[發明專利]電壓源型單位功率因數高溫超導儲能變流器的控制方法

有效

• 申請號: 201110299636.7
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102377362A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 諸嘉慧;楊斌;丘明
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院
• 主分類號: H02M7/797
• 分類號: H02M7/797;H02M3/155;H02J3/24;H02J3/18
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

1.一種電壓源型單位功率因數超導儲能系統變流器的整體控制方法，其根據電網有功功率需求及超導磁體儲能情況，結合電壓、電流閉環協調控制方法，實現單位功率因數下電網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變流器數學模型，進行控制參數解耦；針對高溫超導儲能系統變流器拓撲結構，根據等效電路原理，建立四象限三相全控電壓型變流器VSC和“H”型雙向DC-DC斬波器數學模型；

a)建立電壓型變流器數學模型

定義S_k(k＝a，b，c)為功率器件的開關函數，對變流器VSC，根據基爾霍夫電壓、電流定律及開關函數得到其時域下的數學模型，再通過電網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模型如下：

Ldiddt=ωLiq-Rid-Sdudc+udLdiqdt=-ωLid-Riq-Squdc+uqCdcdUdcdt=32(Sdid+Sqiq)-isc---(1)]]>

式中：u_d，u_q，i_d，i_q為交流三相電壓在兩相旋轉坐標系(d，q)下的電壓和電流分量，S_d，S_q為電網電壓矢量在同步旋轉坐標系下的開關函數分量，u_dc為直流側電容電壓；

b)建立雙向斬波器數學模型

“H”型雙向DC-DC斬波器共有兩種工作模式：充電模式和放電模式；在充電模式時，開關管S₈導通占空比為d₈，其中0＜d₈＜1，二極管D₇導通占空比為1-d₈，得到磁體充電的狀態空間平均模型為：

Lscdiscdt=-Rscisc+d8udcCdudcdt=idc-d8isc---(2)]]>

放電模式時，開關管S₇導通占空比為d₇，其中0＜d₇＜1，二極管D₈導通占空比為1-d₇，磁體放電的狀態空間平均模型為：

Lscdiscdt=-Rscisc-(1-d7)UdcCdUdcdt=idc+(1-d7)isc---(3)]]>

c)聯立式(1)-(3)，可以得到電壓源型超導儲能系統變流器經過系統解耦后，在dq坐標系下的數學模型為：

LdiddtωLiq-Rid-Sdudc+udLdiqdt=-ωLid-Riq-Squdc+uqCdcdUdcdt=32(Sdid+Sqiq)+(1-d7-d8)iscLscdiscdt=-Rscisc-(1-d7-d8)Udc---(4)]]>

(2)應用直流電壓外環控制和交流電流內環控制方法，設計電壓型變流器功率控制系統：

a)直流側電壓外環控制模塊根據電網側功率補償要求，采用數字防飽和比例積分PI方法，計算需要補償的有功電流和無功電流參考值i_d^*和i_q^*。為了實現單位功率因數控制，令i_q^*為零，獲得超導磁體與電網的有功功率交換值：

id*=idmax*,id*≥idmax*(KuP+KuI/s)·(udc*-udc),idmin*<id*<idmax*idmin*,id*≤idmin*---(5)]]>

iq*=0]]>

式中，K_uP，K_uI為電壓外環PI控制器參數；s為拉氏算子；u_dc為直流側采樣電壓，u^*_dc為直流側參考電壓，i_d為有功功率采樣值，i^*_d為有功電流參考值，i_q為無功功率采樣值，i^*_q為無功電流參考值；

b)交流側電流內環控制模塊采用空間矢量脈沖SVPWM調制的同步PI電流控制方法，計算需要補償的有功電流和無功電流值：

設電網三相采樣電壓和電流分別為(U_a，U_b，U_c)和(I_a，I_b，I_c)，將其轉換到dq坐標下為

[U_d，U_q?]＝T_abc/dq[U_a，U_b，U_c]???????????????(6)

[I_d，I_q]＝T_abc/dq[I_a，I_b，I_c]????????????????(7)

其中，T_abc/dq是三相坐標系到dq坐標系的轉換矩陣；

將電網采樣值與需要補償的有功電流參考值i_d^*和無功電流參考值i_q^*進行比較，有功電流補償值Δi_d和無功電流補償值Δi_q分別為：

ΔidΔiq=id*-idiq*-iq---(8)]]>

將式(8)代入同步PI電流調節器，進行解耦簡化，得到dq坐標系下的控制電壓指令值為：

vd=-(Kp+Kis)Δid+udvq=-(Kp+Kis)Δiq+uq---(9)]]>

再經過dq反變換，三相補償電壓U_kout(k＝a，b，c)如式(10)：

[U_aout，U_bout，U_cout]^T＝T_dq/abc[v_d，v_q]^T????(10)

式中，T_dq/abc是T_abc/dq的逆矩陣。根據式(10)的電壓指令，采用空間矢量PWM脈寬調制技術，產生電壓型變流器所需的SVPWM驅動脈沖；

(3)對雙向DC-DC斬波器，應用正弦波脈沖SPWM調制法，采用滯環PI電流閉環控制的充電模式和滯環PI電壓閉環控制的放電模式進行控制；

磁體在充電模式時，采用電流閉環控制磁體電流的充電速率，磁體電流輸出i_sc小信號控制方程如下；

i^sc=udcLs+Rscd^8---(11)]]>

SMES處于放電模式時，采用電壓閉環穩定直流側電壓，直流電壓u_dc的小信號控制方程為：

u^dc=-RLiscCRLs+1d^7---(12)]]>

式中，分別是斬波器功率器件S₇和S₈的占空比小信號值；根據直流電壓u_dc和磁體電流i_sc參考值，采用三角波比較方式產生斬波器所需的PWM驅動脈沖；

(4)最后，結合電壓型變流器及斬波器的控制策略，根據電網有功功率需求及超導磁體儲能情況，實現電壓源型單位功率因數超導儲能系統變流器的整體協調控制方法；

其中，電壓型變流器直流側電容電壓u_dc的閉環控制作為整體控制器的外環部分，外環控制輸出i^*_d2作為有功電流參考值的一部分；根據斬波器選擇“電流環”或“電壓環”不同控制方式，分別通過磁體電流參考值i^*_sc或電網有功電流參考值i^*_df及超導磁體電流i_sc輸出斬波器功率開關S₇及S₈的PWM觸發脈沖，并確定有功電流的另一部分參考值i^*_d1；根據有功電流參考值i^*_d1和i^*_d2獲得有功電流整體參考值i^*_d，結合無功電流參考值i^*_q，計算有功和無功電流補償值(Δi_d，Δi_q)，獲得電壓型變流器輸出電壓(V_d，V_q)，產生控制VSC功率器件的SVPWM脈沖。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于可實現高溫超導磁體與電網之間進行單位功率因數的雙向能量傳輸；在充電模式下，SMES變流器以單位功率因數進行整流，超導磁體從電網中吸收有功功率；在放電模式下，SMES變流器以單位功率因數進行逆變，超導磁體對電網進行純有功功率補償，從而實現了電網系統與超導磁體間的有功功率雙向傳輸。