一種直流DVR裝置研發(fā)方案
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177348.htm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(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(duì)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(huì)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(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題的新思路。
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)良的新型大容量儲(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。
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?。欢姵卦诘蜏叵氯萘克p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。
圖3 雙向DC-DC 變換器主電路
3.1 Boost 模式
開關(guān)T2處于恒脈寬調(diào)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(dāng)T2 導(dǎo)通時(shí)(圖4(a)),電源v2向電感L充電,電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)于L中,同時(shí)電容C2向v1供電;當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)(圖4(b)),電感L釋放磁能向v1 供電。電感L的儲(chǔ)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(guān)T1處于恒脈寬調(diào)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(dāng)T1 導(dǎo)通時(shí)(圖5(a)),v1通過電感L給v2充電,部分電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)于L中;當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)(圖5(b)),電感L中存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)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(jí)電容器充放電控制策略
根據(jù)超級(jí)電容器的特點(diǎn),本文提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時(shí)控制策略。
4.1 超級(jí)電容器充電控制
直流母線工作在正常電壓范圍內(nèi),當(dāng)超級(jí)電容器陣列電壓低于額定工作電壓時(shí),對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電,其充電控制框圖如圖6 所示。通過實(shí)際充電電流與參考充電電流的滯環(huán)比較及對(duì)最大開關(guān)頻率的限制,產(chǎn)生信號(hào)控制恒流充電。恒流充電有利于對(duì)儲(chǔ)能裝置的保護(hù),且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。
圖6 超級(jí)電容器充電控制框圖
4.2 超級(jí)電容器放電控制
超級(jí)電容器放電控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)(圖7 )。利用電壓環(huán)計(jì)算得到電壓偏差,之后計(jì)算出電流環(huán)參考值;電流環(huán)根據(jù)參考值得到合適的補(bǔ)償電流,通過傳遞函數(shù)變換得到補(bǔ)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(dòng)量,為高壓側(cè)輸出電壓擾動(dòng)量。
圖7 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。
對(duì)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(cè)輸出電壓;v2--低壓側(cè)輸入電壓;α --時(shí)間系數(shù),相當(dāng)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(jí)電容容量;r1 --電容器內(nèi)阻。
對(duì)狀態(tài)方程施加小信號(hào)干擾,則有瞬時(shí)值:
式中:V1 --高壓側(cè)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值;V2 --低壓側(cè)輸入電壓穩(wěn)態(tài)值; iL^--電感電流擾動(dòng)量; v2^--低壓側(cè)輸入電壓擾動(dòng)量;D--靜態(tài)占空比;d--動(dòng)態(tài)占空比。
將式(2)代入式(1),得到穩(wěn)態(tài)方程:
通過對(duì)該狀態(tài)空間平均方程進(jìn)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(dòng)電壓、電流小信號(hào)傳遞函數(shù)如下:
5 仿真研究
為了驗(yàn)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(gòu)成超級(jí)電容陣列,使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)(圖8)。
圖8 仿真模型結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)采用阻性負(fù)載,參數(shù)說明如下:系統(tǒng)相電壓E=220 V;超級(jí)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(yùn)行時(shí)間為10 s.當(dāng)直流母線工作電壓正常、超級(jí)電容電壓低于工作電壓時(shí),母線對(duì)超級(jí)電容器充電(圖9);當(dāng)直流母線電壓低于系統(tǒng)工作電壓下限時(shí),超級(jí)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(shí)刻發(fā)生幅度為80%的電壓暫降,超級(jí)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(jí)電容充電控制圖
圖10 超級(jí)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(shí)波形
圖12 加抑制裝置、電壓暫降80% 時(shí)的波形
在1s時(shí)刻直流母線上發(fā)生幅度為20%的電壓暫降,超級(jí)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(shí)的波形。
圖14 加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)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(shí),直流母線上電壓的有效值比三相的更低,因此本文未進(jìn)行仿真介紹。
6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為發(fā)生電壓暫降時(shí),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(duì)照驗(yàn)證裝置的可行性。超級(jí)電容器選用實(shí)驗(yàn)室用超級(jí)電容模塊,它由200個(gè)2.7 V/2 700 F雙層電容器串聯(lián)而成;負(fù)載采用7.5 kW電爐,實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)如圖15所示。
圖15 實(shí)驗(yàn)電路
通過模擬擾動(dòng),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(jí)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(shí)波形。
圖17 加抑制裝置、電壓暫降80% 時(shí)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(shí)直流母線電壓波形。并聯(lián)超級(jí)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(shí)的波形。
圖19 加抑制裝置、電壓暫降20% 時(shí)的波形。
由以上兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出,直流母線發(fā)生電壓暫降時(shí),并入超級(jí)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(yīng)時(shí)間為10 ms 左右且無較大波動(dòng),證明該裝置能有效抑制直流母線的電壓暫降。
7 結(jié)語
針對(duì)具備整流逆變結(jié)構(gòu)的設(shè)備(即具有直流母線),本文提出了運(yùn)用雙向半橋DC-DC結(jié)構(gòu)結(jié)合超級(jí)電容器的方式治理電壓暫降問題,研究了其PWM控制方式,結(jié)合超級(jí)電容器充放電電流特點(diǎn),提出了充電恒流、放電雙閉環(huán)的分時(shí)控制策略,通過仿真驗(yàn)證了算法的響應(yīng)速度和抑制精度;結(jié)合仿真結(jié)果,搭建了實(shí)驗(yàn)電路,并對(duì)裝置的性能進(jìn)行了驗(yàn)證(未考慮交流負(fù)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(shù)的電壓暫降治理新型裝置,超級(jí)電容電壓暫降抑制裝置具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
超級(jí)電容器相關(guān)文章:超級(jí)電容器原理
電化學(xué)工作站相關(guān)文章:電化學(xué)工作站原理 脈寬調(diào)制相關(guān)文章:脈寬調(diào)制原理
評(píng)論