專利名稱：電壓源型單位功率因數(shù)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用超導(dǎo)電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種基于DSP、具有單位功率因數(shù)的電壓型高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的控制方法，特別涉及一種電壓源型單位功率因數(shù)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的控制方法
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、低溫制冷技術(shù)以及高溫超導(dǎo)材料的快速發(fā)展，高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能(HT-SMES)裝置逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，用于改善電網(wǎng)供電質(zhì)量、抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于釔系(YBa2Cu3O7JBa2Cu4O8)等第II代高溫超導(dǎo)材料的研究取得了突破性進(jìn)展，基于YBCO涂層導(dǎo)體的第II代高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)受到廣泛重視。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有蓄能量大、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)迅速、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、控制方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠被獨(dú)立控制與電力系統(tǒng)之間進(jìn)行有功和無(wú)功功率交換，使得系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大。大型的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的無(wú)功功率和有功功率流， 還可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，改善電能的質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體實(shí)際上是一個(gè)儲(chǔ)存大量電磁能的無(wú)阻大電感。在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)磁體在通過(guò)直流電流時(shí)沒(méi)有焦耳熱損耗，能夠在超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的續(xù)流回路中維持電流。當(dāng)給超導(dǎo)磁體充電時(shí)，磁體中的電流快速上升，交流側(cè)輸入功率快速增加，磁體儲(chǔ)存能量也迅速增加；當(dāng)超導(dǎo)磁體續(xù)能時(shí)，磁體中的電流維持不變，交流側(cè)輸入功率快速減少至零，磁體儲(chǔ)存能量也保持不變；當(dāng)超導(dǎo)磁體放電時(shí)，磁體中的電流快速衰減，所儲(chǔ)存能量也迅速減少到零，這些運(yùn)行特征給SMES變流器控制技術(shù)提出了很高的要求。此外，在超導(dǎo)磁體充電、續(xù)能、放電時(shí)，一般要求直流母線電壓輸出穩(wěn)定、網(wǎng)側(cè)功率變化迅速、磁體儲(chǔ)能快速反應(yīng)、具有較高開(kāi)關(guān)頻率等，這些都給超導(dǎo)磁儲(chǔ)能變流器控制方法的研究帶來(lái)了困難。傳統(tǒng)超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的控制系統(tǒng)，多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ媚M芯片實(shí)現(xiàn)，控制電路存在電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy、抗干擾能力差和存在溫度漂移等缺點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F2812采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有高集成度，不僅提供了快速AD轉(zhuǎn)換器，高效的EV事件管理，高波特率SCI通信等外設(shè)模塊處理，同時(shí)降低了控制板空間及系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了高效快速、經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外所具有的高速運(yùn)算和處理能力，使很多復(fù)雜的控制算法得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)得到很好的應(yīng)用。在器件方面，隨著半導(dǎo)體電力電子功率器件的發(fā)展，GTO和IGBT等全控型器件的廣泛應(yīng)用，可令電壓型SMES變流器工作在四象限。電壓型SMES變流器采用電壓源型變換器(VSC)和“H”型雙向DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用數(shù)字防飽和PID控制及SVPWM同步PI電流控制方法，利用電壓和電流的雙環(huán)反饋控制策略，可以控制直流母線電容電壓穩(wěn)定和超導(dǎo)磁體充電、放電速率，減少交流側(cè)低次諧波、提高電壓利用率，有利于磁體的穩(wěn)定運(yùn)行
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種基于DSP、具有單位功率因數(shù)的電壓型高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的控制方法，特別涉及一種高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的同步電流電壓解耦控制方法。電壓源型高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器的功率電路由全控型智能功率模塊構(gòu)成的四象限功率變換電路、直流母線電容和“H”型雙向DC-DC斬波電路組成。本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種適用于上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于DSP的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的控制方法。和傳統(tǒng)SMES 變流器控制方式相比，本發(fā)明的控制方法具有單位功率因數(shù)、多級(jí)電流解耦控制、能量雙向傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，控制算法易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量及抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩等應(yīng)用場(chǎng)合。目前，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能變流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩類一類是電流源型，其變流系統(tǒng)是由電流源型變流器(CSC)組成；另一類是電壓源型，其變流系統(tǒng)是由電壓型變換器(VSC)連接斬波器(Chopper)組成。電壓源型SMES變流器的數(shù)字化控制技術(shù)更加成熟，而且應(yīng)用也較廣泛。它采用斬波器配和變流器共同控制功率交換，隔離了電網(wǎng)對(duì)磁體的直接影響，能夠?qū)⒊瑢?dǎo)磁體的能量快速轉(zhuǎn)換為電壓型變流器所能承受的穩(wěn)定電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)磁體快速、 穩(wěn)定地充電和放電，有利于磁體穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。電壓型SMES變流器的功率控制系統(tǒng)由兩部分組成直流側(cè)電壓外環(huán)控制和交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制模塊。直流側(cè)電壓外環(huán)控制模塊采用數(shù)字防飽和比例積分(PI)方法提供內(nèi)環(huán)控制所需要的有功功率和無(wú)功功率參考值；交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制模塊采用空間矢量脈沖(SVPWM)調(diào)制的同步PI電流控制方法?！癏”型雙向DC-DC斬波器的控制采用正弦波脈沖 (SPffM)調(diào)制的電流/電壓PI控制方法。SMES變流器及其斬波器共同協(xié)調(diào)控制有功電流id 和無(wú)功電流、的變化，從而控制直流母線電容電壓和超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)交換的有功功率和無(wú)功功率，以抑制電網(wǎng)低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用全數(shù)字化高速處理器。控制運(yùn)算核心應(yīng)用了 TI公司專為基于控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到150MHz，芯片內(nèi)部包含flash存儲(chǔ)器，快速AD轉(zhuǎn)換器，高效的EV事件管理，高波特率SCI通信等外設(shè)模塊，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)PWM及PI調(diào)節(jié)控制等復(fù)雜控制算法，實(shí)時(shí)檢測(cè)及定時(shí)中斷采樣等功能，適合高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能變流器控制方法的軟件實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的控制方法可以實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間進(jìn)行單位功率因數(shù)的功率雙向傳輸。在充電模式下，SMES變流器以單位功率因數(shù)進(jìn)行整流，超導(dǎo)磁體從電網(wǎng)中吸收有功功率；在放電模式下，SMES變流器以單位功率因數(shù)進(jìn)行逆變，超導(dǎo)磁體對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行純有功功率補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)系統(tǒng)與超導(dǎo)磁體間的功率雙向傳輸。這種控制方法具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)本發(fā)明的一種電壓源型單位功率因數(shù)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的整體控制方法， 其根據(jù)電網(wǎng)有功功率需求及超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能情況，結(jié)合電壓、電流閉環(huán)協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)下電網(wǎng)與超導(dǎo)磁體的功率雙向傳輸控制，具體包括以下計(jì)算步驟(1)建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓源型SMES變流器數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制參數(shù)解耦；針對(duì)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)等效電路原理，建立四象限三相全控電壓型變流器VSC和“H”型雙向DC-DC斬波器數(shù)學(xué)模型；a)建立電壓型變流器數(shù)學(xué)模型
定義= a, b，c)為功率器件的開(kāi)關(guān)函數(shù)，對(duì)變流器VSC，根據(jù)基爾霍夫電壓、 電流定律及開(kāi)關(guān)函數(shù)得到其時(shí)域下的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)電網(wǎng)基波頻率下同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)變換，獲得變流器VSC在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的函數(shù)模型如下
權(quán)利要求
1. 一種電壓源型單位功率因數(shù)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的整體控制方法，其根據(jù)電網(wǎng)有功功率需求及超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能情況，結(jié)合電壓、電流閉環(huán)協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)下電網(wǎng)與超導(dǎo)磁體的功率雙向傳輸控制，其特征在于包括以下計(jì)算步驟(1)建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓源型SMES變流器數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制參數(shù)解耦；針對(duì)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)等效電路原理，建立四象限三相全控電壓型變流器VSC和“H”型雙向DC-DC斬波器數(shù)學(xué)模型；a)建立電壓型變流器數(shù)學(xué)模型定義Sk (k = a, b，c)為功率器件的開(kāi)關(guān)函數(shù)，對(duì)變流器VSC，根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律及開(kāi)關(guān)函數(shù)得到其時(shí)域下的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)電網(wǎng)基波頻率下同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)變換， 獲得變流器VSC在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的函數(shù)模型如下
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間進(jìn)行單位功率因數(shù)的雙向能量傳輸；在充電模式下，SMES變流器以單位功率因數(shù)進(jìn)行整流，超導(dǎo)磁體從電網(wǎng)中吸收有功功率；在放電模式下，SMES變流器以單位功率因數(shù)進(jìn)行逆變，超導(dǎo)磁體對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行純有功功率補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)系統(tǒng)與超導(dǎo)磁體間的有功功率雙向傳輸。
全文摘要
本發(fā)明屬于應(yīng)用超導(dǎo)電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種電壓型單位功率因數(shù)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的同步電流電壓解耦控制方法。其針對(duì)dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計(jì)了直流側(cè)電壓外環(huán)控制和交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)控制模塊?！癏”型雙向DC-DC斬波器的控制基于正弦波脈沖(SPWM)調(diào)制技術(shù)，采用充電模式下滯環(huán)PI電流閉環(huán)控制和放電模式下滯環(huán)PI電壓閉環(huán)控制法。最后根據(jù)電網(wǎng)單位功率因數(shù)下有功電流需求及超導(dǎo)磁體電流值實(shí)現(xiàn)電壓源型SMES變流器的同步電流電壓雙饋控制方法。本發(fā)明控制方法具有多級(jí)電流解耦控制、響應(yīng)速度快，控制算法易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量及抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩等應(yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02J3/24GK102377362SQ20111029963
公開(kāi)日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者丘明, 楊斌, 諸嘉慧 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院