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★中國電工技術(shù)學會出品★ 致力于產(chǎn)業(yè)界與學術(shù)界融合創(chuàng)新的品牌會議 ①瀏覽會議通知，請戳下面標題 ? ?會議通知︱2018第十二屆中國電工裝備創(chuàng)新與發(fā)展論壇暨第八屆電工技術(shù)前沿問題學術(shù)論壇（第一輪） ②了解大會征文詳情，請戳下面標題 ? ?兩大技術(shù)論壇聯(lián)合征文︱《電工技術(shù)學報》《電氣技術(shù)》兩刊攜手打造學術(shù)盛宴 ③參會注冊，請長按識別下方二維碼 ?（先注冊網(wǎng)站會員，然后提交報名信息） 深圳藝樸露科技有限公司、海南電網(wǎng)有限責任公司?？诠╇娋值难芯咳藛T謝本建、徐平、許錦蘭、林斯正、吳松澤，在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著自動化程度的不斷提高，直流供電系統(tǒng)負載中，精密的自動化設(shè)備越來越多，而依靠單一的蓄電池供電的直流系統(tǒng)，越來越不能滿足通信、保護、控制等系統(tǒng)的高可靠性要求的需要。 本文介紹了一種新興的直流供電方式的應(yīng)用，利用超級電容與蓄電池組成的新型儲能系統(tǒng)，大大提高了直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)和圖表，驗證了該儲能系統(tǒng)的實踐效果，為其進一步的開發(fā)與研究提供參考。 1 引言 超級電容器是在上世紀中期電化學領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型儲能電氣原件，業(yè)內(nèi)也叫電化學電容，也有的稱為黃金電容。其儲能的過程是可逆的，而且在這個過程中并沒有發(fā)生化學反應(yīng)，它的功率密度高，使用壽命長，放點完成后恢復(fù)時間短，還具有結(jié)構(gòu)簡單等等特點，越來越得到各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。它本身具有電容和電池兩種元器件的特性，在某些領(lǐng)域其使用性能可能會更優(yōu)于電池。 近些年，我國對超級電容器的應(yīng)用也得到了飛速的發(fā)展，其在各行各業(yè)的使用范圍也在不斷擴大，包括電動汽車領(lǐng)域，數(shù)據(jù)記憶存儲領(lǐng)域，便攜儀器應(yīng)用研究領(lǐng)域，應(yīng)急后備電源領(lǐng)域等，特別是在電動汽車領(lǐng)域，2004年7月份由上海奧威科技，上海交大等十幾家科研機構(gòu)共同開發(fā)的電容公交車快速充電系統(tǒng)通過驗收，并在上海張江開始投入試運行階段。 直流供電系統(tǒng)中主要負載有：控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和通訊裝置系統(tǒng)的直流操作電源，此外，事故照明系統(tǒng)也采用直流電源供電，各行各業(yè)都離不開直流電源供電系統(tǒng)。因此，直流系統(tǒng)的安全性和可靠性的提升是一個非常重要的問題。 現(xiàn)如今大多數(shù)直流電源采用蓄電池作為儲能設(shè)備，而蓄電池雖然容量能夠滿足直流系統(tǒng)的需求，但存在功率密度低，對于大電流的輸出能力差等缺點，對于某些重要領(lǐng)域，如電力、醫(yī)學等，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性十分重要，為提高直流系統(tǒng)的供電的穩(wěn)定性，及作為備用電源的可靠性，必須采用大容量功率型蓄電池組，它的缺點是價格高壽命短，后期維護工作繁瑣，存在事故隱患。 這樣可以將超級電容與蓄電池組相結(jié)合，用超級電容的動態(tài)響應(yīng)速度快，大電流輸出能力強，充電恢復(fù)時間短等優(yōu)點，彌補蓄電池組的缺點，采用混合儲能的直流電源系統(tǒng)是一個不錯的組合方案。 2 超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 一個典型的超級電容儲能系統(tǒng)包括：核心元件超級電容，電路的控制機構(gòu)（電源開關(guān)），超級電容狀態(tài)控制器（DC-DC變換器）及相關(guān)參數(shù)檢測控制設(shè)備。超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖見圖1。 圖1 超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖 從上圖可見參數(shù)檢測控制裝置的作用主要是監(jiān)測直流供電系統(tǒng)和超級電容器各項工作參數(shù)及運行狀態(tài)，確保整個超級電容工作系統(tǒng)運行平穩(wěn)。如果超級電容在充電狀態(tài)時，改變DC-DC變換器的狀態(tài)，使得其變換為一個降壓電路向超級電容充電。 而在超級電容放電時，將DC-DC變換器變換為升壓電路使超級電容向電網(wǎng)輸送電能。超級電容在充電完成后會處于空閑狀態(tài)，當直流系統(tǒng)因操作，故障等原因出現(xiàn)電壓大幅變化，參數(shù)檢測控制裝置會將監(jiān)測結(jié)果傳輸至DC-DC變換器，使其根據(jù)分析結(jié)果改變工作方式，使超級電容做為電源，向直流電網(wǎng)輸送電能，以維持直流系統(tǒng)電壓不變。 3超級電容儲能系統(tǒng)的等效電路（略） 圖2 混合儲能系統(tǒng)等效電路圖見 4超級電容儲能系統(tǒng)的實際應(yīng)用 某變電站通信系統(tǒng)，直流電源取自于二次直流屏直流220V轉(zhuǎn)換成直流48V的直流電源，未改造前為蓄電池組儲能直流屏供電的直流電源，系統(tǒng)存在以下缺陷，即直流系統(tǒng)中某一供電支路出現(xiàn)短路等故障時，在空氣開關(guān)脫扣隔離故障點前一段時間，發(fā)生直流母線電壓跌落式下降，從而造成通信設(shè)備因電壓跌落過低而重啟，事故近一步擴大。 該變電站通過后期改造，在通信電源直流系統(tǒng)中增加短路補償器，該短路補償器與直流系統(tǒng)空氣開關(guān)脫扣曲線配合，解決因支路短路故障引起的系統(tǒng)重啟問題。而短路補償器的核心裝置就是超級電容。 短路補償器工作原理：監(jiān)測控制系統(tǒng)檢測到某一供電支路短路時，使DC-DC轉(zhuǎn)換器變換成為升壓電路，使短路補償器內(nèi)的超級電容釋放大電流，減緩直流母線電壓跌落，使短路支路的空氣開關(guān)有足夠的時間脫扣，隔離故障點，保證其他支路的通信設(shè)備正常工作，不受電壓跌落而影響而重啟。直流系統(tǒng)中短路補償器的接線示意圖見圖3 圖3 直流系統(tǒng)中短路補償器的接線示意圖 我們分別對安裝與不安裝短路補償裝置直流系統(tǒng)做了短路模擬實驗，我們獲得以下實驗數(shù)據(jù)：在未安裝短路補償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負載正常狀態(tài)下母線電壓檢測為53.6V，此時模擬支路短路故障，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖4，從圖像可以看出，從發(fā)生短路故障開始，電源電壓從40V（通信系統(tǒng)工作電壓最低允許值）下降至0V,再從0V到40V用時約10MS，母線電壓直線下降至0V，且電壓恢復(fù)正常時間過長，從而導(dǎo)致所有設(shè)備重啟或死機。 圖4 未安裝短路補償器時直流系統(tǒng)電壓變化曲線 在安裝短路補償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負載正常狀態(tài)下母線電壓為53.5V，模擬短路實驗后，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖5，從圖像可以看出，電源電壓從40V下降至33V,再從33V到40V用時約2MS，大大降低了電壓跌落的幅值和電壓恢復(fù)時間，由此可見，安裝補償器設(shè)備時補償器內(nèi)的超級電容對母線電壓具有緩沖作用，短路支路跳閘后，其他通訊支路工作正常，不由短路支路故障影響。 圖5 安裝短路補償裝置后直流系統(tǒng)電壓變化曲線 該短路補償裝置在?？诘貐^(qū)12個110kV變電站試點應(yīng)用，試運行后推廣至電網(wǎng)公司范圍內(nèi)的所有變電站使用。試運行內(nèi)容主要包括：在?？诘貐^(qū)選取已有48V通信DC-DC模塊的12個110kV作為本項目的試驗變電站，各安裝1臺短路補償器，測試在各種負載條件、各種運行環(huán)境下短路補償器的實際性能表現(xiàn)。 通過設(shè)備投入的前期運行觀察，實驗結(jié)果達到了設(shè)計的預(yù)期效果，提高了通信系統(tǒng)和變電站各監(jiān)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了蓄電池組投入的使用壽命，減少了直流系統(tǒng)后期運行過程中的維護成本。 5結(jié)束語 現(xiàn)如今，幾乎各行各業(yè)都離不開直流供電系統(tǒng)，而以往采用單一蓄電池供電已經(jīng)不能滿足如今直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行，超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)彌補了單一蓄電池供電時，對故障發(fā)生產(chǎn)生跌落電壓造成的負荷重啟死機等情況的發(fā)生。 我們采用了超級電容--蓄電池混合供電系統(tǒng)，充分利用并發(fā)揮了超級電容的功率密度高，壽命長的特點，既滿足了直流系統(tǒng)的要求，又實現(xiàn)了蓄電池充放電的靈活控制，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流系統(tǒng)運行的技術(shù)經(jīng)濟性。 |
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