電容儲能的自動化終端備用開關(guān)電源設(shè)計

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能的自動化終端備用開關(guān)電源解決方案。論述了電路組成、下限工作電壓選取和儲能電容器容量設(shè)計方法。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)計考慮。以一個具體的電容儲能FTU電源為例，詳細(xì)說明了電路參數(shù)的設(shè)計方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計的電容儲能備用電源能夠滿足在失去正常供電電源后自動化終端待機(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、監(jiān)控和自動化系統(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間，否則就不能完成故障檢測、處理和繼電保護(hù)以及信息記錄和上報功能，因此需要采取儲能措施。

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)際上對于絕大多數(shù)戶外智能終端設(shè)備，在失去電源時僅需要維持短暫的工作時間即可[1]，比如：對于配電變壓器監(jiān)測終端（TTU），只需在停電時上報該信息即可；對于柱上開關(guān)監(jiān)控終端（FTU），只需在失電時上報故障信息和開關(guān)狀態(tài)，有必要的話分?jǐn)嘣撻_關(guān)即可；對于環(huán)網(wǎng)柜監(jiān)控終端，只需在失電時上報故障信息和開關(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能電容器提供，因此在故障或者失電時，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，采用超級電容器和大容量電解電容器作為儲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能的備用開關(guān)電源分析和設(shè)計方法，并對其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1電路組成

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