超级电容器高功率直流电源系统研究

2018-07-10万二平何啸月傅博宇马新甜

通信电源技术 2018年4期

万二平，何啸月，何灵，傅博宇，马新甜

（宁波中车新能源科技有限公司，浙江宁波 315000）

0 引言

超级电容器作为一种绿色新型的储能器件，由于其瞬时放电电流大、充电时间短、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等特点，越来越多地应用于风力发电、轨道交通和重型机械等领域[1]。对于重型机械类型的设备需要的大功率储能系统来说，单个电容的电压和能量远远不能满足其使用要求。因此，为了满足容量和电压等级的需要，一般将多个超级电容器串联和并联作为辅助高压直流电源。该方式正逐渐进入成熟的应用，市场前景广阔。

1 超级电容器高功率直流电源系统原理

超级电容器高功率直流电源系统由超级电容器储能系统和充放电控制系统组成[2]。系统主要利用超级电容的高功率特性对负载放电。当需要使用电源设备对外部负载输出放电时，首先控制系统（含充电机）根据设备电压状态、通过主令按钮实现对超级电容储能系统的充电；然后，控制系统根据输出指令和主控制按钮对负载进行放电输出。充放电过程通过散热风扇对系统进行温度控制，以保证系统的安全运行。

2 超级电容器高功率直流电源系统的组成及部件功能

2.1 超级电容储能系统组成

超级电容器储能系统是多只超级电容器串并联组成的[3]。超级电容器单体额定工作电压2.5 V，最高电压2.7 V，额定电容量3 000 F。系统由380支电容单体串联、多组并联而成，以满足系统的电压和功率要求[4]。

2.2 充放电控制系统组成

主控制系统由交流输入电路、EMC部件、三相整流滤波电路、大功率DC/DC主电路、输出电路、仪表主令部件、驱动电路板、控制电路板和放电电路组成[2]，如图1所示。

图1 充放电控制系统组成原理

（1）交流输入电路由电源开关、输入主回路熔断器、充电接触器、预充电电阻和交流控制电源电路组成。

（2）EMC部件用于抑制输入端电磁干扰信号。在充电电源输入侧设置两级滤波器，第一级用于抑制电压谐波，第二级用于抑制输入电流谐波。

（3）三相整流滤波电路主要由三相整流全桥和滤波电容构成。它将三相AC380V变换成DC500V输出给大功率DC/DC主电路，同时输出给控制电路板，用于控制板输入欠压判断。

（4）大功率DC/DC主电路主要由IGBT桥式换流器、高频整流桥和滤波电容等组成。

（5）输出电路主要由分流器、反冲电流抑制电路和输出熔断器组成。

（6）仪表、主令部件包含充电电源面板上的充电电流表、充电电压表、按钮和指示灯。

（7）驱动电路板用于隔离传输信号，驱动IGBT桥式换流器，并实现IGBT过流检测保护。

（8）控制电路板根据设备状态、主令按钮实现充、放电电路和散热风扇的控制，产生IGBT桥式换流器的脉冲宽度调制（PWM）信号，并根据充电电流的大小改变脉冲宽度，以保持充电电流的稳定。

3 总体控制方案设计

本系统主控制操作系统采用西门子S7300系列PLC产品。硬件配置具体包括：西门子CPU314（配置2M存储卡）、24 V直流电源、16路DI/DO数字量输入模块、8路AI/AO模拟量输入/输出模块和WEINVIEW触摸屏。控制系统的测量采集对象主要包括高压输出信号的处理、电压和电流等传感器信号的采集和反馈处理。图2描述了PLC控制系统的控制方案和算法[5]。