超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现.doc

超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现Control Strategy of Feeder Terminal Unit based on the Supercapacitor DC Storage Energy System珠海许继电气有限公司封连平刘红伟Zhuhai XJ Electric Co.,Ltd.Feng Lianping Liu Hongwei摘要：超级电容器是近年出现的一种介于电池与电解电容器之间的新型绿色储能元件，具有电容器功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。为了推动超级电容器在电力控制系统的应用范围，通过工程实践介绍超级电容器在FTU控制系统中的应用原理和实际效果。Abstract：Supercapacitor,a new energy storage components between batteries and electrolytic capacitors developed in recent years,has many advantages,i.e.the high power density,the long service life,maintenance-free,fast charging and discharging.To expand its appllication range in FTU electric power control system.With engineering experience,the working principle and effects of supercapacitors in FTU control system is introduced.关键词：超级电容绿色后备电源馈线远方终端单元Key words：Super-capacitor Green standby power Feeder terminal unit(FTU)中图分类号：TM531文献标识码：B又较大，无法维持事故分闸所需要的能量。事故1.前言分闸可靠性差，导致事故扩大。10kV配电网自动化的一个重要环节是在架空为了保障分闸的能量，有些用户对现场的线路上，安装具有自动化功能的开关设备。而柱FTU安装蓄电池作停电时的电源，还要配备充电上开关设备装设在户外，承受恶劣的运行环境。器和逆变器。然而蓄电池长期运行不作维护，性如须适应-4070运行温度，须对风沙、雨能无法保持。事故可靠分闸亦同样无保证。为解雾、防腐等有可靠的防护。同时，由于邻近高决上述工作电源问题，引入超级电容器在柱上开压，当中的二次部分需要承受强电场、大电流、关设备的应用。雷电等的干扰。因此对这种柱上开关设备装的性2.超级电容的技术特性能和质量要求特别严格。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器按电力行业标准定义，配网自动化终端设备件，它介于电池与普通电容之间，具有电容的大为馈线远方终端FTU(Feeder terminal unit)，主要电流快速充放电优点，也有电池的储能特性。可功能是故障检测、就地保护控制、状态监控、远重复使用、寿命长。放电是导体间的电子移动，程控制和电量测量及与配电自动化系统中心主站而不依靠化学反应，可以为设备提供电能。通信。2.1超级电容的技术原理故障位置判断、隔离故障区段、恢复正常区域供电，是配电网自动化最重要的功能。为实现超级电容器属于双电层电容器，是世界上容这项功能必须确保在故障期间，能够获取停电区量最大的双电层电容器之一。其工作原理与其它域的信息，并通过远方控制跳开一部分开关，再种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔合上一些开关。如果该区域停电，无论是计算机电极和电解质组成的双电层结构来获得超大的容系统工作所需的电源或是通信系统所需的电源，量。传统物理电容的储电原理是电荷在两块极板以及跳闸或合闸所需的操作电源，都无法解决。上被介质隔离，两块极板之间为真空(相对介电常电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简数为1)或一层介电物质(相对介电常数为)所隔单、成本低、维护量小的特点，它在FTU中得到离。超级电容器结构原理如图1所示，电容值为了广泛的应用。但是它的一个致命的缺陷是：储。其中A为极板面积，d为介2能电解电容器组容量不大(约几千微法)，漏电流质厚度，所储存的能量为E=0.5C(V)。6 10 6.3-p eA(F)1研究与专论研究与专论2.2超级电容器的特点和优势超级电容在电力系统馈线远方终端单元中主要有以下用途：一是作为分、合闸直流电源，二是作为馈电线终端单元后备电源。3.1 FTU的电源回路配置原理图FTU的电源回路工作原理见图2。其中T为交流变压器(AC220V/35V)，BR1为KBP206整流桥，C1为超级电容器模组，其外观见图3。DC/DC为宽电压输入隔离稳压多路输出电源模块。线路有电时，DC/DC电源模块为FTU提供工作电源，C1提供给开关设备的电动分闸机构分闸电源。当线路失电时，C1作为FTU的后备电源，同时也为开关设备的电动分闸机构提供分闸电源。3.2超级电容参数分析与传统的电容器及二次电池相比，超级电容图2中超级电容C1为电容模组，它由2.7V超器储电能力比普通电容器高，并具有充放电速度级电容单体串联而成，当中包含均压电路保护快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用板，输出电压等级为81V，参数见表4。温度范围宽和安全可靠等特点。超级电容器选型参数：T输入侧为AC220V电3.超级电容在馈线远方终端单元FTU中压，馈电线终端单元电源采用10kV线路线电压的应用PT(10kV/220V)取电。PT二次侧输出电压经变压图1超级电容结构原理图+-多孔电极多孔电极电解液电位充电态图2工作原理T 48V市电AC220V保险管NR NR NR BR1 C1稳压电源DC/DC分合闸执行回路PS12 PSG P+12 AG P-12 P5 DG+-开入输量入/输出回路模拟量输入/输出回路人机交互接口及显示通信接口微处理系统图3超级电容器模组超低串联等效电阻(LOW ESR)，即等效内阻极低，功率密度(Power density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上)；超长寿命，充放电大于50万次，是锂离子电池的500倍，是镍锰和镍镉电池的1000倍。如果对超级电容每天充、放电20次，连续使用可达68年；可以大电流充电，充、放电时间短，要求充电电路简单，无记忆效应，密封免维护。温度适应范围宽-40+70(一般电池是-2060)。表3与电池比较2超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现表1超级电容器特点体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍，容量范围：0.1F1000F；充、放电线路简单，无需蓄电池那样的充电电路，真正免维护；充、放电能力强，且充电速度快，10秒内达到额定容量的95%；失效开路，过电压不击穿，安全可靠；超长寿命，可长达40万小时以上；单体电压类型：2.5V、2.7V。表2与传统电容器比较超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克质量的表面积可达2000 2m。超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值10nm；巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容值。一个超级电容单元的电容值，可以从一法拉至几千法拉。电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大；传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿；较大电流以加快充电速度。后期采用恒压充电，可在充电结束前小电流继续充电，直到充满，可避免超级电容器内部高温而影响超其特性。图5为电源模块(电源模块容量为48V/10A)向超级电容器充电的恒流充电特性曲线。超级电容器充电电压基本呈线性变化，验证了超级电容器大电流快速充电的特点。超级电容器恒流充电时间近似计算：器降压整流后，向馈电线终端单元提供直流供电。根据10kV电力系统终端设计标准，设备需满足电网工作电压20%(AC220)的要求。因此，超级电容输出81V电压等级相当于57.6V(481.2)，预有足够的裕量。选择1.2F电容能满足装置停电后工作80s。由图5可知，电压由16V充电至48V所需时间3.3超级电容器等效电路模型为3.75s。考虑到误差因素，理论值与实测值特性超级电容器的等效模型见图4。其中，EPR为一致。等效并联内阻；ESR为等效串联内阻；C为等效容3.5超级电容器恒功率充电特性分析通过变压器恒功率充电的方法，相对于恒流抗；L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏充电方法，充电电路简单，不需要单独充电电源电流，即影响电容的储能时间。EPR通常很大，模块，只需通过简单的整流电路即可实现。图6为可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电超级电容器恒功率充电曲线。恒功率充电时间近似计算公式：其中，W为变压器整流后的有用功率，约为c 31W。容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。图6为电容器由变压器进行恒功率充电的曲线3.4超级电容器恒流充电特性分析图，电压由0V充电至50V所需时间为50s。考虑到恒流限压充电的控制最高电压为48V，恒流误差因素，理论值与实测值特性一致。充电结束后转入恒压浮充，直到超级电容器充3.6超级电容器恒阻抗放电特性分析满。采用这种充电方法的优点是：第一阶段采用图4超级电容器的等效模型ESR EPR CL图6恒流充电曲线0 10 20 30 40 50 010 20 30 40 50 60 12 25 36 42 44.5 46 47 46 50电压值V充电时间s(s)84.3 10 322.1=I dvC t图5恒功率充电曲线60 50 40 30 20 10 00.00 1.00 2.00 3.00 4.00 16 20.6 24.9 29.6 33.4 38 42.1 46.5 48电压值V充电时间s(s)39.48 31 2502.1 22 2=c WCU t表4超级电容参数阈值电压2.65V0.2V；工作电压范围03.5V；旁路电流500mA；漏电流1mA；工作温度-4085超级电容单体压电路保护板单体内阻40m；容量30F；电压等级2.7V；体积2535(mm)；漏电流1mA；工作温度-40+703研究与专论超级电容器采用恒阻抗放电测试结果如图7所示，即在电容模组两端直接并联电阻进行放电测试，并联电阻为50，100W。恒阻抗放电时间理论计算：8为它在10kV架空馈线的典型接线图，控制器与分段器安装于主干线上，以实现线路短路保护故障隔离。图8中，CB为变电站配电线出口断路器；C1为分支线重合器或带重合功能的断路器；F1，F2为分段器成套设备。本分段器控制器采用故障电流计数式原理，对重合器(或带重合闸功能的断路器)故障电流的式中：底数e=2.718；T是时间常数=RC；Uc为开断次数进行计数。当动作次数达到分段器控制电容电压；Uc为电容初始电压。0器的整定次数时，分段器控制器在重合器开断故障电流后输出分闸信号，分段器分闸，隔离故障点，控制器自动恢复到初始状态；当重合器故障电流开断次数在故障记忆时间内(包括复位时间和过流记忆时间两部分)未达到整定次数，分段器控制器自动恢复到初始状态，分段器不动作。如图8所示，分段器F1整定次数为3次，F2整定次数为2次，f3处发生故障，重合器在分段器F2跳闸隔离故障之前跳闸，并重合一次。在重合器第二次跳闸后，分断器控制器输出分闸信号并图7为超级电容电压由48V经50电阻放电至自动恢复到初始状态，分断器跳闸，隔离故障区10V时的曲线图，电容电压Uc按指数规律下降，间3；重合器再次合闸，区间1和区间2恢复供电。放电时间约为110s，接近理论值109.83 s。超级电容应用于成套就地保护装置，在重合器跳3.7超级电容器用于分闸电源测试闸，分段器失电的情况下，超级电容作为控制器选用某户外架空负荷开关FZW28-12(F)进行的后备电源，满足分段器控制器在重合器重合闸电容分闸测试，其分闸电压为DC48V，测试结果过程中装置的正常工作。同时满足分段器控制器如表5所示。在故障记忆2次，重合闸跳闸。分段器控制器失电后，超级电容器作为分闸电源，控制器能够可靠控制分段器开关本体分闸，隔离故障。5.结束语从工程应用分析来看，选用超级电容作为后分闸时间均为20ms，每次压降约为2V，电压备电源，既能满足馈电线终端单元交流失电后维36V，装置分闸可靠性下降。因此，交流失电持工作时间的需求，又能满足保护功能的交流失后，装置仍能可靠分闸5次，已经满足10kV馈电电分闸的需求，是户外馈电线终端单元的一种理线路保护装置的要求。想后备电源。4.工程应用实践随着社会经济的发展，绿色能源和生态环境用超级电容器作为后备电源的分段器馈线保越来越受到关注。超级电容器是一种新型的无污护控制器已在辽宁、北京等地进行了试运行。图染绿色储能器件，是户外架空电力设备及太阳能图7恒阻抗放电曲线0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120 010 20 30 40 50 60 40 32 30 22 20 16 11 10电压值V放电时间s(s)83.109 569.1 70 48 10 ln 2.1 50 ln ln 00=-=-=-=Uc URC Uc UT tc c图8 10kV架空馈线的典型应用图变电站10kV母线CB C1 F1 F2 f3区间1区间2区间3表5电容分闸次数测试表分闸次数1 23 45电容端电压(V)46 44 42 40 38 4超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现清洁煤发电的CCS和IGCC联产技术Clean Coal Power Generation,CCS and IGCC Caol Power Techology解放军76410部队屈伟平PLA unit No.76410 Qu Weiping摘要：煤气化联合循环(IGCC)发电技术是煤气化和燃气-蒸汽联合循环的结合，是当今国际正在兴起的一种先进的洁净煤(CCT)发电技术，其具有高效、低污染、节水、综合利用好等优点。碳捕捉及封存技术(CCS)和整体煤气化联合循环技术(IGCC)被认为是最有潜力的技术。这里简要介绍了整体煤气化联合循环(IGCC)系统、构成及发展现状，总结了二氧化碳的收集方式和封存方法。指出了成本问题是困扰CCS和IGCC的联产应用的主要障碍。Abstract：IGCC power generation is acombination of coal gasfication and gas-steam-turbine combined circlation generation.Combining with CCT,IGCC is aspringing up advanced clean coal power generation techology with advantages of high efficience,low pollution,water saving.IGCC combined with CCS is considered to be apotential generation technology.Here the structural system,configuration and recent utilitis is introduced in brief.The collection technique of CO is concluded as well.The high cost of 2IGCC,the reasons that baffles its application is pointed out.关键词：IGCC CCS洁净煤发电技术可持续发展Key words：IGCC CCS Clean coal power generation technology Sustainable development中图分类号：TM611文献标识码：B目前，全球最公认的降低二氧化碳排放方法是1.导引CCS(Carbon Capture and Storage碳捕捉及封存技随着人类对能源需求的不断增加，提供能量术)。该技术要求首先对燃煤发电中产生的二氧化的主要资源化石燃料正在迅速地减少。化石能源的过度开发、消耗带来地球的生态危机日益严碳进行捕捉和收集，然后将收集到的二氧化碳运送重。煤的高效和清洁利用，是社会可持续发展的到一个合适的场所进行封存。碳捕捉及封存技术战略决择，是保证能源稳定可靠供应以及可持续(CCS)和整体煤气化联合循环技术(IGCC)二者结发展的重要基础。因此，发展高效和洁净煤发电合，除了提高燃煤效率之外，更重要的是CO的零2技术迫在眉睫。排放。整体煤气化联合循环(Integrated Gasification美国GE(General electric,通用电气)与神华集团Combined Cycle，IGCC)发电技术是新一代先进的于2009年11月17日签署协议，将开展战略合作以进燃煤发电技术。它既提高了发电效率，又解决了一步提高IGCC技术商业应用；扩大煤气化技术在环境问题。IGCC把高效、清洁、废物利用、多联中国的应用，并共同促进带碳捕捉与封存(CCS)技产和节水等特点有机地结合起来，是21世纪最有术的整体煤气化联合循环(IGCC)商业应用。化石能发展前途的洁净煤发电技术。源的碳排放中煤炭的排放系数最高。目前清洁煤技的研究D.中国科学院研究生院(电工研究所),2006(上接第4页)2夏熙,刘洪涛.一种正在迅速发展的贮能装置超电容光伏发电的理想储能电源。超级电容在电力系统器(2)J.电池工业