文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言电力电子技术的迅速发展使消磁电源的应用日益广泛。在交流电网中，消磁电源作为一种无功功率补偿设备，为电力系统提供有功功率和无功功率，其主要作用是对电网的频率和电压进行稳定控制，保障电力系统的安全运行。
在电网中，当电网正常运行时，消磁电源主要起到平滑电压波动、改善功率因数和提高电能质量的作用。但是在电网故障时，消磁电源主要起到削峰填谷的作用。
这会使电网中的有功功率和无功功率产生剧烈波动，造成电压、电流的不稳定。同时，电网正常运行时消磁电源作为一种无功补偿设备，主要吸收电网中的有功功率。
而在故障时消磁电源会把吸收的有功功率反馈到电网中去。这就造成了消磁电源产生较大的能量回馈现象，增加了整个消磁系统的损耗和噪声。
随着超级电容和锂电池储能技术在电力系统中的广泛应用，将其与消磁电源相结合得到了一种新型能量回馈系统，可以很好地解决上述问题。
超级电容具有储能密度高、充放电速度快、循环使用寿命长、可靠性高等特点；而锂电池具有能量密度高、循环使用寿命长等特点。将两者结合可以很好地解决上述问题。
超级电容和锂电池都有自己独特的优点：超级电容作为一种储能器件可以在电网故障时吸收大量有效功率并把它回馈到电网中去；
锂电池作为一种新型储能器件可以在电网故障时把吸收的有效功率回馈到电网中去。将两者结合起来就可以很好地解决消磁电源产生较大能量回馈现象以及其所带来的问题。
多线圈强耦合工况电气特性分析由于采用了超级电容作为储能元件，考虑到多个消磁线圈之间的耦合关系，建立了多个消磁线圈之间的数学模型，在此基础上对消磁系统进行了数学建模和仿真分析。其数学模型如下。
为系统等效模型参数；为系统等效电路；为消磁线圈之间的耦合系数；为超级电容的充电电压；为超级电容的放电电流。
由消磁线圈的耦合关系，可以将系统等效成两个完全对称且相互独立的二端口网络，分别称为能量源和能量汇流母线。能量源和能量汇流母线之间的电气特性可表示为：
消磁线圈和储能元件之间的电气参数，包括电压、电流、电容电压、电容电流等；为储能元件与超级电容之间的电气参数，包括电压、电流等；为超级电容与充电变压器之间的电气参数，包括电压、电流等。
从能量汇流母线到储能元件需要经过三个开关器件：整流器、逆变器和断路器。考虑到开关器件功率因数低，开关损耗大等问题，在设计电路时。
通常采用无源元件作为能量汇流母线上的开关器件。在系统中，能量源和能量汇流母线之间通过电力电子开关器件进行连接，其电气特性如下：
考虑到超级电容与储能元件之间存在能量传递关系，即超级电容在充放电过程中会释放电能，因此需要对系统进行能量回馈控制。
消磁电源电路拓扑分析在多线圈强耦合工况下，为满足多线圈的耦合条件，需要采用超级电容与锂电池组成的混合储能装置。其中，超级电容存储电能，锂电池为负载供电。能量回馈的原理是当负载电流与电网电压达到同步频率后，通过双向DC/DC变换器实现直流变换器与电网的能量交互。
前级DC-DC变换器的前级功率开关管工作在开关状态，在直流侧电压为零的条件下，为超级电容提供充放电所需的能量；
后级双向DC/AC变换器主要由双向Buck-Boost电路以及电容储能电路组成。前级拓扑结构中的双向Buck-Boost电路工作在开关状态，在直流侧电压为零的条件下，为超级电容提供充放电所需的能量；
后级双向Buck-Boost电路工作在开关状态，在直流侧电压为零的条件下，为电容提供充放电所需的能量；电容储能电路主要用于存储和释放能量。
由于超级电容具有比电池更高的放电容量和比电池更好的充放电性能，因此可以在电压变化较大时提供更大的功率输出；
由于锂电池具有比超级电容更好的充放电性能，因此可以在电压变化较小时提供更大的功率输出。根据超级电容和锂电池的工作特性，可以采用以下控制策略：
当电网电压低于同步频率时，在直流侧电压为零时为超级电容提供放电所需能量；当电网电压高于同步频率时，将电网电压直接回馈到直流侧。
消磁电源模式分析为了进一步分析消磁电源的工作模式，本文首先分析了超级电容储能与锂电池储能两种模式下的输出电压及能量管理策略。
可以看出，两种模式下的输出电压波形、能量回馈曲线以及能量回馈方式均相同，所不同的是超级电容储能与锂电池储能模式下，消磁电源在工作过程中，直流母线电压由AC直流母线电压变为DC直流母线电压，其输出功率大小为：
由于超级电容与锂电池储能模式的工作原理相同，所以我们在对超级电容与锂电池能量回馈控制策略进行分析时，也对其工作模式进行了分析。
所以在消磁过程中，消磁电源对直流母线电压进行调节的过程中，必须保证直流母线电压一直为DC直流母线电压。
其次，在超级电容与锂电池储能模式下，因为超级电容与锂电池储能模式均为DC直流母线电压进行调节的工作模式，所以消磁电源在工作过程中其能量回馈曲线是相同的。所以我们在对消磁电源进行分析时也对超级电容与锂电池储能模式的能量回馈曲线进行了分析。
最后，我们可以看出，在超级电容与锂电池储能模式下，输出功率最大值出现在最大负载电流处，且随负载电流的增大而减小；
同时由于超级电容与锂电池储能模式下消磁电源的输入电压为DC直流母线电压时其输出功率最大值出现在输出电流较小处。这说明在超级电容与锂电池储能模式下消磁电源的能量回馈能力要比直流母线电压调节能力更强。
多线圈强耦合工况分析当在多线圈强耦合工况下，其功率传输由原边功率控制，而能量回馈则由副边功率控制，在这种工况下，超级电容的容量将大幅增加。
假设原边电流为0A，副边电流为60A，此时充电电容的电压为V，充电电阻阻值为10Ω。通过计算，可得：
由此得出在强耦合工况下，充电电容的电压变化率和充电电阻的阻值均发生了明显变化，基于上述分析，可对超级电容的容量进行合理选取。
由于超级电容的存储容量不受负载大小的限制，因此可通过串联电阻或并联电容对其进行优化配置。而在原边电流不变时，副边电流的变化率很大程度上取决于原边电压和充电电阻。
此外，在多线圈强耦合工况下，当其充电电流过大时，容易导致充电电阻过大或输出电压过低。而超级电容作为一种“绿色”储能元件，在充电过程中起到了保护电路、维持电压稳定的作用。
综上所述：超级电容与原边串联电路是一个重要的参数匹配环节。在多线圈强耦合工况下，采用超级电容进行能量回馈能够提高能量回馈效率。
另外值得一提的是：根据前文分析可知：超级电容不需要大容量即可实现能量回馈；而其存储容量要求也较低；若考虑到系统运行成本问题，其容量也无需过大，基于以上分析可得：在多线圈强耦合工况下，将超级电容与原边串联电路进行匹配即可。
多线圈强耦合典型工况仿真研究从仿真结果中可以看出，在相同的输入电流和负载阻抗的情况下，系统的输出电压和功率都会随着负载阻抗的变化而变化，但是其最大输出功率并没有发生变化。
这是因为超级电容和锂电池都能将输入到电网的电流进行储能，使输入电流和功率维持在一定的范围内，保证系统能够正常工作。同时也验证了上述理论分析的正确性。
在本文中所采用的控制策略下，系统工作时首先根据输入电压和负载阻抗的变化情况确定系统输出功率，然后通过控制超级电容和锂电池使其始终处于一定范围内的最大输出功率。
当输入电压与负载阻抗相等时，系统会出现二次电流现象，此时系统处于能量回馈状态。此时超级电容和锂电池将会将输入到电网中的电流进行储能，在经过一段时间后超级电容和锂电池的电量达到一定值时系统会自动切换到充电状态。
当输入电压高于输出电压时，系统将会向电网提供足够大的功率以满足负载需求，此时超级电容和锂电池将会向电网放电；当输入电压低于输出电压时。
系统将会向电网提供小功率以保证电网不受损坏。在此过程中超级电容和锂电池始终处于储能状态，系统所需能量由超级电容和锂电池提供。
本文所采用的控制策略虽然不能使系统在各种工况下都能稳定工作，但是能够保证输入电流和功率不超过额定值，避免了由于输出电压过高或过低而造成的超调现象；同时也能够保证系统在负载变化时具有足够大的功率以满足负载需求。该控制策略具有很好的应用价值。
笔者观点本文提出了基于超级电容和锂电池的消磁电源能量回馈控制策略，通过在两个主回路中串联超级电容和锂电池，来实现消磁电源在负载变化时，使其能量回馈到电网中的目的。首先，对超级电容和锂电池的特性进行分析。
并基于两个主回路分别提出了能量回馈控制策略。在对超级电容的充放电特性进行分析时，考虑到超级电容在放电过程中会出现大电流和高阻抗的特点，设计了一种改进的限流控制策略。
在对锂电池充放电特性分析时，考虑到锂电池具有高功率密度的特点，提出了一种基于模糊控制的锂电池充放电策略。通过仿真验证了所提出的能量回馈控制策略的可行性和有效性。
本文所提出的能量回馈控制策略是一种比较新颖和独特的能量回馈方法，在实现能量回馈目的后，不需要改变原有主回路结构，节省了系统成本。本文在实际工程中应用了两个主回路串联超级电容和锂电池，
具有以下几方面优势：超级电容和锂电池两个主回路串联结构不会出现能量损耗、系统损耗小等优点；超级电容和锂电池两个主回路串联结构能够充分利用消磁电源输出电压和电流，提高系统效率；
超级电容和锂电池两个主回路串联结构不会出现充电电流过大或者充电时间过长的问题；本论文不足之处在于对超级电容和锂电池在充放电过程中的特性分析不够深入。
参考文献吴德会《感应电能传输中矩形螺线线圈互感耦合的解析建模与分析》电工技术学报，年
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