超級電容器直流儲能系統(tǒng)的FTU控制技術(shù)的實現(xiàn)

1、 研究與專論1 研究與專論超級電容器直流儲能系統(tǒng)的FTU控制技術(shù)的實現(xiàn) Control Strategy of Feeder Terminal Unit based on the Supercapacitor DC Storage Energy System珠海許繼電氣有限公司封連平劉紅偉Zhuhai XJ Electric Co.,Ltd.Feng LianpingLiu Hongwei摘 要： 超級電容器是近年出現(xiàn)的一種介于電池與電解電容器之間的新型綠色儲能元件，具有電容器功率密度高、壽命長、無需維護及充放電迅速等特性。為了推動超級電容器在電力控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，通過工程實踐介紹超級電容器

2、在FTU控制系統(tǒng)中的應(yīng)用原理和實際效果。Abstract: Supercapacitor, a new energy storage components between batteries and electrolytic capacitors developed in recent years, has many advantages, i.e. the high power density, the long service life, maintenance-free, fast charging and discharging. To expand its appllication

3、range in FTU electric power control system. With engineering experience, the working principle and effects of supercapacitors in FTU control system is introduced.關(guān)鍵詞：超級電容 綠色后備電源 饋線遠方終端單元Key words: Super-capacitor Green standby powerFeeder terminal unit (FTU)中圖分類號：TM531文獻標(biāo)識碼：B1.前言10kV配電網(wǎng)自動化的一個重要環(huán)節(jié)是在架

4、空線路上，安裝具有自動化功能的開關(guān)設(shè)備。而柱上開關(guān)設(shè)備裝設(shè)在戶外，承受惡劣的運行環(huán)境。如須適應(yīng)-4070運行溫度，須對風(fēng)沙、雨霧、防腐等有可靠的防護。同時，由于鄰近高壓，當(dāng)中的二次部分需要承受強電場、大電流、雷電等的干擾。因此對這種柱上開關(guān)設(shè)備裝的性能和質(zhì)量要求特別嚴(yán)格。按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義，配網(wǎng)自動化終端設(shè)備為饋線遠方終端FTU(Feeder terminal unit)，主要功能是故障檢測、就地保護控制、狀態(tài)監(jiān)控、遠程控制和電量測量及與配電自動化系統(tǒng)中心主站通信。故障位置判斷、隔離故障區(qū)段、恢復(fù)正常區(qū)又較大，無法維持事故分閘所需要的能量。事故分閘可靠性差，導(dǎo)致事故擴大。為了保障分閘的能量，有

5、些用戶對現(xiàn)場的FTU安裝蓄電池作停電時的電源，還要配備充電器和逆變器。然而蓄電池長期運行不作維護，性能無法保持。事故可靠分閘亦同樣無保證。為解決上述工作電源問題，引入超級電容器在柱上開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用。2.超級電容的技術(shù)特性超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，它介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速充放電優(yōu)點，也有電池的儲能特性?？芍貜?fù)使用、壽命長。放電是導(dǎo)體間的電子移動，而不依靠化學(xué)反應(yīng)，可以為設(shè)備提供電能。2.1 超級電容的技術(shù)原理域供電，是配電網(wǎng)自動化最重要的功能。為實現(xiàn)超級電容器屬于雙電層電容器，是世界上容 這項功能必須確保在故障期間，能夠獲取停電區(qū)量最大的雙電層電容器之一。其

6、工作原理與其它 域的信息，并通過遠方控制跳開一部分開關(guān)，再種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔 合上一些開關(guān)。如果該區(qū)域停電，無論是計算機電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來獲得超大的容 系統(tǒng)工作所需的電源或是通信系統(tǒng)所需的電源，量。傳統(tǒng)物理電容的儲電原理是電荷在兩塊極板 以及跳閘或合閘所需的操作電源，都無法解決。上被介質(zhì)隔離，兩塊極板之間為真空(相對介電常 電容儲能式硅整流分、合閘裝置具有結(jié)構(gòu)簡數(shù)為1)或一層介電物質(zhì)(相對介電常數(shù)為)所隔 單、成本低、維護量小的特點，它在FTU中得到離。超級電容器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，電容值為A了廣泛的應(yīng)用。但是它的一個致命的缺陷是：儲e´ 

7、0;1 0 -6(F)3 .6p。其中A為極板面積，d為介能電解電容器組容量不大(約幾千微法)，漏電流質(zhì)厚度，所儲存的能量為E=0.5C(V)2。2超級電容器直流儲能系統(tǒng)的FTU控制技術(shù)的實現(xiàn)+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -電位 充電態(tài)圖1 超級電容結(jié)構(gòu)原理圖2.2 超級電容器的特點和優(yōu)勢表1 超級電容器特點體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大3040倍，容量范圍：0.1F1000F；充、放電線路簡單，無需蓄電池那樣的充電電路， 真正免維護；充、放電能力強，且充電速度快，10秒內(nèi)達到額定容量的95%；失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；超長壽命，可長達40萬小時以上；單體電壓類型

8、：2.5V、2.7V。表2 與傳統(tǒng)電容器比較電容是以將電荷分隔開來的方式儲存能量的，儲存電 荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大；傳統(tǒng)電容是從平板狀導(dǎo)電材料得到其儲存電荷面積的， 只有將一很長材料纏繞起來才能獲得大的面積，從而獲得 大的電容。另外傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、紙張或陶瓷等將 電荷板隔開。這類絕緣材料的厚度不可能做得非常簿；超級電容是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面積 的，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克質(zhì)量的表面積可達2000m2。 超 級 電 容 中 電 荷 分 隔 的 距 離 是 由 電 解 質(zhì) 中 的 離 子大小決定的，其值10nm；巨大的表面積加上電荷之間 非常小的距離，使

9、得超級電容有很大的電容值。一個超級 電容單元的電容值，可以從一法拉至幾千法拉。表3 與電池比較超低串聯(lián)等效電阻(LOW ESR)，即等效內(nèi)阻極低，功率密 度(Power density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上，適合大電流 放電(一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上)；超長壽命，充放電大于50萬次，是鋰離子電池的500倍， 是鎳錳和鎳鎘電池的1000倍。如果對超級電容每天充、 放電20次，連續(xù)使用可達68年；可以大電流充電，充、放電時間短，要求充電電路簡 單，無記憶效應(yīng)，密封免維護。溫度適應(yīng)范圍寬-40+70(一般電池是-2060)。超級電容在電力系統(tǒng)饋線遠方終端單元中主 要有以下用途：一

10、是作為分、合閘直流電源，二 是作為饋電線終端單元后備電源。3.1 FTU的電源回路配置原理圖FTU的電源回路工作原理見圖2。其中T為交 流變壓器(AC220V/35V)，BR1為KBP206整流橋， C1為超級電容器模組，其外觀見圖3。DC/DC為 寬電壓輸入隔離穩(wěn)壓多路輸出電源模塊。圖3 超級電容器模組線路有電時，DC/DC電源模塊為FTU提供工作 電源，C1提供給開關(guān)設(shè)備的電動分閘機構(gòu)分閘電 源。當(dāng)線路失電時，C1作為FTU的后備電源，同 時也為開關(guān)設(shè)備的電動分閘機構(gòu)提供分閘電源。3.2 超級電容參數(shù)分析與傳統(tǒng)的電容器及二次電池相比，超級電容圖2中超級電容C1 為電容模組，它由2.7V超

11、器儲電能力比普通電容器高，并具有充放電速度級電容單體串聯(lián)而成，當(dāng)中包含均壓電路保護 快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用板，輸出電壓等級為81V，參數(shù)見表4。 溫度范圍寬和安全可靠等特點。超級電容器選型參數(shù)：T輸入側(cè)為AC220V電3.超級電容在饋線遠方終端單元FTU中壓，饋電線終端單元電源采用10kV線路線電壓的應(yīng)用PT(10kV/220V)取電。PT二次側(cè)輸出電壓經(jīng)變壓市電AC220VNRT48VBR1C1穩(wěn)壓電源PS12PSG P+12AG開入輸量入/輸出回路 模擬量輸入/輸出回路 人機交互接口及顯示保險管+-NRNRDC/DCP-12P5DG通信接口微處理系統(tǒng)圖2 工作原理分合閘

12、執(zhí)行回路 研究與專論3表4 超級電容參數(shù)超級電 容單體單體內(nèi)阻<40m；容量30F； 電壓等級2.7V；體積25×35(mm)； 漏電流 < 1mA ；工作溫度-40+70壓電路 保護板閾值電壓 2.65V±0.2V； 工作電壓范圍 03.5V； 旁路電流500mA；漏電流< 1mA ； 工作溫度 -4085器降壓整流后，向饋電線終端單元提供直流供 電。根據(jù)10kV電力系統(tǒng)終端設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備需滿 足電網(wǎng)工作電壓±20%(AC220)的要求。因此，超 級電容輸出81V電壓等級相當(dāng)于57.6V(48×1.2)， 預(yù)有足夠的裕量。選擇1.2F

13、電容能滿足裝置停電較大電流以加快充電速度。后期采用恒壓充電，可在充電結(jié)束前小電流繼續(xù)充電，直到充滿，可 避免超級電容器內(nèi)部高溫而影響超其特性。圖5為電源模塊(電源模塊容量為48V/10A)向 超級電容器充電的恒流充電特性曲線。超級電容 器充電電壓基本呈線性變化，驗證了超級電容器 大電流快速充電的特點。t超級電容器恒流充電時間近似計算：C ´d v=I1 .2 ´3 2=1 0=3 .8 4 (s )后工作80s。由圖5可知，電壓由16V充電至48V所需時間3.3 超級電容器等效電路模型為3.75s?？紤]到誤差因素，理論值與實測值特性 超級電容器的等效模型見圖4。其中，EPR

14、為一致。等效并聯(lián)內(nèi)阻；ESR為等效串聯(lián)內(nèi)阻；C為等效容3.5 超級電容器恒功率充電特性分析抗；L為電容感抗。EPR主要影響超級電容器的漏電流，即影響電容的儲能時間。EPR通常很大，可以達到幾萬歐姆，所以漏電流很小。L代表電容器的感性成分，它是與工作頻率有關(guān)的分量。ESRCEPRL通過變壓器恒功率充電的方法，相對于恒流充電方法，充電電路簡單，不需要單獨充電電源模塊，只需通過簡單的整流電路即可實現(xiàn)。圖6為超級電容器恒功率充電曲線。 恒功率充電時間近似計算公式：C U 2t = ´W c21.2 ´50 2= ´312=48.39(s)其中，Wc為變壓器整流后的有用功率

15、，約為圖4 超級電容器的等效模型3.4 超級電容器恒流充電特性分析恒流限壓充電的控制最高電壓為48V，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。采用這種充電方法的優(yōu)點是：第一階段采用60504831W。圖6為電容器由變壓器進行恒功率充電的曲線圖，電壓由0V充電至50V所需時間為50s?？紤]到誤差因素，理論值與實測值特性一致。3.6 超級電容器恒阻抗放電特性分析60505040302010 16020.624.93829.6 33.446.542.1403020251012042 44.5 46 47 46360.001.002.003.004.00充電時間s0102030充電時間s405

16、0圖5 恒功率充電曲線圖6 恒流充電曲線4超級電容器直流儲能系統(tǒng)的FTU控制技術(shù)的實現(xiàn)超級電容器采用恒阻抗放電測試結(jié)果如圖7所示，即在電容模組兩端直接并聯(lián)電阻進行放電測試，并聯(lián)電阻為50，100W。區(qū)間1 區(qū)間2 區(qū)間3CBC1F1F2f3恒阻抗放電時間理論計算：U變電站10kV母線t =-T ln c 圖8 10kV架空饋線的典型應(yīng)用圖U c0 =-R C ln U cU c8為它在10kV架空饋線的典型接線圖，控制器與分段器安裝于主干線上，以實現(xiàn)線路短路保護故01 0障隔離。=-5 0 ´1 .2 ln 4 8»7 0 ´1 .5 6 9=1 0 9 .8 3

17、(s )式中:底數(shù)e=2.718；T是時間常數(shù)=RC；Uc為電容電壓；Uc0為電容初始電壓。6050圖8中，CB為變電站配電線出口斷路器；C1為分支線重合器或帶重合功能的斷路器；F1，F(xiàn)2為分段器成套設(shè)備。 本分段器控制器采用故障電流計數(shù)式原理，對重合器(或帶重合閘功能的斷路器)故障電流的開斷次數(shù)進行計數(shù)。當(dāng)動作次數(shù)達到分段器控制器的整定次數(shù)時，分段器控制器在重合器開斷故 障電流后輸出分閘信號，分段器分閘，隔離故障40403032302010022 20161110點，控制器自動恢復(fù)到初始狀態(tài)；當(dāng)重合器故障電流開斷次數(shù)在故障記憶時間內(nèi)(包括復(fù)位時間和 過流記憶時間兩部分)未達到整定次數(shù)，分段器

18、控 制器自動恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器不動作。如圖8所示，分段器F1整定次數(shù)為3次，F(xiàn)2整0 10 20 30 4050 60 70 80 90 100 110 120放電時間s定次數(shù)為2次，f3處發(fā)生故障，重合器在分段器圖7 恒阻抗放電曲線圖7為超級電容電壓由48V經(jīng)50電阻放電至10V時的曲線圖，電容電壓Uc按指數(shù)規(guī)律下降，F(xiàn)2跳閘隔離故障之前跳閘，并重合一次。在重合器第二次跳閘后，分?jǐn)嗥骺刂破鬏敵龇珠l信號并自動恢復(fù)到初始狀態(tài)，分?jǐn)嗥魈l，隔離故障區(qū)間3；重合器再次合閘，區(qū)間1和區(qū)間2恢復(fù)供電。放電時間約為110s，接近理論值109.83s。超級電容應(yīng)用于成套就地保護裝置，在重合器跳3.7 超

19、級電容器用于分閘電源測試閘，分段器失電的情況下，超級電容作為控制器選用某戶外架空負荷開關(guān)FZW28-12(F)進行的后備電源，滿足分段器控制器在重合器重合閘電容分閘測試，其分閘電壓為DC48V，測試結(jié)果過程中裝置的正常工作。同時滿足分段器控制器表5 電容分閘次數(shù)測試表分閘次數(shù)12345電容端電壓(V)4644424038如表5 所示。在故障記憶2次，重合閘跳閘。分段器控制器失電 后，超級電容器作為分閘電源，控制器能夠可靠 控制分段器開關(guān)本體分閘，隔離故障。5.結(jié)束語分閘時間均為20ms，每次壓降約為2V，電壓36V，裝置分閘可靠性下降。因此，交流失電從工程應(yīng)用分析來看，選用超級電容作為后備電源

20、，既能滿足饋電線終端單元交流失電后維持工作時間的需求，又能滿足保護功能的交流失后，裝置仍能可靠分閘5次，已經(jīng)滿足10kV饋電電分閘的需求，是戶外饋電線終端單元的一種理 線路保護裝置的要求。想后備電源。4.工程應(yīng)用實踐隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，綠色能源和生態(tài)環(huán)境 用超級電容器作為后備電源的分段器饋線保越來越受到關(guān)注。超級電容器是一種新型的無污 護控制器已在遼寧、北京等地進行了試運行。圖染綠色儲能器件，是戶外架空電力設(shè)備及太陽能 研究與專論5清潔煤發(fā)電的CCS和IGCC聯(lián)產(chǎn)技術(shù)Clean Coal Power Generation, CCS and IGCC Caol Power Techology解放

21、軍76410部隊屈偉平PLA unit No.76410Qu Weiping摘要：煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電技術(shù)是煤氣化和燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的結(jié)合，是當(dāng)今國際正在興起的一種先進 的潔凈煤(CCT)發(fā)電技術(shù)，其具有高效、低污染、節(jié)水、綜合利用好等優(yōu)點。碳捕捉及封存技術(shù)(CCS)和整體煤氣化聯(lián)合循 環(huán)技術(shù)(IGCC)被認(rèn)為是最有潛力的技術(shù)。這里簡要介紹了整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)、構(gòu)成及發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了二氧 化碳的收集方式和封存方法。指出了成本問題是困擾CCS和IGCC的聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的主要障礙。Abstract: IGCC power generation is a combination

22、of coal gasfication and gas-steam-turbine combined circlation generation. Combining with CCT, IGCC is a springing up advanced clean coal power generation techology with advantages of high efficience, low pollution, water saving. IGCC combined with CCS is considered to be a potential generation techn

23、ology. Here the structural system, configuration and recent utilitis is introduced in brief. The collection technique of CO2 is concluded as well. The high cost ofIGCC, the reasons that baffles its application is pointed out.關(guān)鍵詞：IGCC CCS 潔凈煤發(fā)電技術(shù) 可持續(xù)發(fā)展Key words: IGCC CCS Clean coal power generation technology Sustainable development中圖分類號：TM611文獻標(biāo)識碼：B1.導(dǎo)引隨著人類對能源需求的不斷增加，提供能量的主要資源化石燃料正在迅速地減少?；茉茨壳?，全球最公認(rèn)的降低二氧化碳排放方法是CCS(Carbon Capture and Storage碳 捕 捉 及 封 存 技術(shù))。該技術(shù)要求首先對燃煤發(fā)電中產(chǎn)生的二氧化2的過度開發(fā)、消耗帶來地球的生態(tài)危機日益嚴(yán)碳進行捕捉和收集，然后將收集到的二氧化碳運送 重。煤的高效和清潔利用，是社會可持續(xù)發(fā)展的到一個