变电直流屏中超级电容充电电路的探讨

重庆市奥林匹克体育中心 崔黎明

随着世界科学技术的发展，随之产生了许多新型元器件并运用在各个领域，超级电容是其中之一，它是一种专门用于储能的特种电容，实现了电容量由微法向法拉级的飞跃，是一种理想的大功率物理电源。它不需要任何维护和保养，寿命长达10年以上，用它来代替老式电容储能硅整流直流屏和蓄电池直流屏将产生革命性的进步。

首先我们将超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能进行对比。

1、蓄电池过充电、过放电都会缩短使用寿命，而超级电容不存在过充电、过放电的问题，只需限制每一个超级电容单元的最高充电电压就行了。

2、蓄电池有较大的维护量，即便是免维护蓄电池，同样需要维护；而超级电容只需定期检测其容量是否下降就行了，做到了真正意义上的免维护。

3、蓄电池一旦过放电，要恢复其容量得充电数小时；而超级电容恢复到额定电压，仅需几分钟。

电网停电后，直流屏依靠蓄电池放电来维持直流母线电压，电池组的能量究竟有限。停电时间过长，会使电池的能量放完，如不加限制，必然会导致电池组电压下降到终止电压以下而受损，甚至无法再充电而报废。而超级电容当电网停电后，在带有经常性负荷的情况下仍可保证几百次的跳闸和数次合闸。假如是母线短路，引起电网电压过低，只要继电保护能正确动作，在短短的几秒钟内，更能可靠的跳闸，事故跳闸后，没有必要维持一定时间的直流供电。当事故处理完毕后，电网恢复供电，在几分钟内，将超级电容充满电，实施合闸。

为了解决串联超级电容分压不均长期使用而损坏的问题，美国MAXC(DOUBLE LAYER CAPACITORS PRODUCT INFORMATION& APPLICATION DATA)公司双电层电容器(超级电容器)产品信息和应用资料上介绍的两种简单方法图1、图2所示，但这两种电路只适用于在相对负载小的设备中运用，其次，分压电阻消耗能量大，充电电流相对也不能太大，使用范围比较窄。

在直流屏中合闸电压直流220V，电流100A。超级电容标称容量1.2F，耐压280V。超级电容耐压高容量大，必须将82只容量100F耐压3.4V大容量超级电容串联起来使用才能达到目的。为了克服以上串联使用存在的问题，我提出以下方案共探讨。

图1 使用平衡电压的分流电阻分压电路

图2 使用分压器并联纳二级管过压保护的电路

图3 串联多个大容量超级电容使用方块图

图4 能量均衡装置的示意图

具体实施方案。图3所示，实用串联多个大容量超级电容使用的方块图，在图3中以三个大容量超级电容A、B、C作为实施例说明，可看出在串联的两个大容量超级电容A、B与或B、C间连接有能量均衡装置1、la，该能量均衡装置1、la能检测到两个大容量超级电容A、B或B、C的充电电压高低电位差，同时通过能量均衡装置，能够让每一大容量超级电容的电压均衡和达到能量均衡分布的效果，使其不论在充、放电时，均能让各大容量超级电容的电气特性保持一致，串联大容量超级电容通过能量均衡装置，会有效提升其整体电压稳定和功率输出，可提高推动直流屏操作机构跳闸、合闸可靠性，且达到能量均匀分布的状态；其中该能量均衡装置1、la旁按保护电路2、2a，令该保护电路2、2a得以检测大容量超级电容A、B、C的电压和温度变化，当有发现任一大容量超级电容A、B或C充、放电时电压高低异常(例如过高或过低)或是超过警戒温度，该保护电路2、2a均可发出警告讯号，同时透过输出入端口3、3a通知该连接的充电或放电设备4、5进行处理，进而保护大容量超级电容A、B、C和其连接的充、放电设备4、5。

图4为能量均衡装置的示意图，其中该能量均衡装置1，包含由控制单元11和第一、第二分配电路12、13所组成，且该控制单元11与两个大容量超级电容A、B并联，并通过以检测取得两个大容量超级电容A、B的电压，经其内部电路比较后，由控制单元11送出信号，以选择并致动第一或第二分配器12或13导通；该第一、第二分配器12或13分别与该大容量超级电容A、B呈并联状态，其间并具互斥连动的特性；例如当该控制单元11经比较两大容量超级电容A、B的耐压具有高低差异时，即会输出一信号通知第一(或第二)分配器12或13导通，且使第二或第一分配器13或12截止，由于该第一或第二分配器12或13与大容量超级电容A、B并联，借此该电压较高的大容量超级电容A或B即会透过该第一或第二分配器12或13将电量输送往电压较低的大容量超级电容B或A，而达到电量均衡分布和能量均匀分布的状态。

[1]闻超,邱瑞昌,赵晓红,韩啸一.基于超级电容的直流不间断电源设计[J].电源技术,2011(07).