

随着智能电网的不断发展，传统的蓄电池电源系统也逐渐暴露出一些不足[1-2]。在目前的智能变电站直流供电系统中，蓄电池组由单体蓄电池串联而成，并将串联得到的额定电压通过直流母线分配给各个直流负载。变电站正常运行时，蓄电池组处于浮充状态。在串联结构中，蓄电池组存在可靠性不高、环境保护压力大、维护成本高、不能在线维护等固有缺陷[3-4]。而超级电容作为一种新型电力储能装置，具有充电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、充放电效率高、对环境无污染以及免维护等优点[5]。针对以上问题，结合蓄电池和超级电容的各自特点，笔者提出了一种基于超级电容的矿用直流屏系统的设计方案。

1    矿用直流屏系统设计

《电力工程直流系统设计技术规程》对矿用直流屏系统的参数设计提供了指导。储能系统由3套28 V/15 000 F超级电容模组串联构成，形成2P24S的系统架构。矿用直流屏系统由3台28 V超级电容器模组、1块CMS主控、2台AC/DC变换器、2台双向DC/DC变换器、2个熔断器、20个直流断路器和1块液晶显示屏组成。整套系统有20路220 V直流输出，每一路配备1个直流断路器，并提供20路反馈线路。

其电路原理图如图1所示，当外部AC380 V母线供电稳定时，通过AC/DC模块对外部负载进行供电，同时通过DC/DC模块对超级电容进行充电。当超级电容模组电压低于57 V时，DC/DC模块开始对超级电容进行充电;当超级电容模组电压高于84 V时，停止充电。

当外部AC380 V母线供电断开时，超级电容模组通过DC/DC模块对外部负载进行供电;当超级电容模组电压低于60 V时，DC/DC模块停止对外部负载的供电。

2    直流屏的关键技术

由于单体超级电容的额定电压值很低，在实际使用时需要将单体超级电容串联在一起组成电容器组，因此电容器组中每个单体电容的电压能否保持一致就显得尤为重要。此外，超级电容器组在交流侧供电稳定时充当负载吸收电能，供电断开时充当电源为直流侧负载提供电能，因此，双向DC/DC单元也是直流屏装置设计的重点。

2.1    均压电路

如图2所示，超级电容按照单体间的均压过程的分类可以分为能耗型和能量转移型两类。

能耗型均压策略通过电阻等器件以发热的方式消耗掉多余的能量，能量利用率较低;能量转移型均压策略通过能量的循环传递，避免了能量大量损耗的问题，有效提高了能量的利用率，同时由于均压的速度较快，能够在短时间释放能量或儲存能量，满足一些大功率场合的要求。

本设计采用基于DC/DC变换器的均压结构，其电路拓扑如图3所示，该电路可以通过控制开关管的开通和关断来实现电容之间的均压过程。

当电容C1的电压值较高时，S1导通，电容中的能量流向电感L，再导通S2使电感L的能量流向C2，从而实现电容之间的均压。

2.2    双向DC/DC变换器

双向DC/DC变换器根据其拓扑结构可以分为隔离式双向DC/DC变换器与非隔离式双向DC/DC变换器。

隔离式双向DC/DC变换器通过高频变压器，可有效实现电气隔离和能量存储，但其也存在成本过高、体积较大和系统损耗增加等问题。与隔离式双向DC/DC变换器相比，非隔离式双向DC/DC变换器具有许多优点，如体积小，损耗少，制作成本低以及易于系统集成等。因此，本设计采用了双向半桥型拓扑结构作为直流屏的双向DC/DC变换器，其电路拓扑结构如图4所示，主电路由滤波电感、电容、IGBT和等效负载R组成。

2.3    软件系统设计

超级电容直流屏系统的人机交互界面设计如图5所示，整个系统由“首页” “统计信息” “详细信息” “详细单体” “系统设置” “历史故障”和“故障报警”7个界面组成。通过人机交互界面，可以详细观察到电容器的平均电压、单体电压、箱内温度、单体温度以及电容器的故障报警信息记录等。

3    测试平台实验结果

3.1    测试平台

测试平台使用波纹电阻对储能系统进行放电实验，实验装置如图6所示。该实验装置从上往下所配备的分别是AC/DC变换器、DC/DC变换器、LCD触控屏、20路输出端口及断路器。

3.2    直流屏超级电容充电实验

测试平台在直流屏的充电实验过程中所测得的电压、电流波形图如图7、图8所示。

由超级电容充电的电压、电流波形图可以看出，在充电初期会进行大电流快充，在充电末期，随着电容电压的增加，充电电流逐渐减小，直到电容能量充满为止。

3.3    直流屏超级电容满载实验

测试平台在直流屏的满载放电实验过程中所测得的电压、电流波形图如图9、图10所示。

由超级电容满载放电的电压、电流波形图可以看出，直流屏电源装置在放电过程中，其输出电压始终保持在220 V左右，直至超级电容放电结束，整个放电过程持续时间为140 min。

4    结语

本文设计了一种采用超级电容取代传统铅蓄电池的直流屏装置，对超级电容直流屏的关键技术进行了分析，完成了系统的硬件设计和软件设计，并成功搭建了实验样机。由相关的实验数据可以得出，基于超级电容搭建的直流屏系统具有充电速度快、放电时间长、倍率高等突出优点，同时由于超级电容本身具备维护简单、使用寿命长等优点，使得其相较于传统的使用蓄电池作为储能单元的直流屏，具有更大的经济效益，对保证变电站、配电网等直流系统的安全可靠运行有着更加积极的作用。

[参考文献]

[1] 崔黎明.变电直流屏中超级电容充电电路的探讨[J].电子世界，2012（8）：50.

[2] 裴梓翔，刘峰，刘玉婷，等.基于超级电容的开关站DTU应急电源设计[J].科学技术创新，2019（6）：151-153.

[3] 任喜国，杨承志.超级电容直流电源的研究[J].科学技术与工程，2013，13（19）：5642-5648.

[4] 赵立严.基于超级电容的直流应急照明系统设计与研究[D].北京：华北电力大学，2017.

[5] 张焕，魏宜华，黄锷，等.超级电容器在变电站直流系统中的应用[J].电子世界，2014（22）：64.

收稿日期：2020-12-14

作者简介：王涛（1973—），男，山东枣庄人，高级工程师，从事电力供配电装备的生产、研发工作。