一種直流DVR裝置研發(fā)方案

　　引言

　　本文主要研究電壓暫降治理問題，針對(duì)具有整流逆變結(jié)構(gòu)的敏感負(fù)荷設(shè)備，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(Dynamic Voltage Restorer, 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。

　　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(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10 kW/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程或電極物質(zhì)表面快速可逆的電化學(xué)過程，可以采取大電流充電方式，在幾十秒到數(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)理論值為無窮，實(shí)際可達(dá)100 000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)償是一種理想的技術(shù)方案。

　　表1 3 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。通過控制開關(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。