基于超级电容储能技术的动态电压恢复器的设计与研究

摘要

电网电压瞬时跌落是电力系统中危害最大、出现概率最高的动态电能质量问题，必须采取措施进行治理。动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)被认为是目前解决电压瞬时跌落最有效的途径，该装置串联在供电系统与负载之间，可以对电网电压进行动态补偿。超级电容器作为新型储能器件，其具有高能量密度，快速充放电，寿命长，无污染等特点。因此采用超级电容储能的新型动态电压恢复器抑制电压瞬时跌落的前景十分光明。
　　本文针对电网电压瞬时跌落，设计了一款基于超级电容储能的主旁路式小型动态电压恢复器;提出了一种快速检测电压瞬时跌落新方法;并且围绕超级电容充放电技术进行了相关深入研究，提出了变流恒压快速充电方法，以及多段式恒压放电方法，本文具体研究内容主要包括:
　　(1)针对动态电能质量问题中电压瞬时跌落时电压特征量改变问题进行了详细研究，并且分析了动态电压恢复器的主要工作原理及超级电容器充放电原理及等效模型。
　　(2)采用主旁两路供电新思路设计了一种基于超级电容储能的新型动态电压恢复器，并完成了该装置的硬件设计及软件设计。硬件设计包括新型超级电容均压充放电电路，半桥式DC-DC变换器电路、全桥逆变电路、采样调理电路、主控单元电路等等;软件设计包括主程序编写，AD、定时器中断程序编写，保护程序编写等等;并进行了制板、焊接，成功制作出一台样机，其最大电压恢复时间可达3s。
　　(3)提出了一种新型检测电压瞬时跌落方法——基于单相电压αβ-dq变换连续求导的检测算法，并对该方法进行了理论分析、仿真验证，该算法实时性好，可以快速准确判断出电网发生跌落;同时本文结合数字采样技术对算法中“过冲响应”所带来噪声提出了累加优化处理方法，该处理方法工程实用性强，上机试验效果明显。
　　(4)针对超级电容充放电特性及常用的充放电方式，本文结合双向DC-DC变换器提出了超级电容能量流动控制策略，并采用小信号建模方法制定出精确的双闭环控制策略方法，通过自动控制理论中校正原理详细计算出控制器的PI参数;该方法实现了超级电容器Buck模式下先恒流再恒压的快速充电，Boost模式下稳压放电;并在此基础上提出超级电容器变流恒压充电方法，以及多段稳压放电方法，进行了Simulink仿真验证;通过这种控制策略后动态电压恢复器中超级电容器充、放电效果得到大幅改善。