超級電容器儲能的直流DVR裝置的研發(fā)

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展和產業(yè)規(guī)模的擴大，經濟體各個部門的用電量在不斷增加，越來越多的用戶采用性能好、效率高但對電源特性變化敏感的高科技設備，如：機器人、自動化生產線、精密數(shù)控機床、高精度測量儀器及計算機信息管理系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)和設備對電網的各種干擾十分敏感，任何電能質量問題都可能造成重大的經濟損失，帶來不良的社會影響。在用戶電能質量問題投訴中，90%以上涉及電壓暫降問題；統(tǒng)計數(shù)據和案例反映顯示，造成用電設備異常運行或停電的絕大部分因素也是由電壓暫降引起的。因此本文主要研究電壓暫降治理問題，針對具有整流逆變結構的敏感負荷設備，提出了一種利用超級電容器治理電壓暫降問題的新思路。

1 電壓暫降

電壓暫降是指供電電壓在短時間內突然下降的事件。國際電工委員會（IEC）將電壓暫降定義為電壓均方根值下降到額定值的90%~1%,電氣與電子工程師學會（IEEE）則定義為下降到額定值的90%~10%,其典型持續(xù)時間為0.5~30個周波。嚴重的電壓暫降將引發(fā)用電設備停止工作，或造成所生產的產品質量下降，其后果嚴重程度因用電設備的特性而異。

電壓暫降的治理是一項復雜工程，通常通過設置輔助設備使主設備負荷能承受頻繁發(fā)生的電壓暫降，本文研究的超級電容電壓暫降抑制裝置即為此類輔助設備。目前國內外研究的電壓暫降治理裝置主要有交流系統(tǒng)的動態(tài)電壓恢復器（DVR）及不間斷電源（UPS）等。對含直流母線的裝置，若加裝UPS補償設備，因UPS使用壽命短、放電電流小且充電時間長等特性，系統(tǒng)的性價比較低；如果加裝交流系統(tǒng)DVR等裝置，因系統(tǒng)主電路存在2 個逆變電路，不僅降低了系統(tǒng)工作效率，而且還增加了成本。針對具有整流逆變結構的設備，我們研發(fā)了一種基于超級電容儲能的直流DVR裝置，將雙向半橋DC-DC變換器與超級電容器結合使用，通過雙閉環(huán)方式控制超級電容器的充放電，在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，通過支撐敏感負荷的直流母線電壓達到治理電壓暫降的目的（圖1）。

圖1 電壓暫降治理系統(tǒng)主電路

2 超級電容儲能

超級電容器也稱為電化學電容器，是一種利用雙電層原理、采用新材料和新工藝、性能介于電容器與電池之間、具有很大電容密度且脈沖充放電性能優(yōu)良的新型大容量儲能元件。常用的雙電層電容器結構如圖2所示，懸在電解質里的2 個非活性多孔板為電極。正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引電解質中的正離子，這樣在兩個電極的表面形成一個雙電層電容器，其容量大小與電極的表面積及極板間距離等因素有關。

圖2 雙電層電容的結構圖

與常規(guī)用于儲能的電容器不同，超級電容器容量可達到法拉甚至千法拉級別，既具有充電電池的高能量密度特性，又有電容器的高功率密度特性，是一種高效、實用、綠色的能量存儲器件。表1 示出超級電容器、儲能電容器以及電池的性能比較。與普通電容器和電池相比，超級電容器不僅無污染、免維護、環(huán)保效益明顯，而且還具有以下優(yōu)點：

（1）功率密度高。

超級電容器的功率密度可達到10 kW/kg左右，為電池的十倍到百倍，可以在短時間內釋放幾百到幾千安培的電流，非常適合用于在短時間內輸出高功率的場合。

（2）充電速度快。

超級電容器充放電是一種雙電層充放電的物理過程或電極物質表面快速可逆的電化學過程，可以采取大電流充電方式，在幾十秒到數(shù)分鐘內完成充電。在當前的技術水平下，蓄電池的充電需要數(shù)小時才能完成，即使采用快速充電也需幾十分鐘。

（3）使用壽命長。

超級電容器充放電過程中發(fā)生的電化學反應可逆性好，循環(huán)充放電次數(shù)理論值為無窮，實際可達100 000次，比電池的壽命高10~100倍。

（4）低溫性能優(yōu)越。

超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉移大部分在電極活性物質表面進行，所以容量隨溫度的降低而衰減的量非常小；而電池在低溫下容量衰減幅度可高達70%.

電能質量問題往往具有出現(xiàn)率高、持續(xù)時間短等特點，因此應用超級電容器作為儲能設備進行快速補償是一種理想的技術方案。

表1 3 種電化學儲能元件的性能比較

3 雙向DC-DC 變換器主電路及工作原理

雙向DC-DC變換器的主電路結構如圖3所示。通過控制開關T1和T2,達到雙向直流升壓與降壓的目的。在升壓運行時，T2動作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài)；當T1動作，T2截止時，變換器工作在Buck狀態(tài)，實現(xiàn)降壓功能。

圖3 雙向DC-DC 變換器主電路

3.1 Boost 模式

開關T2處于恒脈寬調制方式下，雙向DC-DC變換器主電路Boost 模式下等效電路如圖4 所示。當T2 導通時（圖4（a）），電源v2向電感L充電，電能轉化為磁能存儲于L中，同時電容C2向v1供電；當T2關斷時（圖4（b）），電感L釋放磁能向v1 供電。電感L的儲能作用能使電壓泵升，通過電容C2 穩(wěn)壓之后，可使輸出電壓高于輸入電壓。

圖4 Boost 模式下等效電路

3.2 Buck 模式

開關T1處于恒脈寬調制方式下，雙向DC-DC變換器主電路Buck 模式下等效電路如圖5 所示。當T1 導通時（圖5（a）），v1通過電感L給v2充電，部分電能轉化為磁能存儲于L中；當T1關斷時（圖5（b）），電感L中存儲的磁能轉化為電能，通過二極管給v2充電。Buck模式電流流向與Boost 模式的相反。

圖5 Buck 模式下等效電路

4 超級電容器充放電控制策略

根據超級電容器的特點，本文提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時控制策略。

4.1 超級電容器充電控制

直流母線工作在正常電壓范圍內，當超級電容器陣列電壓低于額定工作電壓時，對超級電容器進行充電，其充電控制框圖如圖6 所示。通過實際充電電流與參考充電電流的滯環(huán)比較及對最大開關頻率的限制，產生信號控制恒流充電。恒流充電有利于對儲能裝置的保護，且動態(tài)響應較快。

圖6 超級電容器充電控制框圖

4.2 超級電容器放電控制

超級電容器放電控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)結構（圖7 ）。利用電壓環(huán)計算得到電壓偏差，之后計算出電流環(huán)參考值；電流環(huán)根據參考值得到合適的補償電流，通過傳遞函數(shù)變換得到補償值。圖7中：

,Vref為給定的電壓控制量，Kv為電壓反饋放大系數(shù)，Ki為電流反饋放大系數(shù)，Gvd為S 域的控制電壓，Gid為S域的控制電流，為占空比擾動量，為高壓側輸出電壓擾動量。

圖7 雙閉環(huán)控制結構框圖。

對于Boost 模式工作狀態(tài)，使用狀態(tài)空間平均法可得到其狀態(tài)方程：

式中：v1--高壓側輸出電壓；v2--低壓側輸入電壓；α --時間系數(shù)，相當于占空比，α =ton÷（toff+ton）；iL --電感電流；R--限流電阻；L--充放電電感量；C--超級電容容量；r1 --電容器內阻。

對狀態(tài)方程施加小信號干擾，則有瞬時值：

式中：V1 --高壓側輸出電壓穩(wěn)態(tài)值；V2 --低壓側輸入電壓穩(wěn)態(tài)值； iL^--電感電流擾動量； v2^--低壓側輸入電壓擾動量；D--靜態(tài)占空比；d--動態(tài)占空比。

將式（2）代入式（1），得到穩(wěn)態(tài)方程：

通過對該狀態(tài)空間平均方程進行干擾，可得到S 域的控制電壓（式（4））和控制電流（式（5））的傳遞函數(shù)：

　　式中：D′=1-D.

S 域的擾動電壓、電流小信號傳遞函數(shù)如下：

5 仿真研究

為了驗證參數(shù)以及控制策略，選擇20 0 只2. 7 V/2 700 F雙層電容器串聯(lián)構成超級電容陣列，使用Matlab/Simulink軟件進行仿真實驗（圖8）。

圖8 仿真模型結構圖

系統(tǒng)采用阻性負載，參數(shù)說明如下：系統(tǒng)相電壓E=220 V;超級電容陣列電容容量CS=13.5 F,r=0.2Ω，充放電電感為L=1 mH,工作電壓范圍在300~530 V,最大輸出功率為4 kW;仿真運行時間為10 s.當直流母線工作電壓正常、超級電容電壓低于工作電壓時，母線對超級電容器充電（圖9）；當直流母線電壓低于系統(tǒng)工作電壓下限時，超級電容器放電（圖10）。

裝置電源電壓為380 V,直流母線電壓在1s時刻發(fā)生幅度為80%的電壓暫降，超級電容電壓暫降抑制裝置并入直流母線前后母線電壓的仿真波形如圖11 和圖12所示。

圖9 超級電容充電控制圖

圖10 超級電容放電控制框圖

圖11 未加抑制裝置、直流母線電壓暫降80% 時波形

圖12 加抑制裝置、電壓暫降80% 時的波形

在1s時刻直流母線上發(fā)生幅度為20%的電壓暫降，超級電容電壓暫降抑制裝置并入直流母線前后母線電壓的仿真波形如圖13和圖14所示。

圖13 未加抑制裝置、電壓暫降20% 時的波形。

圖14 加抑制裝置、電壓暫降20% 時的波形。

以上仿真的電壓暫降均為三相電壓發(fā)生暫降，在發(fā)生單相以及兩相暫降時，直流母線上電壓的有效值比三相的更低，因此本文未進行仿真介紹。

6 實驗驗證

實驗設計為發(fā)生電壓暫降時，未投切和投切抑制裝置的情況下直流母線電壓的變化作為一組對照驗證裝置的可行性。超級電容器選用實驗室用超級電容模塊，它由200個2.7 V/2 700 F雙層電容器串聯(lián)而成；負載采用7.5 kW電爐，實驗電路結構如圖15所示。

圖15 實驗電路

通過模擬擾動，使直流母線發(fā)生80%電壓暫降，電壓由510 V下降到200 V（圖16）。圖17示出在直流母線上并聯(lián)超級電容電壓暫降抑制裝置后的直流母線電壓波形。

圖16 未加抑制裝置、直流母線電壓暫降80% 時波形。

圖17 加抑制裝置、電壓暫降80% 時的波形。

圖18示出發(fā)生20%電壓暫降（即直流母線由510 V下降到400 V左右）時直流母線電壓波形。并聯(lián)超級電容電壓暫降抑制裝置后，直流母線電壓得到了較好的支撐，其電壓波形如圖19 所示。

圖18 未加抑制裝置、電壓暫降20% 時的波形。

圖19 加抑制裝置、電壓暫降20% 時的波形。

由以上兩組對比實驗可以看出，直流母線發(fā)生電壓暫降時，并入超級電容電壓暫降抑制裝置后，暫降抑制效果十分明顯，波形較為平穩(wěn)，響應時間為10 ms 左右且無較大波動，證明該裝置能有效抑制直流母線的電壓暫降。

7 結語

針對具備整流逆變結構的設備（即具有直流母線），本文提出了運用雙向半橋DC-DC結構結合超級電容器的方式治理電壓暫降問題，研究了其PWM控制方式，結合超級電容器充放電電流特點，提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時控制策略，通過仿真驗證了算法的響應速度和抑制精度；結合仿真結果，搭建了實驗電路，并對裝置的性能進行了驗證（未考慮交流負載電壓的變化以及雙向DC-DC在大功率下的性能）。作為一種基于電力電子技術的電壓暫降治理新型裝置，超級電容電壓暫降抑制裝置具有非常廣闊的應用前景。