變電直流屏中超級電容充電電路的探討

重慶市奧林匹克體育中心 崔黎明

隨著世界科學技術的發展，隨之產生了許多新型元器件并運用在各個領域，超級電容是其中之一，它是一種專門用于儲能的特種電容，實現了電容量由微法向法拉級的飛躍，是一種理想的大功率物理電源。它不需要任何維護和保養，壽命長達10年以上，用它來代替老式電容儲能硅整流直流屏和蓄電池直流屏將產生革命性的進步。

首先我們將超級電容直流屏與蓄電池直流屏的性能進行對比。

1、蓄電池過充電、過放電都會縮短使用壽命，而超級電容不存在過充電、過放電的問題，只需限制每一個超級電容單元的最高充電電壓就行了。

2、蓄電池有較大的維護量，即便是免維護蓄電池，同樣需要維護；而超級電容只需定期檢測其容量是否下降就行了，做到了真正意義上的免維護。

3、蓄電池一旦過放電，要恢復其容量得充電數小時；而超級電容恢復到額定電壓，僅需幾分鐘。

電網停電后，直流屏依靠蓄電池放電來維持直流母線電壓，電池組的能量究竟有限。停電時間過長，會使電池的能量放完，如不加限制，必然會導致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無法再充電而報廢。而超級電容當電網停電后，在帶有經常性負荷的情況下仍可保證幾百次的跳閘和數次合閘。假如是母線短路，引起電網電壓過低，只要繼電保護能正確動作，在短短的幾秒鐘內，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒有必要維持一定時間的直流供電。當事故處理完畢后，電網恢復供電，在幾分鐘內，將超級電容充滿電，實施合閘。

為了解決串聯超級電容分壓不均長期使用而損壞的問題，美國MAXC(DOUBLE LAYER CAPACITORS PRODUCT INFORMATION& APPLICATION DATA)公司雙電層電容器(超級電容器)產品信息和應用資料上介紹的兩種簡單方法圖1、圖2所示，但這兩種電路只適用于在相對負載小的設備中運用，其次，分壓電阻消耗能量大，充電電流相對也不能太大，使用范圍比較窄。

在直流屏中合閘電壓直流220V，電流100A。超級電容標稱容量1.2F，耐壓280V。超級電容耐壓高容量大，必須將82只容量100F耐壓3.4V大容量超級電容串聯起來使用才能達到目的。為了克服以上串聯使用存在的問題，我提出以下方案共探討。

圖1 使用平衡電壓的分流電阻分壓電路

圖2 使用分壓器并聯納二級管過壓保護的電路

圖3 串聯多個大容量超級電容使用方塊圖

圖4 能量均衡裝置的示意圖

具體實施方案。圖3所示，實用串聯多個大容量超級電容使用的方塊圖，在圖3中以三個大容量超級電容A、B、C作為實施例說明，可看出在串聯的兩個大容量超級電容A、B與或B、C間連接有能量均衡裝置1、la，該能量均衡裝置1、la能檢測到兩個大容量超級電容A、B或B、C的充電電壓高低電位差，同時通過能量均衡裝置，能夠讓每一大容量超級電容的電壓均衡和達到能量均衡分布的效果，使其不論在充、放電時，均能讓各大容量超級電容的電氣特性保持一致，串聯大容量超級電容通過能量均衡裝置，會有效提升其整體電壓穩定和功率輸出，可提高推動直流屏操作機構跳閘、合閘可靠性，且達到能量均勻分布的狀態；其中該能量均衡裝置1、la旁按保護電路2、2a，令該保護電路2、2a得以檢測大容量超級電容A、B、C的電壓和溫度變化，當有發現任一大容量超級電容A、B或C充、放電時電壓高低異常(例如過高或過低)或是超過警戒溫度，該保護電路2、2a均可發出警告訊號，同時透過輸出入端口3、3a通知該連接的充電或放電設備4、5進行處理，進而保護大容量超級電容A、B、C和其連接的充、放電設備4、5。

圖4為能量均衡裝置的示意圖，其中該能量均衡裝置1，包含由控制單元11和第一、第二分配電路12、13所組成，且該控制單元11與兩個大容量超級電容A、B并聯，并通過以檢測取得兩個大容量超級電容A、B的電壓，經其內部電路比較后，由控制單元11送出信號，以選擇并致動第一或第二分配器12或13導通；該第一、第二分配器12或13分別與該大容量超級電容A、B呈并聯狀態，其間并具互斥連動的特性；例如當該控制單元11經比較兩大容量超級電容A、B的耐壓具有高低差異時，即會輸出一信號通知第一(或第二)分配器12或13導通，且使第二或第一分配器13或12截止，由于該第一或第二分配器12或13與大容量超級電容A、B并聯，借此該電壓較高的大容量超級電容A或B即會透過該第一或第二分配器12或13將電量輸送往電壓較低的大容量超級電容B或A，而達到電量均衡分布和能量均勻分布的狀態。

[1]聞超,邱瑞昌,趙曉紅,韓嘯一.基于超級電容的直流不間斷電源設計[J].電源技術,2011(07).