直流供電系統(tǒng)

深圳藝樸露科技有限公司、海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司海口供電局的研究人員謝本建、徐平、許錦蘭、林斯正、吳松澤，在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著自動化程度的不斷提高，直流供電系統(tǒng)負(fù)載中，精密的自動化設(shè)備越來越多，而依靠單一的蓄電池供電的直流系統(tǒng)，越來越不能滿足通信、保護(hù)、控制等系統(tǒng)的高可靠性要求的需要。

本文介紹了一種新興的直流供電方式的應(yīng)用，利用超級電容與蓄電池組成的新型儲能系統(tǒng)，大大提高了直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)和圖表，驗(yàn)證了該儲能系統(tǒng)的實(shí)踐效果，為其進(jìn)一步的開發(fā)與研究提供參考。

1 引言

超級電容器是在上世紀(jì)中期電化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的一種新型儲能電氣原件，業(yè)內(nèi)也叫電化學(xué)電容，也有的稱為黃金電容。其儲能的過程是可逆的，而且在這個(gè)過程中并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，它的功率密度高，使用壽命長，放點(diǎn)完成后恢復(fù)時(shí)間短，還具有結(jié)構(gòu)簡單等等特點(diǎn)，越來越得到各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。它本身具有電容和電池兩種元器件的特性，在某些領(lǐng)域其使用性能可能會更優(yōu)于電池。

近些年，我國對超級電容器的應(yīng)用也得到了飛速的發(fā)展，其在各行各業(yè)的使用范圍也在不斷擴(kuò)大，包括電動汽車領(lǐng)域，數(shù)據(jù)記憶存儲領(lǐng)域，便攜儀器應(yīng)用研究領(lǐng)域，應(yīng)急后備電源領(lǐng)域等，特別是在電動汽車領(lǐng)域，2004年7月份由上海奧威科技，上海交大等十幾家科研機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的電容公交車快速充電系統(tǒng)通過驗(yàn)收，并在上海張江開始投入試運(yùn)行階段。

直流供電系統(tǒng)中主要負(fù)載有：控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和通訊裝置系統(tǒng)的直流操作電源，此外，事故照明系統(tǒng)也采用直流電源供電，各行各業(yè)都離不開直流電源供電系統(tǒng)。因此，直流系統(tǒng)的安全性和可靠性的提升是一個(gè)非常重要的問題。

現(xiàn)如今大多數(shù)直流電源采用蓄電池作為儲能設(shè)備，而蓄電池雖然容量能夠滿足直流系統(tǒng)的需求，但存在功率密度低，對于大電流的輸出能力差等缺點(diǎn)，對于某些重要領(lǐng)域，如電力、醫(yī)學(xué)等，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性十分重要，為提高直流系統(tǒng)的供電的穩(wěn)定性，及作為備用電源的可靠性，必須采用大容量功率型蓄電池組，它的缺點(diǎn)是價(jià)格高壽命短，后期維護(hù)工作繁瑣，存在事故隱患。

這樣可以將超級電容與蓄電池組相結(jié)合，用超級電容的動態(tài)響應(yīng)速度快，大電流輸出能力強(qiáng)，充電恢復(fù)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)蓄電池組的缺點(diǎn)，采用混合儲能的直流電源系統(tǒng)是一個(gè)不錯的組合方案。

2 超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的超級電容儲能系統(tǒng)包括：核心元件超級電容，電路的控制機(jī)構(gòu)（電源開關(guān)），超級電容狀態(tài)控制器（DC-DC變換器）及相關(guān)參數(shù)檢測控制設(shè)備。超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖見圖1。

圖1 超級電容儲能系統(tǒng)原理流程圖

從上圖可見參數(shù)檢測控制裝置的作用主要是監(jiān)測直流供電系統(tǒng)和超級電容器各項(xiàng)工作參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，確保整個(gè)超級電容工作系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。如果超級電容在充電狀態(tài)時(shí)，改變DC-DC變換器的狀態(tài)，使得其變換為一個(gè)降壓電路向超級電容充電。

而在超級電容放電時(shí)，將DC-DC變換器變換為升壓電路使超級電容向電網(wǎng)輸送電能。超級電容在充電完成后會處于空閑狀態(tài)，當(dāng)直流系統(tǒng)因操作，故障等原因出現(xiàn)電壓大幅變化，參數(shù)檢測控制裝置會將監(jiān)測結(jié)果傳輸至DC-DC變換器，使其根據(jù)分析結(jié)果改變工作方式，使超級電容做為電源，向直流電網(wǎng)輸送電能，以維持直流系統(tǒng)電壓不變。

3超級電容儲能系統(tǒng)的等效電路（略）

圖2 混合儲能系統(tǒng)等效電路圖見

4超級電容儲能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

某變電站通信系統(tǒng)，直流電源取自于二次直流屏直流220V轉(zhuǎn)換成直流48V的直流電源，未改造前為蓄電池組儲能直流屏供電的直流電源，系統(tǒng)存在以下缺陷，即直流系統(tǒng)中某一供電支路出現(xiàn)短路等故障時(shí)，在空氣開關(guān)脫扣隔離故障點(diǎn)前一段時(shí)間，發(fā)生直流母線電壓跌落式下降，從而造成通信設(shè)備因電壓跌落過低而重啟，事故近一步擴(kuò)大。

該變電站通過后期改造，在通信電源直流系統(tǒng)中增加短路補(bǔ)償器，該短路補(bǔ)償器與直流系統(tǒng)空氣開關(guān)脫扣曲線配合，解決因支路短路故障引起的系統(tǒng)重啟問題。而短路補(bǔ)償器的核心裝置就是超級電容。

短路補(bǔ)償器工作原理：監(jiān)測控制系統(tǒng)檢測到某一供電支路短路時(shí)，使DC-DC轉(zhuǎn)換器變換成為升壓電路，使短路補(bǔ)償器內(nèi)的超級電容釋放大電流，減緩直流母線電壓跌落，使短路支路的空氣開關(guān)有足夠的時(shí)間脫扣，隔離故障點(diǎn)，保證其他支路的通信設(shè)備正常工作，不受電壓跌落而影響而重啟。直流系統(tǒng)中短路補(bǔ)償器的接線示意圖見圖3

圖3 直流系統(tǒng)中短路補(bǔ)償器的接線示意圖

我們分別對安裝與不安裝短路補(bǔ)償裝置直流系統(tǒng)做了短路模擬實(shí)驗(yàn)，我們獲得以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在未安裝短路補(bǔ)償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負(fù)載正常狀態(tài)下母線電壓檢測為53.6V，此時(shí)模擬支路短路故障，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖4，從圖像可以看出，從發(fā)生短路故障開始，電源電壓從40V（通信系統(tǒng)工作電壓最低允許值）下降至0V,再從0V到40V用時(shí)約10MS，母線電壓直線下降至0V，且電壓恢復(fù)正常時(shí)間過長，從而導(dǎo)致所有設(shè)備重啟或死機(jī)。

圖4 未安裝短路補(bǔ)償器時(shí)直流系統(tǒng)電壓變化曲線

在安裝短路補(bǔ)償裝置的直流系統(tǒng)中：支路負(fù)載正常狀態(tài)下母線電壓為53.5V，模擬短路實(shí)驗(yàn)后，直流系統(tǒng)電壓變化曲線如圖5，從圖像可以看出，電源電壓從40V下降至33V,再從33V到40V用時(shí)約2MS，大大降低了電壓跌落的幅值和電壓恢復(fù)時(shí)間，由此可見，安裝補(bǔ)償器設(shè)備時(shí)補(bǔ)償器內(nèi)的超級電容對母線電壓具有緩沖作用，短路支路跳閘后，其他通訊支路工作正常，不由短路支路故障影響。

圖5 安裝短路補(bǔ)償裝置后直流系統(tǒng)電壓變化曲線

該短路補(bǔ)償裝置在?？诘貐^(qū)12個(gè)110kV變電站試點(diǎn)應(yīng)用，試運(yùn)行后推廣至電網(wǎng)公司范圍內(nèi)的所有變電站使用。試運(yùn)行內(nèi)容主要包括：在?？诘貐^(qū)選取已有48V通信DC-DC模塊的12個(gè)110kV作為本項(xiàng)目的試驗(yàn)變電站，各安裝1臺短路補(bǔ)償器，測試在各種負(fù)載條件、各種運(yùn)行環(huán)境下短路補(bǔ)償器的實(shí)際性能表現(xiàn)。

通過設(shè)備投入的前期運(yùn)行觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，提高了通信系統(tǒng)和變電站各監(jiān)測控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了蓄電池組投入的使用壽命，減少了直流系統(tǒng)后期運(yùn)行過程中的維護(hù)成本。

5結(jié)束語

現(xiàn)如今，幾乎各行各業(yè)都離不開直流供電系統(tǒng)，而以往采用單一蓄電池供電已經(jīng)不能滿足如今直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了單一蓄電池供電時(shí)，對故障發(fā)生產(chǎn)生跌落電壓造成的負(fù)荷重啟死機(jī)等情況的發(fā)生。

我們采用了超級電容--蓄電池混合供電系統(tǒng)，充分利用并發(fā)揮了超級電容的功率密度高，壽命長的特點(diǎn)，既滿足了直流系統(tǒng)的要求，又實(shí)現(xiàn)了蓄電池充放電的靈活控制，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

高壓直流供電系統(tǒng)能夠替代目前的交流UPS供電系統(tǒng)而為數(shù)據(jù)服務(wù)器供電。

1.服務(wù)器電源的基本原理

現(xiàn)在IDC機(jī)房的服務(wù)器內(nèi)部一般使用可靠性較高的高頻開關(guān)電源，把外部輸入的交流電轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電子電路所用的直流電。對于功能強(qiáng)、使用在重要場合的服務(wù)器或小型機(jī)，均配置兩個(gè)及兩個(gè)以上的模塊并聯(lián)運(yùn)行。

雖然服務(wù)器設(shè)備輸入是交流電源，但核心部分還是DC/DC變換電路，我們只要輸入一個(gè)范圍合適的直流電壓給DC/DC變換電路，就同樣能安全滿足服務(wù)器設(shè)備工作。圖5-7中因?yàn)檩斎攵藳]有工頻變壓器，所以輸入直流不會產(chǎn)生短路阻抗，就沒有必要非得交流輸入，不用交流也就沒有必要用UPS，由此因UPS交流供電引起的一切不利因素也就自然而然地消失了。如果我們輸入的直流合理地配上蓄電池，輔以遠(yuǎn)程監(jiān)控，構(gòu)成一個(gè)可靠的直流供電系統(tǒng)，就可取代交流UPS供電系統(tǒng)給服務(wù)器設(shè)備供電。

2高壓直流供電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

電壓等級的選擇成為高壓直流供電系統(tǒng)組成的關(guān)鍵問題。根據(jù)服務(wù)器的特點(diǎn)，目前高壓直流供電系統(tǒng)電壓等級的選擇主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)240V電壓等級

在DC/DC的輸入端電壓范圍為100VDC~373VDC，通過對服務(wù)器電源輸入電壓的分析，以及在實(shí)際中對服務(wù)器進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)，以240V為一種標(biāo)稱電壓的觀點(diǎn)已經(jīng)得到認(rèn)同。

在標(biāo)稱電壓為240V的直流電壓供電模式下，電池組配備120只2V電池(也可采用40只6V電池或者20只12V電池)。平時(shí)電池處在浮充狀態(tài)，供電電壓為270V。在電池供電時(shí)，最低電壓為216V。在目前進(jìn)行的測試中，服務(wù)器在這個(gè)電壓下均能正常工作。

(2)380V電壓等級

這類服務(wù)器電源在DC/DC的輸入端電壓范圍為380VDC~400VDC，對應(yīng)此類服務(wù)器電源則需要選擇380V或以上的高壓直流供電系統(tǒng)。

但是這種供電模式不適用國內(nèi)現(xiàn)有的服務(wù)器設(shè)備，是對未來機(jī)房建設(shè)以及服務(wù)器設(shè)計(jì)的前瞻準(zhǔn)備，因此要采用這種供電模式，需要服務(wù)器廠商的配合，也就是服務(wù)器電源要支持380V的高壓直流供電模式。

相較于240V電壓等級供電模式，380V電壓模式供電情況下，會減少電纜耗銅量，線路損耗也會降低。

3高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)高壓直流供電的優(yōu)點(diǎn)

1)供電可靠性大大提高。采用直流供電的最大優(yōu)點(diǎn)在于提高了供電的可靠性。這可以從三個(gè)方面體現(xiàn):一是采用直流供電，蓄電池可以作為電源直接并聯(lián)在負(fù)載端，當(dāng)停電時(shí)，蓄電池的電能可以直接供給負(fù)載，確保供電的不間斷。二是直流供電只有電壓幅值一個(gè)參數(shù)，各個(gè)直流模塊之間不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單很多，可靠性將大大提高。三是雖然交流UPS系統(tǒng)可以提高冗余度來提高安全系數(shù)，但是由于涉及到同步的問題，每個(gè)模塊之間必須相互通信來保持同步，所以還是存在并機(jī)板的單點(diǎn)故障問題。而直流模塊沒有這些問題，即使脫離控制模塊，只要保持輸出電壓穩(wěn)定，也能并聯(lián)輸出電能。

2)工作效率提高。和交流UPS系統(tǒng)相比，直流供電省掉了逆變環(huán)節(jié)，一般逆變的損耗在5%左右，因此電源的效率提高了。其次，由于服務(wù)器輸入的是直流電，也就不存在功率因數(shù)及諧波的問題，降低了線損。再次，由于并機(jī)技術(shù)簡單了，可以采用大量的模塊并聯(lián)，使每個(gè)模塊的使用率可達(dá)到70%~80%，比交流UPS系統(tǒng)提高了很多。

3)系統(tǒng)可維護(hù)性增強(qiáng)?，F(xiàn)在的交流UPS系統(tǒng)，涉及復(fù)雜的同步并機(jī)技術(shù)，整機(jī)的維護(hù)也只能依靠廠家。即使出現(xiàn)緊急情況時(shí)，我們的維護(hù)人員也只能等待廠家技術(shù)人員來解決，這些先天不足對安全供電存在較大的隱患。而采用直流供電，就如現(xiàn)在一直使用的?48V直流系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)由模塊組成，雖然電壓增高了，但只要做好安全防護(hù)措施，維護(hù)人員還是可以自己進(jìn)行維護(hù)的，比如更換模塊等。

4)擴(kuò)容便捷。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在一個(gè)模塊的容量一般在10kW左右，只要預(yù)留好機(jī)架位置，擴(kuò)容是非常方便的。同時(shí)在建設(shè)的時(shí)候，可以根據(jù)服務(wù)器的數(shù)量逐漸增加模塊數(shù)，使每個(gè)模塊的負(fù)載率能盡量提高。這對于節(jié)能也是非常有好處的。

5)不存在"零地"電壓等不明問題的干擾。因?yàn)槭侵绷鬏斎氩淮嬖诹憔€，因此，也就不存在"零地"電壓，避免了一些不明故障，維護(hù)部門也無需再費(fèi)時(shí)費(fèi)力去解決"零地"電壓的問題。

6)投資及空間的節(jié)省。

(2)高壓直流供電的缺點(diǎn)

1)對配電開關(guān)滅弧性能要求高。對于交流電，電流在周期內(nèi)會有過零點(diǎn)，當(dāng)短路時(shí)過零點(diǎn)的存在使開關(guān)斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧容易滅弧。而如果是直流電，就不存在過零點(diǎn)，滅弧相對困難。因此配電所需的開關(guān)性能要求更高，會相應(yīng)增加配電部分的建設(shè)成本。

2)電纜線徑的增加。按目前的配電結(jié)構(gòu)，從UPS輸出到樓層配電柜，是采用三相四線供電，如果采用高壓直流供電，則是一相兩線供電，在相同電壓下輸送同等功率，電纜的消耗量將會有所增加。

3)其他問題。從理論上服務(wù)器電源使用直流電壓輸入是沒有問題，但還不能保證實(shí)際使用中會發(fā)生一些意外，比如可能存在某些服務(wù)器電源的特別設(shè)計(jì)而不能使用直流電，或者長時(shí)間使用會不會增加服務(wù)器的故障率等，這都要經(jīng)過實(shí)際使用的檢驗(yàn)。

再就是如果使用直流電源，當(dāng)服務(wù)器設(shè)備損壞時(shí)，服務(wù)器廠家對該故障的認(rèn)可，有可能會因我們使用直流電源供電不符合其設(shè)計(jì)要求而推卸責(zé)任。