专利名称：一种基于dsp的高温超导储能系统的能量变换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可提高系统电能质量的能量变换装置，具体涉及一种高温超 导储能系统用快速能量变换装置。
背景技术：
近年来，随着电力电子技术，超导磁体技术，低温技术的发展，以及第II代高温超 导材料性能的极大提高，尤其是YBC0高温超导线材在强磁场下具有较好载流能力的特性 使得基于第II代高温超导体的磁储能系统(SMES)受到广泛重视。在超导电力领域中，超 导磁储能系统已被广泛应用于改善电能质量，抑制电力系统频率和电压波动，减轻发电机 的次同步振荡，缩短故障恢复时间方面。超导储能磁体实际上是一个储存有一定电磁能量的无阻电感，当储能磁体放电 时，磁体中的电流随之衰减，输出电压也不断发生变化，这给实际应用带来不便。此外，在储 能磁体放电时，一般要求输出电压稳定、电压调节范围大、开关频率高、功率密度大等，这些 都对超导储能系统的大规模应用提出了挑战。快速能量变换装置是超导储能能量变换的关键，也是整个系统的核心，该装置能 够独立控制超导线圈和电力系统之间的有功功率和无功功率交换。现在欧洲、日本等主要 工业国家投入了大量资金研究SMES功率变换装置，并且已在超导储能装置的实用化、大容 量化方面取得了相当多的成果。早期，快速能量变换装置中的功率级电路多采用可控硅器件(SCR)，网侧的整流环 节多采用二极管不控整流或晶闸管相控整流电路，因此网侧的功率因数很低，对电网和用 电设备造成了很严重的谐波污染，为了减小谐波，只能采用多重化形式的电压源换流器和 电网相连。而多重化的电压源换流器需要使用多个体积庞大，价格昂贵的工频变压器，这不 仅大大增大了系统的体积，还大大增加了系统成本。这些早期的基于SCR的变换器虽然易 于得到大的功率容量，但因其滞后的功率因数及显著的谐波使其在超导储能系统的应用受 到限制。另一方面，为了调节超导磁体的充电电流，需要一个输出电压可调且能量可以双向 流动的双向DC-DC变换器。传统的电路多采用直接连接型的Buck/Boost型拓扑结构，以高 压侧作为输入时，电路等同于一个Buck降压电路；以低压侧作为输入时，电路等同于一个 Boost升压电路，这种电路工作时利用另外一只开关管的反并联二极管作为续流元件，虽然 具有结构简单，元器件利用效率高等优点，但其输入侧与输出侧没有电气隔离，并且当电路 工作在升压状态时，二极管的反向恢复电流很大，损耗极大，不适合大功率应用场合。同时，在控制方式上，传统电路多采用单片机或专用模拟芯片实现，控制电路存在 电路复杂、调试困难、抗干扰能力差和存在温度漂移等缺点。由于大功率电路对开关器件的 触发脉冲要求很高，配电系统的容量和规模日益增大，传统的控制装置无论是在控制精度 还是在控制速度上都难以满足超导储能系统对能量变换的要求。
实用新型内容为解决现有技术中控制装置存在的上述损耗大、反应速度慢和抗干扰能力差等问 题，本实用新型设计一种基于高性能数字信号处理(DSP)技术的高温超导储能快速能量变 换装置，具有速度快，精度高，控制算法容易实现等特点，具体方案如下一种基于DSP的高 温超导储能系统的能量变换装置，包括三相整流器、双向直流变换器、控制器和双向充放电 单元，其特征在于，三相整流器的交流侧和三相交流电网相连，输出侧和双向直流变换器的 高压直流侧相连，双向直流变换器的低压直流侧和充放电单元的输入侧相连，充放电单元的 输出侧与超导磁体连接，所述三相整流器，双向直流变换器和充放电单元均与控制器相联。本实用新型的另一优选方式所述三相整流器、双向直流变换器和充放电单元由 DSP TMS320F2812芯片进行控制。本实用新型的另一优选方式所述三相整流器的电路结构为，三相半桥的IGBT开 关管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6串联后并联在线路上，每个IGBT开关管并联一个相应的续 流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT开关管Q1和Q2之间通过滤波电感L1与Y型三相对 称电网Ua连接，IGBT开关管Q3和Q4之间通过滤波电感L2与Y型三相对称电网Ub连接， IGBT开关管Q5和Q6通过滤波电感L3与Y型三相对称电网Uc连接，在直流输出侧安装滤 波电容Cl，IGBT开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驱动信号由数字信号处理器TMS320F2812 根据SVPWM空间矢量调制和电压、电流双闭环反馈控制算法产生，通过光耦隔离和功率放 大后，连接至功率器件。本实用新型的另一优选方式所述双向直流变换器的电路结构为，电路的输出端 和输入端之间安装隔离变压器T1，T1输入端串联有并联在一起的IGBT开关管Q7和续流二 极管D7，输入端在并联滤波电容C2 ；IGBT开关管Q8和续流二极管D8并联后串联在T1输 出端，IGBT开关管Q9和续流二极管D9并联接至输出端，然后与滤波电感L4串联，再与滤 波电容C3并联，滤波电感L4和滤波电容C3共同组成一阶LC低通滤波器。本实用新型的另一优选方式所述充放电单元的电路结构为H型电路，IGBT开关 管Q10和续流二极管D10并联后串联快速二极管D12构成“H桥”的一个上下桥臂，IGBT开 关管Q11和续流二级管D11并联后串联快速二极管D13构成“H桥”的另一个下上桥臂，超 导储能磁体L5串接在IGBT开关管Q10和IGBT开关管Q11之间，“H桥”输入端并联在线路 上，同时输入侧并联有滤波电容C4。本实用新型具有对高温超导储能磁体进行充/放电，实现能量快速存储和释放的 功能，主电路采用无变压器拓扑结构，适合改善电力系统的低频振荡等应用场合，功率级电 路采用全控型绝缘栅双极晶体管(IGBT)智能IPM功率模块、双向直流变换器和H型充放电 斩波电路组成，一方面可以提高高温超导储能系统的稳定性；另一方面，可以将开关频率提 高到20kHz以上，大大降低装置的体积和成本，采用SVPWM脉冲触发方式，改善网侧的功率 因数，从而实现单位功率因数的能量交换，提高系统效率。装置具有结构紧凑、可靠性高、功 率密度大、能量转换效率高等优点。本实用新型的控制核心采用TMS320F2812高性能32位定点数字信号处理芯片，集 微控制器和高性能DSP的特点于一身，能够在一个周期内完成32X32位的乘法累积运算， 能够完成64位的数据处理，实现高精度的处理任务，运行速度可以达到100MIPS。芯片内部 包含Flash存储器，快速AD转换器，增强的CAN模块等外设，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现诸如SVPWM等复杂的控制算法及实时检测功能。利用高性能数字信号处理芯片DSP来实现超导储能装置的控制，基于SVPWM脉冲 触发技术和单位功率因数的电压、电流的双闭环反馈控制策略，可以很大程度上提高控制 的速度和精度，减少传统控制方式由于速度限制而引起的控制滞后和精度缺陷，使整个装 置具有很好的调节性能。采用全数字信号调制技术，可以极大简化硬件电路的设计，使输出 触发脉冲安全可靠，实时控制性好，极大地提高系统的稳定性和可靠性。采用双向直流变换 器结构单元，超导磁体的端电压可以灵活调节，降低了超导磁体的绝缘耐压要求，大大减少 了超导磁体的研制费用，为超导储能系统实现在电网中的大规模商业化应用提供了条件。
图1本实用新型结构示意图图2本实用新型三相整流器电路示意图图3本实用新型双向直流变换器电路示意图图4本实用新型充放电单元电路示意图
具体实施方式
在高温超导储能系统中，考虑到超导磁体单元能量转换和电流传输的特点，需要 既提高响应速度又减少网侧交流谐波损耗，实现超导储能系统高功率因数的能量转换。在 器件上，随着半导体功率器件技术的发展，用GT0和IGBT等全控型器件构成的变流器满足 这些要求。当采用这些开关元件时，变流器可工作于P，Q平面的四个象限；在电路拓扑结构 上，采用隔离型双向直流变换器和H型斩波器连接超导储能磁体，可以降低磁体两端的绝 缘耐压等级，减小充/放电速率，提供可靠的续流回路，隔离电网对超导磁体的直接影响， 有利于磁体的稳定运行；并可利用空间矢量(SVPWM)控制方式和电压、电流的双环反馈控 制策略，来减少交流侧低次谐波、提高电压利用率，降低对交流侧滤波器的要求。本实用新型中的三相整流器为三相半桥变换器，交流侧为三相电网，通过调节功 率开关器件的触发脉冲占空比来调节直流侧输出电压。为提高输入侧电压的利用率、实现 网侧单位功率因数的能量交换，保证输出侧电压的稳定，采用SVPWM空间矢量脉冲触发和 电压、电流双闭环反馈控制方式，对超导磁体的充电电压进行实时调节；所设计的双向直流 变换器单元通过PWM或滞环比较控制方式，对三相PWM整流/逆变单元输出的幅值较高的 直流电压进行斩波，获得一个幅值较低且可调的直流电压，从而调节超导线圈的充放电电 流。线圈充放电单元由IGBT功率模块和快速二极管构成的桥式电路构成，通过控制开关管 的导通关断实现对超导线圈的充电、放电以及能量维持等多种功能。变换装置可以在无变压器的情况下，实现超导磁体与电网之间能量的快速转换， 设计了基于DSP TMS320F2812控制的具有单位功率因数能量交换的超导储能功率变换器， 采用了空间矢量SVPWM调制以及单位功率因数控制算法，提高了输入侧电压利用率，减小 了系统谐波。采用电压、电流双闭环控制算法，进一步提高了直流侧磁体电压的稳定性。设 计了基于DSP TMS320F2812控制的隔离型双向直流变换器，能量可以双向流动，采用同步整 流技术，降低了开关管的导通损耗，提高了系统电压转换效率。设计了基于DSPTMS320F2812 控制的超导磁体充/放电斩波电路，基于超导磁体电流变化情况，通过控制开关管的导通/关断状态来调节超导磁体的工作状态(充电、续流和放电)。如图1所示，在交流电网和超导储能磁体之间依次串接有三相整流器、双向直流 变换器和H型充放电单元。如图2所示，三相整流器电路中，三相半桥的全控型IGBT开关管Q1和Q2、Q3和 Q4、Q5和Q6串联后构成三相桥的上下桥臂，每个IGBT开关管分别并联续流二极管Dl、D2、 D3、D4、D5和D6，IGBT开关管Q1和Q2之间通过滤波电感L1与Y型三相对称电网Ua连接， IGBT开关管Q3和Q4之间通过滤波电感L2与Y型三相对称电网Ub连接，IGBT开关管Q5 和Q6通过滤波电感L3与Y型三相对称电网Uc连接，在直流输出侧安装滤波电容CI。IGBT 开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驱动信号由数字信号处理器TMS320F2812产生，通过光耦 隔离和功率放大后，连接至功率器件。为提高输入电压的利用率，实现网侧的单位功率因数 的能量双向流动，DSPTMS320F2812采用SVPWM空间矢量调制和电压、电流双闭环反馈控制 算法，对直流侧电压进行调节。DSP的快速AD采样模块同时对功率电路进行实时监测，对故 障情况进行及时反馈。如图3所示，直流变换器为能量双向流动型，电路的输出端和输入端之间安装隔 离变压器T1，T1输入端串联有并联在一起的IGBT开关管Q7和续流二极管D7，输入端在并 联滤波电容C2 ；IGBT开关管Q8和续流二极管D8并联后串联在T1输出端，IGBT开关管Q9 和续流二极管D9并联接至输出端，然后与滤波电感L4串联，再与滤波电容C3并联，滤波电 感L4和滤波电容C3共同组成一阶LC低通滤波器。为满足超导磁体的绝缘要求，达到安全 的充电电压，该单元将直流变换器的输出电压调制成幅值较低的直流电压。当给磁体充电 时，能量正向流动，电网通过整流器、双向直流变换器单元及磁体充放电单元给超导磁体充 电，磁体储存能量，此时双向直流变换器单元工作在降压型Buck电路状态；当超导磁体放 电时，能量反向流动，磁体中存储的能量经过双向直流变换器单元及整流器以单位功率因 数形式回馈给电网，此时双向直流变换器工作在升压型Boost电路状态。如图4所示，充放电单元的电路中IGBT开关管Q10和续流二极管D10并联后串联 快速二极管D12构成“H桥”的一个上下桥臂，IGBT开关管Q11和续流二级管D11并联后串 联快速二极管D13构成“H桥”的另一个下上桥臂。超导储能磁体L5串接在IGBT开关管 Q10和IGBT开关管Q11之间，“H桥”输入侧并联有滤波电容C4。当Q10和Q11同时导通 时，超导磁体处于充电储能状态，当D12和D13同时导通时，超导磁体处于放电回馈状态，当 Q10和D13或Q11和D12导通时，超导磁体处于能量续流状态。为均衡开关器件所受应力， 可以轮流开通Q10或Q11分别构成续流回路。
权利要求一种基于DSP的高温超导储能系统的能量变换装置，包括三相整流器、双向直流变换器、控制器和双向充放电单元，其特征在于，三相整流器的交流侧和三相交流电网相连，输出侧和双向直流变换器的高压直流侧相连，双向直流变换器的低压直流侧和充放电单元的输入侧相连，充放电单元的输出侧与超导磁体连接，所述三相整流器，双向直流变换器和充放电单元均与控制器相联。
2.如权利要求1所述的能量变换装置，其特征在于，所述三相整流器、双向直流变换器 和充放电单元由DSP TMS320F2812芯片进行控制。
3.如权利要求2所述的能量变换装置，其特征在于，所述三相整流器的电路结构为，三 相半桥的IGBT开关管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6串联后并联在线路上，每个IGBT开关管 并联一个相应的续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT开关管Q1和Q2之间通过滤波电 感L1与Y型三相对称电网Ua连接，IGBT开关管Q3和Q4之间通过滤波电感L2与Y型三 相对称电网Ub连接，IGBT开关管Q5和Q6通过滤波电感L3与Y型三相对称电网Uc连接， 在直流输出侧安装滤波电容Cl，IGBT开关管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驱动信号由数字信 号处理器TMS320F2812根据SVPWM空间矢量调制和电压、电流双闭环反馈控制算法产生，通 过光耦隔离和功率放大后，连接至功率器件。
4.如权利要求2所述的能量变换装置，其特征在于，所述双向直流变换器的电路结构 为，电路的输出端和输入端之间安装隔离变压器T1，T1输入端串联有并联 在一起的IGBT开 关管Q7和续流二极管D7，输入端在并联滤波电容C2 ；IGBT开关管Q8和续流二极管D8并 联后串联在T1输出端，IGBT开关管Q9和续流二极管D9并联接至输出端，然后与滤波电感 L4串联，再与滤波电容C3并联，滤波电感L4和滤波电容C3共同组成一阶LC低通滤波器。
5.如权利要求2所述的能量变换装置，其特征在于，所述充放电单元的电路结构为H型 电路，IGBT开关管Q10和续流二极管D10并联后串联快速二极管D12构成“H桥”的一个上 下桥臂，IGBT开关管Q11和续流二级管D11并联后串联快速二极管D13构成“H桥”的另一 个下上桥臂，超导储能磁体L5串接在IGBT开关管Q10和IGBT开关管Q11之间，“H桥”输 入端并联在线路上，同时输入侧并联有滤波电容C4。
专利摘要本实用新型公开一种基于DSP的高温超导储能系统的能量变换装置，具体涉及一种高温超导储能系统用快速能量变换装置。利用三相整流器的交流侧和三相交流电网相连，输出侧和双向直流变换器的高压直流侧相连，双向直流变换器的低压直流侧和充放电单元的输入侧相连，充放电单元的输出侧与超导磁体连接。本实用新型具有对高温超导储能磁体进行充/放电/续流，实现能量快速存储和释放的功能，主电路采用无变压器、双向直流变换和斩波充放电拓扑，结构紧凑、可靠性高、功率密度大，降低了超导磁体的绝缘耐压要求和装置的体积和成本；此外在控制上，采用空间矢量脉冲触发技术和单位功率因数的电压、电流的双闭环反馈控制策略，提高了能量转换效率。
文档编号H02M3/07GK201616765SQ20092027835
公开日2010年10月27日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者丘明, 程强, 诸嘉慧 申请人:中国电力科学研究院