【導(dǎo)讀】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(kāi)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(shuō)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)監(jiān)控終端（FTU），只需在失電時(shí)上報(bào)故障信息和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有必要的話分?jǐn)嘣撻_(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，并將故障線路上游相鄰開(kāi)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_(kāi)關(guān)所需的能量可以由專門(mén)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(guò)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(zhǎng)、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(kāi)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(kāi)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。
圖1.電容儲(chǔ)能開(kāi)關(guān)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(shí)將DC-DC變換器切換到工作儲(chǔ)能電容上，當(dāng)恢復(fù)正常供電時(shí)再將其切換回來(lái)。切換電路B用以在失去正常供電時(shí)將開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)切換到操作儲(chǔ)能電容上，當(dāng)恢復(fù)正常供電時(shí)再將其切換回來(lái)。工作儲(chǔ)能電容器用以儲(chǔ)存能量，在失去交流電源時(shí)維持開(kāi)關(guān)電源工作為智能終端供電。操作儲(chǔ)能電容器用以儲(chǔ)存能量，在失去交流電源時(shí)滿足開(kāi)關(guān)操作的需要。DC-DC變換器用以將交流電源和工作儲(chǔ)能電容器中的能量轉(zhuǎn)換成所要求的形式以供智能終端設(shè)備使用。一般輸入電壓都高于自動(dòng)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2.buck DC-DC 變換器
圖中S為功率開(kāi)關(guān)，D為二極管，L為電感，Co為輸出電容，RL為負(fù)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(shí)的工作電源VS和操作電源VC有時(shí)相同有時(shí)并不相同。正常時(shí)的操作電源VC一般直接取自電壓互感器二次側(cè)，因此為AC220V（整流后為DC310V）或AC100V（整流后為DC141V）；而正常時(shí)的工作電源VS有時(shí)也直接取自電壓互感器二次側(cè)，有時(shí)則采用一個(gè)二次變壓器兼隔離裝置進(jìn)一步降壓后得到。
對(duì)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(lái)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(jié)構(gòu)（SP）[7，8]構(gòu)成工作儲(chǔ)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(chǔ)能電容器放電維持工作期間，串并電容組合結(jié)構(gòu)實(shí)際上起到了降壓的作用。通過(guò)選取恰當(dāng)階數(shù)的串并電容組合結(jié)構(gòu)，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3.串并電容組合結(jié)果及其充放電源
圖1虛線上部的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟[9]，操作儲(chǔ)能電容器電壓和容量的設(shè)計(jì)需要根據(jù)開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)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(shè)計(jì)考慮。
2.參數(shù)設(shè)計(jì)
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(duì)于電壓或負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程造成的，但對(duì)于電容儲(chǔ)能備用電源，其輸入電壓為電容電壓不會(huì)突變，因此電壓驟升和凹陷主要由于負(fù)載突變引起。
1）電壓凹陷
開(kāi)關(guān)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(dòng)機(jī)構(gòu)的規(guī)格，確定操作儲(chǔ)能電容器選用470 F/600V。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電容器可確保在交流電壓失去的條件下對(duì)該柱上真空斷路器進(jìn)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(tái)電容儲(chǔ)能開(kāi)關(guān)電源，功率開(kāi)關(guān)管采用MOSFETIRF9540，二極管采用MBR20100，PWM控制器采用TL494，工作儲(chǔ)能電容采用1F/50V的超級(jí)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(fù)載模仿待機(jī)、發(fā)信和控制狀態(tài)，并用開(kāi)關(guān)分別接入和斷開(kāi)，測(cè)得待機(jī)時(shí)間達(dá)到143s。用該電源為GEA-PFT2W型FTU供電，在成功地進(jìn)行兩次控制操作和兩次上行通信后，待機(jī)時(shí)間達(dá)到141s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，輸入電壓在8.93V以上時(shí)，F(xiàn)TU仍可以正常工作。
采用電阻器作為負(fù)載，并用開(kāi)關(guān)分別接入和斷開(kāi)進(jìn)行了從空載到滿載和從滿載到空載的實(shí)驗(yàn)，輸出電壓的波形如圖4所示。
3.結(jié)論
采用電容儲(chǔ)能的自動(dòng)化終端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。
所進(jìn)行的理論分析符合實(shí)際情況，所建議的設(shè)計(jì)方法是可行的。
所建議的電容儲(chǔ)能的自動(dòng)化終端備用電源已經(jīng)應(yīng)用于作者研制的配電自動(dòng)化終端設(shè)備中，運(yùn)行結(jié)果表明其是可行的。
