[发明专利]电压源型单位功率因数高温超导储能变流器的控制方法

说明书

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(YBa₂Cu₃O₇、YBa₂Cu₄O₈)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。