超級電容在智能變電站直流供電系統中的應用

李順昕，霍菲陽，劉 麗，李 莉，張曉冬

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 北京 100053；2.北京交通大學 電氣學院，北京 100044）

超級電容在智能變電站直流供電系統中的應用

李順昕1，霍菲陽1，劉 麗1，李 莉1，張曉冬2

（1.國網冀北電力有限公司經濟技術研究院 北京 100053；2.北京交通大學 電氣學院，北京 100044）

針對智能變電站一體化直流供電系統存在的不足，本文提出了基于超級電容的分布式直流供電系統，并對其相關內容進行了研究。首先對分布式直流供電系統進行了總體設計，其次對超級電容進行了容量匹配，對雙向DC-DC變換器進行了選型與參數設計，最后對并聯均流技術進行研究，完成了對均流控制單元的設計。

智能變電站；直流系統；超級電容；雙向DC-DC變換器

隨著智能電網的不斷發展和長期運行實踐的積累，智能變電站直流供電系統采用一體化電源的供電方式逐漸暴露了一些不足之處。首先，一體化電源供電系統采用蓄電池組作為備用電源，但是蓄電池組存在單只蓄電池質量影響整組蓄電池工作性能，新舊蓄電池難以匹配，蓄電池的使用帶來環境污染以及蓄電池組檢修、維護及更換成本高等問題。另外，一體化電源供電系統采用集中式供電模式，該種模式存在直流電源柜接線多，直流電屏布置復雜，負荷間干擾嚴重，直流母線電纜傳輸距離遠，基建成本高以及蓄電池組故障影響全站直流負荷供電等問題[1-2，5]。針對智能變電站直流供電系統存在的不足，文中提出了基于超級電容的分布式直流供電系統，并對其相關內容進行了研究。

1 基于超級電容的分布式直流供電系統總體結構設計

目前，智能變電站直流供電系統普遍采用一體化直流電源結構。該種電源結構需要選用大容量的蓄電池組，一旦發生電源故障，極易導致整個直流系統癱瘓，嚴重時甚至會造成電力系統大面積停電。常規的變電站集中式的直流電源系統結構框圖如圖1所示，直流系統各負載均從直流母線獲取電源，由于線路電流較大，且傳輸距離較遠，導致由線路引起的壓降過大，造成負載的供電電壓均波動較大，降低了直流系統的供電質量；并且，該種供電方式布線復雜，傳輸距離遠，容易對系統中其他信號造成電磁干擾，影響信號的有效、準確傳遞。

文中提出的分布式直流供電系統用超級電容替代蓄電池組作為系統儲能元件，采用標準模塊化設計，以多模塊分散并聯冗余方式取代傳統集中式直流供電系統中充電機、串聯蓄電池組、蓄電池巡檢的設計。文中提出的優化設計方法是按照負荷性質兼顧地理位置對直流供電系統負荷進行分組，并根據實際需求配置不同容量的超級電容標準模塊組。分布式直流供電系統的結構圖如圖2所示，各個模塊提供給負載的電壓質量只與模塊本身有關，且按與負載就近原則進行配置，因此電壓穩定。

圖1 集中式直流供電系統結構

圖2 分布式直流供電系統結構

分布式直流供電系統中并聯用超級電容標準模塊主要由AC/DC模塊、超級電容組、雙向DC-DC變換器模塊、狀態監測及通信等部分組成。直流供電系統負荷獲取電源的途徑有兩種，一是交流電源經過AC/DC變換器變換后為負載提供電源；另一個是由超級電容組放電為負載提供電源。變電站正常運行時，交流側電源經AC/DC變換器變換后既為負載供電，又對超級電容充電；當交流側斷電時，由超級電容向負載供電，并維持一定的供電時間。

通過將超級電容組與與之匹配的AC/DC變換器模塊、雙向DC-DC變換器模塊等器件創新設計為并聯用超級電容標準模塊，多只并聯用超級電容標準模塊采用并聯冗余的方式進行組合，組成滿足實際需要的分布式超級電電容模塊組，解決了蓄電池存在的問題[3-4，6，8]。

2 超級電容的選擇與雙向DC-DC變換器的設計

2.1 超級電容的選擇

文中將變電站直流供電系統負荷按電壓等級兼顧地理位置進行分組，將直流供電系統負荷分為動力負荷、控制負荷及弱電控制負荷等3類。其中專供動力負荷的供電電壓為直流220 V，專供控制負荷的供電電壓為直流110 V，弱電控制或弱電接線的供電電壓為直流48 V。

根據變電站直流供電系統負荷統計要求，可得到 《電力工程直流系統設計手冊》中的典型工程算例，其中照明負荷功率為4.5 kW[7]。

超級電容組是由超級電容單體經過串并聯組合而成，在變電站交流電源斷電時，超級電容組經雙向DC-DC變換器為直流系統負荷提供直流電源，因此，要求設計的超級電容組具有足夠的儲能，進而需要對超級電容單體進行串并聯組合。超級電容儲能具有以下特點：

1）超級電容單體儲存的能量可按式（1）計算

ESC為超級電容單體所儲存的能量，C為超級電容單體容量，USC為超級電容單體端電壓。

2）超級電容的端電壓一般在其最大電壓值的50%～100%范圍內變化，即超級電容的放電深度一般按0.25計算，也可理解為超級電容可釋放的能量一般為其可儲存最大能量的75%。SOC取值范圍如下：

其中，SOC為超級電容的放電深度，是用來標稱當前超級電容容量的狀態參數。SOC的定義可從電量角度或能量角度定義，若從能量角度定義，其計算公式如式（3）。

從式（3）可知，通過控制超級電容的兩端電壓即可以調節超級電容的儲能，其控制較蓄電池來說就比較方便。通過檢測準確可靠的狀態參數對超級電容進行管理與控制，從而能夠更有效的使用超級電容，減少對其損害，延長其使用壽命[9-10]。

所以依據上述原則設計超級電容組的電容值如式（4）所示。

通過以上分析，可推出超級電容的串聯數m和并聯數n的計算公式。

根據以上約束條件，在確定超級電容組整體容量與超級電容單體參數的條件下，超級電容組的各個參數就能確定。該變電站直流負荷中事故照明負荷為4.5 kW，若選用美國Maxwell公司的BMOD0165P048型超級電容，其額定電壓為48 V，容量為165 F，內阻為5 mΩ，則若按照需保證變電站停電后2 h內的直流供電，2 n倍對超級電容進行容量配置，則需配置超級電容總能量為：

又超級電容單體工作時可釋放能量為：

則根據已知條件及式（6）和式（7）得，每只并聯用超級電容標準模塊需要超級電容21塊，m=3，n=7。

2.2 雙向DC-DC變換器的設計

隔離式雙向DC-DC變換器存在隔離變壓器，通過調節隔離變壓器的增益來實現雙向DC-DC變換器的大范圍調壓，結構復雜，成本高。而非隔離式雙向DC-DC變換器具有結構簡單、功率開關器件較少以及成本低等優點。本文選用技術比較成熟的雙向半橋型拓撲結構的非隔離式雙向DC-DC變換器作為并聯用超級電容標準模塊中的雙向DC-DC變換器[12-14]。其結構圖如圖3所示。雙向變換器不需要選取低壓側的濾波電容，原因是低壓側連接的是大容量超級電容組，因此設計重點是儲能電感L和高壓側濾波電容Cd。本文中對雙向DC-DC變換器參數的設計要求如表1所示。

1）電感值L的選擇

本設計中選取IGBT為開關管，為了減小無源器件的體積和減少變換器的噪聲，開關頻率采用10 kHz。

主電感作為雙向DC-DC變換器核心器件之一，其數值的大小主要由電路的工作模式和電流紋波的大小所約束。本文中的雙向DC-DC變換器是在電感電流連續狀態下工作的，因此可以先算出臨界連續導電模式下雙向DC-DC變換器的電感值。圖4所示為變換器電感電流連續模式下電感電流的示意圖，其中，ΔI表示峰值電流與電流平均值之差，Ipeak表示電感的峰值電流，Iavg表示電感的平均電流，D表示Boost模式下的占空比，T表示變換器的開關周期。

表1 雙向DC-DC變換器參數要求

圖3 雙向DC-DC變換器結構

圖4 電路臨界導通時電感電流變化圖

則可以得出公式（8）：

其中，VL為電感兩端的電壓，V1為輸入端電壓，V2為輸出端電壓，P0為超級電容向直流供電系統提供的最大功率[15]。

主電感平均值與變換器功率之間的關系為：

電感電流最大值，最小值和平均值之間的關系如下：

在電感電流臨界連續模式下，ΔI=Iavg，推導出臨界電感值為：

根據本文對變換器的參數要求，得L=796 μH

由于本文需要電感電流工作在連續模式下，因此，取 L=800 μH。

2）高壓側濾波電容值Cd的計算

當交流側電源斷電時，變電站直流供電系統由超級電容提供電源，超級電容儲存的能量通過雙向DC-DC變換器為直流供電系統提供能量。在電感電流連續模式下，在每一個開關周期高壓側電容充電或者放電的能量為ΔQ，則由ΔQ形成的紋波電壓可表示為：

可計算得在電感電流連續模式時，指定電壓紋波限值，需要的電容值為：

根據本文的參數設計要求計算得Cd=625.7 μF取 Cd=1 000 μF。

3 超級電容標準模塊并聯均流設計

多模塊電源并聯運行要求各并聯模塊能夠實現電流自動平衡，即均流。本文采用最大電流法均流技術實現系統的均流，采用UC3907作為其控制芯片。

并聯均流是通過控制每個電源模塊的功率級來實現的。電源系統中各個整流模塊電路相互并聯對負載供電，每個整流模塊上裝一個UC3907控制芯片，在電源系統中安裝一條電流均分總線。通過檢測每個模塊輸出電流，由于二極管的單向導電性，輸出電流最大的模塊被指定為主模塊，其電流信號為母線電壓信號。根據主模塊數據對其他模塊的輸出電流進行調節，使其向主模塊增值，直到各并聯電源模塊的輸出電流達到均流要求。圖5為并聯電源模塊采用最大電流法時的工作示意圖，均流電路嵌在電壓環補償電路中，芯片內部提供的電壓基準值與均流信號的和構成了有效電壓基準值。第i個并聯模塊的輸出通過連接電阻Zci連接到公共點，均流信號ICOM為最大電流模塊的電流信號，有效電壓基準值VRi為基準電壓 VREFi與信號 Mi（ICOM-Ii）的和。

采用UC3907芯片控制電源系統實現均流技術的過程可概括為利用均流母線、UC3907芯片與光藕電路，實現并聯電源模塊的輸出電壓反饋，將其與集成芯片UC3907的基準電壓相比較，產生誤差電壓，實現對PWM控制器與驅動器的控制。系統工作過程中，動態選擇主模塊，依據主模塊輸出電流調節從模塊輸出電流，實現負載電流的均分。圖6為對本文并聯電源模塊采用UC3907控制時的均流控制單元的設計。

圖6中，R1與R2為并聯電源模塊輸出電壓監測電阻，電容C1、C2與電阻R5共同組成反饋補償網絡D1s與R9用來指示主模塊，電流傳感器H1用來監測并聯電源模塊的輸出電流。濾波電容C3的主要作用時用來降低電流調整引發的噪聲。控制芯片UC3907、均流母線及光藕組成電壓負反饋電路。在對電壓環進行調節時，不需要考慮電流環的作用，控制芯片UC3907內部參考電壓值不變。若系統已處于穩定狀態，當模塊輸出電壓變大時，則引腳11的輸入電源變大，均流控制電壓減小，驅動放大器的輸出電流變大，反饋電壓增加，并聯電源模塊輸出電壓降低，回到系統穩定狀態。電壓環節的調節過程屬于閉環負反饋控制。根據UC3907的電流環結構可以得出，當電壓環已經穩定時電流環的調節作用才體現出來。如果并聯電源模塊的輸出電流的反饋電壓低于均流母線電壓，則控制芯片的調整放大器輸出變大，電壓放大器基準值變大，電壓環開始起調節作用，并聯電源的模塊輸出電壓增加，輸出電流增大，各并聯電源模塊的輸出電流實現均衡。

圖5 N個電源模塊并聯工作示意圖

圖6 UC3907應用電路圖

4 結 論

文中以超級電容在智能變電站直流供電系統中的應用為主要研究內容，主要包括基于超級電容的分布式直流供電系統的總體結構設計、并聯用超級電容標準模塊結構的設計、多模塊電源并聯均流的設計。

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The application of super capacitor in the DC power supply system of intelligent substation

LI Shun-xin1，HUO Fei-yang1，LIU Li1，LI Li1，ZHANG Xiao-dong2
（1.National network of North China Electric Power Co LTD ，Beijing 100053，China； 2.School of Electrical Engineering ，Beijing Jiaotong University ，Beijing 100044，China）

This paper puts forward a distributed DC supply system based on super capacitor，which aims at solving the shortage of the DC power supply system of the smart substation.It also makes referencing research on this system.Firstly，it puts forward a distributed DC supply system based on super capacitor and designs it.Secondly，the capacity of super capacitor is matched to the designing requirement and the type and parameters of bidirectional DC-DC power converter is also confirmed.Finally，Parallel current sharing technology is presented in the paper，and the current sharing control unit is also designed.

intelligent substation；DC system；the super capacitor；bidirectional DC-DC power converter

TN711.2

：A

：1674－6236（2017）14-0073-05

2016-06-06稿件編號：201606051

李順昕（1972—），男，安徽蕪湖人，碩士，高級工程師。研究方向：電力系統規劃。