一種直流DVR裝置研發(fā)方案

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(dòng)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(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(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(chǔ)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(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 超級電容儲(chǔ)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(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，超級電容器容量可達(dá)到法拉甚至千法拉級別，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)輸出高功率的場合。

（2）充電速度快。

超級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??；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 超級電容器充放電控制策略

根據(jù)超級電容器的特點(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)超級電容器陣列電壓低于額定工作電壓時(shí)，對超級電容器進(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)比較及對最大開關(guān)頻率的限制，產(chǎn)生信號控制恒流充電。恒流充電有利于對儲(chǔ)能裝置的保護(hù)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快。

圖6 超級電容器充電控制框圖

4.2 超級電容器放電控制

超級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--超級電容容量；r1 --電容器內(nèi)阻。

對狀態(tài)方程施加小信號干擾，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、超級電容電壓低于工作電壓時(shí)，母線對超級電容器充電（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 超級電容充電控制圖

圖10 超級電容放電控制框圖

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照驗(yàn)證裝置的可行性。超級電容器選用實(shí)驗(yàn)室用超級電容模塊，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，超級電容電壓暫降抑制裝置具有非常廣闊的應(yīng)用前景。