[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

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。

主权项

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S_k(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：Ldiddt=ωLiq-Rid-Sdudc+udLdiqdt=-ωLid-Riq-Squdc+uqCdcdUdcdt=32(Sdid+Sqiq)-isc---(1)]]>式中：u_d，u_q，i_d，i_q为交流三相电压在两相旋转坐标系(d，q)下的电压和电流分量，S_d，S_q为电网电压矢量在同步旋转坐标系下的开关函数分量，u_dc为直流侧电容电压；b)建立双向斩波器数学模型“H”型双向DC-DC斩波器共有两种工作模式：充电模式和放电模式；在充电模式时，开关管S₈导通占空比为d₈，其中0＜d₈＜1，二极管D₇导通占空比为1-d₈，得到磁体充电的状态空间平均模型为：Lscdiscdt=-Rscisc+d8udcCdudcdt=idc-d8isc---(2)]]>放电模式时，开关管S₇导通占空比为d₇，其中0＜d₇＜1，二极管D₈导通占空比为1-d₇，磁体放电的状态空间平均模型为：Lscdiscdt=-Rscisc-(1-d7)UdcCdUdcdt=idc+(1-d7)isc---(3)]]>c)联立式(1)-(3)，可以得到电压源型超导储能系统变流器经过系统解耦后，在dq坐标系下的数学模型为：LdiddtωLiq-Rid-Sdudc+udLdiqdt=-ωLid-Riq-Squdc+uqCdcdUdcdt=32(Sdid+Sqiq)+(1-d7-d8)iscLscdiscdt=-Rscisc-(1-d7-d8)Udc---(4)]]>(2)应用直流电压外环控制和交流电流内环控制方法，设计电压型变流器功率控制系统：a)直流侧电压外环控制模块根据电网侧功率补偿要求，采用数字防饱和比例积分PI方法，计算需要补偿的有功电流和无功电流参考值i_d^*和i_q^*。为了实现单位功率因数控制，令i_q^*为零，获得超导磁体与电网的有功功率交换值：id*=idmax*,id*≥idmax*(KuP+KuI/s)·(udc*-udc),idmin*<id*<idmax*idmin*,id*≤idmin*---(5)]]>iq*=0]]>式中，K_uP，K_uI为电压外环PI控制器参数；s为拉氏算子；u_dc为直流侧采样电压，u^*_dc为直流侧参考电压，i_d为有功功率采样值，i^*_d为有功电流参考值，i_q为无功功率采样值，i^*_q为无功电流参考值；b)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，计算需要补偿的有功电流和无功电流值：设电网三相采样电压和电流分别为(U_a，U_b，U_c)和(I_a，I_b，I_c)，将其转换到dq坐标下为[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是三相坐标系到dq坐标系的转换矩阵；将电网采样值与需要补偿的有功电流参考值i_d^*和无功电流参考值i_q^*进行比较，有功电流补偿值Δi_d和无功电流补偿值Δi_q分别为：ΔidΔiq=id*-idiq*-iq---(8)]]>将式(8)代入同步PI电流调节器，进行解耦简化，得到dq坐标系下的控制电压指令值为：vd=-(Kp+Kis)Δid+udvq=-(Kp+Kis)Δiq+uq---(9)]]>再经过dq反变换，三相补偿电压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的逆矩阵。根据式(10)的电压指令，采用空间矢量PWM脉宽调制技术，产生电压型变流器所需的SVPWM驱动脉冲；(3)对双向DC-DC斩波器，应用正弦波脉冲SPWM调制法，采用滞环PI电流闭环控制的充电模式和滞环PI电压闭环控制的放电模式进行控制；磁体在充电模式时，采用电流闭环控制磁体电流的充电速率，磁体电流输出i_sc小信号控制方程如下；i^sc=udcLs+Rscd^8---(11)]]>SMES处于放电模式时，采用电压闭环稳定直流侧电压，直流电压u_dc的小信号控制方程为：u^dc=-RLiscCRLs+1d^7---(12)]]>式中，分别是斩波器功率器件S₇和S₈的占空比小信号值；根据直流电压u_dc和磁体电流i_sc参考值，采用三角波比较方式产生斩波器所需的PWM驱动脉冲；(4)最后，结合电压型变流器及斩波器的控制策略，根据电网有功功率需求及超导磁体储能情况，实现电压源型单位功率因数超导储能系统变流器的整体协调控制方法；其中，电压型变流器直流侧电容电压u_dc的闭环控制作为整体控制器的外环部分，外环控制输出i^*_d2作为有功电流参考值的一部分；根据斩波器选择“电流环”或“电压环”不同控制方式，分别通过磁体电流参考值i^*_sc或电网有功电流参考值i^*_df及超导磁体电流i_sc输出斩波器功率开关S₇及S₈的PWM触发脉冲，并确定有功电流的另一部分参考值i^*_d1；根据有功电流参考值i^*_d1和i^*_d2获得有功电流整体参考值i^*_d，结合无功电流参考值i^*_q，计算有功和无功电流补偿值(Δi_d，Δi_q)，获得电压型变流器输出电压(V_d，V_q)，产生控制VSC功率器件的SVPWM脉冲。