基于超级电容器储能的配电终端的直流电源研究

张一荻，劳永钊，谢睿

（广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620）

直流供电在电力系统中是保证电气设备正常工作的必要方式。直流电源成为了输电、配电过程中重要的设备，其能够向不同的用电设备提供工作电压[1]。因此，直流供电在保证电网系统中的电气设备、变电站、发电站等设备的正常工作方面具有举足轻重的作用。目前，在电网系统中，大多数用户常规使用交流电源，并在交流电中接入了AD/DC转换单元，进而将交流电转换为直流电，满足用户的需求。采用这些设备具有诸多技术不足，具体体现在[2]：

1）在工作过程中（比如充电或者放电），完全实现过充电或者过放电难以实现。具体而言，在对峰值电压为5.0 V的储电池进行放电，放电电压为4 V时，就显示电量已经耗尽，需要重新充电。

2）与额定的电荷量标准值相比，实际输出的电荷量相对较少，由于经过了AD/DC转换器的工作程序，使得电荷量的总体利用率不高，总电量损耗较大。

3）当AD/DC转换器出现故障，或者无法正常工作时，无法实现供电。

因此，电力系统中的直流供电已经成为目前急需解决的技术问题之一，现有技术已经很难满足智能电网建设的需要。

随着电力技术的发展，超级电容器SC（Super-Capacitor）作为新型的电量储能设备出现在用户的视线范围内。该新型设备具有诸多常规储能设备无法比拟的优点，比如，具有较大的瞬时放电电流，具有较高的储能效率，能量释能快、充电时间短、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等，其越来越受用户的欢迎[3]。因此，在配电终端的直流电源中采用超级电容器储能，将是未来发展的趋势，针对该技术问题，文中进行了技术方案的设计与探讨。

1 总体架构设计

设计中，在电源电路中融入了超级电容，实现超级电容储能，并将直流电不间断地输送给用电设备。直流电源主要包括控制各个部件的充放电控制单元、对充放电进行实时监控的监控装置、对超级电容进行监控的充电电路、对电网杂波进行过滤的EMI滤波单元、对配电网的交流电进行转换的AC/DC变换器、驱动AC/DC变换器工作的驱动电路、DC/DC变换器、变换器、保护电路等组件，其架构设计如图1所示。

图1 总体架构设计

电源设计中，还设置有通讯单元，该通讯单元通过RS485接口和CAN通讯接口实现与外界设备的信息通讯，还能够与远程管理单元进行数据通讯，实现直流电源数据的远程管理[4]。在研究中，通过EMI滤波单元将EMI滤波单元的电压进行过滤，得到纯净的输入交流电信息。在充放电控制单元的控制下，AC/DC变换器将接收到的交流电转换为直流电。当驱动电路接收到充放电控制单元的控制信号时，驱动AC/DC变换器工作。电网电流在转换后，将输出的D/C信息直接输入至DC/DC变换器，通过DC/DC变换器输出端连接的供用电设备直接使用。在另一种实例中，可以在电路中设置变换器，进行电压变换，也可以通过将DC/DC变换器输出直接与超级电容充电电路连接，进行直流电储能，最终实现恒定直流限压充电，直到充电过程达到设定电压阈值为止，此时，超级电容充电电路能够以浮充的状态实现电路中的电能量存储[5]。通过超级电容充电电路源源不断地向用电设备输出电流、电压。在具体工作过程中，还可以在电源系统中设置监控装置，以便实现电能量的监控，通过设置保护电路，能够实现电路的保护。在上述电路中，超级电容器以超级电容器模组的形式存在，该模组的输入端与DC/DC变换器的输出端连接，从而实现直流电存储。此外，充放电控制单元通过其设置的串行通信模块可通过通讯单元实现远程通讯。下面对其关键技术进行研究[6]。

2 关键技术设计

2.1 控制方法

首先进行控制设置，由于用户预期实现的功能效果不同，因此，通常在PLC编程器中配置STEP7软件包，该软件包中设置有MPI卡和编程电缆，满足控制需要。其中控制参数如表1所示。

表1 控制系统参数表

在采用西门子控制器进行控制时，需要进行PLC编程，根据用户的需求进行编程计算。其功能表如表2所示。

表2 控制程序功能表

由于西门子STEP7组态软件通过以下编程方式进行编程：梯形图、语句表以及方框图等，因此在利用该方法时，还通过块编辑进行语言编辑。这种方式能够提高程序调用的实时性，发挥最佳优化效果[8]。

控制程序功能表如表3所示。

表3 控制程序功能表

利用充放电控制单元实现充电和放电的控制，常规技术中大多采用ARM CortexM3架构的STM32F103ZET6芯片，该芯片设置有CAN总线和UART串口等多种通信接口。充放电控制单元能够控制超级电容模组运行参数监测，并将该参数通过通讯单元与远程管理单元进行通讯。但是这种方式在控制力度上略显不足，在该控制技术的基础上，研究设置了新型的控制板。具体地说，是在充放电控制单元中融入PLC控制模块，PLC控制模块的控制类型为西门子S7300系列的PLC控制模块，通过设置该模块，能够实现电路的多种控制[7]。S7300系列的PLC硬件结构如图2所示。

图2 S7300系列PLC控制硬件结构

在结构上，控制部件包括总线、中央处理器、IM361接口、IM信息端口、FM功能接口、CP通信端口等。

下面对其控制方法进行详细描述，对直流电源的控制采用图3所示的工作过程。

图3中，系统开始进行初始化数据处理，然后启动装置初始化程序，利用表1、表2和表3中的参数进行。接着检查IM361接口、IM信息端口、FM功能接口、CP通信端口等通讯端子是否接线完好，充电时，通过PLC编程器设置充电程序，S7300背板总线上连接有总线连接器，通过该总线连接器从物理、电气方面连接、构建起来。中央处理器向总线连接器发送工作启动状态和工作电流，向各端口发出通信命令。然后启动编程程序对充电效果进行检查，判断是否存在漏电情况。在判断是否漏电时，中央处理器又向PLC编程器发出漏电判断指令。切换指令后，再继续充电，当充电量达到目标充电时，停止充电，然后输出命令，再进行同步检查，当检查无误后，可输出命令，进行功率输出，输出功率可通过数据记载的方式进行数据存储[9]。在MPI总线的控制下，上述的各个端口与PLC编程器PG、控制面板OP以及其他PLC连接通讯。中央控制器向各个部件发送控制指令，各个端口与PLC编程器进行信息通讯。充放电控制单元接收到放电/充电指令后，开始启动电路进行工作，AD/DC变换器将电路中的交流电信息转换为直流电信号，超级电容充电电路接收直流电通讯信号后进行充电或者放电，并向用电设备源源不断地提供直流电。

图3 PLC控制算法示意图

2.2 超级电容充电电路

通过图3可以看出，超级电容是串并联连接的电容电路，虽然其在使用时存在诸多优点，但是在长期使用过程中发现电容在充电、放电期间，还存在充电速度不快、效率不高、发热量大的问题，这就需要对超级电容充电电路进行改善，以保证直流电源充电、放电的稳定进行[10]。图4为一种改善型的超级电容充电电路，其通过对超级电容充电电路的峰值进行控制，提高了稳定度。

在图5中，通过下列元器件构成超级电容充电电路：场效应管（Mosfet）开关管、二极管（其阳极接）、电感、电流传感器、超级电容器、比较器、RS触发器、脉冲发生器和驱动电路。

图4 超级电容器串并联模组模型

图5 超级电容充电电路

在图5中的新型改善控制电路中，超级电容器在工作过程中，单个额定工作电压的工作范围为2.5～2.7 V，额定电容量为3 000 F。该系统由380只电容单体串联、多组并联构成，通过这种方式，能够满足直流电源储能的电压、电流和功率需求[11-12]。在图4中，电感的一端与超级电容器连接，另一端连接设置在超级电容器正极之间的线路上的电流传感器，电流互感器的主要作用是采集电路中电流信息，采集到的电流信息输入至并联电压，然后通过并联电压最终获取输出电压。在该电路中，电感用于检测线路上的电流信息。在具体工作时，将电流传感器以环形结构设置在线路上[13-15]。电流传感器将其采集到的电流信号通过输出端输入至比较器的正输入端，在比较器的负输入端，连接有通过基准电压电路提供的基准电压点。在该电路中，将比较器与触发器进行连接，触发器为RS触发器，将其与驱动电路连接，最终实现对场效应管开关管的控制。在图5中，驱动电路为基于UC3840的控制芯片[16-19]。

2.3 超级电容最小工作电压优化方法

为了提高配电的稳定性和可靠性，提高其使用寿命，研究针对超级电容最小工作电压优化方法进行以下探讨[20-21]。假设在放电前，超级电容的开始工作电压用UM表示，最小工作电压用Umin表示，用WS表示超级电容中难以再次利用的剩余储能，用字母ξ表示剩余储能比，则有公式：

超级电容在失电后，提供的功率用P0来表示，输出电压和电流分别用U0和I0表示，转换器的转换效率用η表示[22-23]，维持时间用TW表示，放电之后，超级电容提供的能量为：

超级电容能够提供的能量为：

基于能量守恒定律得出：

在上述公式中，CSC表示超级电容的容量，通过这种方式即可实现超级电容最小工作电压优化。

3 试验结果与分析

由于常规技术通常采用交流电源，然后再通过AD/DC转换器进行直流与交流的转换，进而实现直流供电。因此，在试验时，采用提出方案的直流电源和传统技术分别进行试验，以证明利用超级电容器构建直流电源的优势。为了试验的便利，传统技术中的交流电源型号为XYT-GZDW33-200/110-M，其由交流输入电路、变压器、整流滤波和稳压电路等部分构成。其输出端连接AD/DC转换器，以便实现交流电与直流电之间的转换。在采用该研究的方案时，为了实现取材的便利，采用铝板充当超级电容使用，使得充电板的输出端与铝板制作的超级电容和DC/DC放电板连接[24]，通过这种方式，使得该试验场景十分逼真地反映了文中设计的技术方案。试验场景如图6所示。

图6 现场试验实物图

图7为采用提出的技术方案的硬件结构示意图。

图7 采用该技术方案的试验结构示意图

图8为采用传统技术的交流电源的试验结构示意图。

图8 采用交流电源的试验架构

对电源中的电路进行充电储能试验时，将铝板分为两侧使用，即为正极和负极，将铝板通过导线与示波器的正极连接，另一侧与示波器的负极连接，通过这种方式，形成电路闭合回路[25]。在该回路中，铝板可以用作超级电容。在具体试验时，由于铝板储能效果与其尺寸和铝板距交流电输电线路的距离有关，为了试验的方便，输电线电压均为110 V，采用的是20 cm×30 cm的铝板面积进行试验。

表4 铝板试验参数数据表

下面对充电情况进行试验，在8 min时间内观察电容器电压情况，在采用铝板模拟的超级电容时，在几分钟内就达到了上限，并进行了能量存储，未采用铝板模拟的超级电容时，在有限时间内，为直线上升曲线，如图9所示。在试验时，自变量为输出电压，因变量为时间t。

图9 充电试验对比曲线图

然后，再试验放电情况，假设放电5小时，再观察电容器电压情况，在采用铝板模拟的超级电容时，5小时之后仍存在能量值。在采用常规技术的方案时，在2.5小时内将充值的能量进行了释放。放电曲线图如图10所示。

图10 放电试验对比曲线图

观察在10 min内的充电和2.5小时内放电情况，得出数据如表5所示。

表5 试验对比数据表

其中电量损耗的计算公式为：

通过上述试验可知，采用传统技术的交流电源进行充电和放电时，呈直线斜率形状，在经过AD/DC转换步骤后，总电量损耗较大，达28%左右。在采用基于超级电容器的直流电源后，在充电阶段能够存储能量，放电时间长，总电量损耗较小，并且能够延长用电设备使用时间，从而延长了使用寿命。因此，采用超级电容器，比起传统技术中的交流电源，能够很好地进行能量存储，电量损耗较少，使用时间长。

4 结束语

随着智能电网运行需求的增加，针对配电网直流电源使用方面提出了新的课题。通过上述论述，在直流电路中融入超级电容器，有效地改善了目前技术的不足，解决了传统技术中采用将交流电转化成直流电的电量损耗的缺陷。由于超级电容器也有自身的缺陷，设计了超级电容充电电路调整型改良电路，提高了超级电容充电、放电过程的稳定性，提高了充电性能。所研究的直流电源作为绿色、高效的新型储能装置，能够有效地替换传统的直流设备，其将为未来直流技术的发展带来有益的技术效果，并为下一步的研究和发展提供技术支撑。