專利名稱:電壓源型單位功率因數(shù)高溫超導儲能變流器的控制方法
技術領域:
本發(fā)明屬于應用超導電力電子領域,具體涉及一種基于DSP、具有單位功率因數(shù)的電壓型高溫超導儲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)超導儲能系統(tǒng)變流器的控制方法
背景技術:
隨著現(xiàn)代電力電子技術、低溫制冷技術以及高溫超導材料的快速發(fā)展,高溫超導儲能(HT-SMES)裝置逐漸應用于現(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代高溫超導材料的研究取得了突破性進展,基于YBCO涂層導體的第II代高溫超導磁儲能系統(tǒng)受到廣泛重視。超導儲能系統(tǒng)具有蓄能量大、轉換效率高、響應迅速、對環(huán)境無污染、控制方便、使用靈活等優(yōu)點,能夠被獨立控制與電力系統(tǒng)之間進行有功和無功功率交換,使得系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)范圍擴大。大型的超導儲能系統(tǒng),不僅可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)關鍵節(jié)點處的無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)運行的穩(wěn)定性和可靠性。超導儲能磁體實際上是一個儲存大量電磁能的無阻大電感。在超導態(tài)時,超導磁體在通過直流電流時沒有焦耳熱損耗,能夠在超導儲能系統(tǒng)的續(xù)流回路中維持電流。當給超導磁體充電時,磁體中的電流快速上升,交流側輸入功率快速增加,磁體儲存能量也迅速增加;當超導磁體續(xù)能時,磁體中的電流維持不變,交流側輸入功率快速減少至零,磁體儲存能量也保持不變;當超導磁體放電時,磁體中的電流快速衰減,所儲存能量也迅速減少到零,這些運行特征給SMES變流器控制技術提出了很高的要求。此外,在超導磁體充電、續(xù)能、放電時,一般要求直流母線電壓輸出穩(wěn)定、網(wǎng)側功率變化迅速、磁體儲能快速反應、具有較高開關頻率等,這些都給超導磁儲能變流器控制方法的研究帶來了困難。傳統(tǒng)超導儲能變流器的控制系統(tǒng),多采用單片機或?qū)S媚M芯片實現(xiàn),控制電路存在電路復雜,調(diào)試困難、抗干擾能力差和存在溫度漂移等缺點。數(shù)字信號處理器 TMS320F2812采用哈佛結構,具有高集成度,不僅提供了快速AD轉換器,高效的EV事件管理,高波特率SCI通信等外設模塊處理,同時降低了控制板空間及系統(tǒng)成本,實現(xiàn)了高效快速、經(jīng)濟、系統(tǒng)的設計。此外所具有的高速運算和處理能力,使很多復雜的控制算法得以實現(xiàn),同時將實時處理能力和控制器的外設功能集于一身,在控制領域內(nèi)得到很好的應用。在器件方面,隨著半導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拓撲結構,應用數(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)定和超導磁體充電、放電速率,減少交流側低次諧波、提高電壓利用率,有利于磁體的穩(wěn)定運行
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術中的不足,本發(fā)明提供了一種基于DSP、具有單位功率因數(shù)的電壓型高溫超導儲能變流器的控制方法,特別涉及一種高溫超導儲能變流器的同步電流電壓解耦控制方法。電壓源型高溫超導儲能變流器的功率電路由全控型智能功率模塊構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)明的目的在于設計一種適用于上述拓撲結構,基于DSP的高溫超導儲能系統(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)、多級電流解耦控制、能量雙向傳輸,結構簡單,響應速度快,控制算法易于實現(xiàn)等優(yōu)點,尤其適合于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量及抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩等應用場合。目前,超導磁儲能變流器的基本拓撲結構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)字化控制技術更加成熟,而且應用也較廣泛。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)對磁體的直接影響,能夠?qū)⒊瑢Т朋w的能量快速轉換為電壓型變流器所能承受的穩(wěn)定電壓,實現(xiàn)對超導磁體快速、 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電壓外環(huán)控制和交流側電流內(nèi)環(huán)控制模塊。直流側電壓外環(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功功率參考值;交流側電流內(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 和無功電流、的變化,從而控制直流母線電容電壓和超導磁體與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率,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??刂七\算核心應用了 TI公司專為基于控制應用而設計的高性能32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812,時鐘頻率可以達到150MHz,芯片內(nèi)部包含flash存儲器,快速AD轉換器,高效的EV事件管理,高波特率SCI通信等外設模塊,具有強大的控制和信號處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)PWM及PI調(diào)節(jié)控制等復雜控制算法,實時檢測及定時中斷采樣等功能,適合高溫超導儲能變流器控制方法的軟件實現(xiàn)。本發(fā)明的控制方法可以實現(xiàn)高溫超導磁體與電網(wǎng)之間進行單位功率因數(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)進行整流,超導磁體從電網(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)進行逆變,超導磁體對電網(wǎng)進行純有功功率補償,從而實現(xiàn)了電網(wǎng)系統(tǒng)與超導磁體間的功率雙向傳輸。這種控制方法具有功率密度大、能量轉換效率高等優(yōu)點。依據(jù)本發(fā)明的一種電壓源型單位功率因數(shù)超導儲能系統(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磁體儲能情況,結合電壓、電流閉環(huán)協(xié)調(diào)控制方法,實現(xiàn)單位功率因數(shù)下電網(wǎng)與超導磁體的功率雙向傳輸控制,具體包括以下計算步驟(1)建立同步旋轉坐標系下的電壓源型SMES變流器數(shù)學模型,進行控制參數(shù)解耦;針對高溫超導儲能系統(tǒng)變流器拓撲結構,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)學模型;a)建立電壓型變流器數(shù)學模型
定義= a, b,c)為功率器件的開關函數(shù),對變流器VSC,根據(jù)基爾霍夫電壓、 電流定律及開關函數(shù)得到其時域下的數(shù)學模型,再通過電網(wǎng)基波頻率下同步旋轉dq坐標變換,獲得變流器VSC在兩相同步旋轉坐標系下的函數(shù)模型如下
權利要求
1. 一種電壓源型單位功率因數(shù)超導儲能系統(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磁體儲能情況,結合電壓、電流閉環(huán)協(xié)調(diào)控制方法,實現(xiàn)單位功率因數(shù)下電網(wǎng)與超導磁體的功率雙向傳輸控制,其特征在于包括以下計算步驟(1)建立同步旋轉坐標系下的電壓源型SMES變流器數(shù)學模型,進行控制參數(shù)解耦;針對高溫超導儲能系統(tǒng)變流器拓撲結構,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)學模型;a)建立電壓型變流器數(shù)學模型定義Sk (k = a, b,c)為功率器件的開關函數(shù),對變流器VSC,根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律及開關函數(shù)得到其時域下的數(shù)學模型,再通過電網(wǎng)基波頻率下同步旋轉dq坐標變換, 獲得變流器VSC在兩相同步旋轉坐標系下的函數(shù)模型如下
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于可實現(xiàn)高溫超導磁體與電網(wǎng)之間進行單位功率因數(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)進行整流,超導磁體從電網(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)進行逆變,超導磁體對電網(wǎng)進行純有功功率補償,從而實現(xiàn)了電網(wǎng)系統(tǒng)與超導磁體間的有功功率雙向傳輸。
全文摘要
本發(fā)明屬于應用超導電力電子領域,具體涉及一種電壓型單位功率因數(shù)高溫超導儲能系統(tǒng)變流器的同步電流電壓解耦控制方法。其針對dq同步旋轉坐標下的超導儲能系統(tǒng)變流器數(shù)學模型,分別設計了直流側電壓外環(huán)控制和交流側電流內(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,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磁體電流值實現(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電流解耦控制、響應速度快,控制算法易于實現(xiàn)等優(yōu)點,尤其適合于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量及抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩等應用場合。
文檔編號H02J3/24GK102377362SQ20111029963
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者丘明, 楊斌, 諸嘉慧 申請人:中國電力科學研究院