分布式免维护站用超级电容直流后备电源的研究
发布时间：2022-03-30
摘 要：针对变电站集中式直流电源固有的缺陷和维护成本高的问题，提出了一种基于超级电容的分布式免维护站用直流后备电源的方法。通过对超级电容的特性和直流电源所供负荷的特性的分析，设计了双向 DC-DC变换器及控制单元，给出了关键元件的参数计算方法，并讨论了分布式直流后备电源的安全接入方式。现场试验结果表明，所设计的直流电源模块满足了变电站事故处理的要求，并且免维护，可有效提高直流系统供电可靠性。
关键词：直流后备电源;分布式;免维护;超级电容;DC-DC变换器;参数设计
0 引言
变电站直流电源是控制保护系统及开关设备的常规工作电源，其可靠性直接影响到电力系统的安全运行[1]。目前电力系统直流电源采用集中式电源系统供电的方式，由一组或多组直流电源给厂站各种直流用电设备供电，以提高直流电源系统供电可靠性。目前的直流电源采用铅酸蓄电池，需要定期进行充放电维护，寿命一般为3年，到期需要更换，运维成本高[2]。针对该问题，部分文献提出了利用磷酸铁锂电池替代铅酸蓄电池的方式，并从可行性、配置容量等方面进行了论述[3-5]。在后备电源方面，磷酸铁锂电池的性能有所改善，但其低温性能较差，不能适应寒冷地区野外变电站就地供电。
集中式电源系统固有的缺点是：①由于采用集中方式，直流供电设备一旦发生故障，将影响整个站直流设备的供电。②直流系统出现接地等故障查找处理时需要短时停电，直接影响到保护装置的连续供电，存在安全隐患。③对于老旧变电站，由于接地网的异常腐蚀老化和接地性能的下降等原因，造成厂站的操作过电压、雷击过电压等因素而形成电位反击[6]，引起直流系统及用电设备的异常损坏，导致直流用电设备失电，是多级备份的集中供电方式无法克服的，国内发生多起由此导致的直流系统事故。
对于二次自动化设备就地分散安装的智能化变电站，若能配套提供就地分布式安装的直流电源系统，同时实现与二次设备同寿命、免维护，对提高二次设备供电可靠性、降低运维成本是有明显意义的。为了克服集中式直流系统的缺点，配合数字化智能分布式就地布置方式，其可靠性较高的分布式、免维护直流电源将成为智能变电站电源系统的发展趋势[7-9]。同时，对变电站重要的操作设备和保护设备，作为直流系统的后备电源，直流故障及拉路检修失电时可自动投入，直流系统恢复后自动退出，对直流系统故障处理、提高直流系统供电可靠性有现实意义。
本文将从变电站分布式直流后备电源负荷特性的需求出发，论证了基于超级电容的分布式直流后备电源的可行性，在此基础上，给出了基于它的直流后备电源的工作原理、控制策略以及关键参数的设计，提出了工程现场改造的安全接入方式，并给出了样机测试数据和变电站现场安装测试运行情况。
1 变电站就地设备负荷特性分析
变电站发生故障后的1 min为事故期，开关保护跳闸动作、备自投动作等事故处理流程将在1 min内完成，而地电位反击等造成直流系统故障往往在此时发生，在此期间直流电源发生异常失电将会导致事故扩大甚至灾难性后果，确保事故期电源尤为重要。
对于智能变电站就地安装的自动化设备，配套分布 式免维护电源在用电设备处就地安装，可有效避免直流供电系统的接地故障发生，维护更加方便。智能变电站分布式供电对象主要有就地开关智能控制柜、GIS开关单元汇控柜、变压器就地测控柜及10 kV开关柜等类型。目前新型的高压开关操动机构主要以液压机构和弹操机构为主，并向驱动功率小、可靠性较高的弹操机构发展。各类型就地柜负荷特性及储能需求如表1所示，分别列出几种设备的DC 220 V供电负荷需求特性及估算的储能超级电容器体积。
从表1可以看出，只保障事故期间5 min内保护自动化设备及开关跳闸供电的直流后备电源，能量要求一般在25 Wh(90 000 J)以内，而10 kV开关柜仅需要15 Wh (54 000 J)。
若考虑高压开关弹操机构及液压操作机构的储能，虽然储能电机平均负荷电流只有5 A ，但储能电机启动冲击电流往往是稳态电流的7倍左右，达到30~40 A，所以储能回路电源需要由超级电容器直接供电，才能满足储能回路要求。按有关标准要求，超级电容器模组工作电压为标称电压的110%~87.5%。
2 超级电容器容量设计
2.1 超级电容器特性比较
超级电容器是一种新型储能器件，兼具二次电池与静电电容器的双重特性，具有安全可靠、功率密度大、充电快、放电功率大、使用寿命长、免维护、使用温度范围宽、清洁环保等突出的优点，特别适合用于长寿命电源，在分布式发电、公共交通等诸多领域得到大量应用[10-11]。电池与超级电容器性能对比如表2所示，第二代超级电容器能量密度已经接近铅酸电池。
2010年以来，利用超级电容器作为储能元件的后备电源在配电自动化终端得到了大量应用[12]，在停电后可以运行15 min，达到了与配电自动化终端相同寿命、免维护的良好效果。文献[13]从理论上分析了用超级电容器实现智能变电站的分布式直流电源系统的可行性，指出用超级电容器取代蓄电池虽然理论上可行，但由于第一代超级电容器储能密度大约只有铅酸电池的十分之一，同等储能的超级电容器体积约是铅酸电池的10 倍，现有厂站电源系统的电池间一般都没有足够的安装空间，因此难以实际应用。但二代超级电容器体积储能密度有大幅提升，可以达到铅酸电池的二分之一，满足改造工程和新建工程要求。
超级电容器模组其工作电压在标称电压的 110%~87.5%范围内，只能利用其所储能量的44%。为充分利用电容储能，通过DC-DC变换器升压功能可以使 Umin更低，放出更多的电能。而且由于超级电容与电池的放电特性不同。所以需要专门设计超级电容器充放电 DC-DC模块。主电源系统正常时既给负载供电又通过 DC-DC变换器给超级电容器充电，当主电源消失时由 DC-DC变换器及超级电容器自动给负载供电，而主电源恢复时自动退出，实现免维护无缝切换。
3 直流后备电源单元设计
超级电容的输出特性完全不同于蓄电池，当直流电压降低时，为了保证超级电容器能够有稳定的输出，本 文采用双向DC-DC变换器和超级电容器模组组成本后备电源系统。
3.1 电源单元组成
后备电源单元采用三路交错并联的双向DC-DC变换器，电源模块组成如图1所示。电源1路输入，配置4 路输出，分别用于装置、控制(分闸/合闸)、储能、备用(柜内照明)等用途。
3.2 DC-DC电路基本原理
后备电源单元采用三路交错并联的双向DC_DC变换器，直流后备电源原理如图2所示，其中双向DC_ DC 变换器主要包括功率开关器件Q1_ Q6、储能电感L1_ L3、 CPU控制单元、PWM电路、A/D监测电路、控制单元电源及保护电路等。
3.3 双向DC-DC变换器工作模式切换及控制
工作模式切换控制流程如图3所示。
其控制过程为：闭合K1，后备电源开始工作，控制单元检测到外部直流电压正常，变换器Q1、Q3、Q5 依次导通，Q2、Q4、Q6关断，控制双向DC-DC变换器工作在Buck模式，电路给超级电容器模组充电，同时外部直流系统给直流负载供电。当控制单元检测到外部直流系统电压低于设定电压时，变换器Q1、Q3、Q5关断，Q2、Q4、Q6依次导通，立即切换到Boost模式，超级电容器模组开始向负载供电，维持直流系统220 V直流电压，直到控制单元检测到超级电容器模组储能释放到设定电压下限，控制K2断开输出，停止向负载供电。若超级电容器模组放电过程中，控制单元检测到外部电源恢复正常，立即转入Buck模式。
工作模式切换等相关功能通过控制单元实现，控制器选用TMS320F28027，其多通道A/D转换器分别负责外部直流电压、超级电容模组电压及模组电流监测等，通过控制软件实现Buck/Boost工作模式切换。
3.4 关键元件参数设计
3.4.1 Buck工作模式下的电感设计
双向DC-DC变换器给超级电容模组充电时工作在 Buck模式。对于给定的输入、输出电压，开关频率及负载电阻，Buck变换器的工作模式仅取决于电感。若变换器的电感L小于临界电感LC，则变换器将工作于连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)，反之则工作于非连续导通模式(discontinuous conduction mode， DCM)。
3.4.3 双向变换器电感设计
为使双向变换器的电感同时满足Buck及Boost模式的要求，因此需要综合2种工作模式的电感取值范围，L 的取值为205 μH。
3.5 安全可靠性设计
为了防止功率器件因过压、过流、过热损坏，增加了过压过流过热保护，CPU通过检测电路实时检测功率开关管的电压、电流和温度，若出现过压、过流或超温，CPU立即控制DC-DC变换器自动停止工作并关断 Q3断开负载，同时控制K3输出故障告警信号。当故障恢复后，后备电源重新自动投入。
为了防止超级电容或外部直流系统损坏，设置超级电容及外部异常保护，当CPU检测到超级电容器电压异常或外部直流系统出现过压时，也会停止DC-DC工作，断开K2进行保护，故障消失后自动投入。
此外设计时CPU控制单元与功率主回路侧完全电气隔离，控制单元电源采用隔离电源，控制单元开入开出采用光电耦合器隔离，接入采用线性光耦。通过印制电路板的隔离屏蔽去耦合设计技术措施，保证CPU可靠工作，提高电源的电磁兼容性能。
单元直流输入侧还设计了共模电感来抑制电源线路的雷击浪涌及脉冲群，通过增加爬电距离等提高电路与外壳的绝缘安全指标，通过铁体外壳提高抗电磁辐射干扰能力，从而增强电源的抗干扰能力。
4 安全接入
方式分布式后备电源如何方便地接入现有直流系统，如何防止雷击浪涌及操作过电压地电位的反击等干扰损害，是必须考虑的问题。
4.1 分布式直流电源后备模式与安全接入
对于已有集中直流电源的变电站，分布式直流后备电源安全接入方式如图4所示，图4提供了一种直流后备电源接入方法，利用安全接入模块，将后备电源单元接入直流供电系统。
安全接入模块电路原理如图5所示，图中L为共模扼流圈，用以拟制雷击浪涌电流，F1、F2为自恢复熔断器，对后备电源及用电设备起到保护作用。D1、D2为防反二极管，确保后备电源只给本设备供电不反送到上级直流系统。采用安全接入模块一体化端子结构，现场改造施工方便，不影响现有直流系统。
4.2 雷击浪涌与工作地电位反击措施
在变电站的直流系统中，雷击浪涌和工作过电压会造成变电站直流系统绝缘损坏，输入端元件击穿短路等事故。对于330 kV级变电站，由隔离开关动作引起的地电位反骚扰脉冲群的幅值高达上万伏，对直接接地的站用交流系统造成干扰，甚至损坏用电设备。在集中式直流供电系统中，由于集中直流设备的接点和就地用电设备的接点之间的高频骚扰电位差，导致就地直流用电设备地电位发生高频骚扰，轻则对电力设备造成干扰。
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由于直流系统的雷击浪涌及操作过电压地电位反击引起的直流系统脉冲群主要是共模干扰，为提高分布式直流电源模块抗雷击浪涌和地电位骚扰能力，采取了以下措施：
1)安全接入模块采用共模扼流电感技术，拟制成雷击波涌和骚扰脉冲群，保护直流后备电源和用电设备;
2)后备电源入口采用共模扼流电感进行二级保护，再利用压敏电阻进行差模浪涌泄放，避免直流系统因电容击穿而造成直流系统接地故障;
3)改善直流后备模块的地绝缘水平：直流耐压试验指标提高到4 kV。
4)电磁兼容性方面，瞬时脉冲群、雷击浪涌指标达到标准4级要求(±4 kV)，提升操作过电压脉冲和雷击浪涌的保护能力。
5 试验和现场试验
5.1 主要技术性能试验
在3.4设计参数下试制了2.5 A/15 Wh和5 A/25 Wh 二代超级电容器电源，尺寸为32cm×24cm×16cm、 35 cm×29 cm×16 cm，分别适用于10kV开关柜与高压开关就地控制柜。直流电压突然跌落的切换波形如图6所示，外接直流电源切换时间小于40 ms，实现了无缝切换。
以2.5 A电源为例，实测放电容量：221 V、负载 102 Ω，放电电流2.16 A、放电时间130 s、放电能量为 221×2.16×130=62 056 J，达到设计要求。
本电源模块通过了许昌开普测试研究院的技术指标及电磁兼容性能测试，各项技术指标达到设计要求与国家标准，其中电磁兼容性能快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌(冲击)抗扰度达到4级标准指标，可以进行现场挂网试运行。
5.2 现场试运行
1)本模块在国家电网有限公司330 kV电磁兼容试验场(陕西电科院)开关就地控制柜进行了挂网试验。试验时停掉主电源，由本电源模块供电。进行高压开关操作、隔离刀闸操作、接地刀闸操作的高压骚扰试验，试验各2次，电源系统均正常工作。
2)在国网陕西延安供电公司某110 kV变电站10 kV 开关柜、陕西电科院真型接地试验场10 kV开关柜等多处安装了本分布式电源，进行挂网试运行和测试，主电源停电后进行开关跳闸、合闸试验操作试验，工作正常，维持保护单元及二次设备工作10 min。
上述试验表明本电源模块工作稳定，安全可靠，满足改造需求，可以有效提高变电站就地设备的供电可靠性。
6 结语
根据本文设计的超级电容直流后备电源的相关技术方法，研制出DC-DC样机，经国家有关机构测试，符合国家有关标准，达到设计要求。按照本文介绍的接入法，在变电站现场就地安装。实践证明，变电站就地装置直流电源异常消失时，可自动投入，实现无缝切换，完全满足变电站故障处理期间开关跳闸和保护自动化设备的供电需求，极大地方便了直流系统接地拉路故障处理采用电磁兼容设计后备电源，经得起变电站骚扰操作试验，可提高直流系统和用电设备抗雷击浪涌和地电位反击的能力，提高直流系统的可靠性。该电源模块基于超级电容，实现免维护、寿命长、体积小、安装方便，有推广应用价值。——论文作者：豆敏娜，刘彬，赵树仁，左宝峰，徐磊
参考文献
[1]赵轶珏，樊冬梅.交直流电源一体化存在问题探讨[J].广西电力， 2013，36(6)：76-78. ZHAO Yijue，FAN Dongmei.Discussion on problems of integrated AC/ DC power supply[J].Guangxi Electric Power，2013，36(6)：76-78.
[2]王洪，邢静原，刘亮，等.直流电源在智能化变电站中的应用与改进[J].华北电力技术，2011(8)：33-36. WANG Hong，XING Jingyuan，LIU Liang，et al.Application and improvement of DC power source in intelligent substation[J].North China Electric Power，2011(8)：33-36.
[3]钟国彬，周方方，魏增福，等.磷酸铁锂电池作为变电站用直流电源的特性[J].广东电力，2015，28(4)：57-61. ZHONG Guobin，ZHOU Fangfang，WEI Zengfu，et al.Characteristic of lithium iron phosphate battery as direct current power source of substation[J]. Guangdong Electric Power，2015，28(4)：57-61.
[4]王洪，林雄武，李丽，等.基于磷酸铁锂电池的110kV变电站直流系统中的电池容量选择[J].电源学报，2011，9(5)：79-82，86. WANG Hong，LIN Xiongwu，LI Li，et al.Battery capacity options of the 110 kV substation DC system based on lithium iron phosphate battery[J]. Journal of Power Supply，2011，9(5)：79-82，86.
[5]王洪，张广辉，邢静原，等.磷酸铁锂蓄电池在变电站应用研究与实践[J].电源技术，2011，35(8)：902-905. WANG Hong，ZHANG Guanghui，XING Jingyuan，et al.Research and application of lithium iron phosphate battery in substation[J].Chinese Journal of Power Sources，2011，35(8)：902-905.
[6]成林，孔志战，王森，等.雷电流对塔杆接地装置冲击特性影响规律的研究[J].西安交通大学学报，2017，51(4)：53-58. CHENG Lin，KONG Zhizhan，WANG Sen，et al.Influence of lightning current on impulse characteristic of ground device of pole and tower[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University，2017，51(4)：53-58.
[7]兰大伟，代焕利，谭新玉，等.变电站直流系统的研究与改进[J].通信电源技术，2017，34(4)：106-107，111. LAN Dawei，DAI Huanli，TAN Xinyu，et al.Research and improvement of substation DC system[J].Telecom Power Technology，2017，34(4)： 106-107，111.
[8]张福亮，赵振江.一种分布式供电系统的设计与应用[J].电子世界， 2018(12)：121-122，125.
[9]蒋贤强，徐青山.考虑需求响应的交直流配网调度研究[J].电力需求侧管理，2019，21(2)：19-23. JIANG Xianqiang，XU Qingshan.Research on AC/DC distribution network dispatching considering demand response[J].Power Demand Side Management，2019，21(2)：19-23.
[10] 黄晓斌，张熊，韦统振，等.超级电容器的发展及应用现状[J].电工电能新技术，2017，36(11)：63-70. HUANG Xiaobin，ZHANG Xiong，WEI Tongzhen，et al.Development and applications status of supercapacitors[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2017，36(11)：63-70.
[11] 刘耀远，曾成碧，李庭敏，等.基于超级电容的光伏并网低电压穿越控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2014，42(13)：77-82. LIU Yaoyuan，ZENG Chengbi，LI Tingmin，et al.Study on lowvoltage ride through control strategy of photovoltaic system based on supercapacitor[J].Power System Protection and Control，2014，42(13)： 77-82.
