基于超级电容器储能的直流DVR装置设计和实现.doc

基于超级电容器储能直流DVR装置设计与实现时间：-06-2816:08:34来源：作者：摘要：电压暂降是电力系统中危害最大电能质量问题之一。针对电压暂降问题，文章提出了基于超级电容直流动态电压恢复器(DynamicVoltageRestorer，DVR)装置，完毕了该装置主电路以及超级电容充放电控制办法，并对该装置进行了仿真和实验。实验证明，该装置在电网发生电压暂降时候，可以有效地支撑敏感负荷直流电压，减少电压暂降对敏感负荷影响。0引言随着科学技术发展和产业规模扩大，经济体各个部门用电量在不断增长，越来越多顾客采用性能好、效率高但对电源特性变化敏感高科技设备，如：机器人、自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器及计算机信息管理系统等。这些系统和设备对电网各种干扰十分敏感，任何电能质量问题都也许导致重大经济损失，带来不良社会影响。在顾客电能质量问题投诉中，90%以上涉及电压暂降问题;记录数据和案例反映显示，导致用电设备异常运营或停电绝大某些因素也是由电压暂降引起。因而本文重要研究电压暂降治理问题，针对具备整流逆变构造敏感负荷设备，提出了一种运用超级电容器治理电压暂降问题新思路。1电压暂降电压暂降是指供电电压在短时间内突然下降事件。国际电工委员会(IEC)将电压暂降定义为电压均方根值下降到额定值90%~1%，电气与电子工程师学会(IEEE)则定义为下降到额定值90%~10%，其典型持续时间为0.5~30个周波。严重电压暂降将引起用电设备停止工作，或导致所生产产品质量下降，其后果严重限度因用电设备特性而异。电压暂降治理是一项复杂工程，普通通过设立辅助设备使主设备负荷能承受频繁发生电压暂降，本文研究超级电容电压暂降抑制装置即为此类辅助设备。当前国内外研究电压暂降治理装置重要有交流系统动态电压恢复器(DVR)及不间断电源(UPS)等。对含直流母线装置，若加装UPS补偿设备，因UPS使用寿命短、放电电流小且充电时间长等特性，系统性价比较低;如果加装交流系统DVR等装置，因系统主电路存在2个逆变电路，不但减少了系统工作效率，并且还增长了成本。针对具备整流逆变构造设备，咱们研发了一种基于超级电容储能直流DVR装置，将双向半桥DC-DC变换器与超级电容器结合使用，通过双闭环方式控制超级电容器充放电，在系统发生电压暂降时，通过支撑敏感负荷直流母线电压达到治理电压暂降目(图1)。图1电压暂降治理系统主电路2超级电容储能超级电容器也称为电化学电容器，是一种运用双电层原理、采用新材料和新工艺、性能介于电容器与电池之间、具备很大电容密度且脉冲充放电性能优良新型大容量储能元件。惯用双电层电容器构造如图2所示，悬在电解质里2个非活性多孔板为电极。正极板吸引电解质中负离子，负极板吸引电解质中正离子，这样在两个电极表面形成一种双电层电容器，其容量大小与电极表面积及极板间距离等因素关于。图2双电层电容构造图与常规用于储能电容器不同，超级电容器容量可达到法拉甚至千法拉级别，既具备充电电池高能量密度特性，又有电容器高功率密度特性，是一种高效、实用、绿色能量存储器件。表1示出超级电容器、储能电容器以及电池性能比较。与普通电容器和电池相比，超级电容器不但无污染、免维护、环保效益明显，并且还具备如下长处：(1)功率密度高。超级电容器功率密度可达到10kW/kg左右，为电池十倍到百倍，可以在短时间内释放几百到几千安培电流，非常合用于在短时间内输出高功率场合。(2)充电速度快。超级电容器充放电是一种双电层充放电物理过程或电极物质表面迅速可逆电化学过程，可以采用大电流充电方式，在几十秒到数分钟内完毕充电。在当前技术水平下，蓄电池充电需要数小时才干完毕，虽然采用迅速充电也需几十分钟。(3)使用寿命长。超级电容器充放电过程中发生电化学反映可逆性好，循环充放电次数理论值为无穷，实际可达100000次，比电池寿命高10~100倍。(4)低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生电荷转移大某些在电极活性物质表面进行，因此容量随温度减少而衰减量非常小;而电池在低温下容量衰减幅度可高达70%.电能质量问题往往具备浮现率高、持续时间短等特点，因而应用超级电容器作为储能设备进行迅速补偿是一种抱负技术方案。表13种电化学储能元件性能比较3双向DC-DC变换器主电路及工作原理双向DC-DC变换器主电路构造如图3所示。通过控制开关T1和T2，达到双向直流升压与降压目。在升压运营时，T2动作，T1截止，变换器工作在Boost状态;当T1动作，T2截止时，变换器工作在Buck状态，实现降压功能。图3双向DC-DC变换器主电路3.1Boost模式开关T2处在恒脉宽调制方式下，双向DC-DC变换器主电路Boost模式下等效电路如图4所示。当T2导通时(图4(a))，电源v2向电感L充电，电能转化为磁能存储于L中