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控式铅酸蓄电池（以下简称“蓄电池”）作为直流系统中的
储能元件，使直流系统不受交流电源系统故障的影响[1]-[2]。站用交流电源故障失电时，可在事故放电时间内，由蓄电池对不允许停电的站内直流负荷进行供电[3]-[4]。可见，蓄电池组可靠与否，是变电站直流电源系统在事故状态下能否正常发挥作用的关键。对于常规串联电池直流电源系统，一旦发生站用交流电源失电，同时蓄电池组又无法提供后备电源的情况，将会引起事故范围的扩大，导致大范围停
电，对生产、安全造成极大的影响。
随着智能变电站建设的快速发展，对站用电源模块
化、智能化、易更换、易维护、可靠性等要求越来越高，基于
并联电源模块的直流电源系统也得到了较快发展[5]-[10]。但通常情况下，为保护开关器件，DC/DC 、AC/DC
（高频开关电源系统）等并联电源模块均具有限流功能，当其馈线回路发生严重过载或短路时，并联电源模块的输出电流会
被限制在一定范围内（通常为1.2I N ~2I N ），输出电压接近于
0V ，如果系统为多负荷供电，则任一负载回路发生短路故
障时，由于系统不能提供足够的故障电流，此负载的相应保护不能正确动作，故障不能及时切除，进而将影响其他负载的正常供电。
超级电容储能是一种物理储能方式，能量以电场的
京东商城购物流程。采用超级电容的并联型直流电源系统
■ 中国能源建设集团天津电力设计院有限公司 李学斌 刘伟 刘剑 单东雷
密度很高，能量密度介于蓄电池和普通电容之间。区别于基于化学反应的电化学蓄电池，超级电容充放电为物理过
程，适用于需要大功率放电的场合，且具有充电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点。
本文将超级电容应用于并联电池直流电源系统，接入
直流母线构成储能式直流母线，提供严重过载或短路时的故障电流确保相应保护的可靠动作。提出了基于储能式母线的、实现保护电器级差配合的方法和校验流程，分析了接入超级电容后对并联型直流电源系统稳定性的影响。针
对实际变电站的并联型直流电源系统算例，实现了保护电器的级差配合，校验了保护电器动作时刻的直流母线电压
水平，论证了所提方法的合理性和有效性。
1.变电站直流电源系统
1.1 常规串联电池直流电源系统
常规串联电池直流电源系统的蓄电池组由单体蓄电
池串联而成，配置单组蓄电池的常规串联电池直流电源系统如图1所示，当配置两组蓄电池时，两组蓄电池分别通过保护电器及隔离电器接入不同直流母线，浮充电或事故放电时，两组蓄电池分列运行，仅在两段直流母线切换时允
许2组蓄电池短时并联运行。
1.2 并联电池直流电源系统
并联型直流电源系统由多个并联电源模块组成，每个
模块独立配置1只蓄电池，电源模块间相互独立，其结构如
2。，图1 常规串联电池直流电源系统图2 并联型直流电源系统
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是通过AC/DC 充电模块、DC/DC 升/降压模块等对12V 蓄电池进行管理，并通过多模块输出并联，组成满足实际需要的并联蓄电池系统，取代变电站传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备及与全容量核容相关的配置。每个并联电源模块内有CPU 模块，对模块内的AC/DC 、DC/DC
电路进行监测和控制，保证蓄电池工作在其对应状态下，并与整个系统的监控器进行通信，接收系统指令。
相对于常规串联电池直流电源系统，并联型直流
电源系统具有布置灵活、可靠性高、模块化配置、便于扩建、易于维护等优势。并联型直流电源系统的主要缺陷是其过载能力较低，并联电源模块的输出电流范围通常为1.2I N ~2I N ，当负载回路故障时可能无法提供足够的故障电
流驱动相应的保护动作，进而影响其他负载的正常供电，
导致事故范围的扩大。
2.超级电容接入直流系统的理论分析
2.1 超级电容接入直流系统方式
超级电容通过保护电器、隔离电器接入直流母线，保护电器可采用熔断器，其结构如图3（a ）中蓝框内所示。
超级电容接入直流母线后，即构成了储能式母线，如
图3（b ）所示。直流系统级差配合由储能式母线完成，直流
母线的充电、直流负载的供电、蓄电池的维护管理则由并联电源模块完成，直流母线故障由超级电容回路的熔断器切除。整套并联电池直流电源系统接入1套超级电容回路，即可满足本期及终期规模要求。
并联电源模块及蓄电池的参数由直流负荷统计确定，
超级电容的参数选择主要考虑保护电器的类型和级差配合的实现，以下着重分析超级电容的参数计算和级差配合
的实现过程以及校验方法。
2.2 超级电容参数计算
2.2.1 直流电源系统极差配合分析
如上节所述，本文将超级电容接入并联型直流电源系
统的直流母线，构成储能式母线，当系统发生短路故障时，由超级电容提供所需的短路电流，切除故障，保证其他负荷的正常供电。
当系统发生短路故障时，忽略并联电源模块的助增电
流，接入超级电容的分层式直流供电系统如图4所示。采用国内某厂家超级电容模组（电容量为62F ），在d 1、
d 2、d 3、d 4位置发生短路故障时，系统等效串联电阻分别假定为10m Ω、20m Ω、50m Ω、350m Ω，则系统的短路故障电流
变化曲线如图5所示。
高清桌面图片从图5所示曲线及其变化趋势可知，0≤t ≤0.1s 内，超
级电容可提供较稳定的短路电流；t ＞0.1s 后，蓄电池出口、馈电柜出口、分电柜出口位置故障的短路电流开始明显衰减；t =5s 时，短路电流衰减至300A 以下。终端电器出口故障时，由于回路电阻较大，一方面初始短路电流较小；另一方面时间常数大，短路电流衰减缓慢，0≤t ≤20s 内短
路电流无明显衰减。
对于发电厂/变电站直流系统，在蓄电池出口、馈电
柜出口、分电柜出口位置均配置有直流断路器。结合图5所
示的短路电流曲线，考虑直流断路器的短路瞬时保护
（脱扣器）的动作时间通常小于0.1s ，通过超级电容和直流断
路器的优化选择，将蓄电池出口直流断路器短路瞬时保护
（脱扣器）的动作电流控制在图5中的范围A 内，同理，馈电柜出口、分电柜出口直流断路器短路瞬时保护（脱扣器）的
图3 超级电容接入直流母线方式
图4 分层式直流电源系统
图5 超级电容供电系统短路电流曲线（C =62F，U n =110V
锄禾日了几个人）
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动作电流控制在B 、C 范围内，即可保证短路瞬时保护
（脱扣器）的动作选择性，对于不能满足选择性配合的情况，可
考虑选用三段式直流断路器。对于过载长延时保护
（脱扣器）的极差配合，可根据0≤t ≤5s 内的短路电流曲线和直流断路器的过载长延时曲线进行校验。
2.2.2 超级电容参数计算方法
直流电源系统中的保护电器，如图4中的F 1、
S 2、S 3、S 4，需要一定的电流连续作用一定的时间，才能保证其可靠
动作。由于在保护电器动作时应保证足够的直流母线电压
水平，以保证对直流负载的正常供电，因此，可理解为在满足要求的电压水平下，需要在有限的时间内提供一定的能量，才能保证保护电器的可靠动作。可见，某一保护电器的可靠动作需满足两个条件：一是在动作时间内提供足够的
能量；二是在这个时间内能够维持足够的电压水平。据此，
本文提出超级电容参数的选择方法，如式（1）所示，式中
C SC 、R SC 分别为超级电容电容量、等效串联内阻，
r 为导线及保护电器总电阻，
U 1、U 2分别为故障前直流母线电压（可取直流标称电压）、直流母线最低电压
（可取直流标称电压的87.5%）
，I m 为保护电器的最小瞬时脱扣电流，t m 为保护
（1）器外，通常直流馈电柜至直流分电柜的出口保护电器
（如图4中的S 2）的额定电流最大，其瞬时脱扣的最小电流和时间也较其他保护电器大。因此，图4所示系统中，
S 2瞬时动作
所需要的能量是最大的，对超级电容的容量要求也最高，故应以S 2、L 2回路计算超级电容参数。应在满足动作要求的情况下尽量选择较小容量的超级电容，以节省成本，此
外，将式（1）的第2个式子进行变换，得到：
（2）
可见SC ，超级电容等效串
联内阻R SC 不能低于由式（2）确定的数值，其物理意义是
只有具备一定的时间常数，才能在一定的时间内满足直流母线电压的要求，而不至于直流母线电压快速衰减。需要
注意的是，在超级电容等效串联内阻R SC 满足式（2）的基础
我不是药神 演员表上，应选择较小的内阻值，以保证在一定的脱扣时间内提
供足够的能量。式（2）可作为选择超级电容参数的依据。
确定超级电容的电容量C SC 和等效串联内阻R SC 后，可
对其进行校验。校验方法为在直流电源系统中的关键位置
设置短路故障，校核是否满足级差配合的要求，采用以上方法通常可满足要求，若不满足，则需调整超级电容参数，
再进行校验。
2.2.3 超级电容回路熔断器选择
超级电容回路熔断器额定电压应大于或等于回路的
最高工作电压。并联电池直流电源系统不需通过直流母线
进行浮充电及均衡充电，考虑到保护电器极差配合与电缆
压降的因素，以及文献[11]对正常运行情况下直流母线电压的要求，熔断器额定电压应大于或等于直流系统标称电压的1.05倍。
正常运行情况下，超级电容回路不提供负荷电流，但
在接入直流系统或提供短路电流后，需进行补充充电，因此熔断器额定电流应按并联电源模块所提供的最大充电电流和直流母线上最大馈线直流断路器额定电流的2倍选
择，两者取较大值。
熔断器断流能力应满足安装点最大预期短路电流的
要求，即按大于超级电容出口短路故障电流选择，该故障电流可依据直流系统标称电压及2.2.2节中选择的超级电容参数进行计算。
2.3 直流电源系统稳定性分析
本文以电流双象限双向DC-DC 变换器作为并联电源
模块接入直流母线的功率变换元件，分析超级电容接入直流母线对并联电池直流电源系统稳定性的影响。未接入超级电容时，系统结构如图6所示。U B 、R B 为蓄电池等效电压源和等效内阻，L 为变换器电感，
S 1、S 2为功率开关器件，D 1、D 2为二极管，C 为理想电容，R L 为直流负载，i L 为电感电流
，
u C 为理想电容电压。双向DC-DC 变换器可工作于升压模式或降压模式。
分析其工作于升压模式和降压模式两种情况，并利用状态空间平均法，假定开关器件占空比为d ，可得到系统的状态（3）I L 、
U C 、D ，则状态空间平均方程可写为式（4）的形式，可由此式确定系统稳态时I L 、
U C 、D 之间的关系。
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（4）L 、U C 、D 时，对状态空间平
均方程（3）进行扰动，扰动量为、、、，则
、
、
、
，代入如式（3）所示的状
态空间平均方程，同时考虑到在稳态工作点时满足式
（4），并对方程进行线性化，略去二阶微小量，得到
：
（5）
式（5）为描述图6所示系统的动态低频小信号行为的
状态空间平均方程，假定系统初始状态及其各阶导数为0，
对式（5）进行拉普拉斯变换，得到其s 域形式如下式所示，
其中s 为复数变量。
（6）令，
， ，
则式（6）可写为：
（7）式（7）即为以 、 为输入，、 为输出
的传递函数，该传递函数对于不同输入、输出具有相同形式的特征方程。
事实上，对于12V 蓄电池，其输出曲线有一个稳定的电压平台，工作过程中U B 的变化较缓慢，因此，可不
考虑蓄电池的扰动 。导通比d 为控制量，随负载的变化而调整，因此，电感电流
：
（8），
P 0为负载所消耗的功率变化量），则特征方
（9）所示。系统稳定的条件是传递函数
的极点均位于左半平面，图6所示直流电源系统的稳定条件如式（10）所示，可见，只要负载功率控制在适当范围内，
即可保证系统的稳定性
。
阿门歌词图6 电流双象限双向DC-DC变换器直流电源系统
（9）
（10）将超级电容接入直流电源系统直流母线，系统结构
如图7所示。图中，
U SC 、C SC 、R SC 分别为超级电容端电压（
单极性）、电容量、等效串联内阻。仍采用状态空间平均法
对如图7所示的系统进行分析，计算过程从略，得到电感电流
对导通比
传递函数特征方程的极点实部如
式（11）所示，则图7所示的直流电源系统的稳定条件如式
（12）所示（11）（12）对比式（11，
虽然串联只数较多，但其等效串联内阻一般为几十m Ω~
几百m Ω，因此，超级电容接入直流母线后，可在更大的负
载范围内维持系统稳定，此外，超级电容相当于对直流母线进行了低通滤波，稳定了直流母线（理想电容）电压U C ，
因此，进一步增大了系统的带载能力
。
图7 含超级电容的电流双象限双向DC-DC变换器直流电源系统
62
3.级差配合计算实例
对于直流标称电压为110V 的分层辐射形直流电源系
统，采用常规串联电池直流电源系统（图8）进行电缆截面
及保护电器的选择，直流电源系统计算参数及保护电器选择结果如表1、表2所示，超级电容参数如表3所示。
表1 110V 常规串联电池直流电源系统计算参数
计算参数参数值
直流系统电压等级
（V ）110
直流网络
分层辐射蓄电池组型式
阀控铅酸
蓄电池组容量
（Ah ）200蓄电池组至馈电柜的距离L 1（m ）10馈电柜至分电柜的距离L 2（m
）15分电柜至终端负荷平均距离L 3（m ）40
表2 110V 常规串联电池直流电源系统保护电器选择结果保护电器安装位置保护电器
额定电流
（A ）保护电器型号
蓄电池回路熔断器F 1
200
NT-200
馈电柜至分电柜回路断路器S 2
100GM 5FB-250R/100A
分电柜至负荷终端
回路断路器S 3
25GM 5-63H/2P C 25A
负荷终端回路断路器S 4
6GM 5-63/2P B 6A
表3 110V 并联电池直流电源系统超级电容参数超级电容参数参数值
单体电压2.7V
单体内阻2.2 m Ω单体容量
310F 整组串联个数52只
用超级电容代替图8中蓝框内的蓄电池组和电缆
L 1，超级电容参数采用2.2.2节所述方法计算，具体参数如表3所示。对该系统进行级差配合计算，结果如图9所示，故
障电流曲线（蓝曲线）应为连续平滑曲线，本文为计算方
便，采用多段线表示。此外，根据文献要求，在事故放电末期，蓄电池组出口端电压不应低于直流电源系统标称电压的87.5%
。
图8 110V 常规串联电池直流电源系统
GM5- 63/2P B6A GM5- 63H/2P C25A GM5FB- 250R/100A
10000s
2h 1h 1000s
100s
20s 10s
1s 320ms 100ms
80ms 50ms 20ms 10ms
1ms
1A
6A
10A
25A 30A 60A
100A
300A 829A 892A
854A
1000A
1000A Uc =97.8V
d 处故障
店铺起名电流/i (lgi )
时间/t (l g t )
600A
图9（a ） 超级电容直流电源系统级差配合结果/d 2处故障
动作特性曲线
故障电流曲线
GM5-63/2P B6A GM5-63H/2P C25A GM5FB- 250R/ 100A
10000s
2h 1h 1000s
100s
20s 10s
1s 239ms
100ms
20ms 10ms
1ms
1A
6A
10A
25A 30A 60A
100A
300A 712A 1000A
1000A
Uc =97.3V
d 处故障
电流/i (lgi )
时间/t (l g t )
600A 图9（b ） 超级电容直流电源系统级差配合结果/d 3处故障
动作特性曲线
故障电流曲线
d 2处故障时，约80 ms 时故障电流曲线进入断路
器S 2的跳闸区（短路短延时保护动作区），如图9
（a ）所示，进入跳闸区时超级电容端电压，即直流母线电压
U C =97.8V>110V ×87.5%=96.25V ，满足断路器动作时负荷对直流母线电压的要求。若断路器S 2未动作，故障电流曲线在约320ms 时进入断路器S 2的非跳闸区，之后故障电流便迅速衰减至0，不再进入断路器S 2的过载长延时保
护动作区。
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