电容储能

电容储能（精选3篇）

电容储能 篇1

超级电容器也称电化学电容器,具有良好的脉冲性能和大容量储能性能,质量轻、循环性能好,是一种新型绿色环保的储能装置。近年来受到科研人员的广泛重视和应用市场的关注。

在现代高科技产业发展领域中,由于大量大型装备配套动力电源系统既要求具备高比能量,又要求电源系统具备高比功率,而就化学电源本身的特性而言,两者很难兼顾。特别是在需要高功率脉冲输出的场合,常规的化学电源很难满足要求,如军用特种车辆在全天候条件下的快速启动、卫星通讯、爬坡等等。上述场合现在通常使用铅酸、镉镍等电池产品作为电源时,其比功率往往在100~300W/kg,不仅笨重、维护复杂而且充电速度低、使用寿命短。而超级电容器组合的比功率可以达到1500~5000W/kg。同时,不含充电电池组的超级电容器组合的比功率更可以达到1500~10000W/kg,其特性更适于未来艰苦环境工作以及相关电子技术进步对电源系统提出的技术要求。

二、超级电容器的结构

虽然目前全球已有许多家超级电容器生产商,可以提供许多种类的超级电容器产品,但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构,超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料,如图1所示。

三、超级电容器应用于汽车领域

随着环保型电动汽车研究的兴起和发展,目前在民用领域中,超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池,应用于电动汽车的电源启动系统,在车辆的起步、加速、爬坡、制动过程中起到保护蓄电池和节约能源的作用,甚至可以直接作为电动车的动力电源使用。图2为超级电容器作为电动车动力电源使用时,爬坡试验的速度—时间—距离变化曲线。

从图2可知,使用单组超级电容组时,在4.5%的坡道上可大约行驶500m;在车辆设计时,可根据具体的道路情况(长度、坡度等),采用增加超级电容组的方式(或配备超级别能量密度的超级电容组)可增大爬坡距离,以满足实际使用需要。超级电容器还可以为内燃机以及其他重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流脉冲。

四、超级电容器的技术优点

目前,在能源领域主要有三种类型的储能器件:电池、物理电容器以及超级电容器。超级电容器是介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型能源器件,其所具备的巨大优越性主要体现为:

充电时间短,方便用户。超级电容器与铅酸等二次电池一样,可以多次反复使用。当储存在超级电容器中的电能耗尽时,需要重新充电。与传统的二次电池相比,它的充电时间非常短,用户只需等待片刻,这一优点与现代快节奏的工作、生活合拍;而铅酸、镍氢等二次电池的充电,需要等待的时间一般超过数个小时(甚至十余个小时),对使用者来说长时间的充电等待不仅显得非常不便利,而且也容易因此降低其使用兴趣。

循环寿命长,一次购买、终身使用。超级电容器与蓄电池完全不同,超级电容器充电/放电时不像蓄电池那样对电极有破坏作用,其反复充电使用的寿命超过1万次,极限寿命可以达到10万~50万次。可以说是:一次购买、终身使用。

使用温度范围宽。一般说来,超级电容器可以正常工作的温度范围在-40℃~75℃之间。在极限温度(临界高温与低温),其抗恶劣环境温度的能力远远大于传统的蓄电池。因此,在军事、航天航空以及环境恶劣的地区,超级电容器可以发挥电池不能发挥的优势。

健康绿色环保型能源。超级电容器还是一种绿色环保型产品,节能、环保,对使用者和环境都不会产生负面影响,是一种健康的能源。图3为超级电容与铅酸电池、镍氢电池、锂电池的性能比较。

蓄电池的性能通常由活性物质的热力学与动力学性质所决定。一般情况下,在充放电时,电极电位的变化不大,其储存的能量E为:电池放电时活性物质发生氧化还原反应所通过的电量Q,乘以电池两极电位差V,即E=QV;对于超级电容器,电极上活性物质的化学位和电极电位是电极荷电量的连续函数,具体表现为:(1)电极电压和电极中充入电荷的量成线性关系;(2)如果电极电位随时间作线性变化,可以得到一个大体恒定的充电电流。由于其储能时电极电位随充入的电荷量的增加而升高,所以,它所储存的能量为相同电量和电压下蓄电池能量的一半:E=1/2QV。如果升高电容器的电压,则可提高电容器的比能量。

Li-ion、Ni-MH、Lead-acid等化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,充电时间长、使用寿命较短,并且受温度影响较大;大电流充放电会直接影响这些电池的使用寿命。因此,对于要求长寿命、高可靠性的电动汽车领域的应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足(见表1)。

五、超级电容器的分类

按电极材料,超级电容器可分为以下3种:(1)碳电极电容器;(2)贵金属氧化物电极电容器;(3)导电聚合物电容器。

按机理,超级电容器可分为两种类型:(1)“双电层电容器”,其电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容,如碳电极电容器;(2)“法拉第准电容”,由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积,或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。

根据超级电容器的结构及电极上所发生反应的不同,又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。如果两个电极的组成相同且电极反应相同,但反应方向相反,则被称为对称型——碳电极双电层电容器,贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型,由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近于蓄电池,可表现出更高的比能量和比功率。

按电解液不同,超级电容器可分为水溶液体系超级电容器、有机体系超级电容器、固体物电解质超级电容器。用水溶液体系可获得高容量及高比功率;选用有机溶液体系则可获得高电压从而也可获得高的比能量。

碳电极电容器的研究历史较长。1962年,标准石油公司(SOHIo)认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值,生产出了工作电压为6V的以碳材料作为电极的电容器。近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布,并开发出许多不同类型的碳材料,主要有:活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。

对贵金属氧化物电极电容器的研究,主要采用Ru02、IRO2等贵金属氧化物作为电极材料。由于Ru02电极的导电性比碳电极好,电极在硫酸中稳定,可以获得更高的比能量,制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能,因此具有很好的发展前景。但是,由于贵金属的资源有限、价格昂贵,限制了它的应用。

导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器,具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的结构,进一步优选提高聚合物的性能,从而提高电容器的性能。导电聚合物电极电容器可分为三种类型:(1)对称结构——电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻酚);(2)不对称结构——两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩);(3)导电聚合物可以进行p型和n型掺杂,充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是P型掺杂状态,放电后都是去掺杂状态,这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3V,而两电极的聚合物分别为n型掺杂和P型掺杂时,电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子,其放电特征与蓄电池非常相似,被认为是最有发展前景的电化学电容器。

电动汽车用超级电容器按QC/T 741-2006分类可分为能量型超级电容器和功率型超级电容器两种:

(1)能量型超级电容器,以高比能量为特点,主要用于高能量输入、输出的电容器。能量型超级电容器UCEF-16V5000F所表示的意义如图4所示:

(2)功率型电容器,以高比功率为特点,主要用于瞬间高功率输入、输出的电容器。功率型超级电容器UCPY-28V300F所表示的意义如图5所示:

六、超级电容器的研究近况

超级电容器具有功率密度高、寿命长、使用温度宽以及充电迅速等优异特性,各国政府和公司都积极开展此方面的研究开发工作,并已有多种产品得到了商业应用。俄罗斯、美国、日本等国已就超级电容器开展了大量研究工作,并取得了一定的进展。表2列出了国外超级电容器的研究现状。

由于动力超级电容具有军民两用的敏感性,国外一直不输出关键技术。国家“863计划”将超级电容器的研究、开发纳入了电动车重大专项课题,我国科技人员经过多年基础研究、科技攻关和反复试验,终于在超级电容器的材料、工艺、测试等方面获得了成功,掌握了其中的核心技术,取得了突破性的进展。

超级电容器凭借其高比功率、长循环寿命等优异特性而在各个领域得到了广泛应用。目前已应用的主要领域有车辆主电源、激光武器、专业计算机系统电源、微型计算机、内燃机中启动电力、信号灯电源、与燃料电池或太阳能电池配套作为装备长寿命供电电源、与镍氢电池等动力电池复合作为装备动力电源(未来可作为弹上武器装备动力电源使用),还可应用于航空航天等领域。

目前,超级电容器得到广泛应用的主要方面是专用车辆领域,如坦克、电动汽车等。特别是电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。超级电容器在专用车辆领域,表现出传统动力电池难以比拟的优越性能。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及长寿命等方面存在一定的局限性,有些苛刻条件可能会显著降低电池的寿命。而超级电容器能较好地满足车辆在启动、加速、爬坡时对功率的需求。图6为用超级电容器驱动的电动车辆在启动和爬坡的瞬时对功率的需求情况。瞬时达到140k W以上。图7为启动和爬坡时对电流的需求情况,瞬时达到300A以上。

从对动力超级电容的试验结果来看,我们不难设想:将超级电容作为辅助能源若能与动力蓄电池配合使用,则可减少大电流充放电对电池的损害,延长电池的使用寿命,同时还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中,提高能量利用率。随着电动车研究的深化,超级电容器重要的研究方向之一是将其作为辅助能源与高比能量的蓄电池连用,在特种车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率,在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电,减少汽车对蓄电池大电流放电的要求,达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。

七、结语

随着超级电容器各种材料及工艺方面研究的不断深入,超级电容器的性能将不断提高,应用领域将不断拓宽,超级电容器将为电动汽车技术瓶颈(电池)的解决带来一线曙光。

摘要：文章介绍超级电容器的结构特点、性能优势、研究进展及应用领域,以期在倡导建设节约型社会中,使更多的新能源汽车生产厂家对这一新型储能装置有更深的了解和认识。

关键词：超级电容器,电动汽车,辅助能源

参考文献

[1]国家发展和改革委员会.车用超级电容器[M].北京:中国计划出版社,2006.

[2]华黎,等.动力超级电容车从技术突破到推广应用[A].上海市汽车工程学会学术年会论文集[C].2006.

[3]张步涵,等.超级电容器储能技术及其应用[J].水电能源科学,2006,(5).

电容储能 篇2

风力发电是当前发展最快的可再生能源发电技术[1]。但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响[2]。因此,研究并网风电场的输出功率调节成为风力发电技术中的重要问题。

目前风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平滑其输出功率[3],但该方法的功率调节能力有限;无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节[4] , 但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。附加储能设备既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压[5,6],又能在较宽范围内调节有功功率,是当前的一个研究热点。风力发电研究表明位于0.01 Hz～1 Hz的波动功率对电网电能质量的影响最大[7,8],平抑该频段风电波动采用较短时间的能量存储就可以达到目的[9],因此能够实现短时能量存储的较小容量的储能设备对风力发电具有更高的实用价值。以往抑制风电功率波动多考虑采用蓄电池、飞轮或超导等储能技术[10,11,12,13],超级电容储能技术关注较少。超级电容器具有功率密度极高、循环寿命长、环境无污染和免维护等优点,随着制造技术的发展,超级电容器的能量密度有了很大提高,在一些短时电力储能场合已经进入了商业化应用阶段[14,15]。利用超级电容器存储能量,平抑风电场输出功率重要频段的风电波动具有良好的应用前景。

本文介绍了一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统,针对系统结构特点和工作原理提出了网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,仿真结果表明该系统在平抑了0.01 Hz～1 Hz风电场有功功率波动的同时,通过无功功率调节稳定了风电场母线电压,具有良好的运行性能。

1 系统结构和运行原理

图1为带有调节装置的并网风力发电系统结构示意图。公共连接点(PCC)处接有本地负荷,超级电容器组(SC)作为直流侧的储能元件,功率调节系统(PCS)采用四象限电压型变流器(VSC)级联双向直流变换器(Bi-DC/DC)结构,最终通过升压变压器并联于风电场输出端母线。

该装置有以下2种工作模式:

1)风电场功率调节模式:当检测到设定频段的有功功率波动时,装置快速吸收波动的有功、无功功率,平滑风电场功率输出,维持风电场输出端母线电压稳定。

2)充放电模式:一方面在装置最初安装或检修后重启时将超级电容器组充电到预先设定的电压值Vsc_ref,在装置故障或检修时将超级电容器组储存的电能释放;另一方面当没有检测到设定频段内的有功功率波动时,通过对超级电容器缓慢的充放电维持超级电容器电压Vsc_ref。为保证超级电容器组有相同的充放电空间,根据式(1)来进行Vsc_ref的设定:

$\begin{array}{l}\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\max }^2-\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\text{r}\text{e}\text{f}}^2=\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\text{r}\text{e}\text{f}}^2-\\ \frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\min }^2(1)\end{array}$

式中:Csc为超级电容器组的电容量;Vsc_max为超级电容器组允许的最高充电电压;Vsc_min为超级电容器组允许的最低放电电压。

2 控制系统

如图2所示,控制系统由图中虚线框内的3部分组成:网级控制、超级电容能量管理和变流器控制。网级控制根据风电场有功功率和输出端母线电压波动情况给出装置的有功、无功功率指令。超级电容器具有电压随充放电时间改变的充放电特性,因此通过超级电容能量管理,一方面在功率调节模式中避免过欠电压发生,另一方面在充放电模式控制充放电功率。变流器通过VSC的有功、无功功率解耦控制,快速跟踪网级控制和超级电容能量管理给出的有功、无功功率指令。系统输出功率变化会导致直流母线电容器上的电压波动,故通过Bi-DC/DC对超级电容器快速充放电来恢复并维持直流母线电压。

2.1 网级控制

网级控制为了滤除风力涡轮机输出功率中0.01 Hz～1 Hz频段的波动成分, 1 Hz以上成分主要被风力涡轮机的惯性所吸收[10,11],有功功率控制需要滤除Pwind中0.01 Hz以上波动成分,故将Gwind(s)设计为一阶巴特沃斯高通滤波器[7,13]:

$G{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}(s)=\frac{\tau s}{1+\tau s}(2)$

式中:τ为滤波器的时间常数,穿越频率设置为0.01 Hz时τ=16 s。

如不考虑容量限制且变流器控制带宽远高于1 Hz,使变流器在1 Hz以上有良好响应,则

${\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}={\rm P}{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}^{*}={\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}\frac{16s}{1+16s}(3)$

Pwind中0.01 Hz～1 Hz频段的波动成分由功率调节装置来吸收。

由于风电场输出端母线电压对无功功率波动更为敏感,因此可以通过无功功率的调节来维持母线电压[9]。如图2所示,Vbus_ref为母线电压设定值,GQ(s)为PI调解器,$G{}_{\text{Q}}(s)=k{}_{\text{Q}\text{p}}+\frac{k{}_{\text{Q}\text{i}}}{s}$,其中kQp=6,kQi=700。

2.2 超级电容能量管理

超级电容能量管理通过超级电容器电压控制环和电压限制模块来实现。设计超级电容器电压环带宽远低于0.01 Hz,那么在功率调节模式时该环路的作用可以忽略,仅通过电压限制模块来实现超级电容器电压管理。超级电容器快速提供充放电功率平抑风电波动时,其电压会随之迅速变化并可能导致过充放电的发生,过充电会严重影响超级电容器使用寿命,过放电则会导致超级电容器输出功率受限,因此由电压限制模块保证超级电容电压在允许的范围之内。Pref>0时如图3中虚线所示,Kpsc为功率限幅系数,当Vsc<Vsc_up时, Kpsc=1,P*ref=Pref;充电到Vsc_up后开始对Pref进行降幅处理,当Vsc>Vsc_max时, Kpsc=0,P*ref=0,保证超级电容器不会过充。Pref<0时如图中实线所示,同理保证超级电容器不会过放。

在充放电模式中,没有检测到设定频段的有功功率波动即Pref=0,仅超级电容器电压环起作用,通过缓慢的充放电维持超级电容器电压为Vsc_ref。如图4所示,通过电压调节器Gv_sc(s)给定超级电容器充放电功率。

图4中,Gv_sc(s)=ksp+ksi/s,其中ksp=0.447,ksi=0.002 8,电压环带宽为0.002 Hz,即1/5的风电场有功功率滤波器穿越频率,因此超级电容器电压环不会对风电功率调节产生影响。

2.3 变流器控制

变流器控制系统如图5所示,有功、无功功率控制可以通过id和iq的解耦控制来实现。双向直流变换器采用双环控制策略,电压外环控制直流母线电压保持不变,电流内环控制超级电容器充放电电流的动态变化,避免超级电容器充放电电流超过限制。

为实现变流器功率和直流母线电压的精确控制,本文采用状态空间平均的方法建立了变流器的数学模型,并从控制设计的角度出发引入Park变换,得到dq坐标系下小信号开关周期平均数学模型,其等效电路如图6所示。

由变流器小信号模型可以得出环路控制器设计需要的传递函数,变流器控制环路设计及参数详见附录A。

3 储能单元设计

风电功率调节系统主要平抑0.01 Hz～1 Hz的风电功率波动,因此根据风电功率最低频率波动配置储能单元的储能容量,考虑储能单元有相同的充放电空间,首先分析在(Vsc_ref,Vsc_max)充电空间内能够吸收的能量如下式所示:

$E{}_{\text{s}\text{c}1}={\displaystyle \int {\rm P}}{}_{\text{s}\text{c}}(s)={\displaystyle \int \frac{\tau s}{1+\tau s}}{\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}(s)\le 2\tau {\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}0.01}(4)$

式中:Pwind0.01为风电场0.01 Hz有功功率波动幅值,在最恶劣的情况下Pwind0.01为0.5倍的风电场容量。

在(Vsc_ref,Vsc_min)放电空间内能够释放的能量与充电空间内能够吸收的能量相同,故储能单元总储能量如下式所示:

$E{}_{\text{s}\text{c}}=4\tau {\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}0.01}(5)$

超级电容器单体电压一般较低(2.5 V左右),因此储能单元由多个超级电容器单体串并联组成以达到系统容量需求。储能单元设计要综合考虑能量和功率2方面需求。储能单元储存的总能量表示为:

$E=\frac{{\rm N}}{2}C{}_{\text{s}\text{c}\_\text{u}\text{n}\text{i}\text{t}}(V{}_{\max }^2-V{}_{\min }^2)\ge E{}_{\text{s}\text{c}}(6)$

式中:N为超级电容器单体的个数;Csc_unit 为单体电容量; Vmax为超级电容器耐压; Vmin为超级电容器允许的最低放电电压。

大电流放电情况考虑到超级电容器串联等效电阻的影响,根据电路原理的最大功率传输定理可以得到储能单元最大放电功率为:

${\rm P}{}_{\max }={\rm N}\frac{V{}^2}{4R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}}\ge {\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}(7)$

超级电容器放电到最低电压Vmin时仍能保证额定功率输出,Vmin需要满足下式:

$V{}_{\min }\ge 2\sqrt{\frac{R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}{\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}}{{\rm N}}}(8)$

将式(8)代入式(6)得到N的限制条件为:

${\rm N}\ge \frac{\frac{2E{}_{\text{s}\text{c}\text{e}\text{s}}}{C{}_{\text{s}\text{c}\_\text{u}\text{n}\text{i}\text{t}}}+4{\rm P}{}_{\text{s}\text{c}\text{e}\text{s}}R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}}{V{}_{\max }^2}(9)$

4 仿真结果

用于仿真研究的风力并网发电系统结构图以及基于超级电容储能的风电场功率调节装置参数详见附录B。风电场输出端通过并联2.15 Mvar的电容器组提供恒定无功对异步发电机组进行无功补偿,实现风电场单位功率因数。

假定风电场在120 s内的风速变化如图7所示,图8给出在此风速下的风电场有功功率和无功功率波动情况,有功功率波动的瞬时幅值达到8 MW(0.53(标幺值)),而无功功率虽然通过电容补偿器的无功补偿维持在0,但仍存在较大波动。注入电网有功功率和调节系统吸收的有功功率如图9所示。

采用功率调节装置后,风电场输入电网的有功功率波动瞬时幅值为2 MW(0.13(标幺值)),波动减小了75%。风电场注入电网的无功功率和调节系统吸收的无功功率如图10所示,由调节装置吸收了风电场输出无功功率的波动成分,使注入电网的无功功率波动也明显减小。

没有调节装置时风电场输出端母线电压受到无功功率波动影响会有较大波动,如图11(a)所示,其波动幅值接近0.1(标幺值),图11(b)为有调节装置时风电场输出端母线电压,电压波动幅值仅0.01(标幺值)。

超级电容器电压如图12所示。通过能量管理其电压始终被限制在允许范围之内, Vsc_max=1.4 kV,Vsc_min=0.7 kV。为验证能量管理中超级电容器电压环的工作情况,进行了超级电容器充、放电过程的仿真。如图13所示,超级电容器组经300 s的充电过程达到Vsc_ref=1.1 kV,从600 s开始对超级电容器组放电,900 s放电完毕。

5 结语

本文针对基于超级电容储能的风电场功率调节装置的工作原理和结构特点,提出了网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,并进行了风电场短时功率波动调节的仿真研究。仿真结果显示:设计的风电场功率调节装置具有良好的动态性能,不仅能很好地吸收风电场输出无功功率的波动成分,起到了抑制电网电压波动的作用,也有效地平滑了输入电网的有功功率波动。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

电容储能 篇3

配电网自动化是实现故障快速定位、隔离以及供电恢复,从而提高供电可靠性的重要手段,也是智能电网的重要组成部分[1,2],而配电自动化终端装置是实现配电自动化的基础环节[3],一般在户外运行,其中的电源不仅要对自身进行供电还要对通信模块及控制回路跳、合开关的储能回路等[4]进行供电。当馈线环路出现永久性故障时,环路出线开关保护动作跳闸,导致馈线全线停电,这时配电自动化终端、通信设备、一次设备开关的操作都要求不间断供电。因此,提供可靠的不间断电源是配电自动化终端开发设计中首要考虑的问题。传统配电自动化终端的直流电源通常采用蓄电池储能以实现不间断供电,但蓄电池存在使用寿命短、功率密度低、放电性能受温度影响、充放电电流不能太大等问题[5,6,7],因此,对于要求长寿命和高可靠性且环境恶劣的应用场合,使用蓄电池作为储能元件就存在许多局限。

近年来,超级电容器SC(Super-Capacitor)作为一种新兴的储能设备,与蓄电池相比,具有存储能量大、充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高、超低温特性好和绿色环保等诸多优点[8,9,10],更适合应用于需要瞬时提供大功率的场合[10,11],同时,将SC与蓄电池组合的混合储能技术,可发挥各自优势,已成为近年来的研究热点[12,13,14],并成功应用于电力系统[15,16,17,18]。

本文针对SC用作储能元件的不间断电源时所存在的问题,提出一种通过附加升压变换器,从而有效提升超级电容储能利用率的智能直流不间断电源方案,并将其应用于配电自动化终端单元中,从而提高配电自动化系统的稳定性和可靠性。

1 智能直流不间断电源系统的组成和原理

SC储能智能直流不间断电源系统主要由EMI滤波电路、AC/DC变换器、驱动电路、升压变换器、双向可控开关、SC、控制器、按键、电源状态显示及告警信号输出电路等构成,如图1所示。其主要原理为:输入单相交流经EMI滤波电路后输入AC/DC变换器,根据控制器发出的脉冲宽度调制(PWM)控制信息,输出满足要求的直流电压,一部分直流电压经过升压变换器为配电自动化终端提供稳定的输出电压;在控制器的作用下,双向可控开关正向导通,另一部分直流电压经双向可控开关为SC进行恒流限压充电,当充电到设定电压时,SC处于浮充状态。

当交流失电时,控制器检测到失电信号后,控制双向可控开关反向导通,SC通过双向可控开关放电,再经过升压变换器向配电自动化终端提供稳定的输出电压,以实现对配电自动化终端的不间断供电。同时,控制器向外部发出输入失电告警信号,并显示放电。当SC放电至欠压告警点时,控制器发出欠压告警信号,并显示欠压;当SC放电至设定的最小工作电压时,系统停止为配电自动化终端供电。

正常工作期间,升压变换器的开关处于关断状态,AC/DC变换器的输出直接向配电自动化终端提供所需的直流输出电压,可减小开关损耗、提高效率。

通过按键可设定输出电压、输出电流、最大充电电流及电压和电流保护整定值等。智能直流不间断电源系统还可与配电自动化终端通信,通过调度中心可监控电源系统的工作状态。

在交流失电时,为了充分利用SC储能,所允许的最低工作电压应尽可能低,这样SC的电压将在很大范围内变化。因此,为确保交流失电期间,升压变换器的电气性能指标满足期望要求,升压变换器的设计尤为关键。下文将对升压变换器的参数设计、SC最低电压的确定及其容量的计算进行深入讨论。

2 SC的最小工作电压确定及其容量设计

2.1 SC的最小工作电压确定

SC的工作电压范围可从0到额定电压,为提高其储能利用率,本文提出引入升压变换器提升输出电压值,但随着电压的降低,其存储能量明显下降,且给升压变换器的设计也带来困难。因此,需要综合考虑各方面因素,确定SC的最小工作电压。

假设放电前,SC的初始电压为UM,最小有效工作电压为Umin,则根据电容存储的能量W=0.5CU2可得,由此造成的不可利用的剩余储能WS(称为“残能”)与其初始能量WM之比,即剩余储能比率ξ为:

根据式(1)可得,剩余储能比率ξ与归一化的电容电压关系如图2所示。

由图2可见,WS并不随着Umin的减小而线性减小。当Umin下降到一定程度后,WS的减小变得很平缓,因此没有必要将Umin设计得太低。由图2可知,一般可以取Umin=0.5 UM,此时,对应能量利用率已达75%(剩余储存能量比率仅25%)。

2.2 SC的容量设计

假设在直流不间断开关电源中,失电后SC需要提供的功率为Po(输出电压Uo和电流Io的乘积),变换器的转换效率为η,需要维持的时间为TW,则失电后,SC应提供的能量为:

根据2.1节的分析,由于受到剩余储能比率的限制,SC放电可提供的能量应由初始电压UM和有效最小工作电压Umin决定,即SC可提供的能量为:

根据能量守恒,应有W1=W2,则由式(2)、(3)可得:

因此,可根据式(4)选取SC的容量CSC。

3 升压变换器电感和电容的优化设计

为提高超级电容器储能的利用率,输入电压将在较大的范围内变化,因此,智能不间断电源系统中引入升压变换器的设计也就变得尤为关键。输出纹波电压是升压变换器的重要指标之一,影响输出纹波电压的主要元件是电感和输出滤波电容,因此,升压变换器的优化设计主要考虑电感和电容的设计。

3.1 升压变换器的输出纹波电压分析

升压变换器的组成如图3所示。

升压变换器工作于连续导通模式(CCM)与不连续导通模式(DCM)及完全电感供能模式(CISM)与不完全电感供能模式(IISM)的临界电感LC和LK分别为[16,17]:

其中,f为开关频率;d为开关的导通比;RL为负载电阻;Ui、Uo分别为输入和输出电压。由式(5)和(6)可知,由于d<1,因此LK>LC。因此,可将升压变换器划分为3种工作模式:①CISM;②不完全电感供能且连续导通模式(IISM-CCM);③不完全电感供能模式且不连续导通模式(IISM-DCM),如图4所示。

升压变换器工作在模式①、②、③时的输出纹波电压UPP分别为[19,20]:

假设升压变换器的输入电压变化范围为[Ui,min,Ui,max],负载电阻范围为[RL,min,RL,max],则在整个动态范围内,对应CISM与IISM的最小临界电感LKA为:

在整个动态范围内,根据电感的不同取值,在电感L轴上,可将升压变换器的工作区域分成5个区间,如图5所示。其中,LKC为整个动态工作范围内的最大电感。

通过对5个区间的最大输出纹波电压进行分析,在整个动态范围内,当L≥LKA时,升压变换器的最大输出纹波电压在Ui=Ui,min、RL=RL,min时取得极小值为:

可见,只要L≥LKA,则最大输出纹波电压的极小值与电感无关,这即是选择电感和电容的依据。

3.2 升压变换器的电感设计

对于升压变换器,一方面,通常不宜将输出功率较大的工作范围设计成IISM-DCM,因为对于相同的平均输入电流,IISM-DCM的峰值电流较高,在较大的输出功率时,开关器件上的电流应力将很大。另一方面,要使变换器在整个动态范围内工作在CISM,其UPP最小、开关器件上的电流应力也较小,但由式(6)可知,电感的设计必须满足:

显然,此种情形下电感取值很大,将会影响变换器的动态性能和体积。所以,电感的设计值应该满足L<LKC。

升压变换器的设计通常以在整个动态工作范围内UPP的最大值为依据。根据前文的分析可得,当L≥LKA时,升压变换器的最大输出纹波电压极小,且最大输出纹波电压的极小值与电感无关。所以,在给定的输入电压和负载变化范围内,最小负载电阻和最低输入电压所对应的临界电感LKA,即为在整个工作范围内,使得最大输出纹波电压极小的最小电感,即电感的最佳取值为:

3.3 升压变换器的输出滤波电容设计

通过分析输出纹波电压,根据式(11)可知,电容的最小理论值为:

由于电容存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL),为达到期望的电压纹波水平,在设计输出滤波电容时,必须引入适当的裕度系数λ,即:

通常,λ的取值为2~4。

4 应用实例及实验结果

根据馈线终端装置(FTU)的性能指标要求,设计一台采用升压变换器及SC储能的智能直流不间断电源系统,其交流输入电压为220±44 V,升压变换器输出为24V/1A,输出纹波电压UPP=24×2%(V)=480(m V),失电后系统还能维持工作15 min(900 s)。

4.1 SC的容量设计

根据上述技术指标可得:Uo=24 V、Io=1 A、TW=900 s;假设升压变换器的转换效率为η=85%,SC的初始电压UM=24 V,根据2.1节分析,选取Umin=0.5 UM=12 V。因此,由式(4)可计算得到SC的容量CSC≈117.6 F,本例中取SC容量为120 F(电压为27 V)。

4.2 升压变换器的电感和电容计算

对于升压变换器,根据上述指标和参数可得:Ui=12~24 V、Uo=24 V、Io=1 A,则RL,min=24Ω,Ui,min=12 V。本例中,升压变换器的工作频率f=100 k Hz,则根据式(13)、(15)计算可得:电感的最佳取值为LOPT=LKA=30μH,输出滤波电容的容量为C=31.5μF(λ=3)。本例中,输出滤波电容的容量取为33μF。

4.3 实验结果及验证

a.升压变换器的工作模式验证。

为了验证变换器存在3种工作模式,取电感值为60μH、25μH、10μH,分别对应CISM、IISM-CCM和IISM-DCM,其输出电压和电感电流波形分别如图6(a)、(b)和(c)所示。

从图6可看出:对于给定的负载、电容和开关频率,升压变换器将因电感的取值不同而工作于不同的模式,输出电压的纹波也会有显著区别。开关关断期间,在CISM(L=60μH>LKA=30μH)时,由于电感电流iL一直大于输出电流,所以电感给电容充电,输出纹波电压上升,直到下个开通周期到来才开始下降,如图6(a)所示;在IISM-CCM(L=25μH<LKA=30μH)时,开关关断期间,输出纹波电压在电感电流iL下降到小于输出电流时就开始下降,如图6(b)所示,此时输出纹波电压随着电感的减小而增加;在IISM-DCM(L=10μH)时,开关关断期间,电容电压在电感电流iL下降到小于输出电流时就已开始下降,所不同的是需要经历iL=0的下降段,如图6(c)所示,所以此时的输出纹波电压最大。

b.升压变换器滤波电感的优化设计验证。

为了验证电感优化设计方法的正确性,令电感取值范围为5~60μH,负载和升压变换器的取值组合分别为:RL=24Ω、Ui=12 V;RL=24Ω、Ui=18 V;RL=72Ω、Ui=12 V;RL=72Ω、Ui=18 V。对应的UPP分别如图7所示。

从图7中可以看出,当变换器工作在CISM时,UPP与L无关。而当L的取值大于相应负载电阻和输入电压所对应CISM和IISM的临界电感时,其UPP最小。且当电感L>LKA=30μH(本设计取为39μH)时,升压变换器的最大输出纹波电压约为350 m V(小于480 m V),达到设计要求。

可见,最小负载电阻和最低输入电压所对应的临界电感,就是使得最大输出纹波电压极小的最小电感,且其极小值与电感无关,实验结果与理论分析相符。

c.电源的失电维持时间验证。

首先采用电阻器作为负载模拟待机实验,测试待机时间。

当系统上电进入稳定状态后,测得SC的电压UM=24.3 V,调节模拟电阻器使升压变换器输出电流为1 A。然后切断输入交流电源,开始计时,电容开始放电并维持正常输出,直到输出关断,测得电容终止电压为11.9 V,待机时间为912 s。

理论计算待机时间应为953.9 s,但实测升压变换器效率为85.5%,并考虑到双向可控开关也会产生损耗,因此,912 s的待机时间已达到了设计要求,与理论计算基本相符,说明了本文设计方法的正确性和可行性。

4.4 在配电自动化终端中的应用

采用该电源为GH-F30型FTU供电,断电后的待机时间可达1 543 s(超过25 min),说明所设计的基于SC的不间断电源完全可用于FTU。

通过FTU可将SC的工作电压、电源的输出电压、工作状况等信息以通信的方式传到配电调度中心,使得用户在远端即可对SC的工作状态进行实时监控。用户还可在调度中心对SC的充、放电电流或电压进行设定。基于该智能直流不间断电源的配电自动化终端产品已在现场广泛应用,效果良好。

5 结论

采用SC作为储能元件的智能直流不间断电源,可在失电情况下,使配电自动化终端实现不间断供电。通过采用升压变换器,可最大限度地降低SC的工作电压,提高SC储能的利用率,延长失电情况下的待机工作时间。但考虑到SC所存储能量随着电压的降低呈指数衰减,因此,其最小工作电压设定为初始电压的一半较为合理。根据断电后所要维持的输出功率及所期望的待机时间,提出了一种SC容量的设计方法。

在整个动态工作范围内,升压变换器存在一最小电感,即最小负载电阻和最低输入电压对应的CISM和IISM的临界电感,只要电感取值大于该最小电感,则升压变换器的最大输出纹波电压极小,且其极小值与电感无关,据此,得出了电感及输出滤波电容的优化设计方法。

应用实例及实验结果说明:利用所提出的设计方法及方案所研制的智能直流不间断电源,可满足配电自动化终端供电电源的各项性能指标要求。在调度中心即可对SC的充、放电及电源的工作情况进行实时监控,操控方便。

摘要：为解决现有配电自动化终端电源存在使用寿命短及维护困难的问题,提出了一种基于超级电容器(SC)的智能直流不间断电源方案。采用升压变换器降低超级电容器的工作电压,从而提高电容器储能的利用率,延长失电情况下电源的待机工作时间;根据超级电容器最小工作电压与剩余能量的关系,确定了超级电容器最小有效工作电压;根据变换器的期望输出功率、失电待机时间及超级电容器的最小工作电压,确定了超级电容器容量;通过对升压变换器最大输出纹波电压进行分析,对其电感及输出滤波电容的进行了优化设计。实验结果验证了所提方案的可行性。