基于超级电容器储能的直流DVR装置的设计与实现

　　什么是超级电容器

超级电容器从储能机理上面分的话，超级电容器分为双电层电容器和赝电容器。是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。

超级电容器（supercapacitor，ultracapacitor），又叫电化学电容器（Electrochemical Capacitor， EC）、黄金电容、法拉第电容；包括双电层电容器（ElectrostaTIc double-layer capacitor）和赝电容器（Electrochemical pseudocapacitor），通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件、储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

随着科学技术的发展和产业规模的扩大，经济体各个部门的用电量在不断增加，越来越多的用户采用性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备，如：机器人、自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器及计算机信息管理系统等。这些系统和设备对电网的各种干扰十分敏感，任何电能质量问题都可能造成重大的经济损失，带来不良的社会影响。在用户电能质量问题投诉中，90%以上涉及电压暂降问题；统计数据和案例反映显示，造成用电设备异常运行或停电的绝大部分因素也是由电压暂降引起的。因此本文主要研究电压暂降治理问题，针对具有整流逆变结构的敏感负荷设备，提出了一种利用超级电容器治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间内突然下降的事件。国际电工委员会（IEC）将电压暂降定义为电压均方根值下降到额定值的90%~1%，电气与电子工程师学会（IEEE）则定义为下降到额定值的90%~10%，其典型持续时间为0.5~30个周波。严重的电压暂降将引发用电设备停止工作，或造成所生产的产品质量下降，其后果严重程度因用电设备的特性而异。

电压暂降的治理是一项复杂工程，通常通过设置辅助设备使主设备负荷能承受频繁发生的电压暂降，本文研究的超级电容电压暂降抑制装置即为此类辅助设备。目 前国内外研究的电压暂降治理装置主要有交流系统的动态电压恢复器（DVR）及不间断电源（UPS）等。对含直流母线的装置，若加装UPS补偿设备，因 UPS使用寿命短、放电电流小且充电时间长等特性，系统的性价比较低；如果加装交流系统DVR等装置，因系统主电路存在2 个逆变电路，不仅降低了系统工作效率，而且还增加了成本。针对具有整流逆变结构的设备，我们研发了一种基于超级电容储能的直流DVR装置，将双向半桥DC-DC变换器与超级电容器结合使用，通过双闭环方式控制超级电容器的充放电，在系统发生电压暂降时，通过支撑敏感负荷的直流母线电压达到治理电压暂降的目的（图1）。

图1 电压暂降治理系统主电路