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超级电容用于配网自动化之天津案例
2017-09-21 10:17:34  作者:张怀柱  来源:中国设计师网  
  •   目前,配电终端后备电源大量采用锂离子电池,极少部分采用铅酸蓄电池,锂离子电池对运行环境要求高,运维工作量大,导致后备电源故障率高,安全风险大,同时锂电池还存在爆炸风险。

  北京合众汇能科技有限公司 张怀柱

  1 引言

  目前,配电终端后备电源大量采用锂离子电池,极少部分采用铅酸蓄电池,锂离子电池对运行环境要求高,运维工作量大,导致后备电源故障率高,安全风险大,同时锂电池还存在爆炸风险。

  2 天津案例

  2.1 项目背景

  2009年,国家电网公司提出建设智能电网的目标,天津电力局开始准备替换传统配电终端的铅酸蓄电池电源方案,以满足智能电网建设对控制可靠性的要求。配电网控制点众多、环境恶劣,要求直流控制电源高可靠、少维护甚至免维护的要求已成为必然。

  在电力直流电源系统中,储能几乎都由铅酸蓄电池承担,但蓄电池存在使用寿命短的缺点。虽然做后备电源要求寿命在10年以上,但由于使用不当或者环境温度变化剧烈等原因,都可导致实际寿命缩短到3年~5年。铅酸蓄电池在华北地区的户外运行寿命只有1年,蓄电池组完全放电后,再次完全充满所需时间为10小时以上;当蓄电池的一致性不好时,整组蓄电池的性能指标只能以其中性能最差的一支蓄电池为准。

  通过对几种储能器件进行详细比较发现,超级电容能够很好的解决上述问题。目前,超级电容制造技术已经成熟,超级电容启动功率较大,用超级电容替代蓄电池作为直流电源系统中的储能装置,可在-40℃~70℃的环境下,保证电机分合闸的可靠性,超级电容已不存在技术上的问题。使用超级电容作为储能器件,在真正意义上实现了免维护。

  智能免维护超级电容直流电源是利用超级电容器组作为储能装置,为智能电网配电自动化提供DC24/48V直流电,满足配网自动化终端设备供电以及操作电机分合闸供电,弥补了蓄电池的不足,满足智能配电网的直流电源要求。

  2.2 合作伙伴选择

  天津电力局最早开始同国外超级电容厂家进行接触,但国外厂家不愿提供方案支持。于是,天津电力局改变方向,对国内的超级电容厂家进行了考察,发现这些厂家不是技术能力不足,就是没有合适的超级电容产品。经行业人士介绍,天津电力局找到了北京合众汇能科技有限公司,自此,国内大规模使用全套配电自动化用的超级电容直流免维护电源诞生了。

  天津电力局选择北京合众汇能科技有限公司作为合作伙伴并取得成功,与合众汇能科技有限公司本身的技术实力、生产实力、成熟的产品和全方位方案支持能力不可分割。

  北京合众汇能科技有限公司是一家从事先进能源技术和产品的研发、生产与销售的高科技企业,主要开发与生产HCCCAP系列有机高电压型双电层超级电容器(也称为超大容量电容器、法拉电容、双电层电容器、EDLCs等)。HCCCAP超级电容器产品具有体积小、容量大、功率高、寿命超长、温度特性好的特点,产品种类丰富,以卷绕圆柱式为主,兼顾方形、异型模组等多种超级电容器产品规格,涵盖了大、中、小型超级电容器,标准产品的容量0.06F~10000F,可提供高达10万法拉大容量的特制超级电容器单体产品,并可为用户定制不同规格单体电容器、组合模组和相关能源控制系统。

  HCCCAP超级电容器产品采用具有自主知识产权的独特技术和工艺进行生产,各项指标均达到世界先进超级电容器水平,并在储能密度等指标上世界领先,HCCCAP产品具有极高的性价比。同时,HCCENERGY拥有丰富的超级电容器应用经验,为用户设计和生产大量的基于超级电容器的储能系统,在针对客户具体应用场合定制模组上具有极强的设计能力,为客户提供了更为合理的能源解决方案。

  HCCCAP超级电容器产品广泛应用于智能电网、军工航天、电动/混合动力汽车、大功率短时供能电源、太阳能储能、风力发电机变桨系统/储能缓冲系统、智能三表、电动自行车、电动玩具等领域,HCCENERGY拥有广泛的客户基础,在各领域均拥有典型性的应用客户代表。针对超级电容器的性能特点,HCCENERGY为客户提供包括器件选型、测试、应用实例等各方面强大的技术支持。

  2.3 项目原理

  智能免维护超级电容直流电源是以AC220V输入充电控制器,输出DC48V为用电设备进行供电(也可输出24V),输出直流电流为储能装置充电。当储能装置电压达到直流变换电路的启动电压时,直流变换电路输出DC48V为用电设备提供所需的工作电压。当充电电源消失,储能装置通过直流变换电路为用电设备供电,他们之间的供电连接为自动转换,没有间隙。

  储能装置达到额定电压时,充电控制器进入恒压工作模式并输出微小电流补充储能装置的自放电损耗以及直流变换电路的空载损耗。当储能装置充满电并在没有交流输入的情况下,用电设备正常工作,储能装置的电压逐渐下降,下降到直流变换电路的关断电压时,电源停止工作。

  在整个电源工作的过程中检测控制电路可以对充电控制器、储能装置、直流变换电路的工作状态采集数据,并根据采集到的数据对直流变换电路输出控制信号,将采集到数据上传到上位机,如图1所示。

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  该直流电源采用超级电容器组作为储能装置,将单体电容器通过串、并联的方式组成电容器组,电容器串联时采用均压和防止过电压的设计,以此保证每个单体电容器所承受的电压基本一致,不会超过它的额定电压,从而保证了每个超级电容的寿命。

  直流变换电路将可变的直流电压变换为恒定的直流电压,同时具有加速平稳、快速响应的性能并达到节约电能的效果。将直流变换电路的关断电压设置为储能模块额定电压的1/3甚至更低,大幅提高了储能模块内电荷的利用率,延长了供电时间。该直流电源对超级电容在运行中的情况、充电和直流变换电路内部进行监测,对各种数据进行记录,一旦发现异常,立即报警。

  智能免维护超级电容直流电源以保证断路器正常操作与配电自动化系统数据的正常传输为目标,采用模块化设计理念,利用超级电容大电流放电能力超强,能量转换率高的特性,同时直流电源引入数据监测保护原理,实现了快速充电、对系统检测及控制功能。提高了设备的可靠性与使用寿命,做到了直流电源的真正免维护。

  2.4 项目创新点

  (1)实现了配电终端电源真正的免维护且绿色环保。超级电容的充放电是物理过程,在电容生产与使用超级电容电源过程中都是环保的。在长期运行中,超级电容对充放电频次无要求,无需进行电容本身的维护。

  (2)寿命长且工作温度范围广,保证了配电自动化的可靠性。超级电容的寿命长达10年以上,与配电终端本身寿命相同。超级电容可适应-40℃~70℃的环境,满足中国南北温差大的现实要求。

  (3)防反充电技术的应用,实现了直流电源的带电增容。

  (4)实时监控和故障预警系统。能够对内部各个元器件(含超级电容)进行实时监控,并及时发出预警信号。

  (5)设计防卡电路。防止因直流电源电量不足导致机构卡在中间位置的情况,保证正常分合闸,提高操作的可靠性。

  (6)设计短路、过流、过压等保护电路,直流电源自身并带有自愈功能。

  2.5 项目实施效果

  2010年,自中压环网柜安装实施以来,超级电容直流免维护电源在天津电力局运转良好,没有出现过电容本身的问题。在配电网运行环境恶劣,海量终端站的情况下,应用超级电容免维护直流电源减少维护方面的工作,可靠地运行,保证了智能配电网信息的交互。从根本上解决了直流控制电源的瓶颈问题,极大地提升配电自动化系统的可用性和实用化水平,全面提升配电设备全生命周期管理水平。

  国家电网提出了智能化建设的要求,各个省网公司都在进行配网智能化的建设,但只有天津电力局选择了超级电容电源,其他省网都选择了铅酸电池或锂电池直流电源。在智能化建设试点工程验收后(约两年),其他省网的智能化配网运行或多或少都受到了直流电源的影响。部分省网开始选用超级电容电源作为试点,也有其他省公司的技术负责人向天津电力局咨询超级电容电源的技术指标和运行情况。

  从中国北方的黑龙江(最低气温-40℃),到最南端的海南省(最高气温50℃),超级电容直流电源都可以适应这样的运行环境。超级电容免维护直流电源产品已列入2014《国家电网公司科技成果推广目录》。

  2.6 产生经济效益

  在天津市智能配网建设中采用了超级电容直流电源,由天津市三源电力制造有限公司研发、设计、实施。整个项目实施结束,将超过1万套超级电容直流电源投入运行。本产品带动了天津市三源电力其他配套产品的销售,给三源电力带来较大经济效益的同时,也为电力系统带来了巨大的经济效益。

  在现有的配电标准对直流电容容量的要求下,超级电容电源采购成本是铅酸电池直流电源的3倍。在配网恶劣的华北地区运行环境下,超级电容电源寿命为10年,铅酸电池直流电源寿命只有1年。10年下来的材料成本可节约不少的支出。

  铅酸电池须定期维护。按每年220个可维护日,每组两人、每组每天维护4台计算,维护1万套电源需要10000/220/4≈12,共24人从事此项工作。按照每月8000元的工资计算,当配电自动化实施基本结束,满足稳定运行要求,使用超级电容做直流电源每年可节省的维护人员费用支出为0.8*24*12*10=2304万元。

  3 天津案例的影响

  从与南方某局肖科长的交流中了解到,随着配网自动化的深入发展,如何保证点多面广、数量巨大的配变设备的正常生产成为了各运营企业的重要任务,目前的配变设备大多都能够满足免维护、长寿命的需求,除了零星的设备异常故障,对运维的压力较小。但是,一是通信的稳定性;二是电源的故障率和维护更换率是目前的两项难点。经实际调研发现,目前通信稳定性良好,在线率高,不在线的往往是无电供应区。另外,不在线是电源失效缺电导致的,而备用电源目前多采用铅酸电池和锂电池,经过几年的运行,故障率一直较高并存在攀升的趋势,将最后一个高维护率的部件发展成为免维护部件,在配网自动化下,实现全线的免维护或少维护是配网自动化设备发展的重要目标。

  截止2016年8月,天津电力局已超过1万个配电自动化节点设备,每年还在新增节点设备,每个月有上百单的电池缺陷故障,这对配网自动化的稳定运行存在重大影响。由于电池的特性,其放电能力特别是分合闸操作能力难以直观显现,还有相当部分的缺陷由于该设备未掉电使用从而未显现出来,一旦发生事故,可能存在重大的安全运行缺陷,电池还需要定期活化,这些都增加了故障的风险。南方高温天气较多,电池在高温环境下使用还可能带来其他风险,如锂电池爆炸。电池的低温特性将直接制约配网自动化的稳定性,由于中国配电设备点多、面广,所在地点实际情况较为复杂、户内外均有、电气操作要求高等分布特点,让蓄电池的维护与更换成为负担。随着时间的延长,遇到南方地区极端天气,将出现故障率突增的现象,对电网的安全生产造成直接威胁。

  在讨论过程中,肖科长表示,在今后的调研、研究、设计中将使用超级电容作为配电终端后备电源之选,并将采用免维护、长寿命、高低温特性好的储能器件取代原有蓄电池。该项目一旦取得成功,将直接惠及南方某局,并对南网配网自动化建设发挥重要作用,新增点一次性安装使用该部件,将省去更换与维护工作,最大限度节省成本。

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