超級電容在直流操作電源系統中的應用

閆立峰　趙世剛

【摘 要】超級電容（雙電層電容器EDLC） 是一種新型儲能元件， 其與蓄電池相比具有一定的互補性。利用超級電容（或與蓄電池一起） 構成直流操作電源系統中的儲能部件， 可以解決蓄電池直流操作電源系統中存在的問題， 提高電源系統的可靠性和可性。本文針對超級電容的以上特性， 提出了超級電容在直流操作電源系統中的多種應用方案。

【關鍵詞】直流操作電源；超級電容；可靠性

1 蓄電池直流操作電源系統存在的問題

蓄電池直流操作電源系統是用蓄電池來儲能， 當交流電正常且整流器完好時， 蓄電池用于向沖擊負荷提供補充電流； 當交流停電或整流器故障時， 蓄電池用于向經常負荷、事故負荷及沖擊負荷供電。以蓄電池為儲能元件的直流操作電源已被廣泛使用， 但普遍存在的問題是蓄電池生產廠商為推銷密封鉛酸蓄電池， 都加上了“免維護”字樣， 由于“免維護”這一詞給使用者帶來認識上的誤區，加上現場蓄電池維護的不方便， 導致使用者放松了蓄電池的日常維護管理， 如： 密封鉛酸蓄電池沒有按規定要求進行活化試驗、環境溫度變化較大、充電電流過大等等。由于蓄電池管理不善， 目前12V系列鉛酸蓄電池平均壽命只有三至四年左右， 有些用戶甚至陷入了蓄電池頻繁故障，且一時無法徹底解決的困境之中。由此帶來了直流操作電源系統的可靠性問題。

2 超級電容代替蓄電池的可行性

超級電容器包括雙電層電容器（EDLC） 和電化學電容器兩大類。EDLC超級電容器是一種高能量密度的無源儲能元件， 其多孔化電極采用活性炭粉和活性炭纖維， 電解液采用有機電解質。工作時， 在可極化電極和電解質溶液之間界面上形成了雙電層中聚集的電容量。

其多孔化電極是多孔性的活性碳， 有極大的表面積在電解液中吸附著電荷， 因而具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量， 超級電容器的這一特性介于傳統的電容器與電池之間。

由于超級電容與鉛酸蓄電池相比， 具有環保、壽命長、對環境要求低、可提供大電流充放等特點， 在直流操作電源事故負荷較小或要求不高的中小變電站中， 完全可以用來代替鉛酸蓄電池， 以提高電源系統可靠性， 減少系統維護麻煩。

3 超級電容在直流操作電源系統中的應用

超級電容與蓄電池相比具有維護簡單、設備環保、成本低、可放電次數多、環境條件要求低等優點， 其缺點是容量密度有待進一步提高， 要實現與蓄電池相同儲能容量， 會使超級電容的體積和成本大大增加。根據直流操作電源的應用對象的不同， 合理選擇和使用超級電容， 可以解決目前使用鉛酸蓄電池直流操作電源存在的問題。

3.1 35kV以下， 對可靠性要求不高的小型變（配） 電所

典型例子如工礦企業的車間配電室， 建筑大樓配電室等。由于直流負荷較小， 對供電可靠性要求不是很高， 這時可以直接用超級電容代替鉛酸蓄電池。如沖擊負荷電流小于整流器輸出的電流， 可采用一只（1F/300V） 超級電容代替蓄電池， 直流操作電源原理電路如圖1所示。

如果沖擊負荷電流大于整流器的輸出電流， 需要由超級電容提供沖擊負荷電流， 這時可以采用兩只超級電容冗余設計代替蓄電池， 由于整流器已經在電源模塊上采用了冗余設計， 這樣電源模塊和超級電容均采用了冗余設計，提高了電源系統的可靠性和可維性。超級電容直流操作電源原理電路如圖2所示。

3.2 35kV以下， 對可靠性要求較高的小型變（配）電所

提高超級電容直流操作電源系統可靠性的方法是整流器和超級電容均采用冗余設計，超級電容直流操作電源采用兩套完全相同的整流器， 輸出通過單母線分段向負荷供電。

具有如下特點：

1）整流器采用冗余熱備份設計， 其交流輸入均采用交流自動切換， 只要兩路交流輸入有一路正常， 一路整流器正常， 電源系統即可提供正常電源輸出。

2）超級電容用于為沖擊負荷和故障負荷提供電能， 可根據負荷的大小確定超級電容的容量， 一般選擇1F/300V， 一只或多只并聯。

3）兩路整流器輸出通過單母線分段方式向負荷供電， 根據負荷不同可選擇兩段母線分段運行， 故障時母聯開關自動投入或人工投入； 或選擇兩段母線一并運行， 兩路整流器一主一備，一路故障時另一路自動投入或人工投入； 或選擇兩段母線、兩套整流器直接并聯的運行方式， 任何一路整流器故障， 將會自動退出。

3.3 35kV及其以上重要變電所

35kV及其以上重要變電所， 可以采用超級電容與蓄電池相結合的方式， 來提高電源系統的可靠性、可維護性和使用壽命。設計采用超級電容直流操作電源與蓄電池直流操作電源相結合的直流操作電源系統。超級電容直流操作電源用于為沖擊負荷供電； 蓄電池直流操作電源用于為經常負荷和事故負荷供電。

1）兩套電源相互獨立， 又互為備份， 提高了電源系統的可靠性和可維性， 鉛酸蓄電池進行活化放電試驗時，可由超級電容直流操作電源為其提供備用電源。

2）蓄電池正常只負責向經常負荷供電， 這樣可以降低蓄電池的容量， 降低系統成本； 由于蓄電池負荷電流穩定， 基本無沖擊， 可延長蓄電池的使用壽命。

3）根據負荷大小和負荷的重要性， 可以選擇電源系統的容量、蓄電池的容量和組數、機柜數量及其自動切換裝置的數量等等。

4 結束語

超級電容在直流操作電源系統中， 可以根據負荷大小以及重要程度的不同， 實現不同的解決方案。合理選擇這些方案可以解決由于蓄電池而給電源系統帶來的環保、維護、壽命等問題， 提高了電源系統的可靠性、可維護性和可用性， 隨著超級電容的不斷發展， 其在直流操作電源系統中將獲得更廣泛應用。

[責任編輯：曹明明]