毕业设计（论文）-大容量电容器直流电源的设计.doc

摘 要针对当前一些末端变电站中使用蓄电池式直流电源存在的问题，设计了基于大容量电容器储能的直流电源方案。大容量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，产品规格化无需定制，便于扩容等特点，被认为是一种非常有前途的电能存储器件。大容量电容器直流电源是大容量电容器储能系统中最为关键部位，其可靠工作对提高大容量电容器储能系统的效率和能量利用率，增强储能系统的可靠性具有重要的意义。本文立足于大容量电容器直流电源的研究与应用设计，建立了大容量电容器储能的等效模型；分析了大容量电容器的运行原理，总结了其储能特性与优点；分析了直流电源的并列均流技术，实现了开关电源的模块化设计；根据设计方案的分析，采用扰动前馈加反馈控制策略实现直流电源储能单元控制，最后用MATLAB 进行仿真实验，验证了大容量电容器应用于直流电源系统的可行性和优越性。关键词：大容量电容器，电能储存，直流电源II河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录AbstractSome end of the substation for the current DC power supply used in the battery problem, design a large-capacity capacitor energy storage based on the DC power supply options. Large-capacity capacitor energy storage technology as a new type of power, because of its dynamic response speed, storage, release energy efficient, standardized product without customization, ease of expansion, etc., is considered a very promising energy storage device. Large-capacity capacitor DC power is the large-capacity capacitor energy storage system in the most critical parts of their work to improve the reliable large-capacity capacitor energy storage system efficiency and energy efficiency, and enhance the energy storage system reliability is of great significance. This large-capacity capacitors based on the research and application of DC power supply design, build large-capacity storage capacitor equivalent model; analysis of large-capacity capacitor operating principle, summed up the storage characteristics and advantages; analysis of parallel DC power supply are streaming technology, to achieve a modular switching power supply design, according to the design scheme of analysis, using disturbance feedforward plus feedback control policy implementation control DC power storage unit; Finally, Jin Xing MATLAB simulation experiments verify a large-capacity capacitor used in DC power system feasibility and superiority.Key words: Large-capacity capacitors, energy storage, DC目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 选题的意义11.2 直流电源介绍21.3 直流电源系统中的蓄电池组及其存在问题21.3.1 镉镍蓄电池直流电源21.3.2 密封铅酸蓄电池直流电源31.4 大容量电容器简介41.5国内外研究综述51.6 论文的主要研究内容及主要工作5第二章 直流电源系统62.1 充电模块62.1.1 充电模块发展现状62.1.2 高频开关电源72.1.3 开关电源模块并联均流技术82.2 调压模块102.2.1 硅链调压102.2.2 DC/DC 变换器调压112.3 监控部分112.4 本章小结12第三章 大容量电容器直流电源系统设计133.1 大容量电容器储能的特点133.2 大容量电容器简化模型143.3大容量电容器用于直流电源问题的引出153.4 大容量电容器直流电源系统可行性分析163.5大容量电容器直流电源系统设计173.5.1 CD10型电磁操动机构173.5.2 大容量电容器单体的选择183.5.3大容量电容器直流储能单元的组成183.5.4全桥变换器193.5.5开关电源高频变压器203.5.6大容量电容器放电原理图设计213.6大容量电容器直流电源短时放电仿真研究223.6.1 前馈补偿器的设计233.6.2 反馈控制器的设计243.6.3 仿真结果及分析243.7 结论27第四章 总结与展望284.1 全文工作总结284.2 进一步工作展望28参考文献29致谢31附录A：大容量电容器图片32附录B：大容量电容器应用图片33附录C：国内某厂家生产的大容量电容器参数3438第一章 绪 论1.1 选题的意义直流电源作为供电电源，在变电站、发电厂、大中型厂矿企业等供电系统中占有很重要的地位，主要用于向控制、保护、通信设备、自动装置操作机械和调节机械的传动机构供电，同时还可以作为独立的事故照明电源，所以其性能及可靠性直接影响到整个供电系统的正常安全运行1。在我国l10kV、35kV、10kV终端变电站以及厂用6kV配电系统，广泛采用了蓄电池直流电源和硅整流电容储能直流电源作为操作、控制以及保护电源。由蓄电池组成的直流电源，可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的直流供给，在一些重要变电站(如110kV 及以上级别的变电站)应用广泛23。然而有些末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给，只是在分、合闸操作时需要直流电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直流电源，必然带来很高的运营成本，设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。另外故障率也因其电池的多节串联而增加，任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的正常工作，且废弃蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存在的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，大容量电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一题带来了希望45。储能，尤其是大容量的电力储能，一直是困扰业界的难题。而伴随着脉动性用电设备的日益增多，对储能装置提出了更高的要求。从某种意义上讲，适宜的储能装置，将是对世界科技和装备发展的一次革命。开展储能系统的研究，具有非常重要的现实意义和长远意义。当前，大容量电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对大容量电容器储能技术开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、可再生能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个新的解决方案。大容量电容器单独储能在我国仅仅出于理论研究，而系统的研究大容量电容器直流储能单元、大容量电容器充电均压及其实际应用设计可以为大容量电容器的产业化发展打开市场之门，意义深远。河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录1.2 直流电源介绍直流电源中的操作直流电源是保证发电厂和变电所正常、安全运行的电源设备，亦可以用于石化、冶金、矿山、建筑及电气化铁路等需要220V（110V）直流电源的场合。在发电厂和变电所中，直流控制负荷和动力负荷对安全性、可靠性和运行稳定性要求较高。直流控制负荷包括电气和热工系统的控制电路、信号回路、保护电路、通信设备、自动装置、事故照明和某些执行机构等，直流动力负荷包括断路器分合闸的操作机构，火电厂中的汽轮机润滑油泵、发电机氢密封油泵及给水润滑油泵的直流电动机等，直流电源系统，作为变电站中不可或缺的二次设备，对发电厂和变电站正常、安全运行乃至整个电力系统的稳定运行，都起着极为重要的作用。直流电源系统在电力系统中兼有控制电源和保安电源的双重作用，电力操作直流电源部分由充电模块、电池组、调压和微机监控等几部分构成。1.3 直流电源系统中的蓄电池组及其存在问题1.3.1 镉镍蓄电池直流电源直流母线输出 220V电压时，一般由180只蓄电池组成。蓄电池在加工生产中不可能做到每只电池的充放电特性完全一致，虽然生产厂家在出厂时进行了匹配组合，到了用户手中就没有多少挑选的余地。在使用中用同一个充电电源，又向同一负荷放电，久而久之由于个别电池的特性差别越来越大，而影响整个装置的性能。镉镍蓄电池在运行中长期处于浮充状态，充电机性能的好坏直接影响电池的寿命。一般厂家承诺电池寿命大于l0年，但在实际运用中往往只有35年。这是因为浮充电流如果过大，会使电解液中的水电解成氢和氧，这两种气体混合是危险的爆炸气体，如果通风不良就有可能发生危险。过充电会使电池冒液，在电池外表及连接片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构件，降低绝缘，使自放电增加。过充电还会产生氧化还原反应，在负极板上生成氧化镉，减少极板有效面积，容量减小，这就是俗称的“记忆”效应。镉镍电池有较硬的放电特性，放电量达到80时，电压下降也不明显，因此稍有疏忽就会造成电池过放电，导致极性反转而报废6。由于直流电源是变电站设备中的重中之重，直接影响到变电站的安全运行，直流电源是日常必检项目。河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录1.3.2 密封铅酸蓄电池直流电源由于镉镍蓄电池维护量大，一种免维护密封铅酸蓄电池 (简称阀控蓄电池或VRLA电池)开始得到广泛应用。因为是全密封电池，无需加水，这给维护带来很多好处，但同时也给观测和维护带来困难。“免维护”这一名词给使用者带来认识上的错误，导致使用者放松对蓄电的日常维护和管理。由于阀控蓄电池在我国问世只有10年左右，至今还没有特别成熟的制造、运行经验7。1、阀控蓄电池的寿命厂家说明书将蓄电池的寿命标注为10年、15年、20年，是过分夸大了，因而在说明书上标称5年比较合理；对于胶体蓄电池，如德国阳光、银彬等可用10年以上。另外厂家说明书上标注的寿命是有前提的，要在规定的运行温度、标准的充放电方式(包括负载大小)下运行，实际上这些条件只有在实验室才能达到。2、影响阀控蓄电池寿命的主要因素(1)阀控蓄电池寿命对温度十分敏感生产厂家要求电池运行环境温度为1525，当环境温度超过25，每升高10电池寿命就要缩短一半。例如对5年期寿命的电池，当环境温度为35时，实际寿命只有2.5年，如果再升高10达到45时，其寿命只有约1.25年了。安装阀控蓄电池的配电室，室内温度还要高，对蓄电池的运行极为不利。(2)过度放电蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。这种情况主要发生在交流停电或充电模块损坏后，蓄电池组为负载供电期间。当蓄电池被过度放电到输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表面，形成电池阴极的“硫酸盐化”。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。(3)板栅的腐蚀在开路状态下，铅合金与活性二氧化铅直接接触，而且共同浸在硫酸溶液中，它们各自与溶液建立不同的平衡电极电位。正极栅板不断溶解，特别是在过充电状态下，正极由于析氧反应，水被消耗，H增加，从而导致正极附近酸度增高，反栅腐蚀加速。如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄，容量降低，会缩短使用寿命。(4)长期处于浮充电状态蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录池内阻急剧增大，实际容量远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。(5)失水蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减小。当失水5.5时，容量降到 75；失水达到25时，容量基本消失。目前，为了改善蓄电池的工作过程，延长其使用寿命，对系统的能量管理做了很多的工作，如改进充放电方法；进行过充过放保护；根据多种条件判断蓄电池的荷电状态，如端电压、温度、电解液密度、充放电电流等。而且，针对分布式发电系统的特点，对蓄电池器件本身进行改进，如优化板栅合金，加大极板厚度等，这些措施可以有效地延长蓄电池的使用寿命，尽管如此，基于电化学反应的可充电蓄电池在直流系统中存在着一定的局限性，很难达到预期的性能要求和技术指标，大容量电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了福音。1.4 大容量电容器简介大容量电容器亦称双电层电容器，是近年来出现的一种新型能源器件（各种大容量电容器图片可参见附录A，大容量电容器的应用可参见附录B），所以称之为“大容量”，是因为与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数千法拉。各种储能元件储存能量形式大不一样，电池以电化学能的形式储存能量。电化学能在电池的两个极板的界面处通过电化学反应发生转化。传统物理电容由电极和电介质构成，储存的电能来源于电荷Q在两块极板上的分离，两块极板被真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数）所隔离，其储能量比较小。大容量电容器填补了电池和传统的物理电容之间的空白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的8。能获得大的比电容是因为极板为活性炭，它具有极大的有效表面积S。传统物理电容中所储存的能量随外加电压的升高而连续升高，直到电介质被击穿。而电池中所储存的能量只与电池电动热成正比。可见，电池适用于长时间低电流的供电需要，而大容量电容器适用于短时间大电流的放电。1.5国内外研究综述国外研究大容量电容器起步较早，技术相对比较成熟。在大容量电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，这些公司目前占据着全球大部分市场。美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的大容量电容器。在大容量电容器的研究中，许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。它们均把大容量电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。而在国内，大容量电容器的应用尚处于起步阶段。在钮扣型大容量电容器市场中，海外产品几乎占据了90%以上的份额，竞争异常激烈。中国厂商正采取替代手段，利用低价策略(约为国外产品的40%60%)、快速供货、销售布局完善，对中国终端应用市场更加熟悉，技术支持与服务优于国际品牌等各种优势来争夺市场。在卷绕型和大型大容量电容器方面，中国产品的技术水平与国际接近，市场份额较为理想。1.6 论文的主要研究内容及主要工作全文共分四章，各章主要内容如下：第一章：首先介绍直流电源系统，分析直流电源发展现状和目前存在的问题，介绍大容量电容器，分析大容量电容器储能及其应用技术的研究意义。第二章：介绍目前直流电源系统中常用的充电模块、调压模块和监控系统。分析各种模块及方法的优缺点，为以后大容量电容器直流电源的结构设计打下基础。第三章：详细地介绍大容量电容器储能的特点，针对直流电源储能系统的特点及其储能问题，提出大容量电容器直流储能方案。根据现场要求，进行理论分析、系统设计，对电容器直流电源放电模型进行仿真分析。第四章：对全文所作的工作及主要研究成果进行总结，同时提出下一步工作展望。河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录第二章 直流电源系统目前，电力操作直流电源由充电模块、调压、微机监控和蓄电池组等几部分构成，现在介绍各部分的功能及其相关技术91011。2.1 充电模块2.1.1 充电模块发展现状充电模块是整个系统中十分重要的组成部分，正常运行时，它向蓄电池提供浮充电流，同时向控制、信号、保护、自动装置等常规负荷供电，在蓄电池放电后，要向蓄电池提供主充或均充电能。目前，我国电力使用直流分合闸电源大部分采用相控、磁饱和类电源，但是相控电源存在功率因数、纹波、效率、体积等方面不足，另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，若纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的使用寿命。高频开关电力电源系统与可控硅整流装置的技术指标比较情况 如表2.1表2.1 高频开关电力电源系统与晶闸管相控电源的技术性能比较表技术指标内容高频开关电力电源系统晶闸管相控电源稳压精度0.5%1%稳流精度0.5%0.5%2%纹波系数0.05%2% 效率90%75%功率因数0.90.7动态响应200s40ms可靠性高低 噪音50dB60dB开机浪涌无有系统结构模块化结构传统柜结构系统通讯接口RS485 RS232无微机监控智能电池管理“四遥”功能无目前，新建、改造的通信电源已全部采用开关电源，电力系统中，开关电源也在逐步取代相控电源。2.1.2 高频开关电源发达国家新建电厂和变电站已基本采用高频开关电源，高频开关电源先将输入的工频交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（功率晶体管、MOS 管、IGBT 等）的导通和截止时间，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间12。高频开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正（PFC）技术，所以开机浪涌基本消除，功率因数大幅提高，是晶闸管、磁饱和类直流电源系统的更新换代产品。随着电子元器件、新的变换控制技术和新的控制理论在电源系统中的应用，电源系统的供电方式经历了集中式供电、分布式供电阶段。传统的集中式供电系统的固有缺陷是:单台电源供电，一旦发生故障则可能导致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。因而在八十年代，随着高频电源技术及新型功率器件的发展，分布式电源供电技术成为国际电力电子学的研究热点，研究内容包括:高频化电源变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术、功率因数校正技术以及电源模块化和电源系统智能化技术等。所谓分布式电源供电是相对于集中式供电而言的，由相对较小的模块化电源积木式地组成大功率电源系统。模块化电源系统完全打破了单个电源在功率上的局限，用户可以象搭积木一样根据电源的功率需求进行组合，当某一模块发生故障，可以热更换此模块，而其他模块平均分担该故障模块的负载，不影响整个系统的工作，以此提高系统的安全性，方便维护，节省投资。电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，有利于降低电源系统的体积和重量，减轻各电源模块中功率开关器件的电应力。从系统角度来讲可实现冗余设计，提高系统可靠性。所谓冗余是指:设Nn台变换器模块并联，其中N台用以供给负载所需的电流，n台为后备(或称为冗余)模块，当正在工作的模块出现故障时后备模块投人运行，这样正在工作的N台模块中即使有n台同时发生故障，电源系统也仍然保证提供100%的负载电流。电源系统可由标准化的模块组合而成，于是电源产品的种类可大大减少，便于规范化，带来的好处是:一方面降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另一方面减少生产和维护费用。因此许多大功率、高可靠度的电源系统采用了模块化电源系统。在模块化电源系统中，各电源模块并联运行，为保证各模块间电应力和热应力的均匀合理分配，以实现电源系统中各模块承受的电流的自动平衡均流，以及当输人电压或负载电流发生变化时，保持各模块输出电压稳定，并有较好的均流瞬态响应特性，需引入有效地负载分配控制策略，如采用并联均流技术。2.1.3 开关电源模块并联均流技术电源模块间实现均流的方法很多，而且根据电源系统的性能要求以及电源模块的类型(如DC/DC 模块、DC/AC 模块等)的不同，均流措施也多种多样，一般来讲常规的均流方法有以下几种:输出阻抗法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流法、热应力均流法、主从均流法、外加均流控制器、均流母线法等等。下面对其中几种较有代表性或较为常用的均流方法作简单介绍。1、输出阻抗法此法是通过调节DC/DC 变换器的输出外特性倾斜度(即输出阻抗)，以达到并联模块均流的目的。图2.1 表示一个DC/DC 变换器的外特性(或称为输出特性)示意图。V0 I0 (f ) * R 空载时，模块的输出电压为Vomax。DC/DC 变换器的负载电压V0 与负载电流I0 的关系可用下式(2.l)表示: (2.l)当电流增量为I 时，负载电压增量为V，得V/IR，V/I 代表DC/DC变换器的输出电压调整率。图2.1 DC/DC 变换器外特性两台相同容量、具有相同参数的DC/DC 变换器模块并联情况，如图2.2 所示，其外特性方程如式(2.2) 、(2.3)所示。 图2.2 两台并联DC/DC 变换器外特性得到式(2.2)、(2.3)，其中R1、R2 分别为模块1 和模块2 的输出阻抗。 (2.2) (2.3)模块并联时V01 =V02 = V0，于是可得式： (2.4) (2.5)比较图 2.2 中两条外特性曲线可知，模块1 外特性斜率小(即输出阻抗小)，分担的电流比外特性斜率大的模块2 多。如果能设法将模块1 的外特性斜率(即输出阻抗)调整得接近模块2，则可使这两个模块的电流分配接近均匀。输出负载均流方法的最大优点是线路简单，而且均流时各模块间没有均流母线的连接，各模块均流独立完成。但是，这种方法的负载调整率差，均流精度低，以牺牲外特性换取各模块之间的均流。在小电流时均流特性较差，大电流时均流特性较好但模块间仍存在较大的均流误差，而且降低了输出电压调整率，输出电压上升率不同的模块间使用这种方法则较难均流。改进的下垂控制法中加入了电流补偿，模块间均流特性和电压调整率都得到了改善，但是增加了控制部分的复杂性。2、自动均流法按电流大小自动均流法包括最大电流法和平均电流法。二者的共同特点是均流过程受闭环控制，均流性能较好。(l)最大电流法自动均流主从均流法是指定某一模块为主模块，它的输出电流作为均流命令信号，剩余模块作为从模块，其输出电流跟随主模块电流实现均流。这种方法的缺点是一旦主模块故障就会使整个系统瘫痪，无法实现冗余。为此，有人提出了最大电流自动均流法。这是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块。最大电流作为指令电流，各从模块根据自身电流与指令电流之间的差值调节自身的给定电压，校正负载电流的分配不均匀，实现模块间均流。这种方法又称为自动主从控制法。由于在N个模块并联的系统中，没有事先设定哪一个模块是主模块，而是按电流大小排序，电流大的模块，自动成为主模块，所以这种方法又被称为民主均流法。这种方法的均流效果较好，支持热插拔(失效模块不会影响整个系统)，而且有现成的均流芯片(UC3907、UC3902等)可供使用，是目前一种较好的均流方法。(2)平均电流自动均流法母线式自动平均电流法在1988年以专利形式提出。所有模块通过一根均流母线相互连接，每个子模块从母线上获得自身的电流参考信号，通过控制环的调节实现均流。由于每个模块都只与均流母线发生联系，模块能够在线热插拔，从而实现系统的增容和在线维修，这种方法不存在主模块，所以各模块的均流情况相同，都比较好。2.2 调压模块电力操作电源的额定输出电压一般选为110伏或220伏，如果考虑蓄电池维护均充电运行的需要，输出电压最高则可达到额定输出电压的110%，因此电力操作电源的输出电压较高，如对220伏系统，最高输出电压可达到242伏，在现有直流电源系统中，与合闸等冲击性负载相连的母线为合闸母线，与保护和控制类负载相连的母线为控制母线，又因为蓄电池的端电压变化范围很大，所以在电力系统中，合闸母线直接接在蓄电池的输出端，控制母线通过调压装置间接与蓄电池相连接，以获得比较稳定的工作电压。2.2.1 硅链调压传统的调压装置是硅链，其原理是在合闸母线上串入硅堆，利用硅堆压降降低输出电压。这种调压方法简单、可靠，但是有输出电压不能连续调节(调节电压的最小分辨率为一节硅堆的压降)和效率低的缺点。开关电源技术日益成熟，调压模块可以考虑用DC/DC变换器实现输出电压的无级调节并得到较高的效率。同时，由于蓄电池端压变化范围较宽，最高端压和最低端压分别高于或低于所需控制母线电压(如220伏)。因此希望调压装置能够升降压变换，还保持较高的效率，所以使用具有升降压特点的DC/DC变换电路作为调压模块是十分必要的。图2.3 硅链调压装置结构图硅链调压装置的结构见图2.3，实时检测控制母线电压Vkm，控制硅堆投切的数目，利用其导通压降调节输出，使其稳定在220伏或110伏左右。如果Vkm在设定电压范围之内，保持当前硅链投入情况不变，否则改变投人硅链的数目，调节控制母线电压。最小分辨率是一节硅链的导通压降，因此输出电压是有级调节。设一节硅链压降为Vd，接入线路中的硅链数目为k，输出负载恒定为RL，不计线路中其他损耗可得硅链降压装置的效率为: (2.6)其中Vd为一节硅堆的压降，k为硅链中硅堆节数，从式(2.6)可知，装置效率不高，而且在硅链可调节电压范围内，合闸母线电压越高，效率越低。2.2.2 DC/DC 变换器调压随着电力电子技术的发展，PWM控制的DC/DC变换器以其高效可靠的特点越来越多地应用在调压方面。调压器模块采用高频开关电源模块并联组成，模块的输入和输出采用完全隔离的设计，彻底杜绝了合母和控母直通现象的产生。无论合母电压如何变化，控制母线输出电压稳定在220V0.5，且具有双向降压特性：交流不停电时，降压模块将来自合母的电压降至220V（110V）；如果交流停电，由于储能模块不断的放电，当电压低于220V（110V）时，降压模块将来自储能模块的电压升至220V（110V），保证控制母线电压始终稳定在220V（110V）。2.3 监控部分直流电源监控部分由整流模块监控单元、配电监控单元和监控模块等组成，监控模块与各监控单元之间通过RS485串行通讯接口实现主从式通讯，采用分级管理、集中监控的思想，实现电力直流操作电源的智能化控制，电力直流操作电源方框图如图 2.4所示。河南城建学院本科毕业设计（论文） 第三章 大容量电容器直流电源系统设计图2.4 电力直流操作电源方框图分级监控主要包括监控单元(包括整流模块监控单元和配电监控单元)和监控模块，根据需要还可以增加PC机、远程监控设备RTU等作为上一级管理监控模块。整流模块监控单元和配电监控单元分别负责整流模块和配电部分的监控，监控单元通过RS485串行口，接受监控模块的统一管理。监控模块通过各监控单元监测电源系统的运行参数(如电压、电流等)和工作状态(正常、故障等)信息，并根据设置进行控制，而且能够通过近端RS232或RS485接口和远传MODEM端口接受来自上一级控制系统的指令，实现遥控、遥信、遥测等功能。2.4 本章小结本章介绍了目前直流电源系统中常用的充电模块、调压模块和监控系统。分析了各种模块及方法的优缺点，为以后大容量电容器直流电源的结构设计打下了基础。第三章 大容量电容器直流电源系统设计3.1 大容量电容器储能的特点作为新兴能量储存器件大容量电容器与铅酸蓄电池及普通电解电容器相比，具有明显的特点和优点，大容量电容器、蓄电池、电解电容器典型产品的性能指标对比情况如表 3.1 所示。从中可以看出，大容量电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点，充放电速度快，充放电效率高，循环寿命长，高低温性能好。此外，大容量电容器的材料几乎没有毒性，对环境无污染，而且在使用中无需维护1317。表3.1 大容量电容器、蓄电池、电解电容器的性能比较性能 大容量电容器 蓄电池 电解电容器 循环寿命（次） 100,000 3001000 106 充放电效率 90 95% 70 85% 1 充电时间 1秒数分钟 数小时 106 103 S 温度范围 40 70 室温 40 105 能量密度（Wh/kg） 31520100 0.1 功率密度（kW/ kg）12.50.050.2 101000 1、循环寿命长室温条件下，大容量电容器深度充放电时的循环次数可达50万次以上，作为能量储存装置，其使用寿命与系统中的功率变换器、控制器等装置相当甚至更长，在很多应用场合均可视为永久性器件，可以做到“一经安装，无需更换”。2、功率密度大大容量电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸附和脱附过程，电极材料巨大的表面积使得这一过程几乎没有任何障碍，因而其充放电过程理论上不受限制，具有很大的功率密度，约为铅酸蓄电池的20倍。大功率输出和输入能力很强。例如，当环境温度为 25时，容量为2400F的某型大容量电容器的额定放电电流不低于468安，而放电电流峰值则高达1920安。采用大容量电容器储能，在各种需要短时大功率充放电和负载功率脉动等应用场合中具有很好的适应性，能够以较小的容量实现较大的功率输出。3、充放电速率快 大容量电容器可以等效为一个等效串联内阻与理想电容器的阻容结构，由于等效串联内阻很小，因而大容量电容器的充放电时间常数很小，可以允许以很大的速率充放电。大容量电容器可以在数十秒或数分钟的时间内完成快速充电或放电。蓄电池在充放电过程中会受到参与电化学反应的离子扩散速度的限制，因而充放电速率慢。4、充放电效率高大容量电容器的等效串联内阻很小，在充放电过程中的能量损耗小，因而具有很高的充放电效率。在包括功率变换器能量损耗的情况下，大容量电容器的充放电周期损耗约为10%，其充放电周期效率可以达到90%以上，而蓄电池充放电周期损耗可达20%30%。5、高低温性能好大容量电容器在能量的交换过程中不发生电化学反应，因而与可充电蓄电池相比，对环境温度的依赖性大为减弱，具有良好的高低温性能。大容量电容器能够在 40 70 温度范围内正常工作，而不会发生明显的性能降低，对温度环境要求宽松，而蓄电池则需要满足苛刻的环境温度。6、能量管理简单准确大容量电容器的储能量与端电压之间具有确定的关系，即，E = 0.5C *U 2。因而对荷电状态（SOC）的判断简单而准确，只需检测端电压，就可以准确确定所储存的能量，方便了系统的能量管理。7、环境友好双电层大容量电容器使用的材料安全、无毒、环保。电极材料主要由碳组成，不含铅、镉等重金属，不会对环境带来污染，也不会对生产或使用人员造成伤害。此外，大容量电容器属于静止储能器件，没有转动的机械部分，在使用中安全可靠，不会给环境带来噪声污染。3.2 大容量电容器简化模型大容量电容器实际上是一种复杂的电容网络，每一支路都具有各自的电阻以及相应的特性时间常数。这就导致存储的能量与荷电状态、电压等级、放置时间、甚至放电电流的大小有关。在实际工程应用中，大容量电容器简化的等效电路如图 3.1 所示。大容量电容器等效为一个理想电容器C与一个较小阻值的电阻(等效串联阻抗REPR )相串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗REPR )相并联的结构。由于REPR 的存在，充、放电过程中能效不再为1。充放电时电流流经REPR会产生能耗并引起大容量电容器发热；在放电过程中由于电阻分压作用而减少放电电压范围，尤其在大电流放电过程中，REPR会消耗较大的功率与能量，降低大容量电容器的有效储能；REPR 在大容量电容器长时间保持静态储能状态时，以静态损耗漏电流的形式表现其影响作用，因此处于储能保持态的大容量电容器，为了保持其存储的能量不随时间而缓慢减少，通常要加恒压保持电路，补偿由于REPR 而引起的能量损耗。图3.1 大容量电容器简化的等效电路模型大容量电容器充放电时，通常可以忽略表示静态特性的并联等效电阻REPR 的作用。因此，在进行储能单元设计时，如图3.2所示，大容量电容器简化为一个理想电容器与一个阻值较小的电阻REPR 相串联的模型。在选择大容量电容器时，可根据所需能量按照公式E = 0.5CU 2 来大致选择。图3.2 常用大容量电容器简化模型3.3大容量电容器用于直流电源问题的引出我国20 世纪6080 年代建设的35kV 变电站及10kV 开关站，绝大多数高压开关（断路器）操动机构是CDX 型电磁操动机构。在变电站或配电站的配电室中专门配有相应的直流系统，作为分、合闸操作、控制和保护用的直流电源。这些直流电源设备，主要是电容储能式硅整流分合闸装置和部分由蓄电池组构成的直流电源。由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本低、维护量小的特点，因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用，但是这些装置在实际使用中暴露出一个致命的缺陷：事故分闸的可靠性差，其原因是使用的储能电解电容器组的容量有限(只有几千个微法)，漏电流较大。有限的储能及较大的漏电，使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量，由此造成的严重事故时有发生。有些用户不得不将其换成小容量的蓄电池组，其目的就是为了能保障分闸的能量。抛开蓄电池组价格昂贵、寿命有限的不足，单就从必须按规定对其进行维护保养才能正常工作这一点来说，就是让工作人员头疼的问题，因为这里的蓄电池组不承担合闸任务，长时间处于备用状态，有些问题（如单个电池不良和记忆效应等）不象蓄电池组直流电源那样从合闸操作中发现，这就要求工作人员主动定期地对蓄电池进行维护保养。由于工作量大，实际中这些工作在现场很难做到百分之百落实，甚至有些工作人员编造工作记录蒙混过关，因此蓄电池组的内部状态是否正常已很难保证，如不及时发现蓄电池组中有问题的蓄电池并进行更换，一旦供电线路出现事故需迅速分闸时，就有可能提供不了足够的能量，有可能造成更大的事故。由蓄电池组成的直流电源，能存储很大的电能而实现停电后的长时间的直流供给。在一些重要变、配电站(如110kV 及以上级别的变电站)这是必要的功能，然而有些不重要的末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给。考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备，然而带来的却是很高的运营成本，经常的维护保养以及不长的使用寿命，另外故障率也因其电池的多节串联而增加。这些问题希望有较好的办法来解决，大容量电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。3.4 大容量电容器直流电源系统可行性分析在110KV、35KV、10KV的中小型末端变电站以及企业内部的6KV配电系统中，经常性负荷通常小于5A。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。根据电力工程设计手册中，关于直流系统控制母线电压允许波动范围为85110Un ，额定电压Un =220V时，控制母线电压允许波动范围为187242V。电容维持控制母线电压实验采用耐压280V，容量0.85F的大容量电容器，表3.1为在电网失电的情况下，通过大容量电容器释能，母线电压从242V放电至187V的过程中，针对不同的负载维持时间的实测值。表3.1 大容量电容器针对不同负载维持母线电压在规定范围内的时间经常性负载（A）54321维持母线电压时间（s）10.813.61827.254控制母线电流小于2A时，将保持30s的跳合闸能力，在实际运用中，将配备多台电容互为热备用，因而在极端的情况下，经常性负荷达4A，维持母线电压能达数十秒，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。这种大容量电容器直流电源由于没有蓄电池，不需要复杂的充电电路，真正实现了免维护，大大降低了人员的劳动强度。大容量电容器采用物理技术储能，对环境没有污染，循环寿命长，节约了成本，符合国家节能减排政策。3.5大容量电容器直流电源系统设计图3.3 是以大容量电容器作为能量储存器件的直流电源原理图。图中C1，C2的元件为大容量电容器组件，两组大容量电容器同时工作又互为备用，从而保证一旦其中一组电容器出现问题，不会影响另一组的独立工作，保证工作的百分之百可靠。图3.3 大容量电容器直流电源原理图3.5.1 CD10型电磁操动机构对于现场使用的CD10.II 型电磁操动机构，合闸所需能量几乎是分闸所需能量的50倍18，因此本章设计重点是满足合闸的可靠性。操作机构技术数据为220V 合闸线圈，其电流为120A，合闸线圈电阻为1.82 0.15，合闸时间 0.2s，最高合闸操作电压110%U n ，即为242V，最低合闸操作电压85%Un ，即为187V。从技术数据中可以得出合闸瞬间功率：P =U*I = 220V 120A = 26400W，极限情况合闸时间t = 0.2s，合闸一次消耗能量：W = P*t = 26400W 0.2S = 5280J（实际应用场合很多时候合闸时间不到0.2s，因此5280J 为一次合闸所需最大能量）。3.5.2 大容量电容器单体的选择由于此设计方案需应用于现场，在满足接线简单，控制策略简单实用的同时，必须满足合闸能量需求。从附录C可知，如果不使用大容量电容器均压电路，仅使用大容量电容器单体，则在国产大容量电容器A 系列中，工作电压280V、350V、400V 单体可供选用。从存储能量来看，400V 单体存储能量最大，如果不选用功率变换器，则280V，0.85F 单体充电到242V 正好符合要求，并且比350V、400V 单体充电到242V储存能量多。而本设计需求可靠合闸6 次，为了能量满足可靠性，特选择350V，0.70F单体，充电到额定电压350V。3.5.3大容量电容器直流储能单元的组成大容量电容器向对电压要求比较敏感的负载提供能量时，若将大容量电容器直接与负载相连接，如图 3.4（a）所示，则由于大容量电容器在放电释能过程中端电压不断下降，当到达某一限制值时，就不能继续运行从而使大容量电容器中储存的能量不能有效利用。大容量电容器端电压从额定电压下降10%时，大容量电容器释放的能量为 19%。若配置功率接口电路，如图3.4（b）所示，则可以改善大容量电容器较软的输出电压特性，这样接口电路一方面可为负载提供满足电压等级要求的恒定电压，另一方面有利于提高大容量电容器的储能利用率。正因为如此，我们将引出DC/DC 变换器设计。图3.4 大容量电容器与等效负载的连接方式3.5.4全桥变换器图3.5 全桥变换器原理图图3.5为全桥变换器原理图，全桥变换器的电路相当于两组双管正激式变换器电路的组合。两组的驱动PWM 脉冲是互补的。它由四个开关管构成，每一个桥臂有两只开关管。高频变压器的一次侧接在两桥臂的中点对角线上，在电路形式上像一个电桥，且每个桥臂均用有源功率开关器件组成，故称全桥变换器