電容儲(chǔ)能的自動(dòng)化終端備用開關(guān)電源設(shè)計(jì)

程紅麗，王立，劉健，王利強(qiáng)

（西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)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(shè)備短暫工作，提出了一種基于電容儲(chǔ)能的自動(dòng)化終端備用開關(guān)電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲(chǔ)能電容器容量設(shè)計(jì)方法。根據(jù)能量平衡關(guān)系，分析了負(fù)載突然增大和負(fù)載突然減輕情況下的最嚴(yán)重電壓凹陷和電壓驟升，并得出輸出濾波電容容量的設(shè)計(jì)考慮。以一個(gè)具體的電容儲(chǔ)能FTU電源為例，詳細(xì)說明了電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電容儲(chǔ)能備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動(dòng)化終端待機(jī)、操作和通信的需要，并且所進(jìn)行的理論分析與實(shí)際情況相符。

0引言

在電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控和自動(dòng)化系統(tǒng)中，開關(guān)電源是智能終端設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，其輸入一般來自電壓互感器二次側(cè)或配電變壓器二次側(cè)。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(shè)備還必須維持工作一段時(shí)間，否則就不能完成故障檢測(cè)、處理和繼電保護(hù)以及信息記錄和上報(bào)功能，因此需要采取儲(chǔ)能措施。

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

實(shí)際上對(duì)于絕大多數(shù)戶外智能終端設(shè)備，在失去電源時(shí)僅需要維持短暫的工作時(shí)間即可[1]，比如：對(duì)于配電變壓器監(jiān)測(cè)終端（TTU），只需在停電時(shí)上報(bào)該信息即可；對(duì)于柱上開關(guān)監(jiān)控終端（FTU），只需在失電時(shí)上報(bào)故障信息和開關(guān)狀態(tài)，有必要的話分?jǐn)嘣撻_關(guān)即可；對(duì)于環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控終端，只需在失電時(shí)上報(bào)故障信息和開關(guān)狀態(tài)，并將故障線路上游相鄰開關(guān)分?jǐn)嗉纯?。上述功能所需要的時(shí)間一般在1min之內(nèi)。由于分?jǐn)嚅_關(guān)所需的能量可以由專門的工作儲(chǔ)能電容器提供，因此在故障或者失電時(shí)，智能終端設(shè)備的電源只需要提供維持本機(jī)工作和通信單元所需要的能量即可，峰值功率一般不會(huì)超過5W，平均功率小于2.5W。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容器和大容量電解電容器技術(shù)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(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的電力儲(chǔ)能設(shè)備并且已經(jīng)成功地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[2~4]。

從戶外智能終端設(shè)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(yīng)需求看，采用超級(jí)電容器和大容量電解電容器作為儲(chǔ)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(chǔ)能的備用開關(guān)電源分析和設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1電路組成

電容儲(chǔ)能開關(guān)電源由整流電路、切換電路、DC-DC變換器、工作儲(chǔ)能電容器和操作儲(chǔ)能電容器等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于TTU等不需要控制的情形，可僅有虛線下方部分。