超級電容在直流操作電源系統(tǒng)中的應(yīng)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(gòu)成直流操作電源系統(tǒng)中的儲能部件， 可以解決蓄電池直流操作電源系統(tǒng)中存在的問題， 提高電源系統(tǒng)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(tǒng)中的多種應(yīng)用方案。

【關(guān)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(tǒng)存在的問題

蓄電池直流操作電源系統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)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(qū)，加上現(xiàn)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(guī)定要求進行活化試驗、環(huán)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(tǒng)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(zhì)。工作時， 在可極化電極和電解質(zhì)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(tǒng)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(huán)保、壽命長、對環(huán)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(tǒng)可靠性， 減少系統(tǒng)維護麻煩。

3 超級電容在直流操作電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

超級電容與蓄電池相比具有維護簡單、設(shè)備環(huán)保、成本低、可放電次數(shù)多、環(huán)境條件要求低等優(yōu)點， 其缺點是容量密度有待進一步提高， 要實現(xiàn)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(jù)直流操作電源的應(yīng)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(yè)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(shè)計代替蓄電池， 由于整流器已經(jīng)在電源模塊上采用了冗余設(shè)計， 這樣電源模塊和超級電容均采用了冗余設(shè)計，提高了電源系統(tǒng)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(tǒng)可靠性的方法是整流器和超級電容均采用冗余設(shè)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(shè)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(tǒng)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(jù)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(lián)。

3）兩路整流器輸出通過單母線分段方式向負荷供電， 根據(jù)負荷不同可選擇兩段母線分段運行， 故障時母聯(lián)開關(guān)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(lián)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(jié)合的方式， 來提高電源系統(tǒng)的可靠性、可維護性和使用壽命。設(shè)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(jié)合的直流操作電源系統(tǒng)。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(jīng)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(tǒng)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(jīng)常負荷供電， 這樣可以降低蓄電池的容量， 降低系統(tǒng)成本； 由于蓄電池負荷電流穩(wěn)定， 基本無沖擊， 可延長蓄電池的使用壽命。

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

4 結(jié)束語

超級電容在直流操作電源系統(tǒng)中， 可以根據(jù)負荷大小以及重要程度的不同， 實現(xiàn)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(tǒng)帶來的環(huán)保、維護、壽命等問題， 提高了電源系統(tǒng)的可靠性、可維護性和可用性， 隨著超級電容的不斷發(fā)展， 其在直流操作電源系統(tǒng)中將獲得更廣泛應(yīng)用。

[責任編輯：曹明明]