基于超级电容的直流UPS不间断电源研究

效果。 但 实 际工 程 应 用 中发 现 ， 很 多蓄 电池
电， 又 要 避 免 在 ＵＰ Ｓ系统 中 引 入 感 性 负 载 １ 蓄 电池直流操作 电源 系统 主要 问题
（ 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 在航 空 、 电网、 医疗 、 铁路 、 工 业 等 领 域， ＵＰ Ｓ不 间 断 电 源 作 为直 流 系 统 后 备 电
表１ Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ超级 电容 与 常规铅 酸 充 电蓄 电池的 特性 比较
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 ＵＰ Ｓ 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
Ｄ ＬＣ 超 级 电 容 器 代 替 常 规 铅 酸 蓄 静 电 负荷 ， 也就 是 说 Ｅ ＤＬ Ｃ 超级 电容 器 其储 流 充 电 方 式 ； 而 当 电 容 器 充 电达 到 额 定 电 验 证 了Ｅ 有 测试 结 果 可 知 ， Ｅ ＤＬＣ超 能 性 能 是 介于 常规 电 容 器 与化 学 电池 间 的 压 值 后 ， 则 改 为恒 压浮 充 方 式 ， 这 样 可 以 有 电 池 的 可 行 性 。 新型高 效储能元件 。 超 级 电容 与 常 规 铅 酸 效 防 止 电 容 器 组 中 的 单 个 Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ超 级 电容 级 电容 器 不仅 可 以 进 行 能 量 储 存 和 断 电 或 充 电蓄 电池 问 的 特 性 比 较 如 表 ｉ 所示。 器 由 于 出现 过 充 而 造 成 整 个 损 坏 ， 同时 可
超 叛 电 容 器 的 直 流 ｕＰ ｓ 不 问 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 ： Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ 超叛 电容 直流ｕ Ｐ ｓ 电源 储能 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ５ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ
敏感等不 足 ， 导 致 ＵＰ Ｓ 直 流 供 电 电源 在 实 ＵＰ Ｓ 不 间断 直 流 电源 系统 中 ， 具 有 较 大 的 保 直 流 系 统 供 电安 全 可 靠 性 ； 另外 ， 当 交流
际运行过 程中 ， 需 要 时 刻 监 视 蓄 电 池 的 运 理 论 研 究 和 实 际 推 广 应 用 前 景 …。
值 得 进 一 步 加 深 研 究【 。
２ 超级 电容代替蓄 电池 的可行性分析
目前 ， 工程 中应 用 的超 级 电容 器 主要 包
图１ 基于 Ｅ ＤＬ Ｃ超 级 电容的直 流 Ｕ Ｐ Ｓ不 间断 电源系统 方案 括 ＥＤＬＣ双 电 层 电容 器 和 电 化 学 电 容 器 两
①作 者 简 介 ： 仝真（ １ ９ ８ ３ ， ９ ， １ ５ 一 ） ， 男。
大类。 其中， Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ 超 级 电容 器是 一种 高能 量 Ｅ ＤＬ Ｃ 超 级 电 容 的 直 流 ＵＰ Ｓ 不 间断 电源 系
密度 的无源储能 电子元件 ， 其 多 孔 化 电 极 统 ， 其 主 要 由 电源 切换 电 路 、 逆变整流 器、
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 蓄能 控 制 电 路（ 充放 电电 路） 、 超 级 电 容器 模
对 确 年的发 展过程 中， 取得 了 较 为 良 好 的 研 究 压 瞬 时 跌 落 过 程 中 的 稳 定 供 电 电 源 ，
成果和应 用效果 ， 其是 一 种 集 常 规 电 安 全 稳 定 、 准 确 可 靠
是 在 供 配 电 网 突然 断 电 或供 配 电 电 网 电压 与 化 学 电池 间 二 者 性 能 为一 体 的 新 型 储能 的 供 电 方面 具 有 较 大 的 应 用 价 值 。 目前 ， 直
主 要性 能 参 数 为 ： ＵＰ Ｓ电源 交 流输 入 电 压 范围（ 市 电 电压 的 士２ ０ ％） ， 即： Ａｃｌ ７ ６ Ｖ～ ２ ６ ４ Ｖ｝ ＵＰ Ｓ 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： ＤＣ６ Ｖ～ １ ５ Ｖ。 当外 部供 电 电 网 电 压 低 于 ＡＣ１ ７ ６ Ｖ或 出现 突 然 断 电等 状
动 力 与 电 气 工 程
Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ ．
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基 于超 级 电容 的直 流 Ｕ Ｐ Ｓ不 间 断 电源 研 究 ①
仝 真 ‘
（ 民航 内蒙 古空管 分局 呼和 浩特
０ １ Ｏ ０ １ ０ ）
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Ｅ Ｄ Ｌ ｃ
存在综 合使用寿命较 短 、 需 定期 进 行 性 能 与 常 规 可 充 电 蓄 电 池 相 比 ， 其 具 有 性 能优 通 过 对 应 整 流 装 置和 放 电 电路 提 供 相 应 电
维护 、 以 及 对 运 行 环 境 温 度 等 影 响 因 素 较 越 、 能 源转换效率高 、 实用环保等功能 ， 在 流 来 补 充 电 网 系统 中 冲 击 负荷 的 影 响 ， 确
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 干 ＡＣ １ ７ ６ Ｖ或 出 现 突然 断 电 ， 由Ｅ ＤＬＣ超 级 电容 器 组 组成 的直 流 ＵＰ Ｓ电源 其输 出直 流 电 压 波 形 基 于 ＥＤＬＣ超 级 电 容 器 的 ＵＰＳ电源 系
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 ＵＰ Ｓ 直流 电源的使用性能水 平。 从 大 量 统 计 数据 资料 表 明 ， 目前 １ ２ Ｖ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 ＵＰ Ｓ 不 间断 电源 的 供 电 安 全 可靠 性 问 题
电压 瞬 降 提 供 直 流 能 量 外 ， 还 可 以 平 滑 使 得 输 出 电压 始 终 由表 ｌ 可知 ， Ｅ ＤＬ Ｃ 超 级 电 容 与 常 规 铅 以 补 偿 由于 电容 器 Ｅ Ｐ Ｒ等效 并 联 电阻 引 起 ＵＰＳ电 源 的 输 出 电 压 ，
酸 蓄 电池 相 比 ， 其 不仅 具 有 材 料 无 毒 、 环 保 的运 行 能 量 损耗 。 由于Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ超级 电容 器 自 低、 以 及 可 提 供 大 电 流 充 放 等优 点 ， 同时 其 率 通 常 较 小 ， 充 电 电路 拓 扑 结 构 可 以 采 用
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在 供 配 电 网 系 统 发 生 突 然 停 电 或 者 电 在各种Ｕ Ｐ Ｓ 不 间断 供 电 电源 系统 中 ， 通 的 重 要 制 约 因素 。 超 级 电容 器是 在 近 几 十 源 ， 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
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 ＵＰ Ｓ 不 间断 直
流 系统 在 使 用 过 程 中 ， 充 电 蓄 电 池 存 在 管
外 部
供 电 电 网
理不善等问题， 随 着 使用 时 间加 长 ， 极板 活
具有极 大的电容量 ， 同 时 可 以 储 存 很 大 的 对于Ｅ ＤＬＣ超 级 电 容 器组 的充 电控 制 ，
电容 器 的 电 荷储 存效 率 。 Ｅ Ｄ Ｌ Ｃ 超 级 电容 器 采 用先 恒 流 后 恒 压 的 充 电策 略 ， 即 当ＥＤＬＣ
其 输 出稳 压 精 度 较 高 ， 电压 纹 波很 小 ， 超 级 电 容 器 未 达 到 额 定 电压 值 前 ， 采 用 恒 统 ，
科技 资讯 Ｓ ＣＩ Ｅ Ｎ ＣＥ ＆ Ｔ Ｅ ＣＨ Ｎ ＯＬ ＯＧＹ Ｉ Ｎ Ｆ ＯＲＭＡＴＩ Ｏ Ｎ
动 力 与 电 气工 程
压 的恒 定。 放 电 电 路 的 控 制 芯 片 采 用 ＴＬ ３ ８ ４ ２ 芯片， 采 用 峰 值 电 流 控 制 模 式 方
式。 基于 Ｅ ＤＬＣ超级 电容 器 的直 流 ＵＰ Ｓ电源 系统 的 放 电 电路 如 图２ 所示 。 ３． ３测试 分析 为 了验 证 基 于 Ｅ ＤＬＣ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 １ Ｏ Ｏ Ｗ 的 试 验 样机 ， 其
它不 仅具 备 传 统 电 容 器 的放 流 操 作 电源 系统 中普 遍 采 用 反复 充 电蓄 电 出 现 瞬 时跌 落 等运 行 工 况状 态时 的 最 初 几 电 子 元 器 件 。 同时 也 具 备 化 学 电 池 应 有 的 池 作 为 后 备 电 源 ， 也 就 是 说 蓄 电池 后 备 直 秒到 几分 钟内起稳 定供电 电能 的作用 ， 即 电 功 率 性 能 ，