電容儲能的自動化終端備用開關電源設計

程紅麗，王立，劉健，王利強

（西安科技大學通信與信息工程學院，陜西西安710054）

　　摘要：為了在失電情況下繼續(xù)維持智能終端設備短暫工作，提出了一種基于電容儲能的自動化終端備用開關電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲能電容器容量設計方法。根據(jù)能量平衡關系，分析了負載突然增大和負載突然減輕情況下的最嚴重電壓凹陷和電壓驟升，并得出輸出濾波電容容量的設計考慮。以一個具體的電容儲能FTU電源為例，詳細說明了電路參數(shù)的設計方法，并進行了實驗研究。實驗結果表明所設計的電容儲能備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機、操作和通信的需要，并且所進行的理論分析與實際情況相符。

　　0引言

　　在電力系統(tǒng)監(jiān)測、監(jiān)控和自動化系統(tǒng)中，開關電源是智能終端設備的關鍵部件之一，其輸入一般來自電壓互感器二次側或配電變壓器二次側。但是在故障或其它因各種原因?qū)е螺斎腚娫词サ那闆r下，這些智能終端設備還必須維持工作一段時間，否則就不能完成故障檢測、處理和繼電保護以及信息記錄和上報功能，因此需要采取儲能措施。

　　在變電站內(nèi)的智能終端設備，可以采用蓄電池儲能構成備用電源系統(tǒng)。但是安裝在戶外環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關、配電變壓器等的智能終端設備，需要在惡劣的環(huán)境下工作，采用蓄電池無論對于設備可靠性或維護方便性而言都是不理想的。

　　實際上對于絕大多數(shù)戶外智能終端設備，在失去電源時僅需要維持短暫的工作時間即可[1]，比如：對于配電變壓器監(jiān)測終端（TTU），只需在停電時上報該信息即可；對于柱上開關監(jiān)控終端（FTU），只需在失電時上報故障信息和開關狀態(tài)，有必要的話分斷該開關即可；對于環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控終端，只需在失電時上報故障信息和開關狀態(tài)，并將故障線路上游相鄰開關分斷即可。上述功能所需要的時間一般在1min之內(nèi)。由于分斷開關所需的能量可以由專門的工作儲能電容器提供，因此在故障或者失電時，智能終端設備的電源只需要提供維持本機工作和通信單元所需要的能量即可，峰值功率一般不會超過5W，平均功率小于2.5W。

　　隨著科學技術的發(fā)展，超級電容器和大容量電解電容器技術已經(jīng)日趨成熟。與蓄電池相比，電容器具有充電速度快且管理方便、壽命長、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前景的電力儲能設備并且已經(jīng)成功地應用在電力系統(tǒng)中[2~4]。

　　從戶外智能終端設備在失電后需要一段短暫的平均功率較小的維持電源供應需求看，采用超級電容器和大容量電解電容器作為儲能手段是完全可行并且較蓄電池而言更加合適[5]。

　　本文論述一種采用電容儲能的備用開關電源分析和設計方法，并對其性能進行實驗驗證。

　　1電路組成

　　電容儲能開關電源由整流電路、切換電路、DC-DC變換器、工作儲能電容器和操作儲能電容器等部分組成，其結構如圖1所示。對于TTU等不需要控制的情形，可僅有虛線下方部分。

　　整流電路用以在正常供電情況下為電容充電，切換電路A用以在失去正常供電時將DC-DC變換器切換到工作儲能電容上，當恢復正常供電時再將其切換回來。切換電路B用以在失去正常供電時將開關操動機構切換到操作儲能電容上，當恢復正常供電時再將其切換回來。工作儲能電容器用以儲存能量，在失去交流電源時維持開關電源工作為智能終端供電。操作儲能電容器用以儲存能量，在失去交流電源時滿足開關操作的需要。DC-DC變換器用以將交流電源和工作儲能電容器中的能量轉換成所要求的形式以供智能終端設備使用。一般輸入電壓都高于自動化裝置的工作電壓，因此常采用降壓型buckDC-DC變換器[6]，其組成如圖2所示。

　　圖中S為功率開關，D為二極管，L為電感，Co為輸出電容，RL為負載。Vi為輸入電壓，Vo和Io分別為輸出電壓和輸出電流。

　　正常時的工作電源VS和操作電源VC有時相同有時并不相同。正常時的操作電源VC一般直接取自電壓互感器二次側，因此為AC220V（整流后為DC310V）或AC100V（整流后為DC141V）；而正常時的工作電源VS有時也直接取自電壓互感器二次側，有時則采用一個二次變壓器兼隔離裝置進一步降壓后得到。

　　對于輸入輸出電壓相差很懸殊的情形，DC-DC變換器一般需要采用脈沖隔離變壓器來滿足電壓變比的要求。還可以采用如圖3所示的串并電容組合結構（SP）[7，8]構成工作儲能電容器，它具有串聯(lián)充電和并聯(lián)放電的特性，因此在失去交流電源而由工作儲能電容器放電維持工作期間，串并電容組合結構實際上起到了降壓的作用。通過選取恰當階數(shù)的串并電容組合結構，就有可能在DC-DC變換器中不需要采用隔離變壓器也能滿足電壓變比的要求。

　　圖1虛線上部的設計和應用已經(jīng)比較成熟[9]，操作儲能電容器電壓和容量的設計需要根據(jù)開關操作機構的特點和所需要的能量確定，本文不再贅述，下面著重論述虛線下面部分的分析與設計考慮。

　　2參數(shù)設計

　　2.1變換器的下限工作電壓

　　電壓驟升和凹陷都是由于變換器對于電壓或負載突變的動態(tài)響應過程造成的，但對于電容儲能備用電源，其輸入電壓為電容電壓不會突變，因此電壓驟升和凹陷主要由于負載突變引起。

　　1）電壓凹陷

　　開關頻率f取為50kHz，則在Vi-Io平面上該變換器的全部工作范圍內(nèi)，變換器都處于CCM。

　　根據(jù)被該FTU控制的柱上真空斷路器操動機構的規(guī)格，確定操作儲能電容器選用470µF/600V。經(jīng)實驗驗證，該電容器可確保在交流電壓失去的條件下對該柱上真空斷路器進行2次可靠的合閘或分閘操作。

　　基于上述參數(shù)，研制了一臺電容儲能開關電源，功率開關管采用MOSFETIRF9540，二極管采用MBR20100，PWM控制器采用TL494，工作儲能電容采用1F/50V的超級電容器。

　　在工作電容充電電壓為30V條件下，分別采用電阻器作為負載模仿待機、發(fā)信和控制狀態(tài)，并用開關分別接入和斷開，測得待機時間達到143s。用該電源為GEA-PFT2W型FTU供電，在成功地進行兩次控制操作和兩次上行通信后，待機時間達到141s，達到設計要求。實驗中發(fā)現(xiàn)，輸入電壓在8.93V以上時，F(xiàn)TU仍可以正常工作。

　　采用電阻器作為負載，并用開關分別接入和斷開進行了從空載到滿載和從滿載到空載的實驗，輸出電壓的波形如圖4所示。

　　4結論

　　采用電容儲能的自動化終端備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機、操作和通信的需要。

　　所進行的理論分析符合實際情況，所建議的設計方法是可行的。

　　所建議的電容儲能的自動化終端備用電源已經(jīng)應用于作者研制的配電自動化終端設備中，運行結果表明其是可行的。

　　參考文獻

　　[1]劉健，倪建立.配電自動化新技術[M].北京：中國水 利水電出版社，2003.

　　[2]胡毅，陳軒怒，杜硯.超級電容器的應用與發(fā)展[J].電 力設備，2008，9(1)：19-22.

　　[3]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理與應用[J].電子原件與材料，2008，27(1)：6-9.

　　[4] Zubieta L，Bonert R.Characterization of Double-layer Capacitors for Power Electronics Applications[J].IEEE Trans on Industry Applications，2000，36：199-205.

　　[5]隋國正，張力大.FTU供電電源方案改進[J].電工技 術，2008，(1)：16-17.

　　[6]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京： 電子工業(yè)出版社，2004.

　　[7]LIU Jian，CHEN Zhi-ming，DU Zhong.A New Design on Switched Capacitor DC-DC Converters for Pocket Computer Systems [J].IEEE Trans on Industry Electronics，1998，45(2)：228-235.

　　[8]劉健，陳治明，鐘顏儒.開關電容DC-DC變換器的設 計方法 [J].電子學報，1999，27(4)：102-106.

　　[9]劉健，董榕，杜文學，等.城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設與改造[M].北 京：中國水利水電出版社，2002.

　　[10] 蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學：直流-直流變換部 分[M].北京： 科學出版社，1995.