专利名称：电压源型单位功率因数高温超导储能变流器的控制方法
技术领域：
本发明属于应用超导电力电子领域，具体涉及一种基于DSP、具有单位功率因数的电压型高温超导储能变流器的控制方法，特别涉及一种电压源型单位功率因数超导储能系统变流器的控制方法
背景技术：
随着现代电力电子技术、低温制冷技术以及高温超导材料的快速发展，高温超导储能(HT-SMES)装置逐渐应用于现代电力系统中，用于改善电网供电质量、抑制电力系统低频振荡，提高电力系统稳定性。由于钇系(YBa2Cu3O7JBa2Cu4O8)等第II代高温超导材料的研究取得了突破性进展，基于YBCO涂层导体的第II代高温超导磁储能系统受到广泛重视。超导储能系统具有蓄能量大、转换效率高、响应迅速、对环境无污染、控制方便、使用灵活等优点，能够被独立控制与电力系统之间进行有功和无功功率交换，使得系统功率调节范围扩大。大型的超导储能系统，不仅可以调节电网关键节点处的无功功率和有功功率流， 还可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，改善电能的质量，提高电力系统运行的稳定性和可靠性。超导储能磁体实际上是一个储存大量电磁能的无阻大电感。在超导态时，超导磁体在通过直流电流时没有焦耳热损耗，能够在超导储能系统的续流回路中维持电流。当给超导磁体充电时，磁体中的电流快速上升，交流侧输入功率快速增加，磁体储存能量也迅速增加；当超导磁体续能时，磁体中的电流维持不变，交流侧输入功率快速减少至零，磁体储存能量也保持不变；当超导磁体放电时，磁体中的电流快速衰减，所储存能量也迅速减少到零，这些运行特征给SMES变流器控制技术提出了很高的要求。此外，在超导磁体充电、续能、放电时，一般要求直流母线电压输出稳定、网侧功率变化迅速、磁体储能快速反应、具有较高开关频率等，这些都给超导磁储能变流器控制方法的研究带来了困难。传统超导储能变流器的控制系统，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。数字信号处理器 TMS320F2812采用哈佛结构，具有高集成度，不仅提供了快速AD转换器，高效的EV事件管理，高波特率SCI通信等外设模块处理，同时降低了控制板空间及系统成本，实现了高效快速、经济、系统的设计。此外所具有的高速运算和处理能力，使很多复杂的控制算法得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内得到很好的应用。在器件方面，随着半导体电力电子功率器件的发展，GTO和IGBT等全控型器件的广泛应用，可令电压型SMES变流器工作在四象限。电压型SMES变流器采用电压源型变换器(VSC)和“H”型双向DC-DC拓扑结构，应用数字防饱和PID控制及SVPWM同步PI电流控制方法，利用电压和电流的双环反馈控制策略，可以控制直流母线电容电压稳定和超导磁体充电、放电速率，减少交流侧低次谐波、提高电压利用率，有利于磁体的稳定运行
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于DSP、具有单位功率因数的电压型高温超导储能变流器的控制方法，特别涉及一种高温超导储能变流器的同步电流电压解耦控制方法。电压源型高温超导储能变流器的功率电路由全控型智能功率模块构成的四象限功率变换电路、直流母线电容和“H”型双向DC-DC斩波电路组成。本发明的目的在于设计一种适用于上述拓扑结构，基于DSP的高温超导储能系统变流器的控制方法。和传统SMES 变流器控制方式相比，本发明的控制方法具有单位功率因数、多级电流解耦控制、能量双向传输，结构简单，响应速度快，控制算法易于实现等优点，尤其适合于改善电网电能质量及抑制电力系统低频振荡等应用场合。目前，超导磁储能变流器的基本拓扑结构有两类一类是电流源型，其变流系统是由电流源型变流器(CSC)组成；另一类是电压源型，其变流系统是由电压型变换器(VSC)连接斩波器(Chopper)组成。电压源型SMES变流器的数字化控制技术更加成熟，而且应用也较广泛。它采用斩波器配和变流器共同控制功率交换，隔离了电网对磁体的直接影响，能够将超导磁体的能量快速转换为电压型变流器所能承受的稳定电压，实现对超导磁体快速、 稳定地充电和放电，有利于磁体稳定并网运行。电压型SMES变流器的功率控制系统由两部分组成直流侧电压外环控制和交流侧电流内环控制模块。直流侧电压外环控制模块采用数字防饱和比例积分(PI)方法提供内环控制所需要的有功功率和无功功率参考值；交流侧电流内环控制模块采用空间矢量脉冲(SVPWM)调制的同步PI电流控制方法。“H”型双向DC-DC斩波器的控制采用正弦波脉冲 (SPffM)调制的电流/电压PI控制方法。SMES变流器及其斩波器共同协调控制有功电流id 和无功电流、的变化，从而控制直流母线电容电压和超导磁体与电网交换的有功功率和无功功率，以抑制电网低频振荡，提高电力系统的稳定性。本发明采用全数字化高速处理器。控制运算核心应用了 TI公司专为基于控制应用而设计的高性能32位定点数字信号处理器TMS320F2812，时钟频率可以达到150MHz，芯片内部包含flash存储器，快速AD转换器，高效的EV事件管理，高波特率SCI通信等外设模块，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现PWM及PI调节控制等复杂控制算法，实时检测及定时中断采样等功能，适合高温超导储能变流器控制方法的软件实现。本发明的控制方法可以实现高温超导磁体与电网之间进行单位功率因数的功率双向传输。在充电模式下，SMES变流器以单位功率因数进行整流，超导磁体从电网中吸收有功功率；在放电模式下，SMES变流器以单位功率因数进行逆变，超导磁体对电网进行纯有功功率补偿，从而实现了电网系统与超导磁体间的功率双向传输。这种控制方法具有功率密度大、能量转换效率高等优点。依据本发明的一种电压源型单位功率因数超导储能系统变流器的整体控制方法， 其根据电网有功功率需求及超导磁体储能情况，结合电压、电流闭环协调控制方法，实现单位功率因数下电网与超导磁体的功率双向传输控制，具体包括以下计算步骤(1)建立同步旋转坐标系下的电压源型SMES变流器数学模型，进行控制参数解耦；针对高温超导储能系统变流器拓扑结构，根据等效电路原理，建立四象限三相全控电压型变流器VSC和“H”型双向DC-DC斩波器数学模型；a)建立电压型变流器数学模型
定义= a, b，c)为功率器件的开关函数，对变流器VSC，根据基尔霍夫电压、 电流定律及开关函数得到其时域下的数学模型，再通过电网基波频率下同步旋转dq坐标变换，获得变流器VSC在两相同步旋转坐标系下的函数模型如下
权利要求
1. 一种电压源型单位功率因数超导储能系统变流器的整体控制方法，其根据电网有功功率需求及超导磁体储能情况，结合电压、电流闭环协调控制方法，实现单位功率因数下电网与超导磁体的功率双向传输控制，其特征在于包括以下计算步骤(1)建立同步旋转坐标系下的电压源型SMES变流器数学模型，进行控制参数解耦；针对高温超导储能系统变流器拓扑结构，根据等效电路原理，建立四象限三相全控电压型变流器VSC和“H”型双向DC-DC斩波器数学模型；a)建立电压型变流器数学模型定义Sk (k = a, b，c)为功率器件的开关函数，对变流器VSC，根据基尔霍夫电压、电流定律及开关函数得到其时域下的数学模型，再通过电网基波频率下同步旋转dq坐标变换， 获得变流器VSC在两相同步旋转坐标系下的函数模型如下
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于可实现高温超导磁体与电网之间进行单位功率因数的双向能量传输；在充电模式下，SMES变流器以单位功率因数进行整流，超导磁体从电网中吸收有功功率；在放电模式下，SMES变流器以单位功率因数进行逆变，超导磁体对电网进行纯有功功率补偿，从而实现了电网系统与超导磁体间的有功功率双向传输。
全文摘要
本发明属于应用超导电力电子领域，具体涉及一种电压型单位功率因数高温超导储能系统变流器的同步电流电压解耦控制方法。其针对dq同步旋转坐标下的超导储能系统变流器数学模型，分别设计了直流侧电压外环控制和交流侧电流内环控制模块。“H”型双向DC-DC斩波器的控制基于正弦波脉冲(SPWM)调制技术，采用充电模式下滞环PI电流闭环控制和放电模式下滞环PI电压闭环控制法。最后根据电网单位功率因数下有功电流需求及超导磁体电流值实现电压源型SMES变流器的同步电流电压双馈控制方法。本发明控制方法具有多级电流解耦控制、响应速度快，控制算法易于实现等优点，尤其适合于改善电网电能质量及抑制电力系统低频振荡等应用场合。
文档编号H02J3/24GK102377362SQ20111029963
公开日2012年3月14日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者丘明, 杨斌, 诸嘉慧 申请人:中国电力科学研究院