超级电容在直流操作电源系统中的应用_王雪琪
２００８３７０４机电工程技术!""#年第$%卷第"&期
超级电容在直流操作电源系统中的应用
王雪琪１，李
鹏２，刘树晓３（１．山东工商学院控制科学与工程系，山东烟台２６４００５；２．日照供电公司，
山东日照２７６８２６；３．沂水供电公司，山东沂水２７６４００）
收稿日期：２００７－１１－２２摘要：超级电容（双电层电容器ＥＤＬＣ）是一种新型储能元件，其与蓄电池相比具有一定的互补性。利用超级电容（或与蓄电池一起）构成直流操作电源系统中的储能部件，可以解决蓄电池直流操作电源系统中存在的问题，提高电源系统的可靠性和可性。本文针对超级电容的以上特性，提出了超级电容在直流操作电源系统中的多种应用方案。
关键词：直流操作电源；超级电容；可靠性
中图分类号：ＴＭ５３文献标识码：Ａ文章编号：１００９－９４９２（２００８）０４－００８０－０３
１蓄电池直流操作电源系统存在的问题
蓄电池直流操作电源系统是用蓄电池来储能，当交流
电正常且整流器完好时，蓄电池用于向冲击负荷提供补充
电流；当交流停电或整流器故障时，蓄电池用于向经常负
荷、事故负荷及冲击负荷供电。以蓄电池为储能元件的直
流操作电源已被广泛使用，但普遍存在的问题是蓄电池生
产厂商为推销密封铅酸蓄电池，都加上了“
免维护”字样，由于“
免维护”这一词给使用者带来认识上的误区，加上现场蓄电池维护的不方便，导致使用者放松了蓄电池
的日常维护管理，如：密封铅酸蓄电池没有按规定要求进
行活化试验、环境温度变化较大、充电电流过大等等。由
于蓄电池管理不善，目前１２Ｖ系列铅酸蓄电池平均寿命只
有三至四年左右，有些用户甚至陷入了蓄电池频繁故障，
且一时无法彻底解决的困境之中。由此带来了直流操作电
源系统的可靠性问题［１］。２超级电容代替蓄电池的可行性超级电容器［２－５］包括双电层电容器（ＥＤＬＣ）和电化
学电容器两大类。ＥＤＬＣ超级电容器是一种高能量密度的
无源储能元件，其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤
维，电解液采用有机电解质。工作时，在可极化电极和
电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。
其多孔化电极是多孔性的活性碳，有极大的表面积在电
解液中吸附着电荷，因而具有极大的电容量并可以存储
很大的静电能量，超级电容器的这一特性介于传统的电
容器与电池之间。超级电容与铅酸蓄电池特性比较如表１
所示。
由于超级电容与铅酸蓄电池相比，具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点，在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中，完全可
以用来代替铅酸蓄电池，以提高电源系统可靠性，减少系
统维护麻烦。３超级电容在直流操作电源系统中的应用超级电容与蓄电池相比具有维护简单、设备环保、成本低、可放电次数多、环境条件要求低等优点，其缺点是容量密度有待进一步提高，要实现与蓄电池相同储能容量，会使超级电容的体积和成本大大增加。根据直流操作电源的应用对象的不同，合理选择和使用超级电容，可以解决目前使用铅酸蓄电池直流操作电源存在的问题［６－１０］。
比较内容环保性比能量（Ｗ?ｈ／ｋｇ）比功率（Ｗ／ｋｇ）充放电时间可充放电次数寿命环境适应性维护性ＥＤＬＣ超级电容材料无毒，环保性好０．２～１０１００～５００００．１～１０ｍｉｎ＞１０００００大于１０年温度范围宽，对环境要求低免维护铅酸蓄电池材料有毒，重金属污染１０～４０５０～１３０１～１０ｈ２００～２０００３～５年温度范围要求高每年进行一次活化试验表１超级电容与铅酸蓄电池特性比较应用技术
２００８３７０４机电工程技术!""#年第$%卷第"&期图３整流器和超级电容均为冗余设计的直流操作电源原理图
图１采用一只超级电容的直流操作电源原理图图２采用两只超级电容冗余设计的直流操作电源原理图
３．１３５ｋＶ以下，对可靠性要求不高的小型变
（配）电所
典型例子如工矿企业的车间配电室，建筑大楼配电室
等。由于直流负荷较小，对供电可靠性要求不是很高，这
时可以直接用超级电容代替铅酸蓄电池。如冲击负荷电流
小于整流器输出的电流，可采用一只（１Ｆ／３００Ｖ）超级电
容代替蓄电池，直流操作电源原理电路如图１所示。
如果冲击负荷电流大于整流器的输出电流，需要由超
级电容提供冲击负荷电流，这时可以采用两只超级电容冗
余设计代替蓄电池，由于整流器已经在电源模块上采用了
冗余设计，这样电源模块和超级电容均采用了冗余设计，
提高了电源系统的可靠性和可维性。超级电容直流操作电
源原理电路如图２所示。３．２３５ｋＶ以下，对可靠性
要求较高的小型变（配）
电所
提高超级电容直流操作电
源系统可靠性的方法是整流器
和超级电容均采用冗余设计，
其原理电路如图３所示。
超级电容直流操作电源采
用两套完全相同的整流器，输
出通过单母线分段向负荷供电。
具有如下特点。
１）整流器采用冗余热备份
设计，其交流输入均采用交流
自动切换，只要两路交流输入有一路正常，一路整流器正
常，电源系统即可提供正常
电源输出。
２）超级电容用于为冲
击负荷和故障负荷提供电
能，可根据负荷的大小确定
超级电容的容量，一般选择
１Ｆ／３００Ｖ，一只或多只并联。
３）两路整流器输出通
过单母线分段方式向负荷供
电，根据负荷不同可选择两
段母线分段运行，故障时母
联开关自动投入或人工投
入；或选择两段母线一并运
行，两路整流器一主一备，
一路故障时另一路自动投入
或人工投入；或选择两段母
线、两套整流器直接并联的
运行方式，任何一路整流器
故障，将会自动退出。３．３３５ｋＶ及其以上重要变电所３５ｋＶ及其以上重要变电所，可以采用超级电容与蓄电池相结合的方式，来提高电源系统的可靠性、可维护性和使用寿命。其原理电路如图４所示。设计采用超级电容直流操作电源与蓄电池直流操作电源相结合的直流操作电源系统。超级电容直流操作电源用于为冲击负荷供电；蓄电池直流操作电源用于为经常负荷和事故负荷供电。１）两套电源相互独立，又互为备份，提高了电源系统的可靠性和可维性，铅酸蓄电池进行活化放电试验时，可由超级电容直流操作电源为其提供备用电源。２）蓄电池正常只负责向经常负荷供电，这样
可
以降
低蓄电池的容量，降低系统成本；由于蓄电池负荷电流稳
应用技术
２００８３７０４
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供热量、合理控制各部分的温度，防止两者温差太大影响工作效率。因为三个脱桶室是相对独立的，三个脱桶室的导热油采用并联供应方式，并且有导热油阀控制通断，可以按实际生产需要调整使用脱桶室的数量。
４投产使用效果
通过半年多的时间，完成了脱桶设备的设计、制作、安装、调试等工作，并顺利投产，设备完全达到了设计标准。电动葫芦上桶机构的工作性稳定、可靠，导热油加热脱桶效率高，脱桶周期小于三小时，最大脱桶速率达１４吨／天，脱桶的速度完全满足生产的需要。设备应用范围广，包括桶装的成品彩色沥青、脱色沥青及黑色沥青。
５结束语
该脱桶设备投产一年多时间来，已累计脱桶沥青约１１０吨，配合日工ＮＡＰ－１０００型沥青拌和楼生产了约２０００吨的彩色沥青，创造了很好的经济效益。
作者简介：邱熙锋，男，１９７６年生，广东梅州人，大学本科，助理工程师。研究领域：建筑机械。已发表论文１篇。
（编辑：梁玉）
定，基本无冲击，可延长蓄电池的使用寿命。
３）根据负荷大小和负荷的重要性，可以选择电源系统的容量、蓄电池的容量和组数、机柜数量及其自动切换装置的数量等等。
４结束语
超级电容在直流操作电源系统中，可以根据负荷大小以及重要程度的不同，实现不同的解决方案。合理选择这些方案可以解决由于蓄电池而给电源系统带来的环保、维护、寿命等问题，提高了电源系统的可靠性、可维护性和可用性，随着超级电容的不断发展，其在直流操作电源系统中将获得更广泛应用。
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第一作者简介：王雪琪，女，
１９６４年生，济南人，大学本科，副
教授。研究领域：电力电子及其自动控制。已发表论文１５篇。
（编辑：向飞）图４超级电容与蓄电池一并采用的直流操作电源原理图
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（上接第７４页）
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