超导储能用大功率换流器及其控制技术

根据超导储能系统的研制现状,阐述了超导储能系统中大功率换流器技术的发展,比较了近年来采用的电压型大功率变换流电路的优缺点以及控制方式,并在此基础上分析了基于载波调制的相移PWM技术和基于非载波PWM的滑模控制技术的不同控制特点。分析表明,级联型换变流电路拓扑的工作特性及灵活性优于其它常用的电路拓扑,易于构成大功率高性能的超导储能用换变流电路;用于级联型电路的控制策略具有简单可靠等优点。     

超导储能用电压型大功率换流器技术

在500 kVA超导储能系统研制中,为了选择合适的功率变换电路拓扑,使系统具有更高的电压等级和灵活性,比较了近年来国内外采用的几种电压型换流器。针对超导储能特点及其在电力系统中承担电能质量调节的要求,分析了传统2电平桥式换流电路、中点钳位型多电平换流电路以及级联型多电平换流电路的性能。分析结果表明,对于大功率超导储能装置,级联型多电平换流电路在电压等级、控制精度及结构灵活等方面均优于另外2种换流器拓扑,采用级联型换流器的超导储能系统实现了模块化构造,可以实现系统冗余及容错运行。仿真结果证实模块化超导储能系统能够在较低工作频率下精确控制电压质量。     

基于伪滑模控制的模块化超导储能系统电网电压补偿算法

提出了一种基于伪滑模控制的模块化超导储能系统电网电压补偿算法。该算法以滑动模态为核心,采用具有滞环的变结构控制有效降低了标准滑模控制的抖动问题,使换流器能够快速补偿负载端电压凹陷并滤除电网谐波,保证电压敏感负荷在电压受到干扰的情况下正常工作。基于级联型换流器数学模型,分析了伪滑模变结构控制的工作特性及其与电路参数之间的关系。仿真结果表明,采用滞环伪滑模控制的超导储能系统能够在系统干扰较大的情况下保持控制的稳定性,迅速跟踪指令信号,动态响应时间在1ms之内,具有良好的鲁棒性与实时性。     

超导储能用级联型大功率换流器控制系统设计

在超导储能系统中换流器与电网相连,使超导储能磁体能够通过换流器与电网进行能量交换,从而实现电网谐波抑制、有功无功补偿等功能.根据超导储能用换流器的特点,结合目前大功率电力电子器件以及电路拓扑的发展趋势,设计了一种结构灵活的换流器控制系统.该控制系统采用数字信号处理器(DSP)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)相结合的分离模块式构架设计,在功能上实现了控制系统的算法部分与控制信号产生部分分离、系统的模拟部分与数字部分分离,从而大大提高了控制系统的电气稳定性及系统灵活性.该控制系统还可适用于多种大功率换流设备,因而具有较强的拓展性及通用性.     

一种新型多目标串联型短路限流控制器的研究

提出一种串联型短路限流控制器,采用背靠背换流器与限流电抗器串联的方式,在系统未发生短路故障时,背靠背换流器可以实现电压补偿、谐波抑制等功能,当发生短路时,将换流器切出,使短路限流电抗器工作。分析了电路的拓扑结构和控制原理,采用完全补偿法对电压进行补偿,采用电源电流检测法滤除系统中的谐波,然后用PSCAD进行了仿真和实验验证。     

用于SMES的电压型换流器试验研究

为实现超导储能装置（SMES-Superconducting Magnetic Energy Storage）与输配电网之间的协调作用,达到提高电网输送容量、暂态稳定性和电压稳定性,提高配电网电能质量的目的。根据SMES的结构特点,结合目前大功率电力电子器件以及电路拓扑的发展趋势,设计了一台三单相H桥分立控制的电压型换流器（VSI-Voltage source inverter）及其控制系统平台。该电压型换流器采用三相器件独立运行结构,控制系统采用数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processing）设计,在功能上实现了对串联于电力线路的注入电压幅值和相位的灵活控制,最后给出了一台20 kW电压型换流器原理样机对母线电压补偿功能的试验结果,试验结果表明,该电压型换流器可以满足超导储能系统的需要。     

用于SMES的电压型换流器试验研究

为实现超导储能装置(SMES-Superconducting Magnetic Energy Storage)与输配电网之间的协调作用,达到提高电网输送容量、暂态稳定性和电压稳定性,提高配电网电能质量的目的.根据SMES的结构特点,结合目前大功率电力电子器件以及电路拓扑的发展趋势,设计了一台三单相H桥分立控制的电压型换流器(VSI-Voltage source inverter)及其控制系统平台.该电压型换流器采用三相器件独立运行结构,控制系统采用数字信号处理器(DSP-Digital Signal Processing)设计,在功能上实现了对串联于电力线路的注入电压幅值和相位的灵活控制,最后给出了一台20 kW电压型换流器原理样机对母线电压补偿功能的试验结果,试验结果表明,该电压型换流器可以满足超导储能系统的需要.     

混合级联直流输电系统主动谐波补偿控制

为提升混合级联直流输电系统接入点的电能质量,减少工程占地与造价,提出了一种基于模块化多电平换流器的主动谐波补偿方法.首先,介绍了混合级联直流输电系统的拓扑结构和谐波特征,其中高压阀组采用电网换相换流器,低压阀组则采用模块化多电平换流器.然后,介绍了系统的谐波等值电路与主动谐波补偿控制策略,通过模块化多电平换流器对电网换相换流器的谐波进行补偿,并分析了主动谐波补偿对模块化多电平换流器稳态运行的影响.最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了混合级联直流输电系统的仿真模型,验证了主动谐波补偿控制策略在系统稳态运行、功率变化和计及延时工况下的有效性.     

基于直流电压注入的多脉动电压源换流器

提出了一种基于直流电压注入的新型电压源换流器,该换流器由一个12脉动换流器和一个附加电路构成.附加电路通过变压器向12脉动换流器中点注入直流电压,将12脉动换流器变为60脉动换流器,换流器输出电压、电流的谐波水平很低,不需要滤波器就可以满足系统的谐波要求.换流器主电路采用基频触发,降低了开关损耗,更适合于高电压、大功率的应用场合.分析了该换流器的拓扑结构和工作原理,并使用PSCAD/EMTDC软件对其进行了仿真验证,为将来的实机制造提供了参考.     

超导储能系统用四模块组合变流器功率控制设计和实验研究

讨论了超导储能系统用四模块组合变流器的有功功率、无功功率四象限控制的设计问题。为了适应大功率变流器的需要主电路结构采用四模块电流型变流器直接并联,在调试方式上采用载波相移SPWM控制,在较低的开关频率实现大功率变流器SPWM技术,以扩大容量和抑制网侧谐波;在计算功率时采用的瞬时功率理论实时的计算出变流器的有功和无功功率进行闭环控制。同时结合了863项目研制了23kVA的变流器实验样机,对超导储能系统用电流型变流器四象限功率控制方法进行了验证。实验结果表明超导储能系统用组合变流器能独立快速地控制有功功率和无功功率。     

基于超导储能系统的电网电压快速补偿算法

基于模块化超导储能系统,提出一种电网电压快速补偿算法。当补偿单相电压时,该算法以电网电压的基波为基准得到虚拟的另外两相电压,构成虚拟三相系统,通过dq变换检测凹陷,并与参考信号比较得到谐波和凹陷量。与传统电压控制算法相比,该算法省略了低通滤波环节,简单可靠,避免了补偿单相电压时构造三相系统带来的延时,缩短了系统响应时间。     

基于超导储能的动态电压恢复器的研究

为了给动态电压恢复器提供工作时所需能量,采用了直—直斩波电路将超导储能装置接于动态电压恢复器中。在分析了储能部分的电路构成后采用PI调节分别控制超导线圈的充、放电过程,其充电过程采用电流控制模式,放电过程采用电压控制模式从而有效地克服了外界干扰和参数变化等不利因素,充分发挥超导储能快速充放电和高能量密度转换的特性;基于dq变换检测控制动态电压恢复器的工作,并对系统在电压暂降情况下动态电压恢复器的工作状况进行了仿真分析。仿真结果表明这种基于超导储能的动态电压恢复器可迅速有效的补偿电压暂降,维持敏感负荷的电压恒定。     

高温超导储能变流器的LC阻尼滤波器设计

为了抑制高温超导储能电压型变流器的输出电压谐波,设计了带阻尼效应的LC低通滤波器。文中分析了滤波器的原理及传递特性,进行了正弦脉宽调制波的谐波分析,通过控制滤波网络的基波衰减因数确定了LC阻尼滤波器的参数,最后将其应用于高温超导SMES的电压跌落补偿试验。试验结果表明,LC阻尼滤波器在SMES变流器系统中能起到良好的滤波效果,提高了SMES系统的动态响应能力和稳态性能。     

A fuzzy set theory based control of superconductive magnetic energy storage unit to improve power system dynamic performance

At present fuzzy logic control is receiving increasing emphasis in process control applications. The paper describes the application of fuzzy logic control in a power system that uses a 12-pulse bridge converter associated with superconductive magnetic energy storage (SMES) unit. The fuzzy control is used in both the frequency and voltage control loops, replacing the conventional control method. The control algorithms have been developed in detail and simulation results are presented. These results clearly indicate the superior performance of fuzzy control during the dynamic period of energy transfer between the power system and SMES unit.     

基于超导储能装置的配电网谐波与电压凹陷补偿技术

针对非线性冲击负载引起的电压凹陷大、电网谐波比重大和功率因数低等电能质量问题,提出了一种基于超导储能技术的三相电压源型变流器(voltage source converter,VSC)反馈伪线性化控制方法。在三相VSC数学模型中使用逆系统,达到直流电容、电压和无功电流的完全解耦,并构造出伪线性系统。设计了斩波器的电流调节控制系统,充分发挥了超导储能的续流能力。设计了内电流环控制器,解决了诸多电能质量问题,并对VSC容量进行最优整定。     

电压型超导储能系统的统一直接功率控制方法

将PWM整流器的直接功率控制方法用于电压型超导储能系统的电压源型换流器，给出了新的开关矢量表，并提出了斩波器的直接功率控制方法。文中的电压源型换流器和斩波器的直接功率控制方法以有功功率为纽带，可对超导储能系统进行一体化的功率控制。仿真结果表明，该控制方法具有良好的控制性能，十分适用于电压型超导储能系统。