基于超級電容器儲能的直流DVR裝置的研發(fā)

    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(shè)備，如：機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線、精密數(shù)控機(jī)床、高精度測量儀器及計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)和設(shè)備對電網(wǎng)的各種干擾十分敏感，任何電能質(zhì)量問題都可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，帶來不良的社會影響。在用戶電能質(zhì)量問題投訴中，90%以上涉及電壓暫降問題；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題，針對具有整流逆變結(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(nèi)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(xué)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(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，本文研究的超級電容電壓暫降抑制裝置即為此類輔助設(shè)備。目前國內(nèi)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(fù)器（DVR）及不間斷電源（UPS）等。對含直流母線的裝置，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間長等特性，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(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)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(fù)荷的直流母線電壓達(dá)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(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)良的新型大容量儲能元件。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(guān)。