在各种UPS不间断供电电源系统中, 通常采用可反复充电蓄电池作为直流电源系统的后备电源。UPS不间断供电电源往往是在供配电网突然断电或供配电电网电压出现瞬时跌落等运行工况状态时的最初几秒到几分钟内起稳定供电电能的作用, 即已充满电能的蓄电池在这段时间内提供直流系统对应的电能资源。由于充电蓄电池存在综合使用寿命较短、需定期进行性能维护、以及对运行环境温度等影响因素较敏感等不足, 导致UPS直流供电电源在实际运行过程中, 需要时刻监视蓄电池的运行性能状态, 即不能进行大电流直接充放电, 又要避免在UPS系统中引入感性负载 (如电动机) 等。因此, 充电蓄电池自身所存在的缺点是限制UPS不间断电源快速发展的重要制约因素。超级电容器是在近几十年的发展过程中, 取得了较为良好的研究成果和应用效果, 其是一种集常规电容器与化学电池间二者性能为一体的新型储能电子元器件。它不仅具备传统电容器的放电功率性能, 同时也具备化学电池应有的电荷储备功能。随着电源技术研究的进一步深入, 超级电容器其容量可达数千法拉, 与常规可充电蓄电池相比, 其具有性能优越、能源转换效率高、实用环保等功能, 在U PS不间断直流电源系统中, 具有较大的理论研究和实际推广应用前景[1]。
在航空、电网、医疗、铁路、工业等领域, UPS不间断电源作为直流系统后备电源, 在供配电网系统发生突然停电或者电压瞬时跌落过程中的稳定供电电源, 对确保整个直流供电系统安全稳定、准确可靠的供电方面具有较大的应用价值。目前, 直流操作电源系统中普遍采用反复充电蓄电池作为后备电源, 也就是说蓄电池后备直流操作电源系统是用蓄电池来完成储能, 当交流电正常且整流器完好时, 蓄电池会通过对应整流装置和放电电路提供相应电流来补充电网系统中冲击负荷的影响, 确保直流系统供电安全可靠性;另外, 当交流电源突然停电或整流装置发生故障后, 蓄电池会通过放电回路向重要负荷、事故负荷、以及冲击负荷等停电保护等级较高的负荷提供直流电能资源。以蓄电池为储能元件的直流操作电源在很多工程领域中得到广泛应用, 同时也发挥较为良好的应用效果。但实际工程应用中发现, 很多蓄电池生产厂商为推销密封铅酸蓄电池, 均在设备外壳上加上了“免维护”等标识, 这给实际UPS直流电源系统维护工作人员带来许多误区, 加上现场蓄电池维护较为繁杂, 维护不方便, 这就导致工作人员在实际工作中放松了对蓄电池的日常维护管理工作力度, 如密封铅酸蓄电池没有按照相关规定要求进行活化试验、蓄电池运行环境温度变化较大、以及使用过程中出现充放电电流过大、带感性负载等。由于UPS不间断直流系统在使用过程中, 充电蓄电池存在管理不善等问题, 随着使用时间加长, 极板活性物质出现大量脱落, 容量也大大下降, 其输出能力大大降低, 有的甚至不能满足断路器合闸等保护控制要求, 直接影响到UPS直流电源的使用性能水平。从大量统计数据资料表明, 目前12V系列铅酸蓄电池其平均使用寿命大约只有3~4年, 因此, 直流UPS不间断电源的供电安全可靠性问题值得进一步加深研究[2]。
目前, 工程中应用的超级电容器主要包括EDLC双电层电容器和电化学电容器两大类。其中, EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能电子元件, 其多孔化电极主要采用活性炭粉和活性炭纤维, 而且电解液则采用有机电解质, 整个储能性能相当优越。EDLC超级电容器在工作时, 其可以在可极化电极和电解质溶液间界面上形成了双电层中聚集大量的电容量, 从而提高电容器的电荷储存效率。EDLC超级电容器具有极大的电容量, 同时可以储存很大的静电负荷, 也就是说EDLC超级电容器其储能性能是介于常规电容器与化学电池间的新型高效储能元件。超级电容与常规铅酸充电蓄电池间的特性比较如表1所示。
由表1可知, EDLC超级电容与常规铅酸蓄电池相比, 其不仅具有材料无毒、环保性好、使用寿命较长、对使用环境要求较低、以及可提供大电流充放等优点, 同时其还具有真正免维护性能, 在直流操作电源事故负荷较小或特性指标要求不是太高的工程领域, 其工作性能完全可以代替常规铅酸蓄电池作为直接UPS不间断电源的储能设备, 以提高UPS不间断供电电源系统运行安全可靠性, 减少常规铅酸电池UPS点烟系统定期维护麻烦和提高使用环境适应性能。
由于EDLC超级电容在生产制造等过程中, 会造出其内部参数存在不一致问题, 这就可能导致UPS电源在充放电过程中, 由于内部参数不一致引起超级电容器工作电压发生不平衡, 严重影响到整个UPS电源系统的供电安全性、可靠性、供电电能质量和使用寿命。因此, EDLC超级电容在使用过程中, 需要对其进行均压处理。基于EDLC超级电容的直流U PS不间断电源系统, 其主要由电源切换电路、逆变整流器、蓄能控制电路 (充放电电路) 、超级电容器模组、嵌入式处理器测控电路等共同组成, 其逻辑组成方案如图1所示。
对于EDLC超级电容器组的充电控制, 采用先恒流后恒压的充电策略, 即当EDLC超级电容器未达到额定电压值前, 采用恒流充电方式;而当电容器充电达到额定电压值后, 则改为恒压浮充方式, 这样可以有效防止电容器组中的单个EDLC超级电容器由于出现过充而造成整个损坏, 同时可以补偿由于电容器EPR等效并联电阻引起的运行能量损耗。由于EDLC超级电容器自身性能的影响, 其所形成的UPS电源其功率通常较小, 充电电路拓扑结构可以采用正激变换器方式。为了满足上述性能指标要求, 基于EDLC超级电容器的直流UPS不间断电源系统, 其充电电路采用电流型PWM控制芯片 (此处采用TL 384 4控制芯片) , 来构成充电电路的电压、电流双闭环反馈控制系统。
在图1中, 当外部供电电网出现突然断电或电压低于设定运行范围值时, 则要求UPS电源向特殊负载恒压放电提供直流电能资源, 即EDLC超级电容器组通过放电电路对负载进行恒压放电。虽然EDLC超级电容器其比功率较大, 但由于其能量密度较低, 即:当放电电流较大时, UPS电源中能量损失较快, 导致EDLC超级电容器两端电压下降较快。因此, 为了提高UPS电源的放电性能, 要改变EDLC超级电容器的占空比来提高放电性能, 以维持UPS电源输出电压的恒定。放电电路的控制芯片采用TL 384 2芯片, 采用峰值电流控制模式方式。基于EDLC超级电容器的直流UPS电源系统的放电电路如图2所示。
为了验证基于EDLC超级电容器的直流UPS不间断电源的工作性能, 结合图1~3制作了一台功率为100W的试验样机, 其主要性能参数为:UPS电源交流输入电压范围 (市电电压的±20%) , 即:AC176V~264V;UPS电源直流输入电压 (超级电容器组的端电压) , 按照直流电源输出电压波动范围要求, 即:DC6V~15V。当外部供电电网电压低于AC176V或出现突然断电等状态时, 直流UPS不间断电源其输出电压应恒定为:DC (240±10) V, 其掉电持续稳定供电时间为3min。经相应容量计算, 选用6个EDLC超级电容进行串联形成超级电容器组, 并按照冗余设计要求采用2组这样的串联支路进行并联组合, 形成UPS电源超级电容器组储能单元。当外部供电电网电压低于AC176V或出现突然断电, 由EDLC超级电容器组组成的直流UPS电源其输出直流电压波形。
基于EDLC超级电容器的UPS电源系统, 其输出稳压精度较高, 电压纹波很小, 验证了EDLC超级电容器代替常规铅酸蓄电池的可行性。有测试结果可知, EDLC超级电容器不仅可以进行能量储存和断电或电压瞬降提供直流能量外, 还可以平滑U PS电源的输出电压, 使得输出电压始终稳定在一定范围内, 确保直流系统运行的可靠性和稳定性。
用EDLC超级电容代替常规铅酸蓄电池作为直流UPS不间断电源的主要储能设备, 可以有效提高UPS电源的供电可靠性和使用寿命, 能够有效解决常规铅酸蓄电池自身存在的环保、维护等问题, 有效提高了直流电源系统运行的安全性、可靠性、可维性、以及适用性。
摘要：在对蓄电池直流操作电源系统现存主要问题进行归纳总结后, 对超级电容代替蓄电池的可行性进行了简单阐述。最后, 对基于EDLC超级电容器的直流UPS不间断电源系统的充电电路、放电电路、以及输出直流电压性能进行了详细分析研究。
关键词：EDLC超级电容,直流UPS电源,储能
[1] 张慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京:中国科学院电工研究所, 2006.
[2] 王云玲, 曾杰, 张步涵, 等.基于超级电容器储能系统的动态电压调节器[J].电网技术, 2007, 31 (8) :58～62.
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