CN102355042B

CN102355042B - 一种基于超级电容的电站直流电源装置及其供电方法

Info

Publication number: CN102355042B
Application number: CN2011102732034A
Authority: CN
Inventors: 沈宏平; 马如明; 黄水生
Original assignee: NANJING TIANSU AUTOMATION CONTROL SYSTEM CO Ltd
Current assignee: NANJING TIANSU AUTOMATION CONTROL SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: CN202197226U; CN102355042A

Abstract

一种基于超级电容的电站直流电源装置及供电方法，设置在电站高压开关柜的电压互感器与直流负载之间，所述电站直流电源装置包括电源模块和储能模块，电源模块由整流调理子模块、恒功率充电子模块、电流返送电路组成，储能模块由电容储能子模块、充放电控制子模块、余电释放子模块组成。本发明可实现在高压开关柜的电压互感器上取电的电站直流操作电源，基于超级电容储能，其可直接安装在开关柜上，不需额外增加电站空间，具有瞬时输出功率大、效率高、可靠性高、免维护、体积小、成本低等特点。

Description

一种基于超级电容的电站直流电源装置及其供电方法

技术领域

本发明属电站设备电源供电技术范畴和超级电容储能技术范畴，特别是指一种效率高、重量轻、占用空间小、可直接安装在高压开关柜上、不需要作日常维护、能够长期独立工作的基于超级电容的电站直流电源装置及其供电方法，由其适用于开闭所。

背景技术

随着我国大规模城网的建设和改造工程的不断深入，10kV开闭所作为10kV配电网中的重要设施，在具有一定负荷密度的城市中压配电网中的地位越来越重要。高层建筑和大型公共建筑的不断涌现使城市功能越来越趋向完善和复杂化。电力用户对配电网的可靠性及灵活性提出了更高的要求。建好10kV开闭所，对构建10kV城镇配电网主网架，提高配电网的供电能力，有着举足轻重的作用。加强对配电网的控制，提高配电网运行及调度的灵活性，从而大大提高整个配电网供电的可靠性。有了一定数量的开闭所。可实现对配电网的优化调度，部分城网设备检修时，可以进行运行方式的调整，做到设备检修时用户不停电；当设备发生故障时。开闭所可发挥其操作灵活的优势，迅速隔离故障单元，减小停电范围。

目前，大多的开闭所采用的是交流操作电源，其一般是从现场PT柜内电压互感器(PT)上取电，如JDZW2-12W型电压互感器(PT)，变比是10/0.22kV，容量达1200VA，瞬间容量可达3000VA，时间可达30ms，再如自带熔丝(XRNP-10/0.5A)保护型的JDZRW2-12W2，长期使用容量为300VA，短期使用容量为800VA，最大容量为960VA，类似的还有JDZC-10、JDZF8-10、JDZX8-10电压比均可以为10000/100/220，容量达1000VA，最大可以做到2000VA。这种方式电源比较容易获取，经济实用，维护费用低，实施简单，而缺点是***失掉电后交流操作电源会同时断掉，开闭所运行可靠性不高，其对PT的要求会比较高，感性负载的操作会影响到***一次侧供电质量，且不利于***的稳定性，不能满足大容量开闭所的操作需要，送电与故障时不能保证线路保护的正确动作。

另一种交流供电方式是交流操作电源引自就近的配变站，这种方式基本不会影响到自己***的一次侧供电质量，但会增加线路长度和设备投资、维护的工作量也会相应的增加，再者现在开闭所很多都是无人值班的，且远离住宅区，线路敷设问题不好解决，建造费用大幅上升；如果从架空线公用变上获取，安全及可靠性又得不到保证。

还有很多开闭所采用的是直流操作电源，这种情况下开闭所需配备由蓄电池组成的直流屏，其能能存储较大的电能而实现停电后较长时间的直流供给，如PZDK-BG01壁挂式直流屏，其输出电流为0～6安培，电池容量为220伏/7～24安时。然而开闭所实际上并不需要停电后长时间的直流供给，考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备，会带来很高的运营成本，而且需要经常的维护保养，电池的使用寿命也不长。另外故障率也因电池的多节串联而增加(任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的照常工作。)从环保角度来讲，它不是一种绿色能源。

超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率物理二次电源，已成功的用作内燃发动机的启动电源，电动车的起步、加速、爬坡电源，高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。超级电容的主要特点归纳为：(1)充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；(2)循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年，没有“记忆效应”；(3)大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；(4)功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍；(5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；(6)充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；(7)超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；(8)检测方便，剩余电量可直接读出；(9)容量范围通常0.1F--1000F。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有电网***中开闭操作电源的供电技术不能满足使用需求，可靠性及环保性有待提高。

本发明的技术方案为：一种基于超级电容的电站直流电源装置，设置在电站高压开关柜的电压互感器与直流负载之间，所述电站直流电源装置包括电源模块和储能模块，电源模块由整流调理子模块、恒功率充电子模块、电流返送电路组成，储能模块由电容储能子模块、充放电控制子模块、余电释放子模块组成；电流返送电路为一反向耐压1000V的二极管，所述二极管最大持续导通电流10A，电源模块设有一个输入端：端口0，和两个输出端：端口1和端口2，储能模块设有连接端口：端口3，其中端口0连接电站高压开关柜的电压互感器输出端，端口1连接直流负载，端口2连接储能模块的端口3，端口0与整流调理子模块的输入端相连，整流调理子模块输出端与恒功率充电子模块输入端及端口1相连，恒功率充电子模块输出端与端口2相连，端口2经电流返送电路与电源模块端口1相连，二极管的方向为从端口2指向端口1，储能模块的端口3与充放电控制子模块的输入端相连，充放电控制子模块的输出端与电容储能子模块的输入端相连，电容储能子模块的输出端与余电释放子模块的输入端相连，

所述的电容储能子模块由n个超级电容和n组平衡均压电路组成，超级电容串联，n组平衡均压电路分别与n个超级电容并联，第1个超级电容的正端作为电容储能子模块的正极，第n个超级电容的负端作为电容储能子模块的负极。

所述充放电控制子模块由电压门限电路和开关执行部件组成，电压门限电路由电压门限档位切换开关、分压电路、工作电源、基准电压、电压比较器和执行部件驱动组成，工作电源接入分压电路和基准电压电路，切换开关接入分压电路，分压电路和基准电压接入电压比较器，电压比较器输出端接入执行部件驱动电路，执行部件驱动电路接入开关执行部件；其中执行部件驱动由大功率二极管、多个P沟道MOSFET并联组成，所述多个P沟道MOSFET的G极、D级、S级分别并联连接，开关执行部件的共同S极端口与电容储能子模块相连，开关执行部件的共同D极端口与开关电源供应器相连，电压门限电路有两级门限档位，通过电压门限档位切换开关进行切换。

所述的余电释放子模块由放电开关和m×n个电阻组成，n个电阻串联为一组，m组串联电阻再并联，得到电阻阵，放电开关与所述电阻阵串联，放电开关和电阻阵不相连的一端分别为余电释放子模块的两个电极。

使用上述基于超级电容的电站直流电源装置的供电方法为，电站高压开关柜的电压互感器输出交流电源，输入电源模块，由整流调理子模块进行整流和升压，输出电压稳定的直流电；所述直流电分别输入恒功率充电子模块和直流负载，恒功率充电子模块经充放电控制子模块控制电容储能子模块进行充电，充满电后电容储能子模块处于充电保持状态，在直流负载用电需求短时增大且超过了整流调理输出模块最大输出功率的情况下，电源模块和储能模块共同给直流负载供电；当电站高压开关柜的电压互感器断电时，储能模块将储存的电能经充放电控制子模块由电流返送电路返送到端口1，给直流负载供电；充放电控制子模块设有高低两个电压门限，由档位切换开关进行切换，当储能模块的电压低于充放电控制子模块的高电压门限时，由充放电控制子模块关断电容储能子模块的放电回路，停止对直流负载供电，此时如将电压门限档位切换开关切到低电压门限档位，则电容储能子模块将继续对外供电，直至电容储能子模块的电压低于设定的低电压门限；电站高压开关柜的电压互感器供电恢复后，恒功率充电子模块立即经充放电控制子模块开始对储能模块充电，充满后进入待机状态，直至下一个充放电周期。

本发明克服现有开闭所操作电源供电技术存在的不足，提供了一种不需从其他配变站外接电源、通过高压开关柜PT二次侧供电而不会影响***一次侧供电质量的电站操作电源用直流电源装置及供电方法。本直流电源装置基于超级电容储能，作为开闭所负载和保护动作的应急电源，正常使用情况下能给多数开闭所负载提供工作电源，也可以在***失电后30毫秒内，给保护装置和电站设备提供备用应急直流电源，其使用寿命长，效率高、重量轻、占用空间小、可直接安装在高压开关柜上、不需要作日常维护、能够长期独立工作。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1)电源装置由电源模块和储能模块两个独立模块组成。电源模块由整流调理输出子模块、恒功率充电子模块、电流返送电路组成。储能模块由电容储能子模块、充放电控制子模块、余电释放子模块组成。本发明的模块少，集成度高，两个独立模块可以采用标准的19英寸高度机箱，与保护设备一起屏柜安装，体积比市场上任何一种直流电源产品都小很多，不只为用户节约设备建设成本，而且可以节约宝贵的城市场地占用成本。

2)本发明电源装置解决开闭所正常负载运行和应急电源供给问题，相比其他供电方式，具有稳定可靠、体积小巧的特点。因开闭所数量众多和分布广阔，老的供电方式多需要人员定期维护和检修，耗费大量的人力投入，本发明电源装置采用超级电容作为储能元件，并对应设计保护和控制电路，可做到免维护运行。本发明电源装置第一次把超级电容技术应用到开闭所和类似电站环境，并且采用串联方式实现高压220V储能，直接给负载供电，避免中间电压转换环节，大大提高装置可靠性。本发明抛弃传统的供电方法，解决了多年来困扰开闭所供电的问题，具有很好的经济和社会价值。

3)本发明采用基于超级电容的直流电源相比采用交流操作电源，具有节约投资，不受电力***布线建设条件和安全因素的影响，且能保证在外部***断电的情况，仍然能保持应急供电，且在下次***上电时能保障合闸与三相短路故障的情况下保护装置能够保护正确动作。相比交流操作电源，还具有一次***电压质量不受二次***负载影响的特点。

4)电源装置采用整流调理输出子模块从开闭所一次PT二次侧直接取电，并通过恒功率充电子模块直接对强电220V电容储能子模块充电，配合充放电控制子模块合理分配释放电容组的存储容量，保证***恢复供电时的应急用电供给。可以取代从远端配电站取电模式，降低开闭所对外界供电***的依赖，节约建设成本并可减少用电危险。

5)储能模块因为集成了充放电控制、储能电容组、余电释放等功能。具备适用于绝大多数开闭所变电站负载容量的储能容量，在供电方法上，还具有充放电门限自动关闭和打开功能，保证电源装置能在***故障停电后保存足够的能量，在***再次送电时保障保护装置的正常动作。余电释放功能保障在安装调试和检修时保护人身使用安全。

6)电源模块因为集成升压和整流、恒功率充电以及电流反送等功能。具备适用于绝大多数开闭所变电站的功率输出和充电功能，同时具有过载保护、负载功耗检测和储能电能自动切换反送功能。电源模块可以直接给开闭所负载供电，并与储能模块配套使用，具备电站应急电源的完整功能。

7)整流调理输出子模块采用双相交错CCM PFC电路技术，用于输出最大1500W的最大功率，同时可以在输入端得到几乎纯净的正弦电流波形，不会对电网产生任何干扰和额外负担，不会影响***一次侧供电质量，充分考虑了变电站应用对可靠性的要求。

8)恒功率充电子模块采用高性能固定频率电流模式控制器UC3843作为主控芯片，具备恒流恒压输出的同时具备隔离功能，并具有过功率保护特性，即使在充电电容出现短路故障的条件下，利用其良好的隔离特性不会影响***供电的正常输出。

9)电容储能子模块采用超级电容组和均压保护电路构建成强电直流220V储能模块，恰当的储能容量，能保证多数开闭所的应急使用，并使得模块的体积更加符合大多数开闭所的使用情况，节约安装空间。快速充电性能和大电流放电特性使得直流电源的应急特性更强。均压保护电路的应用使得直流电源的稳定性更高，具有单个电容损坏不影响整体使用性能的容错功能，且能做到免维护使用。

10)充放电控制子模块设置了180V和140V两级门限档位的电压门限电路，避免在PT失电后电容储能子模块全部放电，保障电容储能子模块留有足够的能量，确保合闸送电与***故障情况下能给保护装置和断路器提供足够的工作能量，至少保证***在合闸于故障时保护装置和断路器能够在0.5秒之内快速正常动作一次。同时避免了像直流屏那样在PT断电后仍对直流负载长时间的不必要的直流供给，减少储能模块的设计容量，进一步降低成本，同时节约能源；开关执行部件采用多个MOSFET并联的方式，能开断高达10A及以上的220V高压直流电，取代如欧姆龙的G9EB-1这样的DC功率继电器，使用MOSFET的成本仅为使用DC功率继电器的十分之一，而且MOSFET的驱动电路的功耗比DC功率继电器线圈功耗小，不到0.1W，进一步减少了直流电源装置的自身损耗。

11)在对电站内断路器进行合闸或分闸操作时，直流负载会出现瞬态大电流，此时在整流调理输出子模块输出功率不足的情况下，电容储能子模块与整流调理输出子模块会共同给直流负载供电，由于超级电容有大电流放电能力超强的特性，故不会造成整流调理输出子模块过载或PT过载等情况，安全可靠。

12)所述基于超级电容的电站直流电源装置设有余电释放子模块，较之于直流屏，它不需要借助外部设备就能将电容储能模块中的余电释放掉，充分考虑了进行装置维护时的安全性和易操作性。

附图说明

图1是本发明的直流电源装置结构示意图。

图2是本发明的整流调理输出模块电路图。

图3是本发明的恒功率充电子模块电路图。

图4是本发明的电容储能子模块电路框图。

图5是本发明的充放电控制子模块电路图。

图6是本发明的余电释放子模块电路框图。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步对本发明进行详细说明。

如图1所示，基于超级电容的电站直流电源装置设置在电站高压开关柜的电压互感器与直流负载之间，所述电站直流电源装置包括电源模块和储能模块，电源模块由整流调理子模块、恒功率充电子模块、电流返送电路组成，储能模块由电容储能子模块、充放电控制子模块、余电释放子模块组成；电流返送电路为一反向耐压1000V的二极管，所述二极管最大持续导通电流10A，电源模块设有一个输入端：端口0，和两个输出端：端口1和端口2，储能模块设有连接端口：端口3，其中端口0连接电站高压开关柜的电压互感器输出端，端口1连接直流负载，端口2连接储能模块的端口3，端口0与整流调理子模块的输入端相连，整流调理子模块输出端与恒功率充电子模块输入端及端口1相连，恒功率充电子模块输出端与端口2相连，端口2经电流返送电路与电源模块端口1相连，二极管的方向为从端口2指向端口1，储能模块的端口3与充放电控制子模块的输入端相连，充放电控制子模块的输出端与电容储能子模块的输入端相连，电容储能子模块的输出端与余电释放子模块的输入端相连，

如图2所示，整流调理输出子模块采用双相交错CCM PFC技术，主芯片PFC控制器为TI公司的UCC28070，UCC28070的端口14(GDA)通过双高速功率MOSFET驱动器TC4427AC与两个MOSFET相连，UCC28070的端口17(GDB)通过双高速功率MOSFET驱动器TC4427AC与两个MOSFET相连。具体工作原理为：输入交流电压经扼流线圈LF1、LF2滤波后由整流桥BD1全波整流，由电感L1、电感L2、MOSFET管Q1～Q4、二极管D1、二极管D2组成双相交错PFC电路完成升压功能；互感器CT1、CT2组成电流取样回路；由R7、R8、R22组成输出电压检测回路，通过主控制器UCC28070误差比较放大实现输出稳压；以变压器T1和VIPER22A芯片IC8为主要器件构成辅助源电路，实现对主芯片的供电。

如图3所示，恒功率充电子模块由MOSFET管Q1、MOSFET管Q2、变压器T2、二极管D10、二极管D11组成单端反激电路；电阻R38、电阻R39完成输出电流取样，取样信号经运算放大器IC3放大处理后经光耦PC1隔离传输至原边主控制芯片UC3843的引脚1，完成闭环PWM控制；以变压器T3和VIPER22A芯片IC2为主要器件构成辅助源电路，实现对主芯片的供电。

如图4所示，电容储能子模块由n个超级电容和n组平衡均压电路组成，超级电容1的负端接超级电容2的正端、超级电容2的负端接超级电容3的正端，以此类推，超级电容n-1的负端接超级电容n的正端，平衡均压电路1与超级电容1并联、平衡均压电路2与超级电容2并联，以此类推，平衡均压电路n与超级电容n并联，超级电容1的正端作为电容储能子模块端口的正极，超级电容n的负端作为电容储能子模块端口的负极。由于开闭所大多不会超过4台机组(断路器、储能电机及配套的保护装置)，所以电容储能子模块的设计容量将参照4台机组同时动作一次的能耗来设计，现场试验数据显示，开闭所内一台机组的一次操作平均工作电流约1.2A，工作时间3.6s(示波器读数)，即平均每次能耗约220×1.2×3.6S≈950J，四台机组都操作一次则能耗约为3800J，根据设备工作电压不低于额定工作电压的80％考虑，则有：

3800J＝1/2×C×(220²-(220×80％)²) 得出C≈0.436F

因此，将电容储能子模块设计0.6F/250V的规格足以满足开闭所用电需求。据此，超级电容选用60F/2.7V的规格，2.7V的额定电压在串联时应适当降压处理，通常以2.5V为计算值，单体超级电容的个数n也相应计算得出：

模块电压＝单体电容电压×单体电容数量

模块电压＝250V＝2.5V×100只

即n＝100

模块可短时承受的最高电压U Max＞270V

模块电容量＝单体电容容量/单体电容数量

模块电容量＝60F/100＝0.6F

模块满电时总储能量＝0.5×模块电容量×(模块电压)2

＝0.5×0.6F×250V²

＝18.75kJ

平衡均压电路主要采用了电压探测器驱动MOS管的通断来实现平衡均压，选用的电压探测器的发觉电压要与单体电容的额定电压相等或略低。

如图5所示，充放电控制子模块由电压门限电路、开关执行部件组成，电压门限电路有：电压门限档位切换开关S1，由RR3、RR4、RR11、RR12组成的分压电路，主要由7812实现的工作电源，由RR13、RR14实现的基准电压，选用UA741作为电压比较器，由RR8、RR9、RR10和Q1组成的执行部件驱动；开关执行部件由大功率二极管VD1和多个P沟道MOSFET管Q2～Q4并联组成，多个P沟道MOSFET的G极并联连接，多个P沟道MOSFET的D极并联连接，多个P沟道MOSFET的S极并联连接，开关执行部件的共同S极端口(DC+)与电容储能子模块相连，开关执行部件的共同D极端口(DC+’)与开关电源供应器相连，电压门限电路有两级门限档位，其中高电压设定值档位用于正常工作模式，低电压设定值档位用于应急情况下供电，具体设定值可根据实际应用而定，通常高电压设定值档位设在180V～190V之间、低电压设定值档位设在140V左右，值的设定通过调整分压电路的个电阻的阻值实现，电阻也可用调压器替代，这样调节比较方便，只是会造成产品出厂调试麻烦一些，需要逐个调整调压器的阻值，通过电压门限档位切换开关(S1)进行档位切换。

如图6所示，余电释放子模块由放电开关、多个电阻(11、12……mn)组成，其中放电开关的一端(A)作为余电释放子模块的端口的一极(一般作为正极)，放电开关通过若干电阻的一端(B)作为余电释放子模块的端口的另一极(一般作为负极)，电阻采用串联、并联方式结合。为了保证放电发热不会影响到电容储能子模块的正常工作，余电释放子模块的功率和放电速度需要做一个综合的考虑，通过调研和对用户沟通，认为五分钟左右将充满电的电容储能子模块电压降低到安全电压以下是一个可以承受的时间长度，这样同时为避免余电释放子模块短时间发热过大赢得了时间，本直流电源装置的余电释放子模块采用了96只1.5KΩ/3W的金属膜电容，组成了m×n＝4×24的电阻矩阵，组合后的总电阻为250Ω左右，余电释放时的最大电流不超过1A，每个电阻的最大功耗为2.5W，平均功耗约为1W，试验证明，其满足设计要求。

本发明的基于超级电容的电站直流电源装置的供电方法是：从电站高压开关柜的电压互感器(PT)输入的交流电源，由整流调理输出模块完成整流和升压功能，输出电压稳定的直流电；恒功率充电子模块实现了对电容储能子模块的快速充电功能和隔离功能(避免电容短路故障对***的破坏)，同时避免在电源输入接通过程中很大的瞬态电流对电网的影响；在PT输入正常情况下，整流调理输出模块端口1输出高稳定度的直流电源给电机储能和信号引导等直流负载使用，整流调理输出模块端口2对电容储能子模块实时充电，充满电后电容储能子模块处于充电保持状态，在负载用电需求短时增大且超过了整流调理输出模块最大输出功率的情况下，整流调理输出模块和电容储能子模块会共同给直流负载供电；PT断电后，电容储能子模块可立即将储存的电能经充放电控制子模块反送到所述基于超级电容的电站直流电源装置的出口给直流负载供电，直至电容储能子模块的电压低于充放电控制子模块的电压门限档位切换开关的高档位设定值时，由充放电控制子模块关断电容储能子模块的放电回路，停止对直流负载供电；如将电压门限档位切换开关切到低档位，电容储能子模块将继续对外供电，直至电容储能子模块的电压低于电压门限档位切换开关的低档位设定值；PT供电恢复后，恒功率充电子模块立即经充放电控制子模块开始对电容储能子模块充电，充满后进入待机状态，直至下一个充放电周期。

本发明可实现在高压开关柜的电压互感器上取电的电站直流操作电源，基于超级电容储能，其可直接安装在开关柜上，不需额外增加电站空间，具有瞬时输出功率大、效率高、可靠性高、免维护、体积小、成本低等特点。

Claims

1.一种基于超级电容的电站直流电源装置，其特征是设置在电站高压开关柜的电压互感器与直流负载之间，所述电站直流电源装置包括电源模块和储能模块，电源模块由整流调理子模块、恒功率充电子模块、电流返送电路组成，储能模块由电容储能子模块、充放电控制子模块、余电释放子模块组成；电流返送电路为一反向耐压1000V的二极管，所述二极管最大持续导通电流10A，电源模块设有一个输入端：端口0，和两个输出端：端口1和端口2，储能模块设有连接端口：端口3，其中端口0连接电站高压开关柜的电压互感器输出端，端口1连接直流负载，端口2连接储能模块的端口3，端口0与整流调理子模块的输入端相连，整流调理子模块输出端与恒功率充电子模块输入端及端口1相连，恒功率充电子模块输出端与端口2相连，端口2经电流返送电路与电源模块端口1相连，二极管的方向为从端口2指向端口1，储能模块的端口3与充放电控制子模块的输入端相连，充放电控制子模块的输出端与电容储能子模块的输入端相连，电容储能子模块的输出端与余电释放子模块的输入端相连，

所述的电容储能子模块由n个超级电容和n组平衡均压电路组成，超级电容串联，n组平衡均压电路分别与n个超级电容并联，第1个超级电容的正端作为电容储能子模块的正极，第n个超级电容的负端作为电容储能子模块的负极；

所述充放电控制子模块由电压门限电路和开关执行部件组成，电压门限电路由电压门限档位切换开关、分压电路、工作电源、基准电压、电压比较器和执行部件驱动组成，工作电源接入分压电路和基准电压电路，切换开关接入分压电路，分压电路和基准电压接入电压比较器，电压比较器输出端接入执行部件驱动电路，执行部件驱动电路接入开关执行部件；其中执行部件驱动由大功率二极管、多个P沟道MOSFET并联组成，所述多个P沟道MOSFET的G极、D 极、S 极分别并联连接，开关执行部件的共同S极端口与电容储能子模块相连，开关执行部件的共同D极端口与开关电源供应器相连，电压门限电路有两级门限档位，通过电压门限档位切换开关进行切换。

2.根据权利要求1所述的基于超级电容的电站直流电源装置，其特征是所述的余电释放子模块由放电开关和m×n个电阻组成，n个电阻串联为一组，m组串联电阻再并联，得到电阻阵，放电开关与所述电阻阵串联，放电开关和电阻阵不相连的一端分别为余电释放子模块的两个电极。

3.一种使用如权利要求1或2所述的基于超级电容的电站直流电源装置的供电方法，其特征是：电站高压开关柜的电压互感器输出交流电源，输入电源模块，由整流调理子模块进行整流和升压，输出电压稳定的直流电；所述直流电分别输入恒功率充电子模块和直流负载，恒功率充电子模块经充放电控制子模块控制电容储能子模块进行充电，充满电后电容储能子模块处于充电保持状态，在直流负载用电需求短时增大且超过了整流调理输出模块最大输出功率的情况下，电源模块和储能模块共同给直流负载供电；当电站高压开关柜的电压互感器断电时，储能模块将储存的电能经充放电控制子模块由电流返送电路返送到端口1，给直流负载供电；充放电控制子模块设有高低两个电压门限，由档位切换开关进行切换，当储能模块的电压低于充放电控制子模块的高电压门限时，由充放电控制子模块关断电容储能子模块的放电回路，停止对直流负载供电，此时如将电压门限档位切换开关切到低电压门限档位，则电容储能子模块将继续对外供电，直至电容储能子模块的电压低于设定的低电压门限；电站高压开关柜的电压互感器供电恢复后，恒功率充电子模块立即经充放电控制子模块开始对储能模块充电，充满后进入待机状态，直至下一个充放电周期。