超級(jí)電容器高功率直流電源系統(tǒng)研究

萬(wàn)二平，何嘯月，何 靈，傅博宇，馬新甜

（寧波中車(chē)新能源科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

超級(jí)電容器作為一種綠色新型的儲(chǔ)能器件，由于其瞬時(shí)放電電流大、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、軌道交通和重型機(jī)械等領(lǐng)域[1]。對(duì)于重型機(jī)械類(lèi)型的設(shè)備需要的大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單個(gè)電容的電壓和能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其使用要求。因此，為了滿足容量和電壓等級(jí)的需要，一般將多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)和并聯(lián)作為輔助高壓直流電源。該方式正逐漸進(jìn)入成熟的應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。

1 超級(jí)電容器高功率直流電源系統(tǒng)原理

超級(jí)電容器高功率直流電源系統(tǒng)由超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)和充放電控制系統(tǒng)組成[2]。系統(tǒng)主要利用超級(jí)電容的高功率特性對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)需要使用電源設(shè)備對(duì)外部負(fù)載輸出放電時(shí)，首先控制系統(tǒng)（含充電機(jī)）根據(jù)設(shè)備電壓狀態(tài)、通過(guò)主令按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電；然后，控制系統(tǒng)根據(jù)輸出指令和主控制按鈕對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電輸出。充放電過(guò)程通過(guò)散熱風(fēng)扇對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2 超級(jí)電容器高功率直流電源系統(tǒng)的組成及部件功能

2.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)是多只超級(jí)電容器串并聯(lián)組成的[3]。超級(jí)電容器單體額定工作電壓2.5 V，最高電壓2.7 V，額定電容量3 000 F。系統(tǒng)由380支電容單體串聯(lián)、多組并聯(lián)而成，以滿足系統(tǒng)的電壓和功率要求[4]。

2.2 充放電控制系統(tǒng)組成

主控制系統(tǒng)由交流輸入電路、EMC部件、三相整流濾波電路、大功率DC/DC主電路、輸出電路、儀表主令部件、驅(qū)動(dòng)電路板、控制電路板和放電電路組成[2]，如圖1所示。

圖1 充放電控制系統(tǒng)組成原理

（1）交流輸入電路由電源開(kāi)關(guān)、輸入主回路熔斷器、充電接觸器、預(yù)充電電阻和交流控制電源電路組成。

（2）EMC部件用于抑制輸入端電磁干擾信號(hào)。在充電電源輸入側(cè)設(shè)置兩級(jí)濾波器，第一級(jí)用于抑制電壓諧波，第二級(jí)用于抑制輸入電流諧波。

（3）三相整流濾波電路主要由三相整流全橋和濾波電容構(gòu)成。它將三相AC380V變換成DC500V輸出給大功率DC/DC主電路，同時(shí)輸出給控制電路板，用于控制板輸入欠壓判斷。

（4）大功率DC/DC主電路主要由IGBT橋式換流器、高頻整流橋和濾波電容等組成。

（5）輸出電路主要由分流器、反沖電流抑制電路和輸出熔斷器組成。

（6）儀表、主令部件包含充電電源面板上的充電電流表、充電電壓表、按鈕和指示燈。

（7）驅(qū)動(dòng)電路板用于隔離傳輸信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT橋式換流器，并實(shí)現(xiàn)IGBT過(guò)流檢測(cè)保護(hù)。

（8）控制電路板根據(jù)設(shè)備狀態(tài)、主令按鈕實(shí)現(xiàn)充、放電電路和散熱風(fēng)扇的控制，產(chǎn)生IGBT橋式換流器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，并根據(jù)充電電流的大小改變脈沖寬度，以保持充電電流的穩(wěn)定。

3 總體控制方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控制操作系統(tǒng)采用西門(mén)子S7300系列PLC產(chǎn)品。硬件配置具體包括：西門(mén)子CPU314（配置2M存儲(chǔ)卡）、24 V直流電源、16路DI/DO數(shù)字量輸入模塊、8路AI/AO模擬量輸入/輸出模塊和WEINVIEW觸摸屏?？刂葡到y(tǒng)的測(cè)量采集對(duì)象主要包括高壓輸出信號(hào)的處理、電壓和電流等傳感器信號(hào)的采集和反饋處理。圖2描述了PLC控制系統(tǒng)的控制方案和算法[5]。

圖2 PLC控制算法

PLC程序根據(jù)系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，西門(mén)子STEP7組態(tài)軟件提供梯形圖、語(yǔ)句表和方框圖的編程方式，采用塊編輯方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的編輯方式，程序調(diào)用實(shí)時(shí)性強(qiáng)，優(yōu)化余地大。

主程序功能包含DC/DC控制、充放電控制、輸入輸出顯示、報(bào)警控制及參數(shù)記錄等功能[5]。表1為主要功能表意義，表2為程序主要功能塊意義[5]。

表1 控制程序功能表

表2 控制程序功能塊表

主控系統(tǒng)操作界面具有豐富的顯示信息，包含母線電壓、輸出電壓和輸出電流等。

在界面頂部有系統(tǒng)狀態(tài)信息，包含設(shè)備的充電狀態(tài)、故障狀態(tài)等信息。監(jiān)控畫(huà)面可執(zhí)行的操作有充電啟停和數(shù)據(jù)清除功能。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)用戶測(cè)試驗(yàn)收，該超級(jí)電容器高功率直流電源系統(tǒng)達(dá)到了用戶的技術(shù)要求，且具有以下特點(diǎn)：

（1）電源系統(tǒng)功率密度大，最大瞬時(shí)輸出功率不低于1 MW；

（2）儲(chǔ)能裝置能在700～950 V范圍內(nèi)充電儲(chǔ)能和放電輸出，工作電壓范圍寬；

（3）自動(dòng)充電、放電一體化設(shè)計(jì)，方便使用，減少設(shè)備占用空間。

此外，該超級(jí)電容高功率電源系統(tǒng)還具有自動(dòng)補(bǔ)充、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)和溫度分段控制等功能[4]，具有良好的效果，在重型裝備上將有更廣泛的應(yīng)用。

[1] 張 琦，王金全.超級(jí)電容器及應(yīng)用探討[J].電氣技術(shù)，2007，（8）：67-70.

[2] 劉成印，李 強(qiáng)，薛安忠，等.超級(jí)電容直流操作電源究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28（11）：115-117.

[3] 張 彬，劉 君，穆世霞.超級(jí)電容器串聯(lián)技術(shù)的研究[J].電氣技術(shù)，2009，（9）：53-56.

[4] 張慧妍，齊智平.超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的設(shè)計(jì)分析[J].電源技術(shù)，2006，30（4）：322-325.

[5] 羅 冰.PLC控制技術(shù)在大功率直流電源監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013，（5）：6-7.