0 导言
跟着科学技能的开展和工业规划的扩展，经济体各个部门的用电量在不断添加，越来越多的用户选用功用好、效率高但对电源特性改变灵敏的高科技设备，如：机器人、自动化出产线、精细数控机床、高精度丈量仪器及核算机信息管理体系等。这些体系和设备对电网的各种搅扰十分灵敏，任何电能质量问题都或许构成严峻的经济损失，带来不良的社会影响。在用户电能质量问题投诉中，90%以上触及电压暂降问题；统计数据和事例反映显现，构成用电设备反常运转或停电的绝大部分要素也是由电压暂降引起的。因而本文首要研讨电压暂降管理问题，针对具有整流逆变结构的灵敏负荷设备，提出了一种运用超级电容器管理电压暂降问题的新思路。
1 电压暂降
电压暂降是指供电电压在短时刻内忽然下降的事情。世界电工委员会（IEC）将电压暂降界说为电压均方根值下降到额外值的90%~1%,电气与电子工程师学会（IEEE）则界说为下降到额外值的90%~10%,其典型继续时刻为0.5~30个周波。严峻的电压暂降将引发用电设备停止作业，或构成所出产的产品质量下降，其后果严峻程度因用电设备的特性而异。
电压暂降的管理是一项杂乱工程，一般经过设置辅佐设备使主设备负荷能接受频频产生的电压暂降，本文研讨的超级电容电压暂降按捺设备即为此类辅佐设备。现在国内外研讨的电压暂降管理设备首要有沟通体系的动态电压恢复器（DVR）及不间断电源（UPS）等。对含直流母线的设备，若加装UPS补偿设备，因UPS运用寿数短、放电电流小且充电时刻长等特性，体系的性价比较低；假如加装沟通体系DVR等设备，因体系主电路存在2 个逆变电路，不只下降了体系作业效率，并且还添加了本钱。针对具有整流逆变结构的设备，咱们研发了一种依据超级电容储能的直流DVR设备，将双向半桥DC-DC改换器与超级电容器结合运用，经过双闭环方法操控超级电容器的充放电，在体系产生电压暂降时，经过支撑灵敏负荷的直流母线电压到达管理电压暂降的意图（图1）。
图1 电压暂降管理体系主电路
2 超级电容储能
超级电容器也称为电化学电容器，是一种运用双电层原理、选用新材料和新工艺、功用介于电容器与电池之间、具有很大电容密度且脉冲充放电功用优秀的新式大容量储能元件。常用的双电层电容器结构如图2所示，悬在电解质里的2 个非活性多孔板为电极。正极板招引电解质中的负离子，负极板招引电解质中的正离子，这样在两个电极的外表构成一个双电层电容器，其容量巨细与电极的外表积及极板间间隔等要素有关。
图2 双电层电容的结构图
与惯例用于储能的电容器不同，超级电容器容量可到达法拉乃至千法拉等级，既具有充电电池的高能量密度特性，又有电容器的高功率密度特性，是一种高效、有用、绿色的能量存储器材。表1 示出超级电容器、储能电容器以及电池的功用比较。与一般电容器和电池比较，超级电容器不只无污染、免维护、环保效益显着，并且还具有以下长处：
（1）功率密度高。
超级电容器的功率密度可到达10 kW/kg左右，为电池的十倍到百倍，能够在短时刻内开释几百到几千安培的电流，十分适宜用于在短时刻内输出高功率的场合。
（2）充电速度快。
超级电容器充放电是一种双电层充放电的物理进程或电极物质外表快速可逆的电化学进程，能够采纳大电流充电方法，在几十秒到数分钟内完结充电。在当时的技能水平下，蓄电池的充电需求数小时才干完结，即便选用快速充电也需几十分钟。
（3）运用寿数长。
超级电容器充放电进程中产生的电化学反响可逆性好，循环充放电次数理论值为无量，实践可达100 000次，比电池的寿数高10~100倍。
（4）低温功用优越。
超级电容器充放电进程中产生的电荷转移大部分在电极活性物质外表进行，所以容量随温度的下降而衰减的量十分小；而电池在低温下容量衰减起伏可高达70%.
电能质量问题往往具有呈现率高、继续时刻短等特色，因而运用超级电容器作为储能设备进行快速补偿是一种抱负的技能计划。
表1 3 种电化学储能元件的功用比较
3 双向DC-DC 改换器主电路及作业原理
双向DC-DC改换器的主电路结构如图3所示。经过操控开关T1和T2,到达双向直流升压与降压的意图。在升压运转时，T2动作，T1截止，改换器作业在Boost状况；当T1动作，T2截止时，改换器作业在Buck状况，完成降压功用。
图3 双向DC-DC 改换器主电路
3.1 Boost 形式
开关T2处于恒脉宽调制方法下，双向DC-DC改换器主电路Boost 形式下等效电路如图4 所示。当T2 导通时（图4（a）），电源v2向电感L充电，电能转化为磁能存储于L中，一起电容C2向v1供电；当T2关断时（图4（b）），电感L开释磁能向v1 供电。电感L的储能作用能使电压泵升，经过电容C2 稳压之后，可使输出电压高于输入电压。
图4 Boost 形式下等效电路
3.2 Buck 形式
开关T1处于恒脉宽调制方法下，双向DC-DC改换器主电路Buck 形式下等效电路如图5 所示。当T1 导通时（图5（a）），v1经过电感L给v2充电，部分电能转化为磁能存储于L中；当T1关断时（图5（b）），电感L中存储的磁能转化为电能，经过二极管给v2充电。Buck形式电流流向与Boost 形式的相反。
图5 Buck 形式下等效电路
4 超级电容器充放电操控战略
依据超级电容器的特色，本文提出了充电恒流、放电双闭环的分时操控战略。
4.1 超级电容器充电操控
直流母线作业在正常电压范围内，当超级电容器阵列电压低于额外作业电压时，对超级电容器进行充电，其充电操控框图如图6 所示。经过实践充电电流与参阅充电电流的滞环比较及对最大开关频率的约束，产生信号操控恒流充电。恒流充电有利于对储能设备的维护，且动态呼应较快。
图6 超级电容器充电操控框图
4.2 超级电容器放电操控
超级电容器放电操控体系选用电压外环、电流内环的双闭环结构（图7 ）。运用电压环核算得到电压误差，之后核算出电流环参阅值；电流环依据参阅值得到适宜的补偿电流，经过传递函数改换得到补偿值。图7中：
,Vref为给定的电压操控量，Kv为电压反应放大系数，Ki为电流反应放大系数，Gvd为S 域的操控电压，Gid为S域的操控电流，为占空比扰动量，为高压侧输出电压扰动量。
图7 双闭环操控结构框图。
关于Boost 形式作业状况，运用状况空间均匀法可得到其状况方程：
式中：v1–高压侧输出电压；v2–低压侧输入电压；α –时刻系数，相当于占空比，α =ton÷（toff+ton）；iL –电感电流；R–限流电阻；L–充放电电感量；C–超级电容容量；r1 —电容器内阻。
对状况方程施加小信号搅扰，则有瞬时值：
式中：V1 –高压侧输出电压稳态值；V2 –低压侧输入电压稳态值； iL^–电感电流扰动量； v2^–低压侧输入电压扰动量；D–静态占空比；d–动态占空比。
将式（2）代入式（1），得到稳态方程：
经过对该状况空间均匀方程进行搅扰，可得到S 域的操控电压（式（4））和操控电流（式（5））的传递函数：
式中：D′=1-D.
S 域的扰动电压、电流小信号传递函数如下：
5 仿真研讨
为了验证参数以及操控战略，挑选20 0 只2. 7 V/2 700 F双层电容器串联构成超级电容阵列，运用Matlab/Simulink软件进行仿真试验（图8）。
图8 仿真模型结构图
体系选用阻性负载，参数阐明如下：体系相电压E=220 V;超级电容阵列电容容量CS=13.5 F,r=0.2Ω，充放电电感为L=1 mH,作业电压范围在300~530 V,最大输出功率为4 kW;仿真运转时刻为10 s.当直流母线作业电压正常、超级电容电压低于作业电压时，母线对超级电容器充电（图9）；当直流母线电压低于体系作业电压下限时，超级电容器放电（图10）。
设备电源电压为380 V,直流母线电压在1s时刻产生起伏为80%的电压暂降，超级电容电压暂降按捺设备并入直流母线前后母线电压的仿真波形如图11 和图12所示。
图9 超级电容充电操控图
图10 超级电容放电操控框图
图11 未加按捺设备、直流母线电压暂降80% 时波形
图12 加按捺设备、电压暂降80% 时的波形
在1s时刻直流母线上产生起伏为20%的电压暂降，超级电容电压暂降按捺设备并入直流母线前后母线电压的仿真波形如图13和图14所示。
图13 未加按捺设备、电压暂降20% 时的波形。
图14 加按捺设备、电压暂降20% 时的波形。
以上仿真的电压暂降均为三相电压产生暂降，在产生单相以及两相暂降时，直流母线上电压的有用值比三相的更低，因而本文未进行仿真介绍。
6 试验验证
试验设计为产生电压暂降时，未投切和投切按捺设备的情况下直流母线电压的改变作为一组对照验证设备的可行性。超级电容器选用试验室用超级电容模块，它由200个2.7 V/2 700 F双层电容器串联而成；负载选用7.5 kW电炉，试验电路结构如图15所示。
图15 试验电路
经过模仿扰动，使直流母线产生80%电压暂降，电压由510 V下降到200 V（图16）。图17示出在直流母线上并联超级电容电压暂降按捺设备后的直流母线电压波形。
图16 未加按捺设备、直流母线电压暂降80% 时波形。
图17 加按捺设备、电压暂降80% 时的波形。
图18示出产生20%电压暂降（即直流母线由510 V下降到400 V左右）时直流母线电压波形。并联超级电容电压暂降按捺设备后，直流母线电压得到了较好的支撑，其电压波形如图19 所示。
图18 未加按捺设备、电压暂降20% 时的波形。
图19 加按捺设备、电压暂降20% 时的波形。
由以上两组比照试验能够看出，直流母线产生电压暂降时，并入超级电容电压暂降按捺设备后，暂降按捺作用十分显着，波形较为平稳，呼应时刻为10 ms 左右且无较大动摇，证明该设备能有用按捺直流母线的电压暂降。
7 结语
针对具有整流逆变结构的设备（即具有直流母线），本文提出了运用双向半桥DC-DC结构结合超级电容器的方法管理电压暂降问题，研讨了其PWM操控方法，结合超级电容器充放电电流特色，提出了充电恒流、放电双闭环的分时操控战略，经过仿真验证了算法的呼应速度和按捺精度；结合仿真成果，搭建了试验电路，并对设备的功用进行了验证（未考虑沟通负载电压的改变以及双向DC-DC在大功率下的功用）。作为一种依据电力电子技能的电压暂降管理新式设备，超级%&&&&&%电压暂降按捺设备具有十分宽广的运用远景。
