电容储能的自动化终端备用开关电源设计

         摘要：为了在失电情况下继续维持智能终端设备短暂工作，提出了一种基于电容储能的自动化终端备用开关电源解决方案。论述了电路组成、下限工作电压选取和储能电容器容量设计方法。根据能量平衡关系，分析了负载突然增大和负载突然减轻情况下的最严重电压凹陷和电压骤升，并得出输出滤波电容容量的设计考虑。以一个具体的电容储能FTU电源为例，详细说明了电路参数的设计方法，并进行了实验研究。实验结果表明所设计的电容储能备用电源能够满足在失去正常供电电源后自动化终端待机、操作和通信的需要，并且所进行的理论分析与实际情况相符。
        0引言
         在电力系统监测、监控和自动化系统中，开关电源是智能终端设备的关键部件之一，其输入一般来自电压互感器二次侧或配电变压器二次侧。但是在故障或其它因各种原因导致输入电源失去的情况下，这些智能终端设备还必须维持工作一段时间，否则就不能完成故障检测、处理和继电保护以及信息记录和上报功能，因此需要采取储能措施。
         在变电站内的智能终端设备，可以采用蓄电池储能构成备用电源系统。但是安装在户外环网柜、柱上开关、配电变压器等的智能终端设备，需要在恶劣的环境下工作，采用蓄电池无论对于设备可靠性或维护方便性而言都是不理想的。
         实际上对于绝大多数户外智能终端设备，在失去电源时仅需要维持短暂的工作时间即可[1]，比如：对于配电变压器监测终端（TTU），只需在停电时上报该信息即可；对于柱上开关监控终端（FTU），只需在失电时上报故障信息和开关状态，有必要的话分断该开关即可；对于环网柜监控终端，只需在失电时上报故障信息和开关状态，并将故障线路上游相邻开关分断即可。上述功能所需要的时间一般在1min之内。由于分断开关所需的能量可以由专门的工作储能电容器提供，因此在故障或者失电时，智能终端设备的电源只需要提供维持本机工作和通信单元所需要的能量即可，峰值功率一般不会超过5W，平均功率小于2.5W。
         随着科学技术的发展，超级电容器和大容量电解电容器技术已经日趋成熟。与蓄电池相比，电容器具有充电速度快且管理方便、寿命长、体积小、重量轻等诸多优点，是一种很有发展前景的电力储能设备并且已经成功地应用在电力系统中[2~4]。
         从户外智能终端设备在失电后需要一段短暂的平均功率较小的维持电源供应需求看，采用超级电容器和大容量电解电容器作为储能手段是完全可行并且较蓄电池而言更加合适[5]。
         本文论述一种采用电容储能的备用开关电源分析和设计方法，并对其性能进行实验验证。
        1电路组成
         电容储能开关电源由整流电路、切换电路、DC-DC变换器、工作储能电容器和操作储能电容器等部分组成，其结构如图1所示。对于TTU等不需要控制的情形，可仅有虚线下方部分。

整流电路用以在正常供电情况下为电容充电，切换电路A用以在失去正常供电时将DC-DC变换器切换到工作储能电容上，当恢复正常供电时再将其切换回来。切换电路B用以在失去正常供电时将开关操动机构切换到操作储能电容上，当恢复正常供电时再将其切换回来。工作储能电容器用以储存能量，在失去交流电源时维持开关电源工作为智能终端供电。操作储能电容器用以储存能量，在失去交流电源时满足开关操作的需要。DC-DC变换器用以将交流电源和工作储能电容器中的能量转换成所要求的形式以供智能终端设备使用。一般输入电压都高于自动化装置的工作电压，因此常采用降压型buckDC-DC变换器[6]，其组成如图2所示。

         图中S为功率开关，D为二极管，L为电感，Co为输出电容，RL为负载。Vi为输入电压，Vo和Io分别为输出电压和输出电流。
         正常时的工作电源VS和操作电源VC有时相同有时并不相同。正常时的操作电源VC一般直接取自电压互感器二次侧，因此为AC220V（整流后为DC310V）或AC100V（整流后为DC141V）；而正常时的工作电源VS有时也直接取自电压互感器二次侧，有时则采用一个二次变压器兼隔离装置进一步降压后得到。
         对于输入输出电压相差很悬殊的情形，DC-DC变换器一般需要采用脉冲隔离变压器来满足电压变比的要求。还可以采用如图3所示的串并电容组合结构（SP）[7，8]构成工作储能电容器，它具有串联充电和并联放电的特性，因此在失去交流电源而由工作储能电容器放电维持工作期间，串并电容组合结构实际上起到了降压的作用。通过选取恰当阶数的串并电容组合结构，就有可能在DC-DC变换器中不需要采用隔离变压器也能满足电压变比的要求。

         图1虚线上部的设计和应用已经比较成熟[9]，操作储能电容器电压和容量的设计需要根据开关操作机构的特点和所需要的能量确定，本文不再赘述，下面着重论述虚线下面部分的分析与设计考虑。
        2参数设计
         2.1变换器的下限工作电压

电压骤升和凹陷都是由于变换器对于电压或负载突变的动态响应过程造成的，但对于电容储能备用电源，其输入电压为电容电压不会突变，因此电压骤升和凹陷主要由于负载突变引起。
1）电压凹陷

         开关频率f取为50kHz，则在Vi-Io平面上该变换器的全部工作范围内，变换器都处于CCM。
         根据被该FTU控制的柱上真空断路器操动机构的规格，确定操作储能电容器选用470 F/600V。经实验验证，该电容器可确保在交流电压失去的条件下对该柱上真空断路器进行2次可靠的合闸或分闸操作。
         基于上述参数，研制了一台电容储能开关电源，功率开关管采用MOSFEtiRF9540，二极管采用MBR20100，PWM控制器采用TL494，工作储能电容采用1F/50V的超级电容器。
         在工作电容充电电压为30V条件下，分别采用电阻器作为负载模仿待机、发信和控制状态，并用开关分别接入和断开，测得待机时间达到143s。用该电源为GEA-PFT2W型FTU供电，在成功地进行两次控制操作和两次上行通信后，待机时间达到141s，达到设计要求。实验中发现，输入电压在8.93V以上时，FTU仍可以正常工作。
         采用电阻器作为负载，并用开关分别接入和断开进行了从空载到满载和从满载到空载的实验，输出电压的波形如图4所示。

        4 结论
         采用电容储能的自动化终端备用电源能够满足在失去正常供电电源后自动化终端待机、操作和通信的需要。
         所进行的理论分析符合实际情况，所建议的设计方法是可行的。
         所建议的电容储能的自动化终端备用电源已经应用于作者研制的配电自动化终端设备中，运行结果表明其是可行的。
         参考文献
         [1]刘健，倪建立.配电自动化新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2003.
         [2]胡毅，陈轩怒，杜砚.超级电容器的应用与发展[J].电力设备，2008，9(1)：19-22.
         [3]陈英放，李媛媛，邓梅根.超级电容器的原理与应用[J].电子原件与材料，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]隋国正，张力大.FTU供电电源方案改进[J].电工技术，2008，(1)：16-17.
         [6]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，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]刘健，陈治明，钟颜儒.开关电容DC-DC变换器的设计方法 [J].电子学报，1999，27(4)：102-106.
         [9]刘健，董榕，杜文学，等.城乡电网建设与改造[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
         [10] 蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学：直流-直流变换部分[M].北京：科学出版社，1995.

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刘凯

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