DTU備用電源的設(shè)計與研究

孫廣濤，曹善軍，翟賀鵬，鄭曉果，李燕燕，郅嬌嬌

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

隨著時代的發(fā)展，用戶對供電可靠性要求越來越高。環(huán)網(wǎng)柜是配網(wǎng)系統(tǒng)重要的組成部分，其可靠運行直接影響供電可靠性。其中，站所終端（Distribution Terminal Unit，DTU）、通信模塊等二次元器件作為環(huán)網(wǎng)柜的主要組成部分，其工作的穩(wěn)定性又直接影響環(huán)網(wǎng)柜的可靠性，因此為DTU、通信模塊等二次系統(tǒng)提供可靠的后備電源至關(guān)重要。目前，DTU常用的后備電源為鉛蓄電池。鉛酸電池在其壽命期內(nèi)存在電池臌脹、漏液等現(xiàn)象，給后期的維護(hù)帶來了一定的困擾。因此，新的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確鉛蓄電池和超級電容均需具備[1-2]。文中針對站所終端（DTU）備用電源設(shè)計了超級電容充放電控制電源，通過對充放電控制電源和超級電容各項參數(shù)的計算與選擇，詳細(xì)分析了超級電容充放電原理，實現(xiàn)輸出電壓紋波10%、充電電流紋波1%，實現(xiàn)了主備電源無縫切換，提高了站所終端設(shè)備的運行穩(wěn)定性。它可以在交流側(cè)失電情況下無縫向DTU、通信模塊等二次系統(tǒng)提供應(yīng)急供電15 min，滿足國標(biāo)要求。

1 后備電源的原理及要求

在供電系統(tǒng)回路中，DTU廣泛應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜、開閉所以及變電站等配電自動化終端，可以實現(xiàn)開關(guān)柜的運行狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)方/就地控制等。DTU各項功能的穩(wěn)定、可靠運行離不開二次電源，因此國標(biāo)要求DTU電源為雙路進(jìn)線電源且備用電源為鉛酸電池供電和超級電容供電，能夠?qū)崿F(xiàn)主備電源的無縫切換。目前，各個廠家的DTU電源管理模塊已實現(xiàn)二次主電源為雙進(jìn)線、備用電源為鉛酸電池和超級電容。但是，由于各個廠家采用繼電器實現(xiàn)無縫切換，導(dǎo)致主備電源切換存在幾秒至幾十秒的時間差，對DTU、通信模塊的正常工作存在安全隱患。另外，鉛蓄電池使用壽命可以達(dá)到8年，但在其壽命期內(nèi)存在電池臌脹、漏液等現(xiàn)象，因此后備電源選擇鉛蓄電池和超級電容變得十分必要。超級電容[3-4]的優(yōu)勢在于其使用壽命為10年，且在整個壽命期內(nèi)僅需定期檢測超級電容兩端電壓，不存在漏液、鼓脹等現(xiàn)象。超級電容的容量和壽命受環(huán)境影響較小，在10 kV配電網(wǎng)工程項目中已經(jīng)得到了推廣和應(yīng)用。根據(jù)DL/T721—2013《配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端》的規(guī)定，當(dāng)后備電源為超級電容供電方式時，應(yīng)保證停電后能分-合-分操作3次，維持終端及通信模塊至少運行15 min。超級電容充放電原理如圖1所示[5]，交流電源經(jīng)整流橋回路完成AC/DC變換，然后經(jīng)由Buck電路降壓斬波后完成DC/DC變換，逆變回路將電源逆變?yōu)楦哳l電源，經(jīng)高頻變壓器完成輸入/輸出隔離，最終經(jīng)過整流完成超級電容充放電。當(dāng)超級電容需要作為備用電源投入時，采用MOS管向負(fù)載供電，完成備用電源的無縫投入。

圖1 超級電容充放電原理示意圖

2 充放電回路硬件設(shè)計

超級電容的充放電硬件電路見圖1。MOS管VT1、二極管D2、電感L1以及電容C0組成BUCK降壓斬波電路。逆變回路將整流后的直流電源逆變?yōu)楦哳l電源，經(jīng)高頻變壓器隔離、整流后，經(jīng)電阻R1為電容充電，接觸器KJ2、電阻R1完成電容放電回路。當(dāng)主回路電流失電后，MOS管VT2迅速導(dǎo)通，完成主備電源的無縫對接。經(jīng)查《配電自動化終端技術(shù)規(guī)范》后，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 超級電容充放電技術(shù)指標(biāo)

2.1 電感計算

在Buck電路中，電感L1的選擇決定著整個充放電回路的帶載能力、紋波系數(shù)甚至整個充放電模塊的體積。電感計算公式如下：

式中：Vin為前級輸入電壓，Vout為前級輸出電壓，Ton為MOS管導(dǎo)通時間，I0為前級輸出電流。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，MOS管導(dǎo)通時間跟占空比D和周期T成正比，因此：

將表1中的參數(shù)代入式（1）和式（2）中，計算電感L1得1.1 mH，設(shè)計時按1.5倍裕量取2 mH。

2.2 輸出電容參數(shù)計算

Buck電路中，前級輸出電容的選擇直接影響輸出電壓的紋波和瞬態(tài)過沖電壓。由于文獻(xiàn)[6]輸出電壓的紋波與電容等效串聯(lián)電阻（ESR）成反比、與電容容值成正比，因此降低輸出電壓紋波的途徑選擇低ESR高容值的電容。但是，低ESR的電容成本較高，選擇多個電容并聯(lián)的方式。

將表1中的參數(shù)代入式（3），計算得電容C0為0.2 μF。由于系統(tǒng)工作時不可避免的短暫過沖和設(shè)計時的裕量，選擇低ESR的陶瓷電容C0為20 μF。

2.3 高頻變壓器的選擇

高頻變壓器一般選擇AP法得到變壓器的AP值，進(jìn)一步計算變壓器的原邊、副邊線徑以及匝數(shù)等參數(shù)，具體計算公式如下[7]：

式中：Jcmil/A表示變壓器的電流密度，取500 cmil/A；Bmax表示鐵氧體磁芯，取1 500 Gs；K表示窗口面積的填充系數(shù)，取0.4。

變壓器的初級匝數(shù)與次級匝數(shù)比為：

根據(jù)法拉第定律，計算變壓器原邊匝數(shù)：

其中，Ae表示磁芯橫截面積。

原邊和副邊的導(dǎo)線線徑跟流過該導(dǎo)線的電流有限制有關(guān)，因此原邊和副邊的導(dǎo)線線徑計算如下：

3 控制回路設(shè)計

電源控制回路主要包含PWM波電路、軟啟動電路、三角波電路、過流保護(hù)電路以及過壓保護(hù)電路等。由于初期電容無電荷和電源初始階段無輸出導(dǎo)致的初始輸出誤差，會在電源啟動過程中出現(xiàn)涌流和過沖電壓。涌流和過沖電壓的存在會導(dǎo)致MOS管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)熱嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致整個電源控制模塊失效、損壞。將文中參數(shù)導(dǎo)入spectre軟件，得到如圖2所示的波形圖。

圖2 未加軟啟動的波形圖

由圖2可以看出，當(dāng)未加軟啟動電路時，有一個接近4.8 A的涌流，嚴(yán)重超過了輸出電流。因此，設(shè)計了軟啟動電路，如圖3所示。

圖3 軟啟動電路

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，用三極管、電容和電阻的方式組成軟啟動回路，通過控制電容電壓的上升率來控制輸出電壓誤差。當(dāng)電容C3兩端電容上升過程中，誤差放大器不會有輸出，從而避免在電源模塊初始階段MOS管一直有輸出發(fā)熱損壞。加軟啟動后，仿真波形如圖4所示。

圖4 加軟啟動后的仿真波形圖

4 超級電容回路設(shè)計

依據(jù)DL/T 721—2013的規(guī)定，超級電容應(yīng)提供15 min內(nèi)DTU、通信模塊、其他二次設(shè)備和斷路器分-合-分操作3次所需的能量。目前，DTU的容量,小于等于30 VA，通信模塊15 VA，其他二次設(shè)備預(yù)計30 VA。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，環(huán)網(wǎng)柜分合閘消耗的是瞬時功率，分合閘持續(xù)時間為2～3個工頻周波合計0.1 s，斷路器儲能能時間約為15 s，因此斷路器完成一次分-合-分循環(huán)需要的總能量約為：

式中，Ed表示斷路器消耗的總能量，E1表示斷路器分合閘瞬間消耗的能量，E2表示斷路器儲能消耗的能量。

因此，計算超級電容在15 min內(nèi)需要的能量：

式中：Eq表示DTU、通信模塊和其他二次設(shè)備消耗的能量。

設(shè)計中，超級電容工作電壓為60 V，因此選擇單體容量為3 V/3 000 F，采用20個單體電容串聯(lián)、3個并聯(lián)的方式。經(jīng)查，該型號單體電容的最小工作電壓為1.67 V。參考文獻(xiàn)[10]的超級電容能夠釋放的總能量為：

式中：M表示電容串聯(lián)個數(shù)，N表示電容并聯(lián)個數(shù)，C表示容量。

5 結(jié) 論

文中介紹了站所終端（DTU）備用電源的原理，通過搭建超級電容充放電硬件電路、控制回路、回路各項參數(shù)計算與選擇，詳細(xì)分析了超級電容充放電原理，實現(xiàn)了輸出電壓60 V、紋波10%、充電電流2 A、紋波1%，實現(xiàn)了主備電源無縫切換，提高了站所終端設(shè)備的運行穩(wěn)定性，為智能電網(wǎng)的可靠運行提供了堅實的基礎(chǔ)，可為配網(wǎng)工程中超級電容的設(shè)計和管理提供借鑒。