基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的電子電力變壓器

1、1.電力電子變壓器2.超級(jí)電容器3.直流變換器基本介紹：n關(guān)于關(guān)于n電子電力變壓器（電子電力變壓器（PET,又稱又稱EPT）是一種是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將一種電力的電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的的新型智能變壓器，又稱為固態(tài)變壓器或新型智能變壓器，又稱為固態(tài)變壓器或電力電子變壓器。電力電子變壓器。n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) ：n1）體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染；）體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染；n2）運(yùn)行時(shí)可保持副方輸出電壓幅值恒定，不隨負(fù)）運(yùn)行時(shí)可保持副方輸

2、出電壓幅值恒定，不隨負(fù)載變化；載變化；n3）始終保證原、副方電壓電流為正弦波形，并且）始終保證原、副方電壓電流為正弦波形，并且原、副方功率因數(shù)任意可調(diào)；原、副方功率因數(shù)任意可調(diào)；n4）具有高度可控性，變壓器原副方電壓、電流的）具有高度可控性，變壓器原副方電壓、電流的幅值和相位均可控：幅值和相位均可控：n5）兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可以）兼有斷路器的功能，大功率電力電子器件可以瞬時(shí)瞬時(shí)(微秒級(jí)微秒級(jí))關(guān)斷故障大電流關(guān)斷故障大電流 電力電子變壓器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：電力電子變壓器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： n為了使電子電力變壓器具備跨越瞬時(shí)電壓中為了使電子電力變壓器具備跨越瞬時(shí)電壓中斷的能力，提高供電可靠性

3、，對(duì)應(yīng)用于電子斷的能力，提高供電可靠性，對(duì)應(yīng)用于電子電力變壓器的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究。電力變壓器的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究。n儲(chǔ)能系統(tǒng)由一個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元和一個(gè)雙儲(chǔ)能系統(tǒng)由一個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元和一個(gè)雙向直流變換器組成，儲(chǔ)能單元通過(guò)直流變換向直流變換器組成，儲(chǔ)能單元通過(guò)直流變換器和電子電力變壓器相連。器和電子電力變壓器相連。n超級(jí)電容器超級(jí)電容器，又叫雙電層電容器、黃金電，又叫雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能，容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能，它是一種電化學(xué)元件。它是一種電化學(xué)元件。作為一種新型儲(chǔ)能作為一種新型儲(chǔ)能元件日益受到重視。元件日益受到重視。n超級(jí)電容器具有容量配置靈活

4、、易于實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器具有容量配置靈活、易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、工作溫度模塊化設(shè)計(jì)、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。范圍寬、環(huán)境友好、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。工作原理工作原理 n超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平電場(chǎng)作

5、用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此荷分布層叫做雙電層，因此電容量電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩以下），

6、如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被，正、負(fù)極板上的電荷被外外電路電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒有化學(xué)反應(yīng)。級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。 n超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷

7、的面積超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。 n傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。等，這些材料通常要求盡可能的薄。 n超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允

8、超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到許其面積達(dá)到2000m2/g，通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超，通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子級(jí)電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（尺寸決定的。該距離（10 Å）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。實(shí)現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有

9、驚人大的靜電容量，這也是其是其“超級(jí)超級(jí)”所在。所在。 n直流變換器的主要目的是在電網(wǎng)發(fā)生電壓中斷時(shí)維持直流變換器的主要目的是在電網(wǎng)發(fā)生電壓中斷時(shí)維持DEPT 輸出級(jí)直流側(cè)電壓恒定。為了提高直流變換器的控輸出級(jí)直流側(cè)電壓恒定。為了提高直流變換器的控制性能，其控制系統(tǒng)采用線性二次型的最優(yōu)控制策略。制性能，其控制系統(tǒng)采用線性二次型的最優(yōu)控制策略。nPET的基本設(shè)計(jì)思路源于具有高頻連接的的基本設(shè)計(jì)思路源于具有高頻連接的ACAC變換電路，通過(guò)電力電子變換技術(shù)將變變換電路，通過(guò)電力電子變換技術(shù)將變壓器一次側(cè)的工頻交流輸入信號(hào)變換為高頻信壓器一次側(cè)的工頻交流輸入信號(hào)變換為高頻信號(hào)，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)

10、后，再經(jīng)電力號(hào)，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，再經(jīng)電力電子變換還原成工頻交流輸出。因高頻變壓器電子變換還原成工頻交流輸出。因高頻變壓器起隔離和變壓作用，而鐵心式變壓器的體積與起隔離和變壓作用，而鐵心式變壓器的體積與頻率成反比，所以高頻變壓器的體積遠(yuǎn)小于工頻率成反比，所以高頻變壓器的體積遠(yuǎn)小于工頻變壓器，且整體效率高。頻變壓器，且整體效率高。PET基本原理基本原理n對(duì)對(duì)PET進(jìn)行研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是通過(guò)其解決電能質(zhì)坍問(wèn)題，即進(jìn)行研究的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是通過(guò)其解決電能質(zhì)坍問(wèn)題，即電力電子變胍器既具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能，又具有抑制特波電力電子變胍器既具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能，又具有抑制特波雙向流動(dòng)、防止

11、負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障擾動(dòng)影響電源電壓；消除電壓跌雙向流動(dòng)、防止負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障擾動(dòng)影響電源電壓；消除電壓跌落、升高，以及過(guò)電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對(duì)負(fù)荷的影落、升高，以及過(guò)電壓、欠電壓等電源側(cè)電壓的干擾對(duì)負(fù)荷的影響；響；X,-J自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，并給出報(bào)警信號(hào)和故障類型信等自身和系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，并給出報(bào)警信號(hào)和故障類型信等息。息。nPET一、二次側(cè)的電壓源變換器根據(jù)系統(tǒng)需求快速調(diào)節(jié)交流側(cè)的一、二次側(cè)的電壓源變換器根據(jù)系統(tǒng)需求快速調(diào)節(jié)交流側(cè)的電壓幅值和相位，實(shí)時(shí)控制暫態(tài)過(guò)程中電壓幅值和相位，實(shí)時(shí)控制暫態(tài)過(guò)程中PET一、二次側(cè)的電壓、一、二次側(cè)的電壓、電流和功牢；同時(shí)，有效的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制在暫態(tài)時(shí)也

12、可提高系電流和功牢；同時(shí)，有效的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制在暫態(tài)時(shí)也可提高系統(tǒng)阻尼，改善系統(tǒng)的電壓特性。統(tǒng)阻尼，改善系統(tǒng)的電壓特性。n當(dāng)發(fā)生一回線斷路故障時(shí)，用當(dāng)發(fā)生一回線斷路故障時(shí)，用PET代替常規(guī)鐵芯變樂器接入系統(tǒng)代替常規(guī)鐵芯變樂器接入系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)輸出有功和轉(zhuǎn)速的振蕩幅值、時(shí)間和次數(shù)等特性都有中，發(fā)電機(jī)輸出有功和轉(zhuǎn)速的振蕩幅值、時(shí)間和次數(shù)等特性都有明顯的改善。明顯的改善。n當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，通過(guò)文中所述的控制策略來(lái)控制電力當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，通過(guò)文中所述的控制策略來(lái)控制電力電子變壓器，能夠使系統(tǒng)獲得對(duì)擾動(dòng)的良好的阻尼特性有效地電子變壓器，能夠使系統(tǒng)獲得對(duì)擾動(dòng)的良好的阻尼特性有效地抑制了擾動(dòng)

13、時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率以及轉(zhuǎn)速的振蕩。抑制了擾動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率以及轉(zhuǎn)速的振蕩。 n第一：第一：EPT作為一種高度可控的新型輸電設(shè)備，其原副方電壓的作為一種高度可控的新型輸電設(shè)備，其原副方電壓的幅值和相位均可控，且可關(guān)斷故障大電流，這一特點(diǎn)應(yīng)用到電力幅值和相位均可控，且可關(guān)斷故障大電流，這一特點(diǎn)應(yīng)用到電力系統(tǒng)后，將有望大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)后，將有望大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。n第二：第二：EPT交直流環(huán)節(jié)兼有，所以可靈活地將各種分布式電源接交直流環(huán)節(jié)兼有，所以可靈活地將各種分布式電源接入電力系統(tǒng)。入電力系統(tǒng)。n第三：第三：EPT具有高度的可控性，廣泛應(yīng)用后，將能夠在保證系統(tǒng)具有高度的可控性，

14、廣泛應(yīng)用后，將能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流的實(shí)時(shí)靈活控制。穩(wěn)定性的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流的實(shí)時(shí)靈活控制。n第四：與第四：與EPT相聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)異步化運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)異步化運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)異步化運(yùn)行而不會(huì)與系統(tǒng)解列，提高故障時(shí)，發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)異步化運(yùn)行而不會(huì)與系統(tǒng)解列，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。n第五：當(dāng)前電網(wǎng)中如諧波、電壓跌落，閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題日趨第五：當(dāng)前電網(wǎng)中如諧波、電壓跌落，閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題日趨嚴(yán)重，將嚴(yán)重，將EPT用于配電系統(tǒng)后，將能夠起到電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的作用于配電系統(tǒng)后，將能夠起到電

15、能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的作用。用。n超級(jí)電容單元通過(guò)一個(gè)雙向超級(jí)電容單元通過(guò)一個(gè)雙向DC/DC變換器與變換器與PET 直直流側(cè)相連。流側(cè)相連。n直流變換器直流變換器（雙向雙向DC/DC變換器變換器）的使用一方面可的使用一方面可以控制給超級(jí)電容充電時(shí)的充電電流；另一個(gè)方面，以控制給超級(jí)電容充電時(shí)的充電電流；另一個(gè)方面，當(dāng)超級(jí)電容放電時(shí)，直流變換器可以維持當(dāng)超級(jí)電容放電時(shí)，直流變換器可以維持PET 輸出輸出級(jí)直流側(cè)電壓恒定。級(jí)直流側(cè)電壓恒定。 這種儲(chǔ)能單元連接結(jié)構(gòu)與把超級(jí)電容直接和這種儲(chǔ)能單元連接結(jié)構(gòu)與把超級(jí)電容直接和PET直流側(cè)相連的結(jié)構(gòu)比較，雖然多了一個(gè)直流側(cè)相連的結(jié)構(gòu)比較，雖然多了一個(gè)直流變換器，但是

16、它的優(yōu)勢(shì)更明顯。直流變換器，但是它的優(yōu)勢(shì)更明顯。n首先，它具備靈活的可控性；首先，它具備靈活的可控性；n其次，因?yàn)橹绷髯儞Q器具備升壓功能，所以其次，因?yàn)橹绷髯儞Q器具備升壓功能，所以儲(chǔ)能單元不必使用高電壓等級(jí)的超級(jí)電容；儲(chǔ)能單元不必使用高電壓等級(jí)的超級(jí)電容；n最后，超級(jí)電容單元和直流變換器之間連接最后，超級(jí)電容單元和直流變換器之間連接的電感的電感L 可以起到抑制啟動(dòng)電流和充電電流可以起到抑制啟動(dòng)電流和充電電流的效果。的效果。 將超級(jí)電容器應(yīng)用于需求大功率和低能量的場(chǎng)合，必將超級(jí)電容器應(yīng)用于需求大功率和低能量的場(chǎng)合，必將進(jìn)一步拓展超級(jí)電容器在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。將超級(jí)將進(jìn)一步拓展超級(jí)電容器在儲(chǔ)能領(lǐng)域的

17、應(yīng)用。將超級(jí)電容器應(yīng)用于電容器應(yīng)用于PET 正是基于這一想法。正是基于這一想法。n首先，電力系統(tǒng)的大多數(shù)故障的時(shí)間都非常短，一般首先，電力系統(tǒng)的大多數(shù)故障的時(shí)間都非常短，一般小于小于1s，因此，在極短的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載需求的總能量，因此，在極短的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載需求的總能量并不是很大，盡管負(fù)載的功率比較大。而超級(jí)電容器并不是很大，盡管負(fù)載的功率比較大。而超級(jí)電容器的高功率密度特性剛好符合這一特點(diǎn)。的高功率密度特性剛好符合這一特點(diǎn)。n其次，超級(jí)電容器的快速充放電能力使得即使在電網(wǎng)其次，超級(jí)電容器的快速充放電能力使得即使在電網(wǎng)電壓瞬時(shí)中斷發(fā)生比較頻繁時(shí)也能保證負(fù)載的供電不電壓瞬時(shí)中斷發(fā)生比較頻繁時(shí)也能保證

18、負(fù)載的供電不受影響。受影響。n最后，高達(dá)最后，高達(dá)105 次以上的循環(huán)使用壽命幾乎可以保證次以上的循環(huán)使用壽命幾乎可以保證超級(jí)電容在十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不用更換。因此，超級(jí)電容在十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不用更換。因此，將超級(jí)電容應(yīng)用于將超級(jí)電容應(yīng)用于PET 中以進(jìn)一步改善配電系統(tǒng)的電中以進(jìn)一步改善配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和提高供電可靠性是完全可行的。能質(zhì)量和提高供電可靠性是完全可行的。nPET具有良好的發(fā)展前景?？梢允褂迷趯?duì)能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、具有良好的發(fā)展前景。可以使用在對(duì)能量轉(zhuǎn)換裝置的體積、重量有特殊要求的場(chǎng)合，如航海、航空、航天等領(lǐng)域；也可以為重量有特殊要求的場(chǎng)合，如航海、航空、航天等領(lǐng)域；也可以為電能質(zhì)量敏感負(fù)荷供電，如造紙廠、生產(chǎn)精密機(jī)械的汽車零件制電能質(zhì)量敏感負(fù)荷供電，如造紙廠、生產(chǎn)精密機(jī)械的汽車零件制造、半導(dǎo)體制造業(yè)、金融、軍事、醫(yī)療領(lǐng)域等，可以有效的改善造、半導(dǎo)體制造業(yè)、金融、軍事、醫(yī)療領(lǐng)域等，可以有效的改善電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量問(wèn)題。n若想取得更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)以下兩方面深入研究：若想取得更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)以下兩方面深入研究：n(1)對(duì)電力電子變壓器的各種電路拓