超级电容在直流操作电源系统中的应用

闫立峰　赵世刚

【摘 要】超级电容（双电层电容器EDLC） 是一种新型储能元件， 其与蓄电池相比具有一定的互补性。利用超级电容（或与蓄电池一起） 构成直流操作电源系统中的储能部件， 可以解决蓄电池直流操作电源系统中存在的问题， 提高电源系统的可靠性和可性。本文针对超级电容的以上特性， 提出了超级电容在直流操作电源系统中的多种应用方案。

【关键词】直流操作电源；超级电容；可靠性

1 蓄电池直流操作电源系统存在的问题

蓄电池直流操作电源系统是用蓄电池来储能， 当交流电正常且整流器完好时， 蓄电池用于向冲击负荷提供补充电流； 当交流停电或整流器故障时， 蓄电池用于向经常负荷、事故负荷及冲击负荷供电。以蓄电池为储能元件的直流操作电源已被广泛使用， 但普遍存在的问题是蓄电池生产厂商为推销密封铅酸蓄电池， 都加上了“免维护”字样， 由于“免维护”这一词给使用者带来认识上的误区，加上现场蓄电池维护的不方便， 导致使用者放松了蓄电池的日常维护管理， 如： 密封铅酸蓄电池没有按规定要求进行活化试验、环境温度变化较大、充电电流过大等等。由于蓄电池管理不善， 目前12V系列铅酸蓄电池平均寿命只有三至四年左右， 有些用户甚至陷入了蓄电池频繁故障，且一时无法彻底解决的困境之中。由此带来了直流操作电源系统的可靠性问题。

2 超级电容代替蓄电池的可行性

超级电容器包括双电层电容器（EDLC） 和电化学电容器两大类。EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件， 其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维， 电解液采用有机电解质。工作时， 在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。

其多孔化电极是多孔性的活性碳， 有极大的表面积在电解液中吸附着电荷， 因而具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量， 超级电容器的这一特性介于传统的电容器与电池之间。

由于超级电容与铅酸蓄电池相比， 具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点， 在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中， 完全可以用来代替铅酸蓄电池， 以提高电源系统可靠性， 减少系统维护麻烦。

3 超级电容在直流操作电源系统中的应用

超级电容与蓄电池相比具有维护简单、设备环保、成本低、可放电次数多、环境条件要求低等优点， 其缺点是容量密度有待进一步提高， 要实现与蓄电池相同储能容量， 会使超级电容的体积和成本大大增加。根据直流操作电源的应用对象的不同， 合理选择和使用超级电容， 可以解决目前使用铅酸蓄电池直流操作电源存在的问题。

3.1 35kV以下， 对可靠性要求不高的小型变（配） 电所

典型例子如工矿企业的车间配电室， 建筑大楼配电室等。由于直流负荷较小， 对供电可靠性要求不是很高， 这时可以直接用超级电容代替铅酸蓄电池。如冲击负荷电流小于整流器输出的电流， 可采用一只（1F/300V） 超级电容代替蓄电池， 直流操作电源原理电路如图1所示。

如果冲击负荷电流大于整流器的输出电流， 需要由超级电容提供冲击负荷电流， 这时可以采用两只超级电容冗余设计代替蓄电池， 由于整流器已经在电源模块上采用了冗余设计， 这样电源模块和超级电容均采用了冗余设计，提高了电源系统的可靠性和可维性。超级电容直流操作电源原理电路如图2所示。

3.2 35kV以下， 对可靠性要求较高的小型变（配）电所

提高超级电容直流操作电源系统可靠性的方法是整流器和超级电容均采用冗余设计，超级电容直流操作电源采用两套完全相同的整流器， 输出通过单母线分段向负荷供电。

具有如下特点：

1）整流器采用冗余热备份设计， 其交流输入均采用交流自动切换， 只要两路交流输入有一路正常， 一路整流器正常， 电源系统即可提供正常电源输出。

2）超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能， 可根据负荷的大小确定超级电容的容量， 一般选择1F/300V， 一只或多只并联。

3）两路整流器输出通过单母线分段方式向负荷供电， 根据负荷不同可选择两段母线分段运行， 故障时母联开关自动投入或人工投入； 或选择两段母线一并运行， 两路整流器一主一备，一路故障时另一路自动投入或人工投入； 或选择两段母线、两套整流器直接并联的运行方式， 任何一路整流器故障， 将会自动退出。

3.3 35kV及其以上重要变电所

35kV及其以上重要变电所， 可以采用超级电容与蓄电池相结合的方式， 来提高电源系统的可靠性、可维护性和使用寿命。设计采用超级电容直流操作电源与蓄电池直流操作电源相结合的直流操作电源系统。超级电容直流操作电源用于为冲击负荷供电； 蓄电池直流操作电源用于为经常负荷和事故负荷供电。

1）两套电源相互独立， 又互为备份， 提高了电源系统的可靠性和可维性， 铅酸蓄电池进行活化放电试验时，可由超级电容直流操作电源为其提供备用电源。

2）蓄电池正常只负责向经常负荷供电， 这样可以降低蓄电池的容量， 降低系统成本； 由于蓄电池负荷电流稳定， 基本无冲击， 可延长蓄电池的使用寿命。

3）根据负荷大小和负荷的重要性， 可以选择电源系统的容量、蓄电池的容量和组数、机柜数量及其自动切换装置的数量等等。

4 结束语

超级电容在直流操作电源系统中， 可以根据负荷大小以及重要程度的不同， 实现不同的解决方案。合理选择这些方案可以解决由于蓄电池而给电源系统带来的环保、维护、寿命等问题， 提高了电源系统的可靠性、可维护性和可用性， 随着超级电容的不断发展， 其在直流操作电源系统中将获得更广泛应用。

[责任编辑：曹明明]