一种基于超级电容储能的新型交流电压动态调节器

俞红祥，沈亚强，马世平

(浙江师范大学交通学院，浙江省 金华市321004)

摘要：提出了一种新型单相交流电压动态调节器方案，采用双半桥变换电路分别进行串联电压补偿和直流储能调节。其中超级电容组在公共直流侧的使用不仅保证了补偿电压凹陷和严重跌落所需能量，而且显著降低了储能调节变换器的启动次数和工作时间。根据不同的能量平衡方式，分析了该调节器的多模式运行方式以及串联电压补偿和直流储能控制规则。最后5kVA样机的实验结果表明所提出的方案在动态电压恢复和谐波抑制方面具有良好表现。

0引言

大功率电力电子变换装置的广泛应用已经给配电网带来了严重的电能质量问题[1]。在这些问题中，电压波动包括暂降、骤升、凹陷、闪变等造成的危害最为普遍[2-3]，它们会导致自动控制设备异常、计算机数据丢失等事故，继而造成重大的经济损失。

为了降低该类风险，在敏感负载端使用各种交流电压稳定和调节装置已成为应用趋势。现有的大容量交流稳压电源主要是基于自耦变压器和晶闸管控制多抽头变压器，不但动态响应速度低且不具备谐波抑制能力。而以脉宽调制(PWM)逆变器和斩波器[4]为核心的交流净化电源虽然提供了理想的电压波形，但受到主电路效率尤其是成本的约束，目前仍局限于较小的应用范围。近年提出的基于串联补偿方式的各种有源交流电压调节装置以其主电路容量小、响应速度快和运行效率高的特点受到了广泛关注和深入研究[5-6]，已成为交流电压调节主要发展方向之一。为了实现输出电压双向快速调节，文献[7]采用了双极性交流斩波器对系统电压进行串联补偿；文献[8]还运用不可控整流桥供电的电压源逆变器同时实现了电压跌落和谐波补偿。然而，这些方案很少同时考虑对输出电压的双向调节和波形畸变补偿；特别是由于缺少足够的储能容量，当系统电压发生持续跌落或凹陷时仍会发生欠补偿，从而威胁负载的不间断运行。

本文提出一种基于超级电容储能的新型单相交流电压动态调节器方案，采用双半桥变换电路分别进行交流电压补偿和直流储能调节。其中串联补偿电路所采用的电压动态补偿技术使其可以抑制包括幅值波动和波形畸变等类型的电压扰动；而公共直流侧超级电容组的使用既保证了补偿系统电压严重跌落和凹陷所需能量，还可以显著降低系统对直流电路瞬时功率平衡控制的要求，并减少储能调节变换器的启动次数和工作时间，从而确保输出电能质量和调节器的高效可靠运行。

1电路结构与工作模式

基于超级电容储能交流电压动态调节器的电路结构如图1所示，它主要由双半桥变换电路、直流超级电容组C1与C2、串联耦合变压器T1、旁路开关以及开关频率LC滤波器组成。

图1中主开关S1和S2与超级电容组C1和C2一起组成串联补偿电压源逆变器，辅助开关S3和S4与超级电容组C1和C2构成储能调节PWM整流器，对超级电容组进行充放电控制，以实现长期稳定的直流电压。由于超级电容组的储能容量和密度远大于传统的铝电解电容[9]，补偿短时电压凹陷、骤变所产生的不平衡能量对直流电压的影响很小，无需启动S3和S4即可保证直流侧不发生过电压、欠电压。因此，根据不同的直流能量平衡方式，超级电容储能交流电压动态调节器分别工作于如下3个模式：

1)自保持模式

只有电压尖峰、凹陷等暂时扰动发生，少量的能量被注入或抽出C1和C2，从而C1和C2自身即可保证直流电压处于正常范围内。此时辅助开关S3和S4一直保持关闭状态，控制器仅处理交流电压串联补偿相关运算。在2次扰动发生的间隔，串联补偿逆变器的控制函数被设置为0，S1和S2以50%占空比高频运行，T1输出的基波电压等于0，绕组感抗近似等于漏感抗。一旦系统再次发生电压扰动，串联补偿逆变器可以无延时地对其实施动态调节。

2)充电模式

持续电压凹陷、跌落或欠电压发生时，过量的能量从C1和C2中抽出，用于支撑负载电压，继而导致C1和C2电压持续降低至欠压状态，此时辅助开关S3和S4开启并工作于PWM整流状态，以最大额定电流对电容组C1和C2充电，直至直流电压恢复到正常值。充电过程中输出电路从交流系统吸收的总有功电流大于额定负载电流。

3)放电模式

持续电压尖峰、骤升或过电压发生时，过量的能量被注入C1和C2以维持负载端电压，继而导致C1和C2的电压持续升高并超出安全区域，此时辅助开关S3和S4开启并工作于PWM有源逆变模式，以最大额定电流对C1和C2进行放电，直至直流电压恢复到正常值。放电过程中储能调节变换器输出电流Ir作为负载有功电流的一部分，降低了负载从交流系统直接吸收的有功电流。

考虑到实际电网运行条件下绝大多数电压扰动持续时间仅为数个工频周期，适当设计储能电容组容量，即可保证调节器在大部分时间内工作于自保持模式。若选择C1和C2的工作电压大于交流电压峰值，自保持模式下开关S3和S4的关闭还会使整流桥臂处于双向截止状态。这不仅提升了主电路运行效率，还带来了控制策略的简化。尤其是在电压跌落、凹陷频繁发生的区域，与传统不间断电源(UPS)相比，超级电容组在交流电压动态调节器中的使用可以在较低的成本下显著提升敏感负载的供电可靠性。

2电压动态补偿与储能控制

2.1电压动态补偿技术

设调节器所有元件均为理想特性，串联耦合变压器T1变比为n1：n2=nt，C1和C2的直流电压始终相等，图2给出了超级电容储能交流电压动态调节器的串联电压补偿等效电路。

此时，调节器与交流系统交换的视在功率最小、补偿所需电压分量最低。反之，当储能电容组额定电压相同时，采用该补偿方式能补偿的电压偏差范围最大，并且对主电路容量要求最低。此外，式(9)还表明调制函数fm(t)的求取只需获取系统电压瞬时值和基波相位，而不要求对电压动态过程的快速识别。

2.2直流储能控制

由于补偿系统电压短时波动所产生的不平衡能量被直流侧超级电容组直接吸收，在设计直流储能电路时必须考虑以下2个问题：①C1和C2的容量越小，调节器成本就越低，但储能调节变换器启停也越频繁，直流侧在双向电压补偿过程中很容易发生过电压和欠电压；C1和C2的容量越大，直流电压就越稳定，补偿跌落和凹陷的时间也越长，并且系统对储能调节变换器的响应速度和控制策略要求也越低。②直流电压太低易导致储能不足和输出欠补偿，直流电压过高则会威胁主电路安全运行。因此，设计和选择合适的超级电容组容量及储能控制策略是保证补偿性能和可靠运行的关键。

现代电力系统中用户侧发生电压暂降事件的次数远大于1min停电事故次数，因此动态电压调节器中超级电容组储能容量的设计以独立承担连续1min、幅值为50%电压扰动产生的不平衡能量且保证直流电压处于安全区域为目标。以5kW纯阻性负载为例，交流系统额定电压为220V/50Hz、电容组电压波动允许范围为80V、耦合变压器T1变比nt为015，则半桥电路中电容组等效电流Ibat≈5.68A，1min持续扰动过程中，电容组输出电流所需总电荷Esc=34018C，因此C1和C2的容量为4.26kscF(其中ksc是针对超级电容自放电和容量—温度系数的增益值，综合考虑成本和可靠性因素，ksc通常设置为1.2～1.4)。

除了连续扰动影响外，重复发生的短时电压凹陷、尖峰等产生的不平衡能量经累积后也会使电容组电压发生缓慢漂移直至越限。为了确保超级电容组电压的长期稳定，直流储能环节还采用了电压滞环控制器对储能调节半桥变换器进行PWM控制。

图3给出了该控制器的原理框图，它由外环电压滞环控制器和内环PWM整流桥直接电流控制器构成。其中电容组电压测量值Vdc与参考值V3dc经过滞环比较后产生充放电电流指令I3r，电流控制器根据输入指令I3r和电流实测值Ir产生控制开关S3和S4的调制函数，并与载波三角波比较后获得输出PWM信号。一旦发生直流欠压或过压，图3所示电压滞环控制器即会控制辅助开关S3和S4，在连接电感Lr上产生一个幅值固定的注入或抽出有功电流，从而调节电容组电压，直至恢复到允许区间的中间值。

3实验结果

为验证理论分析的正确性以及所提出方案的实践可行性，在5kVA样机上对超级电容储能交流电压动态调节器的主电路方案、储能控制以及串联电压补偿技术进行实验分析。控制系统采用单片高性能数字信号处理芯片TMS320F2812来实现，它高达150MIPS(每秒百万条指令)的32位整数运算能力确保了双半桥PWM控制的实时性，并使储能控制和电压补偿算法的集成成为可能；此外，利用其丰富的I/O资源，还可以方便地实现调节器的各种保护功能。变换器主开关元件由2个1200V/50ASEMIKONIGBT单桥臂模块组成，串联耦合变压器额定容量1500VA，变比nt为015。主电路其他参数见附录A。

图4给出了交流系统电压的瞬时波形，电压波形表现出了明显的低次谐波畸变特征。附录A给出的交流系统电压频谱分析表明其含有11dB的3次谐波以及-4dB的5次谐波等。

4结语

本文提出的单相交流电压动态调节器采用双半桥变换器，同时实现了串联电压补偿和直流储能调节。其公共直流侧应用的大容量超级电容组不仅提高了直流电压的暂态稳定性，还确保了补偿系统电压严重跌落所需能量。此外，根据不同能量平衡方式导出的多模式工作方式有效降低了储能调节变换器的启动次数和工作时间，且实现了控制策略的简化和主电路的高效运行。本文推导了电压动态补偿技术的控制函数，并分析了超级电容储能控制规则。

5kVA样机的实验结果表明所提出的交流电压动态调节器在系统电压恢复和谐波抑制方面具有优越性能，验证了该方案的可行性及其在高质量交流电源应用领域的良好前景。

参 考 文 献

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