基于超級電容的DTU后備電源系統(tǒng)設(shè)計

宋德勝 陳淑琴

摘 要：針對傳統(tǒng)DTU后備電源高低溫性能差、循環(huán)壽命短、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，本文提出了一種基于超級電容的DTU后備電源系統(tǒng)設(shè)計，在分析DTU對后備電源的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，本文對該后備電源系統(tǒng)進(jìn)行了電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后通過使用Arbin超級電容測試設(shè)備，分別對所設(shè)計超級電容模組的容量內(nèi)阻和后備電源系統(tǒng)的模擬工況進(jìn)行了全面測試。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計超級電容DTU后備電源系統(tǒng)滿足DTU相關(guān)技術(shù)要求，具有較好的推廣價值和市場前景。

關(guān)鍵詞：超級電容器；DTU；后備電源系統(tǒng)

1 引言

在電力配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，站所終端DTU主要安裝在配電網(wǎng)饋線回路的開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜等處，可以實現(xiàn)對供電線路的遙信、遙測、遙控等功能[1]，對配網(wǎng)供電的可靠運(yùn)行起著非常重要的作用。由于DTU裝置一般安裝在戶外，其工作環(huán)境比較惡劣，因此，DTU后備電源系統(tǒng)的可靠性和免維護(hù)性非常重要。

目前，DTU裝置所使用的后備電源多為鉛酸電池或鋰電池[2]，但由于這兩種電池具有高低溫性能差、循環(huán)壽命短等缺點(diǎn)，使其維護(hù)成本較高。超級電容器是一種隸屬于物理儲能的新型儲能器件，由于其具有高低溫性能好、免維護(hù)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)[3]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、軌道交通等領(lǐng)域[4，5]。本文將依據(jù)天津供電公司對DTU 后備電源的技術(shù)要求，設(shè)計一款基于超級電容的DTU后備電源系統(tǒng)，并通過模擬DTU運(yùn)行工況驗證了該系統(tǒng)的可行性。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計

以國家電網(wǎng)天津供電公司對DTU后備電源的技術(shù)要求為例，其要求超級電容型DTU后備電源系統(tǒng)220VAC輸入，48VDC輸出，超級電容模組額定電壓63V，模組內(nèi)阻不大于25mΩ，模組容量不小于200F，且模組提供的電量能夠滿足80W負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行60min前提下，然后操作400W電機(jī)進(jìn)行12次啟停操作（模擬開關(guān)分合閘），其中啟動時間10s，停止時間40s。為實現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計的基于超級電容的DTU后備電源系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 超級電容DTU后備電源系統(tǒng)拓?fù)鋱D

本文使用2.7V350F超級電容單體，然后將超容單體進(jìn)行串并聯(lián)組成DTU用超級電容后備電源模組。根據(jù)模組額定電壓要求，超容單體串聯(lián)數(shù)量為：

（1）

為提高超級電容后備電源模組使用的通用性，本文設(shè)計24串超容單體為一個子模塊，然后通過多個子模塊并聯(lián)實現(xiàn)DTU所需容量要求。則子模塊容量為：

（2）

根據(jù)超級電容DTU后備電源系統(tǒng)帶載能力要求，電源系統(tǒng)所需提供的總電量為：

（3）

由電源系統(tǒng)技術(shù)要求可知，超容模組需要220VAC輸入和48VDC穩(wěn)定輸出，故選擇CPW-A300型AC/DC模塊和CPW-D400型DC/DC模塊實現(xiàn)其技術(shù)要求，其中CPW-D400模塊的輸入電壓范圍為22V～63V，故由公式 ，得

（4）

由公式（2）和公式（4）可得，所需子模塊的并聯(lián)數(shù)量為：

由于天津供電公司所提供技術(shù)要求已在國網(wǎng)DTU技術(shù)規(guī)范上充分考慮裕量，故本文設(shè)計中不再考慮電量設(shè)計裕量。

3 實驗研究

為驗證上述超級電容DTU后備電源系統(tǒng)是否滿足技術(shù)要求，本文擬使用Arbin超級電容測試設(shè)備分別對超容模組和后備電源系統(tǒng)進(jìn)行了容量內(nèi)阻測試和DTU工況測試。

3.1容量內(nèi)阻測試

使用Maxwell六步法對本文所設(shè)計的24S14P超容模組進(jìn)行容量內(nèi)阻測試，其中，充放電電流為20A。測試曲線如圖2所示。

圖2 超級電容模組容量內(nèi)阻測試曲線圖

根據(jù)上述測試曲線和測試數(shù)據(jù)可以推算出超容模組的容量和內(nèi)阻分別為：217.88F

和20.57mΩ，模組測試容量均大于技術(shù)要求容量和理論設(shè)計容量；內(nèi)阻實際值小于技術(shù)要求值。故模組容量內(nèi)阻滿足需求。

3.2 DTU工況測試

根據(jù)技術(shù)要求，所設(shè)計超級電容DTU后備電源系統(tǒng)需滿足80Wh不間斷放電，并進(jìn)行400W電機(jī)啟停12次。因該工況測試的電壓均為48VDC，故可將功率測試等效為恒流測試。為提高測試通用性和節(jié)約測試成本，本文使用Arbin設(shè)備對上述過程進(jìn)行恒流放電模擬測試，通過Arbin設(shè)備測試軟件進(jìn)行編程測試，得到系統(tǒng)輸出電壓和超容模組電壓曲線如圖3所示。

圖3 超級電容DTU后備電源系統(tǒng)電壓曲線

由圖3可知，本文所設(shè)計的超級電容DTU后備電源系統(tǒng)能夠滿足80Wh和400W電機(jī)電量需求，且在400W電機(jī)測試完成后仍有部分電量富余，從而驗證了本文所設(shè)計電源系統(tǒng)的可行性和適用性。

4 結(jié)束語

為提高DTU后備電源的高低溫特性和免維護(hù)特性，本文設(shè)計了一款基于超級電容的DTU后備電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超級電容模組、AC/DC模塊、DC/DC模塊和相關(guān)配件組成。通過使用Arbin超級電容測試設(shè)備，分別對所設(shè)計超級電容模組的容量內(nèi)阻和后備電源系統(tǒng)的模擬工況進(jìn)行全面測試。實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計超級電容DTU后備電源系統(tǒng)滿足DTU相關(guān)技術(shù)要求，具有較好的推廣價值和市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 514-2013 配網(wǎng)自動化終端/子站功能規(guī)范[S]. 北京：中國電力出版社，2013.

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（1.作者身份證號碼：371481198204054571；

2.作者身份證號碼：132525198110244527）