基于超级电容器储能的直流DVR装置设计与实现-电子技术方案|电路图讲解

摘 要：电压暂降是电力系统中危害最大的电能质量问题之一。针对电压暂降问题，文章提出了基于超级电容的直流动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer， DVR）装置，完成了该装置的主电路以及超级电容充放电的控制方法，并对该装置进行了仿真和试验。试验证明，该装置在电网发生电压暂降的时候，可以有效地支撑敏感负荷的直流电压，降低电压暂降对敏感负荷的影响。

0 引言

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

2 超级电容储能

超级电容器也称为电化学电容器，是一种利用双电层原理、采用新材料和新工艺、性能介于电容器与电池之间、具有很大电容密度且脉冲充放电性能优良的新型大容量储能元件。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。正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引电解质中的正离子，这样在两个电极的表面形成一个双电层电容器，其容量大小与电极的表面积及极板间距离等因素有关。

　　图2 双电层电容的结构图

与常规用于储能的电容器不同，超级电容器容量可达到法拉甚至千法拉级别，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、实用、绿色的能量存储器件。表1 示出超级电容器、储能电容器以及电池的性能比较。与普通电容器和电池相比，超级电容器不仅无污染、免维护、环保效益明显，而且还具有以下优点：

（1）功率密度高。

超级电容器的功率密度可达到10 kW/kg左右，为电池的十倍到百倍，可以在短时间内释放几百到几千安培的电流，非常适合用于在短时间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过程或电极物质表面快速可逆的电化学过程，可以采取大电流充电方式，在几十秒到数分钟内完成充电。在当前的技术水平下，蓄电池的充电需要数小时才能完成，即使采用快速充电也需几十分钟。

（3）使用寿命长。

超级电容器充放电过程中发生的电化学反应可逆性好，循环充放电次数理论值为无穷，实际可达100 000次，比电池的寿命高10~100倍。

（4）低温性能优越。

超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分在电极活性物质表面进行，所以容量随温度的降低而衰减的量非常小；而电池在低温下容量衰减幅度可高达70%.

电能质量问题往往具有出现率高、持续时间短等特点，因此应用超级电容器作为储能设备进行快速补偿是一种理想的技术方案。

　　表1 3 种电化学储能元件的性能比较

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很早就已经出现了恒流二极管，但是这种二极管并没有引起人们的关注，因为它只是用于某些仪器仪表中作为电流的标准。然而近来随着LED产业的蓬勃发 展，这种二极管突然引起了广泛的兴趣。很多国外的大公司都开发出这种产品以供驱动LED，这是因为LED必须采用恒流源作为驱动的原因。下面我们将要深入 讨论一下恒流二极管的性能和应用。

一． 什么是恒流二极管

理想的恒流源是一种内阻为无穷大的器件，不论其两端电压为何值，其流经的电流永远不变。当然这种器件是不可能存在的。实际的恒流二极管相当于一个在一定工作电压范围内（例如25-100V），其电流恒定为某一值（例如20mA）。其等效电路如图1所示。

图1. 恒流二极管的等效电路

其内阻为Z，并联的电容大约为4-10pF。其典型的伏安特性如图2所示。

图2. 恒流二极管的典型伏安特性

它在某一个电压范围内有一段恒流区间，在这个区间，流经的电流几乎不变，VL为到达IL的电压值，IL大约为0.8Ip，Vb为击穿电压值。但是实际的恒流二极管并不是那么理想。图3是美国Supertex的CL1恒流二极管的特性。它的电流仍然会随电压而有所增加。

图3. 实际的恒流二极管的伏安特性
 

恒流二极管的另一个特性就是它的温度特性，温度特性通常用相对值%/°C或绝对值μA/°C来表示。这个温度系数通常是负值。其值取决于恒流的值，恒流值 越大，温度系数也越大，通常在-0.4%~-0.6%之间。为了达到恒流的目的当然不希望电流随温度变动，所以通常需要采用温度补偿措施（图4）。

图4. 恒流二极管的温度补偿措施

采用温度补偿以后就可以把电流的温度系数降低到很小的数字，例如Supertex公司的CL1的电流温度系数只有-8.5μA/°C。

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