基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的配電自動(dòng)化終端直流電源設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉樹林 ，馬一博 ，劉 健

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710054）

0 引言

配電網(wǎng)自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離以及供電恢復(fù)，從而提高供電可靠性的重要手段，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分［1-2］，而配電自動(dòng)化終端裝置是實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)［3］，一般在戶外運(yùn)行，其中的電源不僅要對(duì)自身進(jìn)行供電還要對(duì)通信模塊及控制回路跳、合開關(guān)的儲(chǔ)能回路等［4］進(jìn)行供電。當(dāng)饋線環(huán)路出現(xiàn)永久性故障時(shí)，環(huán)路出線開關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致饋線全線停電，這時(shí)配電自動(dòng)化終端、通信設(shè)備、一次設(shè)備開關(guān)的操作都要求不間斷供電。因此，提供可靠的不間斷電源是配電自動(dòng)化終端開發(fā)設(shè)計(jì)中首要考慮的問題。傳統(tǒng)配電自動(dòng)化終端的直流電源通常采用蓄電池儲(chǔ)能以實(shí)現(xiàn)不間斷供電，但蓄電池存在使用壽命短、功率密度低、放電性能受溫度影響、充放電電流不能太大等問題［5-7］，因此，對(duì)于要求長(zhǎng)壽命和高可靠性且環(huán)境惡劣的應(yīng)用場(chǎng)合，使用蓄電池作為儲(chǔ)能元件就存在許多局限。

近年來，超級(jí)電容器 SC（Super-Capacitor）作為一種新興的儲(chǔ)能設(shè)備，與蓄電池相比，具有存儲(chǔ)能量大、充電速度快、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、功率密度高、超低溫特性好和綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)［8-10］，更適合應(yīng)用于需要瞬時(shí)提供大功率的場(chǎng)合［10-11］，同時(shí)，將SC與蓄電池組合的混合儲(chǔ)能技術(shù)，可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，已成為近年來的研究熱點(diǎn)［12-14］，并成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)［15-18］。

本文針對(duì)SC用作儲(chǔ)能元件的不間斷電源時(shí)所存在的問題，提出一種通過附加升壓變換器，從而有效提升超級(jí)電容儲(chǔ)能利用率的智能直流不間斷電源方案，并將其應(yīng)用于配電自動(dòng)化終端單元中，從而提高配電自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 智能直流不間斷電源系統(tǒng)的組成和原理

SC儲(chǔ)能智能直流不間斷電源系統(tǒng)主要由EMI濾波電路、AC／DC變換器、驅(qū)動(dòng)電路、升壓變換器、雙向可控開關(guān)、SC、控制器、按鍵、電源狀態(tài)顯示及告警信號(hào)輸出電路等構(gòu)成，如圖1所示。其主要原理為：輸入單相交流經(jīng)EMI濾波電路后輸入AC／DC變換器，根據(jù)控制器發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制信息，輸出滿足要求的直流電壓，一部分直流電壓經(jīng)過升壓變換器為配電自動(dòng)化終端提供穩(wěn)定的輸出電壓；在控制器的作用下，雙向可控開關(guān)正向?qū)ǎ硪徊糠种绷麟妷航?jīng)雙向可控開關(guān)為SC進(jìn)行恒流限壓充電，當(dāng)充電到設(shè)定電壓時(shí)，SC處于浮充狀態(tài)。

圖1 基于超級(jí)電容器的智能直流不間斷電源系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of intelligent DC uninterrupted power supply based on SC

當(dāng)交流失電時(shí)，控制器檢測(cè)到失電信號(hào)后，控制雙向可控開關(guān)反向?qū)?，SC通過雙向可控開關(guān)放電，再經(jīng)過升壓變換器向配電自動(dòng)化終端提供穩(wěn)定的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電自動(dòng)化終端的不間斷供電。同時(shí)，控制器向外部發(fā)出輸入失電告警信號(hào)，并顯示放電。當(dāng)SC放電至欠壓告警點(diǎn)時(shí)，控制器發(fā)出欠壓告警信號(hào)，并顯示欠壓；當(dāng)SC放電至設(shè)定的最小工作電壓時(shí)，系統(tǒng)停止為配電自動(dòng)化終端供電。

正常工作期間，升壓變換器的開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，AC／DC變換器的輸出直接向配電自動(dòng)化終端提供所需的直流輸出電壓，可減小開關(guān)損耗、提高效率。

通過按鍵可設(shè)定輸出電壓、輸出電流、最大充電電流及電壓和電流保護(hù)整定值等。智能直流不間斷電源系統(tǒng)還可與配電自動(dòng)化終端通信，通過調(diào)度中心可監(jiān)控電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

在交流失電時(shí)，為了充分利用SC儲(chǔ)能，所允許的最低工作電壓應(yīng)盡可能低，這樣SC的電壓將在很大范圍內(nèi)變化。因此，為確保交流失電期間，升壓變換器的電氣性能指標(biāo)滿足期望要求，升壓變換器的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。下文將對(duì)升壓變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)、SC最低電壓的確定及其容量的計(jì)算進(jìn)行深入討論。

2 SC的最小工作電壓確定及其容量設(shè)計(jì)

2.1 SC的最小工作電壓確定

SC的工作電壓范圍可從0到額定電壓，為提高其儲(chǔ)能利用率，本文提出引入升壓變換器提升輸出電壓值，但隨著電壓的降低，其存儲(chǔ)能量明顯下降，且給升壓變換器的設(shè)計(jì)也帶來困難。因此，需要綜合考慮各方面因素，確定SC的最小工作電壓。

假設(shè)放電前，SC的初始電壓為UM，最小有效工作電壓為Umin，則根據(jù)電容存儲(chǔ)的能量W=0.5CU2可得，由此造成的不可利用的剩余儲(chǔ)能WS（稱為“殘能”）與其初始能量WM之比，即剩余儲(chǔ)能比率ξ為：

根據(jù)式（1）可得，剩余儲(chǔ)能比率ξ與歸一化的電容電壓關(guān)系如圖2所示。

圖2 最小工作電壓與剩余能量的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between minimum operating voltage and residual energy

由圖2可見，WS并不隨著Umin的減小而線性減小。當(dāng)Umin下降到一定程度后，WS的減小變得很平緩，因此沒有必要將Umin設(shè)計(jì)得太低。由圖2可知，一般可以取Umin=0.5UM，此時(shí)，對(duì)應(yīng)能量利用率已達(dá)75%（剩余儲(chǔ)存能量比率僅25%）。

2.2 SC的容量設(shè)計(jì)

假設(shè)在直流不間斷開關(guān)電源中，失電后SC需要提供的功率為Po（輸出電壓Uo和電流Io的乘積），變換器的轉(zhuǎn)換效率為η，需要維持的時(shí)間為TW，則失電后，SC應(yīng)提供的能量為：

根據(jù)2.1節(jié)的分析，由于受到剩余儲(chǔ)能比率的限制，SC放電可提供的能量應(yīng)由初始電壓UM和有效最小工作電壓Umin決定，即SC可提供的能量為：

根據(jù)能量守恒，應(yīng)有 W1=W2，則由式（2）、（3）可得：

因此，可根據(jù)式（4）選取SC的容量CSC。

3 升壓變換器電感和電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高超級(jí)電容器儲(chǔ)能的利用率，輸入電壓將在較大的范圍內(nèi)變化，因此，智能不間斷電源系統(tǒng)中引入升壓變換器的設(shè)計(jì)也就變得尤為關(guān)鍵。輸出紋波電壓是升壓變換器的重要指標(biāo)之一，影響輸出紋波電壓的主要元件是電感和輸出濾波電容，因此，升壓變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮電感和電容的設(shè)計(jì)。

3.1 升壓變換器的輸出紋波電壓分析

升壓變換器的組成如圖3所示。

圖3 升壓變換器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of Boost converter

升壓變換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）與不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）及完全電感供能模式（CISM）與不完全電感供能模式（IISM）的臨界電感LC和LK分別為［16-17］：

其中，f為開關(guān)頻率；d為開關(guān)的導(dǎo)通比；RL為負(fù)載電阻；Ui、Uo分別為輸入和輸出電壓。 由式（5）和（6）可知，由于 d＜1，因此 LK＞LC。 因此，可將升壓變換器劃分為3種工作模式：①CISM；② 不完全電感供能且連續(xù)導(dǎo)通模式（IISM-CCM）；③不完全電感供能模式且不連續(xù)導(dǎo)通模式（IISM-DCM），如圖4所示。

升壓變換器工作在模式①、②、③時(shí)的輸出紋波電壓 UPP分別為［19-20］：

圖4 工作模式與電感及其最小電流的關(guān)系Fig.4 Relationship among operating mode，inductor and its minimum current

假設(shè)升壓變換器的輸入電壓變化范圍為［Ui，min，Ui，max］，負(fù)載電阻范圍為［RL，min，RL，max］，則在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)CISM與IISM的最小臨界電感LKA為：

在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，根據(jù)電感的不同取值，在電感L軸上，可將升壓變換器的工作區(qū)域分成5個(gè)區(qū)間，如圖5所示。其中，LKC為整個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)的最大電感。

圖5 升壓變換器的工作區(qū)域與電感的關(guān)系Fig.5 Relationship between Boost converter operating region and inductor

通過對(duì)5個(gè)區(qū)間的最大輸出紋波電壓進(jìn)行分析，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，當(dāng)L≥LKA時(shí)，升壓變換器的最大輸出紋波電壓在 Ui=Ui，min、RL=RL，min時(shí)取得極小值為：

可見，只要L≥LKA，則最大輸出紋波電壓的極小值與電感無關(guān)，這即是選擇電感和電容的依據(jù)。

3.2 升壓變換器的電感設(shè)計(jì)

對(duì)于升壓變換器，一方面，通常不宜將輸出功率較大的工作范圍設(shè)計(jì)成IISM-DCM，因?yàn)閷?duì)于相同的平均輸入電流，IISM-DCM的峰值電流較高，在較大的輸出功率時(shí)，開關(guān)器件上的電流應(yīng)力將很大。另一方面，要使變換器在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作在CISM，其UPP最小、開關(guān)器件上的電流應(yīng)力也較小，但由式（6）可知，電感的設(shè)計(jì)必須滿足：

顯然，此種情形下電感取值很大，將會(huì)影響變換器的動(dòng)態(tài)性能和體積。所以，電感的設(shè)計(jì)值應(yīng)該滿足 L＜LKC。

升壓變換器的設(shè)計(jì)通常以在整個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)UPP的最大值為依據(jù)。根據(jù)前文的分析可得，當(dāng)L≥LKA時(shí)，升壓變換器的最大輸出紋波電壓極小，且最大輸出紋波電壓的極小值與電感無關(guān)。所以，在給定的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)，最小負(fù)載電阻和最低輸入電壓所對(duì)應(yīng)的臨界電感LKA，即為在整個(gè)工作范圍內(nèi)，使得最大輸出紋波電壓極小的最小電感，即電感的最佳取值為：

3.3 升壓變換器的輸出濾波電容設(shè)計(jì)

通過分析輸出紋波電壓，根據(jù)式（11）可知，電容的最小理論值為：

由于電容存在等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），為達(dá)到期望的電壓紋波水平，在設(shè)計(jì)輸出濾波電容時(shí)，必須引入適當(dāng)?shù)脑６认禂?shù)λ，即：

通常，λ的取值為2～4。

4 應(yīng)用實(shí)例及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)饋線終端裝置（FTU）的性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)采用升壓變換器及SC儲(chǔ)能的智能直流不間斷電源系統(tǒng)，其交流輸入電壓為220±44 V，升壓變換器輸出為24V／1A，輸出紋波電壓UPP=24×2%（V）=480（mV），失電后系統(tǒng)還能維持工作 15min（900 s）。

4.1 SC的容量設(shè)計(jì)

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)可得：Uo=24 V、Io=1A、TW=900 s；假設(shè)升壓變換器的轉(zhuǎn)換效率為η=85%，SC的初始電壓UM=24 V，根據(jù)2.1節(jié)分析，選取Umin=0.5UM=12 V。因此，由式（4）可計(jì)算得到SC的容量 CSC≈117.6 F，本例中取SC容量為 120 F（電壓為 27 V）。

4.2 升壓變換器的電感和電容計(jì)算

對(duì)于升壓變換器，根據(jù)上述指標(biāo)和參數(shù)可得：Ui=12～24V、Uo=24V、Io=1A，則 RL，min=24 Ω，Ui，min=12V。本例中，升壓變換器的工作頻率f=100 kHz，則根據(jù)式（13）、（15）計(jì)算可得：電感的最佳取值為 LOPT=LKA=30μH，輸出濾波電容的容量為 C=31.5μF（λ=3）。 本例中，輸出濾波電容的容量取為33μF。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

a.升壓變換器的工作模式驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證變換器存在3種工作模式，取電感值為 60μH、25μH、10μH，分別對(duì)應(yīng) CISM、IISM-CCM和IISM-DCM，其輸出電壓和電感電流波形分別如圖6（a）、（b）和（c）所示。

圖6 升壓變換器電感電流和輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms of inductor current and output voltage of Boost converter

從圖6可看出：對(duì)于給定的負(fù)載、電容和開關(guān)頻率，升壓變換器將因電感的取值不同而工作于不同的模式，輸出電壓的紋波也會(huì)有顯著區(qū)別。開關(guān)關(guān)斷期間，在 CISM（L=60μH＞LKA=30μH）時(shí)，由于電感電流iL一直大于輸出電流，所以電感給電容充電，輸出紋波電壓上升，直到下個(gè)開通周期到來才開始下降，如圖 6（a）所示；在 IISM-CCM（L=25 μH＜LKA=30μH）時(shí)，開關(guān)關(guān)斷期間，輸出紋波電壓在電感電流iL下降到小于輸出電流時(shí)就開始下降，如圖6（b）所示，此時(shí)輸出紋波電壓隨著電感的減小而增加；在IISMDCM（L=10μH）時(shí)，開關(guān)關(guān)斷期間，電容電壓在電感電流iL下降到小于輸出電流時(shí)就已開始下降，所不同的是需要經(jīng)歷iL=0的下降段，如圖6（c）所示，所以此時(shí)的輸出紋波電壓最大。

b.升壓變換器濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證電感優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的正確性，令電感取值范圍為5～60μH，負(fù)載和升壓變換器的取值組合分別為：RL=24Ω、Ui=12 V；RL=24Ω、Ui=18 V；RL=72Ω、Ui=12V；RL=72Ω、Ui=18V。 對(duì)應(yīng)的 UPP分別如圖7所示。

圖 7 U PP與 R L、U i及電感的關(guān)系Fig.7 Relationship among U PP，R L，U i and inductor

從圖7中可以看出，當(dāng)變換器工作在CISM時(shí)，UPP與L無關(guān)。而當(dāng)L的取值大于相應(yīng)負(fù)載電阻和輸入電壓所對(duì)應(yīng)CISM和IISM的臨界電感時(shí)，其UPP最小。且當(dāng)電感L＞LKA=30μH（本設(shè)計(jì)取為39μH）時(shí)，升壓變換器的最大輸出紋波電壓約為350mV（小于480mV），達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

可見，最小負(fù)載電阻和最低輸入電壓所對(duì)應(yīng)的臨界電感，就是使得最大輸出紋波電壓極小的最小電感，且其極小值與電感無關(guān)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符。

c.電源的失電維持時(shí)間驗(yàn)證。

首先采用電阻器作為負(fù)載模擬待機(jī)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試待機(jī)時(shí)間。

當(dāng)系統(tǒng)上電進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)得SC的電壓UM=24.3 V，調(diào)節(jié)模擬電阻器使升壓變換器輸出電流為1 A。然后切斷輸入交流電源，開始計(jì)時(shí)，電容開始放電并維持正常輸出，直到輸出關(guān)斷，測(cè)得電容終止電壓為11.9 V，待機(jī)時(shí)間為912 s。

理論計(jì)算待機(jī)時(shí)間應(yīng)為953.9 s，但實(shí)測(cè)升壓變換器效率為85.5%，并考慮到雙向可控開關(guān)也會(huì)產(chǎn)生損耗，因此，912 s的待機(jī)時(shí)間已達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，與理論計(jì)算基本相符，說明了本文設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。

4.4 在配電自動(dòng)化終端中的應(yīng)用

采用該電源為GH-F30型FTU供電，斷電后的待機(jī)時(shí)間可達(dá)1543 s（超過25min），說明所設(shè)計(jì)的基于SC的不間斷電源完全可用于FTU。

通過FTU可將SC的工作電壓、電源的輸出電壓、工作狀況等信息以通信的方式傳到配電調(diào)度中心，使得用戶在遠(yuǎn)端即可對(duì)SC的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。用戶還可在調(diào)度中心對(duì)SC的充、放電電流或電壓進(jìn)行設(shè)定?；谠撝悄苤绷鞑婚g斷電源的配電自動(dòng)化終端產(chǎn)品已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，效果良好。

5 結(jié)論

采用SC作為儲(chǔ)能元件的智能直流不間斷電源，可在失電情況下，使配電自動(dòng)化終端實(shí)現(xiàn)不間斷供電。通過采用升壓變換器，可最大限度地降低SC的工作電壓，提高SC儲(chǔ)能的利用率，延長(zhǎng)失電情況下的待機(jī)工作時(shí)間。但考慮到SC所存儲(chǔ)能量隨著電壓的降低呈指數(shù)衰減，因此，其最小工作電壓設(shè)定為初始電壓的一半較為合理。根據(jù)斷電后所要維持的輸出功率及所期望的待機(jī)時(shí)間，提出了一種SC容量的設(shè)計(jì)方法。

在整個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi)，升壓變換器存在一最小電感，即最小負(fù)載電阻和最低輸入電壓對(duì)應(yīng)的CISM和IISM的臨界電感，只要電感取值大于該最小電感，則升壓變換器的最大輸出紋波電壓極小，且其極小值與電感無關(guān)，據(jù)此，得出了電感及輸出濾波電容的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

應(yīng)用實(shí)例及實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：利用所提出的設(shè)計(jì)方法及方案所研制的智能直流不間斷電源，可滿足配電自動(dòng)化終端供電電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。在調(diào)度中心即可對(duì)SC的充、放電及電源的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操控方便。

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