超级电容器在变电站直流系统中的应用
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【摘要】本文针对目前变电站直流系统存在的使用寿命短、蓄电池老化导致功率输出能力下降和为了满足短时大功率需要等问题，利用新兴储能器件――超级电容器，提出了一种混合储能的直流系统实现方案。该方案利用超级电容器功率密度大、循环寿命长等优点，能够有效提高直流系统的功率输出能力、延长直流系统的使用寿命和改善其技术经济性，从而提升直流系统的可靠性和经济性。
【关键词】超级电容器;母线电压;直流系统;分合闸
1.引言
电力工程直流系统是变电站的控制、保护、信号和通信装置的操作电源，同时还可以作为独立的事故照明电源。它直接关系着电力系统的安全可靠运行，对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏尤为重要。故提升直流系统运行的安全性和可靠性是电力系统一个至关重要的问题。目前绝大多数直流屏均采用蓄电池作为储能元件，蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件，一要满足合闸等冲击性负荷所需最大放电电流要求;二要满足对经常性负荷持续供电的时间要求。由于蓄电池功率密度低，大电流输出能力差，为了提高直流屏的操作可靠性，不得已采用大容量的功率型蓄电池组，蓄电池组不仅价格昂贵，使用寿命短，还必须按规定定期维护，蓄电池组不经常承担合闸任务，长时间处于浮充电备用状态，维护不及时，会出现诸多问题。在关键时刻，就可能造成分闸操作失败，酿成事故，2013年贵州4.29事故等国内多起电网事故说明基于蓄电池的直流系统可靠性问题。为了保障电力系统安全可靠经济运行，提高直流系统的安全性、可靠性和延长其使用寿命是必要的。
超级电容器作为一种新型电力储能技术，由于其动态响应速度快，储、释能效率高，能够实现快速充放电，瞬间大电流输出能力强。与蓄电池相比，在功率密度、充电时间、使用寿命以及环境温度等方面具有很大的优势，这些优点正是变电站直流电源系统需要的，不仅提高了操作可靠性，而且使用寿命长降低的成本，因此，用超级电容器储能并联在蓄电池的两端作为变电站分合闸操作的电源，是一个新的正确的解决方案。但如果仅采用超级电容器作直流电源系统的储能单元，虽满足分合闸操作要求，但一些110kV等重要的变电站在电网停电后需要2～4小时的直流供给，超级电容器的能量密度比较低，无法保证长时问的持续供电。为了解决这一问题，采用超级电容器一蓄电池混合储能直流电源方案是比较好的选择。
综上所述，本文针对现有直流系统存在的问题，结合超级电容器与蓄电池的各自特点，提出了一种基于超级电容器的直流系统混合储能设计方案，该方案结合了超级电容器和蓄电池组的优势，具有可靠性高、脉冲输出功率大、寿命长、免维护和节能环保的特点，将具有重要意义。
2.超级电容器的原理及特性
2.1 超级电容器的基本原理
超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在（如图1所示）。
图1 超级电容器原理图
图2 直流系统混合储能电路原理图
2.2 超级电容器的主要技术性能
（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上;
（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”;
（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%;
（4）功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍;
（5）产品原材料构成、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源;
（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护;
（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～ +70℃;
（8）检测方便，剩余电量可直接读出。
3.超级电容器应用于直流系统的原理及特性
3.1 直流系统混合储能的工作原理
直流系统混合储能电路原理图如图2所示。E是蓄电池组;C是超级电容器组;L1是对蓄电池组输出电流进行滤波的电感;R1是冲击电流的限流电阻;R2是超级电容器充电限流电阻;VD的作用是为超级电容器放电提供通路，避开R1的限流作用（如图2所示）。
当蓄电池不能正常输出稳定电压时，且有负载冲击作用，内阻小的超级电容C-Rload-VD-C，给负载提供功率需求;使负载电流保持稳定。超级电容器在吸收或释放能量的同时，其端电压会相应的升降，而且电压变化范围比较大，然而，超级电容器单独储能作为小功耗直流设备备用电源时，用电设备对直流电压质量都有一定的要求，电压骤升、电压骤降等均影响设备的正常运行，这就要求超级电容器直流储能系统在释放能量或吸收回馈能量的同时，还要有稳定输出直流电压的能力。
3.2 超级电容器在直流系统中的接线（如图3所示）
图3 电容器在变电站直流系统中的电路原理图
图4 超级电容器充电时间测试
3.3 超级电容器电容的选择
根据充电机运行参数要求，充电机输出过压允许值为+20%UN，对于DC110V系统图，即为132V。由于超级电容器正常运行时和充电机同挂于母线，故可将充电机输出过压值允许值设置为超级电容器组极限高电压。因直流母线电压要求为±10%，超级电容器正常运行下时挂于母线，常处于浮充状态，且考虑其他补偿因素，故设定模组充电电压122V。考虑超级电容器组的安全、寿命及散热等因素故对其充电电流进行限制，充电限流为1A。
当充电机及蓄电池不能正常工作时，要求电容器输出功率至少可保证保护装置动作时间，对于任何一种继电保护，其动作时间都能在数秒钟内完成，因为留有了充足的跳合闸的能量，所以说它非常可靠。关于电容储能的计算：假设放电前电压U1、放电后U2，则按公式电能W=0.5CU*U，假设此时动作电流为20A，故设定正常电压从122V以20A放电10S钟时间，电压跌落不低于100V，需要的能量W=110*20*10=22000=W1-W2=0.5C（U1*U1-U2*U2），计算出的电容器需要的电荷量：则C=22000/0.5/（122*122-100*100）=10F，要求电容大于10F。综上，确定超级电容器组性能指标如下：
（1）模组极限高电压：135V;
（2）模组充电电压：122V;
（3）模组的额定充电电流，充电限流1A;
（4）放电特性：正常电压从122V以20A放电10S钟时间，电压跌落不低于100V;
（5）电荷量：电容大于10F。
本项目是将性能接近的56只超级电容器串联成一个模组，三个模组并联而成，装在一个1.2M高的19蓟柜内组成超级电容模组。同设计的电压均衡电路相连后封装组成超级电容模块，使电容模块内各单体电容电压控制在额定值，避免过压对电容的损坏，提高超级电容的储能。
4.超级电容器应用的有关实验数据
以绿索超容公司的电容器为例，将超级电容器的进一步研究试验数据为例，说明超级电容在变电站中的适用性。
4.1 超级电容器充电时间测试
每个模组内部已限制了1A的充电电流。当3个模组并联时，充电电流限制在3A。充电电压不能超过模组上限电压135V。不同的充电电源对充电速度有影响，但不管什么电源，电容由零伏充至额定电压的时间与充电电流直接相关。以后，长期浮充电流在0mA-10mA变化（如图4所示）。
图5 超级电容器自放电测试
图6 超级电容器带经常性负载的带电测试
4.2 超级电容自放电测试
将超级电容充至135V后，与负载完全脱离，隔日同一时间测量电容端电压记录如表5所示。端电压下降速度与是否经过浮充有关，束经浮充开始几个小时达2V/h-3V/h。既每小时下降2V-3V，经过浮充半小时以后，自放电速度明显变缓。在正常运用时，超级电容处在长期浮充状态，完全断开负载后可维持有效电压达3天（如图5所示）。
4.3 带经常性负载的放电试验
模拟当电网失电后，由电容放电来维持直流母线电压的试验。根据电力工程电气设计手册中关于直流系统控制母线电压允许波动范围为85%-110%的额定电压，当额定电压为110V时，电压波动范围为93.5V-121V。表6是母线电压121V，电容放电至93.5V时，不同负载的维持时间的实测值（如图6所示） 。
本文立足于超级电容器直流储能单元的研究与应用，建立了超级电容器与蓄电池直接并联储能方案，分析了该方案的性能改善及其影响因素。基于超级电容器应用的直流系统，与传统蓄电池相比较，有很多优点：
（1）在现有直流电源系统中，在供电系统全停电情况下，蓄电池放电至下限时，无法提供分、合闸的能量，而在本设计中，超级电容器仅用做分合闸操作，确保了操作的高度可靠性。
（2）超级电容器和蓄电池组分别采用两种不同的充电方式，优化了各自的充电过程。超级电容器不存在过充和过放电的的问题，只要充电电压不超过其最高电压即可，无需复杂的限压限流滤波等措施，超级电容器直流电源简化了充电装置，减小了故障率，降低了成本。
5.结论
对超级电容器应用于直流电源，通过一系列的试验，验证了超级电容器应用于直流电源系统的可行性，对于实际现场工作具有一定的理论意义和实用价值。
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作者简介：张焕（1989―），女，山东菏泽人，大学本科，2007年毕业于东北电力大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，现供职于广东电网公司佛山供电局，研究方向：继电保护。