基于超级电容储能电子电力变压器

1、1.电力电子变压器2.超级电容器3.直流变换器基本介绍：n关于关于n电子电力变压器（电子电力变压器（PET,又称又称EPT）是一种是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现将一种电力的电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能特征的电能转变为另一种电力特征的电能的的新型智能变压器，又称为固态变压器或新型智能变压器，又称为固态变压器或电力电子变压器。电力电子变压器。n优点优点 ：n1）体积小，重量轻，无环境污染；）体积小，重量轻，无环境污染；n2）运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负）运行时可保持副方输

2、出电压幅值恒定，不随负载变化；载变化；n3）始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且）始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调；原、副方功率因数任意可调；n4）具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的）具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控：幅值和相位均可控：n5）兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以）兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时瞬时(微秒级微秒级)关断故障大电流关断故障大电流 电力电子变压器优点和缺点：电力电子变压器优点和缺点： n为了使电子电力变压器具备跨越瞬时电压中为了使电子电力变压器具备跨越瞬时电压中断的能力，提高供电可靠性

3、，对应用于电子断的能力，提高供电可靠性，对应用于电子电力变压器的储能系统进行了研究。电力变压器的储能系统进行了研究。n储能系统由一个超级电容储能单元和一个双储能系统由一个超级电容储能单元和一个双向直流变换器组成，储能单元通过直流变换向直流变换器组成，储能单元通过直流变换器和电子电力变压器相连。器和电子电力变压器相连。n超级电容器超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能，容、法拉电容，通过极化电解质来储能，它是一种电化学元件。它是一种电化学元件。作为一种新型储能作为一种新型储能元件日益受到重视。元件日益受到重视。n超级电容器具有容量配置灵活

4、、易于实现超级电容器具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护等优点。范围宽、环境友好、免维护等优点。工作原理工作原理 n超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储电荷，负极板存储负电荷负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平电场作

5、用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此荷分布层叫做双电层，因此电容量电容量非常大。当两极板间电势低于非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两以下），

6、如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被，正、负极板上的电荷被外外电路电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 n超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷

7、的面积超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。 n传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。等，这些材料通常要求尽可能的薄。 n超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允

8、超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（尺寸决定的。该距离（10 Å）和传统电容器薄膜材料所能）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。实现的距离更小。 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也离使得超级电容器较传统电容器而言有

9、惊人大的静电容量，这也是其是其“超级超级”所在。所在。 n直流变换器的主要目的是在电网发生电压中断时维持直流变换器的主要目的是在电网发生电压中断时维持DEPT 输出级直流侧电压恒定。为了提高直流变换器的控输出级直流侧电压恒定。为了提高直流变换器的控制性能，其控制系统采用线性二次型的最优控制策略。制性能，其控制系统采用线性二次型的最优控制策略。nPET的基本设计思路源于具有高频连接的的基本设计思路源于具有高频连接的ACAC变换电路，通过电力电子变换技术将变变换电路，通过电力电子变换技术将变压器一次侧的工频交流输入信号变换为高频信压器一次侧的工频交流输入信号变换为高频信号，经高频变压器耦合到二次侧

10、后，再经电力号，经高频变压器耦合到二次侧后，再经电力电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器电子变换还原成工频交流输出。因高频变压器起隔离和变压作用，而铁心式变压器的体积与起隔离和变压作用，而铁心式变压器的体积与频率成反比，所以高频变压器的体积远小于工频率成反比，所以高频变压器的体积远小于工频变压器，且整体效率高。频变压器，且整体效率高。PET基本原理基本原理n对对PET进行研究的一个重点内容是通过其解决电能质坍问题，即进行研究的一个重点内容是通过其解决电能质坍问题，即电力电子变胍器既具备传统电力变压器的功能，又具有抑制特波电力电子变胍器既具备传统电力变压器的功能，又具有抑制特波双向流动、防止

11、负载侧出现故障扰动影响电源电压；消除电压跌双向流动、防止负载侧出现故障扰动影响电源电压；消除电压跌落、升高，以及过电压、欠电压等电源侧电压的干扰对负荷的影落、升高，以及过电压、欠电压等电源侧电压的干扰对负荷的影响；响；X,-J自身和系统进行保护，并给出报警信号和故障类型信等自身和系统进行保护，并给出报警信号和故障类型信等息。息。nPET一、二次侧的电压源变换器根据系统需求快速调节交流侧的一、二次侧的电压源变换器根据系统需求快速调节交流侧的电压幅值和相位，实时控制暂态过程中电压幅值和相位，实时控制暂态过程中PET一、二次侧的电压、一、二次侧的电压、电流和功牢；同时，有效的发电机励磁控制在暂态时也

12、可提高系电流和功牢；同时，有效的发电机励磁控制在暂态时也可提高系统阻尼，改善系统的电压特性。统阻尼，改善系统的电压特性。n当发生一回线断路故障时，用当发生一回线断路故障时，用PET代替常规铁芯变乐器接入系统代替常规铁芯变乐器接入系统中，发电机输出有功和转速的振荡幅值、时间和次数等特性都有中，发电机输出有功和转速的振荡幅值、时间和次数等特性都有明显的改善。明显的改善。n当系统中出现短路故障时，通过文中所述的控制策略来控制电力当系统中出现短路故障时，通过文中所述的控制策略来控制电力电子变压器，能够使系统获得对扰动的良好的阻尼特性有效地电子变压器，能够使系统获得对扰动的良好的阻尼特性有效地抑制了扰动

13、时发电机输出的功率以及转速的振荡。抑制了扰动时发电机输出的功率以及转速的振荡。 n第一：第一：EPT作为一种高度可控的新型输电设备，其原副方电压的作为一种高度可控的新型输电设备，其原副方电压的幅值和相位均可控，且可关断故障大电流，这一特点应用到电力幅值和相位均可控，且可关断故障大电流，这一特点应用到电力系统后，将有望大幅度提高系统的稳定性。系统后，将有望大幅度提高系统的稳定性。n第二：第二：EPT交直流环节兼有，所以可灵活地将各种分布式电源接交直流环节兼有，所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统。入电力系统。n第三：第三：EPT具有高度的可控性，广泛应用后，将能够在保证系统具有高度的可控性，

14、广泛应用后，将能够在保证系统稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活控制。稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活控制。n第四：与第四：与EPT相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生故障时，发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列，提高故障时，发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列，提高系统的安全稳定性和供电可靠性。系统的安全稳定性和供电可靠性。n第五：当前电网中如谐波、电压跌落，闪变等电能质量问题日趋第五：当前电网中如谐波、电压跌落，闪变等电能质量问题日趋严重，将严重，将EPT用于配电系统后，将能够起到电能质量调节器的作用于配电系统后，将能够起到电

15、能质量调节器的作用。用。n超级电容单元通过一个双向超级电容单元通过一个双向DC/DC变换器与变换器与PET 直直流侧相连。流侧相连。n直流变换器直流变换器（双向双向DC/DC变换器变换器）的使用一方面可的使用一方面可以控制给超级电容充电时的充电电流；另一个方面，以控制给超级电容充电时的充电电流；另一个方面，当超级电容放电时，直流变换器可以维持当超级电容放电时，直流变换器可以维持PET 输出输出级直流侧电压恒定。级直流侧电压恒定。 这种储能单元连接结构与把超级电容直接和这种储能单元连接结构与把超级电容直接和PET直流侧相连的结构比较，虽然多了一个直流侧相连的结构比较，虽然多了一个直流变换器，但是

16、它的优势更明显。直流变换器，但是它的优势更明显。n首先，它具备灵活的可控性；首先，它具备灵活的可控性；n其次，因为直流变换器具备升压功能，所以其次，因为直流变换器具备升压功能，所以储能单元不必使用高电压等级的超级电容；储能单元不必使用高电压等级的超级电容；n最后，超级电容单元和直流变换器之间连接最后，超级电容单元和直流变换器之间连接的电感的电感L 可以起到抑制启动电流和充电电流可以起到抑制启动电流和充电电流的效果。的效果。 将超级电容器应用于需求大功率和低能量的场合，必将超级电容器应用于需求大功率和低能量的场合，必将进一步拓展超级电容器在储能领域的应用。将超级将进一步拓展超级电容器在储能领域的

17、应用。将超级电容器应用于电容器应用于PET 正是基于这一想法。正是基于这一想法。n首先，电力系统的大多数故障的时间都非常短，一般首先，电力系统的大多数故障的时间都非常短，一般小于小于1s，因此，在极短的时间内，负载需求的总能量，因此，在极短的时间内，负载需求的总能量并不是很大，尽管负载的功率比较大。而超级电容器并不是很大，尽管负载的功率比较大。而超级电容器的高功率密度特性刚好符合这一特点。的高功率密度特性刚好符合这一特点。n其次，超级电容器的快速充放电能力使得即使在电网其次，超级电容器的快速充放电能力使得即使在电网电压瞬时中断发生比较频繁时也能保证负载的供电不电压瞬时中断发生比较频繁时也能保证

18、负载的供电不受影响。受影响。n最后，高达最后，高达105 次以上的循环使用寿命几乎可以保证超次以上的循环使用寿命几乎可以保证超级电容在十年甚至更长的时间内都不用更换。因此，级电容在十年甚至更长的时间内都不用更换。因此，将超级电容应用于将超级电容应用于PET 中以进一步改善配电系统的电中以进一步改善配电系统的电能质量和提高供电可靠性是完全可行的。能质量和提高供电可靠性是完全可行的。nPET具有良好的发展前景。可以使用在对能量转换装置的体积、具有良好的发展前景。可以使用在对能量转换装置的体积、重量有特殊要求的场合，如航海、航空、航天等领域；也可以为重量有特殊要求的场合，如航海、航空、航天等领域；也可以为电能质量敏感负荷供电，如造纸厂、生产精密机械的汽车零件制电能质量敏感负荷供电，如造纸厂、生产精密机械的汽车零件制造、半导体制造业、金融、军事、医疗领域等，可以有效的改善造、半导体制造业、金融、军事、医疗领域等，可以有效的改善电能质量问题。电能质量问题。n若想取得更好的社会经济效益，需要对以下两方面深入研究：若想取得更好的社会经济效益，需要对以下两方面深入研究：n(1)对电力电子变压器的各种电路拓