根gen據ju能neng量liang平ping衡heng關guan係xi，分fen析xi了le負fu載zai突tu然ran增zeng大da和he負fu載zai突tu然ran減jian輕qing情qing況kuang下xia的de最zui嚴yan重zhong電dian壓ya凹ao陷xian和he電dian壓ya驟zhou升sheng，並bing得de出chu輸shu出chu濾lv波bo電dian容rong容rong量liang的de設she計ji考kao慮lv。以yi一yi個ge具ju體ti的de電dian容rong儲chu能nengFTUdianyuanweili，xiangxishuomingledianlucanshudeshejifangfa
，bingjinxingleshiyanyanjiu。shiyanjieguobiaomingsuoshejidedianrongchunengbeiyongdianyuannenggoumanzuzaishiquzhengchanggongdiandianyuanhouzidonghuazhongduandaiji、操作和通信的需要

，並且所進行的理論分析與實際情況相符。

 

 

在電力係統監測、jiankonghezidonghuaxitongzhong，kaiguandianyuanshizhinengzhongduanshebeideguanjianbujianzhiyi，qishuruyibanlaizidianyahuganqiercicehuopeidianbianyaqiercice。danshizaiguzhanghuoqitayingezhongyuanyindaozhishurudianyuanshiqudeqingkuangxia，zhexiezhinengzhongduanshebeihaibixuweichigongzuoyiduanshijian
，fouzejiubunengwanchengguzhangjiance
、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。

 

在變電站內的智能終端設備
，可以采用蓄電池儲能構成備用電源係統。但是安裝在戶外環網櫃、柱上開關、配電變壓器等的智能終端設備
，需要在惡劣的環境下工作
，采用蓄電池無論對於設備可靠性或維護方便性而言都是不理想的。

 

實際上對於絕大多數戶外智能終端設備，在失去電源時僅需要維持短暫的工作時間即可[1]，比如：對於配電變壓器監測終端（TTU）
，隻需在停電時上報該信息即可
；對於柱上開關監控終端（FTU）
，隻需在失電時上報故障信息和開關狀態，有必要的話分斷該開關即可；對於環網櫃監控終端
，隻需在失電時上報故障信息和開關狀態，並將故障線路上遊相鄰開關分斷即可。上述功能所需要的時間一般在1min之(zhi)內(nei)。由(you)於(yu)分(fen)斷(duan)開(kai)關(guan)所(suo)需(xu)的(de)能(neng)量(liang)可(ke)以(yi)由(you)專(zhuan)門(men)的(de)工(gong)作(zuo)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)提(ti)供(gong)，因(yin)此(ci)在(zai)故(gu)障(zhang)或(huo)者(zhe)失(shi)電(dian)時(shi)
，智(zhi)能(neng)終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)的(de)電(dian)源(yuan)隻(zhi)需(xu)要(yao)提(ti)供(gong)維(wei)持(chi)本(ben)機(ji)工(gong)作(zuo)和(he)通(tong)信(xin)單(dan)元(yuan)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)能(neng)量(liang)即(ji)可(ke)，峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)一(yi)般(ban)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)5W，平均功率小於2.5W。

 

隨著科學技術的發展
，超級電容器和大容量電解電容器技術已經日趨成熟。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、重量輕等諸多優點
，是一種很有發展前景的電力儲能設備並且已經成功地應用在電力係統中[2~4]。

 

從cong戶hu外wai智zhi能neng終zhong端duan設she備bei在zai失shi電dian後hou需xu要yao一yi段duan短duan暫zan的de平ping均jun功gong率lv較jiao小xiao的de維wei持chi電dian源yuan供gong應ying需xu求qiu看kan
，采cai用yong超chao級ji電dian容rong器qi和he大da容rong量liang電dian解jie電dian容rong器qi作zuo為wei儲chu能neng手shou段duan是shi完wan全quan可ke行xing並bing且qie較jiao蓄xu電dian池chi而er言yan更geng加jia合he適shi[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，並對其性能進行實驗驗證。

 

 

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。對於TTU等不需要控製的情形，可僅有虛線下方部分。

 

圖1.電容儲能開關電源組成

 

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
，當恢複正常供電時再將其切換回來。切換電路B用yong以yi在zai失shi去qu正zheng常chang供gong電dian時shi將jiang開kai關guan操cao動dong機ji構gou切qie換huan到dao操cao作zuo儲chu能neng電dian容rong上shang，當dang恢hui複fu正zheng常chang供gong電dian時shi再zai將jiang其qi切qie換huan回hui來lai。工gong作zuo儲chu能neng電dian容rong器qi用yong以yi儲chu存cun能neng量liang
，在zai失shi去qu交jiao流liu電dian源yuan時shi維wei持chi開kai關guan電dian源yuan工gong作zuo為wei智zhi能neng終zhong端duan供gong電dian。操cao作zuo儲chu能neng電dian容rong器qi用yong以yi儲chu存cun能neng量liang
，在zai失shi去qu交jiao流liu電dian源yuan時shi滿man足zu開kai關guan操cao作zuo的de需xu要yao。DC-DC變bian換huan器qi用yong以yi將jiang交jiao流liu電dian源yuan和he工gong作zuo儲chu能neng電dian容rong器qi中zhong的de能neng量liang轉zhuan換huan成cheng所suo要yao求qiu的de形xing式shi以yi供gong智zhi能neng終zhong端duan設she備bei使shi用yong。一yi般ban輸shu入ru電dian壓ya都dou高gao於yu自zi動dong化hua裝zhuang置zhi的de工gong作zuo電dian壓ya，因yin此ci常chang采cai用yong降jiang壓ya型xingbuckDC-DC變換器[6]，其組成如圖2所示。

 

圖2.buck DC-DC 變換器

 

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有時相同有時並不相同。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（整流後為DC310V）或AC100V（整流後為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後得到。

 

對於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衝隔離變壓器來滿足電壓變比的要求。還可以采用如圖3所示的串並電容組合結構（SP）[7，8]構(gou)成(cheng)工(gong)作(zuo)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)
，它(ta)具(ju)有(you)串(chuan)聯(lian)充(chong)電(dian)和(he)並(bing)聯(lian)放(fang)電(dian)的(de)特(te)性(xing)，因(yin)此(ci)在(zai)失(shi)去(qu)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)而(er)由(you)工(gong)作(zuo)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)器(qi)放(fang)電(dian)維(wei)持(chi)工(gong)作(zuo)期(qi)間(jian)，串(chuan)並(bing)電(dian)容(rong)組(zu)合(he)結(jie)構(gou)實(shi)際(ji)上(shang)起(qi)到(dao)了(le)降(jiang)壓(ya)的(de)作(zuo)用(yong)。通(tong)過(guo)選(xuan)取(qu)恰(qia)當(dang)階(jie)數(shu)的(de)串(chuan)並(bing)電(dian)容(rong)組(zu)合(he)結(jie)構(gou)

，就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)在(zai)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3.串並電容組合結果及其充放電源

 

圖1虛線上部的設計和應用已經比較成熟[9]，操cao作zuo儲chu能neng電dian容rong器qi電dian壓ya和he容rong量liang的de設she計ji需xu要yao根gen據ju開kai關guan操cao作zuo機ji構gou的de特te點dian和he所suo需xu要yao的de能neng量liang確que定ding
，本ben文wen不bu再zai贅zhui述shu
，下xia麵mian著zhe重zhong論lun述shu虛xu線xian下xia麵mian部bu分fen的de分fen析xi與yu設she計ji考kao慮lv。

 

 

2.1變換器的下限工作電壓

 

 

電dian壓ya驟zhou升sheng和he凹ao陷xian都dou是shi由you於yu變bian換huan器qi對dui於yu電dian壓ya或huo負fu載zai突tu變bian的de動dong態tai響xiang應ying過guo程cheng造zao成cheng的de，但dan對dui於yu電dian容rong儲chu能neng備bei用yong電dian源yuan，其qi輸shu入ru電dian壓ya為wei電dian容rong電dian壓ya不bu會hui突tu變bian

，因yin此ci電dian壓ya驟zhou升sheng和he凹ao陷xian主zhu要yao由you於yu負fu載zai突tu變bian引yin起qi。

 

1）電壓凹陷

 

 

開關頻率f取為50kHz

，則在Vi-Io平麵上該變換器的全部工作範圍內，變換器都處於CCM。

 

根據被該FTU控製的柱上真空斷路器操動機構的規格
，確定操作儲能電容器選用470 F/600V。經實驗驗證
，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。

 

基於上述參數

，研製了一台電容儲能開關電源，功率開關管采用MOSFETIRF9540，二極管采用MBR20100，PWM控製器采用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、發信和控製狀態

，並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製操作和兩次上行通信後，待機時間達到141s，達到設計要求。實驗中發現


，輸入電壓在8.93V以上時

，FTU仍可以正常工作。

 

采用電阻器作為負載
，並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。

 

 

 

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後自動化終端待機、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應用於作者研製的配電自動化終端設備中
，運行結果表明其是可行的。