基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的直流DVR裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

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1、基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的直流DVR裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)間：2012-06-2816:08:34來(lái)源：作者：摘要：電壓暫降是電力系統(tǒng)中危害最大的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。針對(duì)電壓暫降問(wèn)題，文章提出了基于超級(jí)電容的直流動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DynamicVoltageRestorer，DVR)裝置，完成了該裝置的主電路以及超級(jí)電容充放電的控制方法，并對(duì)該裝置進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，該裝置在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降的時(shí)候，可以有效地支撐敏感負(fù)荷的直流電壓，降低電壓暫降對(duì)敏感負(fù)荷的影響。0引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)體各個(gè)部門(mén)的用

2、電量在不斷增加，越來(lái)越多的用戶采用性能好、效率高但對(duì)電源特性變化敏感的高科技設(shè)備，如：機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密數(shù)控機(jī)床、高精度測(cè)量?jī)x器及計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的各種干擾十分敏感，任何電能質(zhì)量問(wèn)題都可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，帶來(lái)不良的社會(huì)影響。在用戶電能質(zhì)量問(wèn)題投訴中，90%以上涉及電壓暫降問(wèn)題;統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和案例反映顯示，造成用電設(shè)備異常運(yùn)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(wèn)題，針對(duì)具有整流逆變結(jié)構(gòu)的敏感負(fù)荷設(shè)備，提出了一種利用超級(jí)電容器治理電壓暫降問(wèn)題的新思

3、路。1電壓暫降電壓暫降是指供電電壓在短時(shí)間內(nèi)突然下降的事件。國(guó)際電工委員會(huì)(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(xué)會(huì)(IEEE)則定義為下降到額定值的90%~10%，其典型持續(xù)時(shí)間為0.5~30個(gè)周波。嚴(yán)重的電壓暫降將引發(fā)用電設(shè)備停止工作，或造成所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量下降，其后果嚴(yán)重程度因用電設(shè)備的特性而異。電壓暫降的治理是一項(xiàng)復(fù)雜工程，通常通過(guò)設(shè)置輔助設(shè)備使主設(shè)備負(fù)荷能承受頻繁發(fā)生的電壓暫降，本文研究的超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置即為此類輔助設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外研究的電壓暫降治理裝

4、置主要有交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)及不間斷電源(UPS)等。對(duì)含直流母線的裝置，若加裝UPS補(bǔ)償設(shè)備，因UPS使用壽命短、放電電流小且充電時(shí)間長(zhǎng)等特性，系統(tǒng)的性價(jià)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(gè)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(duì)具有整流逆變結(jié)構(gòu)的設(shè)備，我們研發(fā)了一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的直流DVR裝置，將雙向半橋DC-DC變換器與超級(jí)電容器結(jié)合使用，通過(guò)雙閉環(huán)方式控制超級(jí)電容器的充放電，在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，通過(guò)支撐敏感負(fù)荷的直流母線電壓達(dá)到治理電壓暫降的目的(

5、圖1)。圖1電壓暫降治理系統(tǒng)主電路2超級(jí)電容儲(chǔ)能超級(jí)電容器也稱為電化學(xué)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?jī)?chǔ)能元件。常用的雙電層電容器結(jié)構(gòu)如圖2所示，懸在電解質(zhì)里的2個(gè)非活性多孔板為電極。正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引電解質(zhì)中的正離子，這樣在兩個(gè)電極的表面形成一個(gè)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(guān)。圖2雙電層電容的結(jié)構(gòu)圖與常規(guī)用于儲(chǔ)能的電容器不同，超級(jí)電容器容量可達(dá)到法拉甚至千法拉級(jí)別，既具有

6、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(shí)用、綠色的能量存儲(chǔ)器件。表1示出超級(jí)電容器、儲(chǔ)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(jí)電容器不僅無(wú)污染、免維護(hù)、環(huán)保效益明顯，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)功率密度高。超級(jí)電容器的功率密度可達(dá)到10kW/kg左右，為電池的十倍到百倍，可以在短時(shí)間內(nèi)釋放幾百到幾千安培的電流，非常適合用于在短時(shí)間內(nèi)輸出高功率的場(chǎng)合。(2)充電速度快。超級(jí)電容器充放電是一種雙電層充放電的物理過(guò)程或電極物質(zhì)表面快速可逆的電化學(xué)過(guò)程，可以采取大電流充電方式，在

7、幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，蓄電池的充電需要數(shù)小時(shí)才能完成，即使采用快速充電也需幾十分鐘。(3)使用壽命長(zhǎng)。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)可逆性好，循環(huán)充放電次數(shù)理論值為無(wú)窮，實(shí)際可達(dá)100000次，比電池的壽命高10~100倍。(4)低溫性能優(yōu)越。超級(jí)電容器充放電過(guò)程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)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(dá)70%.電能質(zhì)量問(wèn)題往往具有出現(xiàn)率高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，因此應(yīng)用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)償是一種理

8、想的技術(shù)方案。表13種電化學(xué)儲(chǔ)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(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)T1和T2，達(dá)到雙向直流升壓與降壓的目的。在升壓運(yùn)行時(shí)，T2動(dòng)作，T1截止，變換器工作在Boost狀態(tài);當(dāng)T1動(dòng)作，T2截止時(shí)，變換器工作在Buck狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)降壓功能。圖3雙向DC-DC變換器主電路3.1Boost模式開(kāi)關(guān)T2處于恒脈