專利名稱：基于高溫超導儲能的電網(wǎng)不對稱電壓補償裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超導應用技術領域，具體涉及一種基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓動態(tài)補償裝置及其方法。
背景技術：
電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)絡或用戶端，一旦發(fā)生短路故障、開關操作、變壓器或電容器組的投切等均可能引起瞬時電壓跌落。雖然瞬時電壓跌落屬于偶然的暫態(tài)電壓變動，持續(xù)時間很短，但對一些敏感用電設備的影響卻很大。面對這種現(xiàn)狀，改善電能質量對于電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，保障工業(yè)產品質量和科學實驗的正常進行以及降低能耗等均有重要作用， 直接關系到國民經(jīng)濟的總體效益。高溫超導儲能系統(tǒng)是應用高溫超導材料構造儲能磁體線圈，并把電能以磁場能形式存儲在超導線圈中的儲能設備。高溫超導儲能系統(tǒng)可以解決因電網(wǎng)故障引起的瞬時電壓跌落問題，并同時可以執(zhí)行無功補償、有源濾波、波動負載補償、三相負載不平衡補償?shù)裙δ?。在正常工作情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)交流功率經(jīng)大功率電力電子變換器轉換成直流注入超導線圈，以磁場能形式儲存起來。當電網(wǎng)波動超過一定范圍時，檢測控制系統(tǒng)立即發(fā)出釋放能量的指令，此時儲存在超導儲能系統(tǒng)中的能量在極短的時間內，經(jīng)功率調節(jié)器執(zhí)行無功補償、有源濾波、波動負載補償?shù)裙δ?，超導磁體通過功率調節(jié)器的控制輸出能量從而保持負載端電壓穩(wěn)定。高溫超導儲能系統(tǒng)所用的功率調節(jié)器是超導磁體和電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量交換的功率裝置。它一般通過變壓器與電網(wǎng)進行隔離連接，能獨立控制超導磁體與電力系統(tǒng)間的有功功率和無功功率交換。從器件上看，早期基于可控硅的功率調節(jié)器雖然易于得到較大的轉換容量，但因其滯后的功率因數(shù)及較大的諧波使應用受到限制。隨著半導體功率器件技術的發(fā)展，用可關斷晶閘管和絕緣柵雙極型功率管等全控型器件構成的調節(jié)器可克服這些弱點。而20世紀90年代發(fā)展起來的智能型功率模塊則開創(chuàng)了功率半導體開關器件新的發(fā)展方向。當采用這些開關元件時，功率調節(jié)器可工作于P，Q平面的四個象限，并可利用脈寬控制技術來減少交流側低次諧波，從而提高動態(tài)響應速度，增強高溫超導儲能系統(tǒng)的功率調節(jié)動態(tài)性能，改善電力系統(tǒng)電能質量。為了使高溫超導儲能系統(tǒng)能夠迅速、獨立地與電網(wǎng)系統(tǒng)進行四象限有功和無功功率的交換，提高電網(wǎng)電壓的暫態(tài)穩(wěn)定性，對超導儲能系統(tǒng)用功率調節(jié)器的控制方法的研究顯得十分重要。目前已有美國、日本以及歐洲一些學者針對超導儲能系統(tǒng)不同的功率調節(jié)器拓撲結構提出了不同的控制方法，如電壓電流雙閉環(huán)PI控制、狀態(tài)反饋控制、滑模結構控制、重復控制以及基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的控制；也發(fā)展了一些對電網(wǎng)電壓進行暫態(tài)檢測的方法，如基于瞬時無功功率理論的dqO變換方法等。國外已在低溫超導儲能裝置的實用化、大容量化方面取得了相當多的成果，但由于大容量的高溫超導儲能系統(tǒng)尚未研制出，適應的功率調節(jié)器及其控制方法、電力電子器件的連接方式也都在摸索之中，這樣就限制了高溫超導儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用。
為了能更好的發(fā)揮超導儲能系統(tǒng)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的特性，防止瞬間電壓跌落等故障，本發(fā)明提出了一種基于可控高溫超導儲能系統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制的不對稱相電壓補償控制方法，通過檢測電網(wǎng)側電壓、電流和頻率特征參量，經(jīng)過解耦和反饋運算可以快速和準確地為各相電網(wǎng)獨立提供跌落電壓及相位補償值，提高配電系統(tǒng)的供電質量。中國專利申請200810080666. 7介紹了一種應用兩組單相動態(tài)電壓恢復器實現(xiàn)三相電源系統(tǒng)的動態(tài)串聯(lián)電壓補償器和補償方法。但在這種方法中，如果三相電壓發(fā)生不對稱跌落的話，那么僅用兩組電壓恢復器可能無法完全準確補償電壓跌落故障。同時，上述補償過程中通常使用電容器存儲能量來提供補償電壓。當需要較大的存儲容量以便對長時間的電壓跌落提供補償電壓時，電容器費用將會很高。本發(fā)明通過將各相系統(tǒng)構造成獨立的三相系統(tǒng)，針對每個獨立的三相系統(tǒng)將其進行d，q變換解耦后，補償實際電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱或者不對稱跌落故障。超導儲能系統(tǒng)作為大容量的儲能單元，可以實現(xiàn)毫秒級內向電力系統(tǒng)注入補償能量，因此比電容器具有更快速的能量轉換速度和效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種實現(xiàn)高溫超導儲能系統(tǒng)在毫秒級內向電力系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差，進行電壓不對稱跌落動態(tài)補償?shù)拈]環(huán)控制算法。針對負載側的短路故障引起的電壓幅值凹陷和相位偏移，提出了采用數(shù)字信號處理器，利用YBCO高溫超導儲能單元進行電壓補償?shù)拈]環(huán)控制技術。應用該補償技術可以快速地將超導線圈存儲的能量注入到電網(wǎng)系統(tǒng)中補償電壓凹陷，使負載的電壓維持在正常水平，實現(xiàn)無電壓波動、無不對稱及無諧波的實時控制的柔性化配電網(wǎng)，提高電能質量。本發(fā)明內容包括一種基于瞬時電壓跌落補償?shù)拈]環(huán)控制算法，應用全數(shù)字信號處理器DSP 2812 中數(shù)模模塊采樣電壓跌落信號，提出了將每相單獨構造成對稱的三相進行考慮，針對各個獨立三相系統(tǒng)，檢測故障電壓幅值并與正常電壓進行實時比較，從而確定補償控制方法，通過控制算法產生各相的補償時間和補償電壓的幅值和相位，供脈寬調制電路產生驅動信號給變流器的功率開關管，實現(xiàn)能量的轉換。依據(jù)本發(fā)明的一種基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓補償裝置，其結構包括三相全控整流器、雙向充放電斬波器、高溫超導磁體單元和控制器，其特征在于，三相全控整流器的交流側和三相交流電網(wǎng)相連，輸出側和充放電斬波器的輸入側相連，充放電單元的輸出側與高溫超導磁體單元連接，所述三相整流器，雙向充放電斬波器均與控制器相連。其中，所述三相全控整流器的電路結構為，三相半橋的IGBT開關管Sl和S2、S3和 S4、S5和S6串聯(lián)后并聯(lián)在線路上，每個IGBT開關管并聯(lián)一個反向續(xù)流二極管Dl、D2、D3、 D4、D5和D6，IGBT開關管Sl和S2之間通過濾波電感L1與Y型三相對稱電網(wǎng)Ua連接，IGBT 開關管S3和S4之間通過濾波電感L2與Y型三相對稱電網(wǎng)Ub連接，IGBT開關管S5和S6 通過濾波電感L3與Y型三相對稱電網(wǎng)Uc連接，在直流輸出側安裝濾波電容Cd。其中，所述雙向充放電斬波器為H型電路結構，IGBT開關管S7和反向續(xù)流二極管 D7并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管VD2構成“H橋”的一個上、下橋臂，IGBT開關管S8和續(xù)流二級管D8并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管VDl構成“H橋”的另一個下、上橋臂，超導儲能磁體Lsc串接在IGBT開關管S7和IGBT開關管S8之間，“H橋”輸入端并聯(lián)在電容Cd上。其中，IGBT開關管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的驅動信號由控制器應用數(shù)字信號處理器TMS320F2812根據(jù)空間矢量脈寬調制和電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制算法產生， 通過光耦隔離和功率放大后，連接至IGBT開關管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。本發(fā)明還提出了一種使用上述裝置的基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓補償方法，其特征在于應用數(shù)字信號處理器芯片DSP TMS320F2812采樣電網(wǎng)側三相電壓、 三相電流和頻率特征參量，將各相電壓系統(tǒng)分別構造成獨立的三相電壓系統(tǒng)，通過將檢測到的電壓信號與正常電壓進行實時比較，獲得差值，從而確定電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的時候，各相單獨注入的補償時間和補償電壓的幅值和相位；供脈寬調制電路產生驅動信號給功率調節(jié)器，實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)能量的全數(shù)字控制；該方法將每相電壓解耦成獨立的三相電壓系統(tǒng)，簡化了電壓跌落補償算法，適合于電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱和不對稱凹陷故障時的電壓補償。上述方法，具體包括以下計算步驟(1)確定跌落前電網(wǎng)各相電壓的特征參量首先將電網(wǎng)A，B，C相電壓構造為三個獨立的三相電壓系統(tǒng)，然后對每個獨立的三相電壓系統(tǒng)進行dq變換，將d軸定義為電網(wǎng)A 相電壓矢量方向，q軸定義為其垂直方向，0軸定義為垂直于dq平面的方向，由各個獨立的三相電壓系統(tǒng)的d、q軸分量Vd和、確定跌落前各相電壓的有效值。以A相為例，設跌落前后A相電壓只含有基波分量，其有效值為V，初相位為0，則由A相電壓構造的獨立三相電壓可表示為
權利要求
1.一種基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓補償裝置，其結構包括三相全控整流器、雙向充放電斬波器、高溫超導磁體單元和控制器，其特征在于，三相全控整流器的交流側和三相交流電網(wǎng)相連，輸出側和充放電斬波器的輸入側相連，充放電單元的輸出側與高溫超導磁體單元連接，所述三相整流器，雙向充放電斬波器均與控制器相連。
2.如權利要求1所述的補償裝置，其特征在于，所述三相全控整流器的電路結構為，三相半橋的IGBT開關管Sl和S2、S3和S4、S5和S6串聯(lián)后并聯(lián)在線路上，每個IGBT開關管并聯(lián)一個反向續(xù)流二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT開關管Sl和S2之間通過濾波電感 L1與Y型三相對稱電網(wǎng)Ua連接，IGBT開關管S3和S4之間通過濾波電感L2與Y型三相對稱電網(wǎng)Wd連接，IGBT開關管S5和S6通過濾波電感L3與Y型三相對稱電網(wǎng)Uc連接，在直流輸出側安裝濾波電容Cd。
3.如權利要求2所述的補償裝置，其特征在于，所述雙向充放電斬波器為H型電路結構，IGBT開關管S7和反向續(xù)流二極管D7并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管VD2構成“H橋”的一個上、 下橋臂，IGBT開關管S8和續(xù)流二級管D8并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管VDl構成“H橋”的另一個下、上橋臂，超導儲能磁體Lsc串接在IGBT開關管S7和IGBT開關管S8之間，“H橋”輸入端并聯(lián)在電容Cd上。
4.如權利要求3所述的補償裝置，其特征在于，IGBT開關管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7 和S8的驅動信號由控制器應用數(shù)字信號處理器TMS320F2812根據(jù)空間矢量脈寬調制和電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制算法產生，通過光耦隔離和功率放大后，連接至IGBT開關管Si、 S2、S3、S4、S5、S6、S7 和 S8。
5.一種使用權利要求1-4任一所述裝置的基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓補償方法，其特征在于應用數(shù)字信號處理器芯片DSP TMS320F2812采樣電網(wǎng)側三相電壓、 三相電流和頻率特征參量，將各相電壓系統(tǒng)分別構造成獨立的三相電壓系統(tǒng)，通過將檢測到的電壓信號與正常電壓進行實時比較，獲得差值，從而確定電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的時候，各相單獨注入的補償時間和補償電壓的幅值和相位；供脈寬調制電路產生驅動信號給功率調節(jié)器，實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)能量的全數(shù)字控制；該方法將每相電壓解耦成獨立的三相電壓系統(tǒng)，簡化了電壓跌落補償算法，適合于電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱和不對稱凹陷故障時的電壓補償。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于包括以下計算步驟(1)確定跌落前電網(wǎng)各相電壓的特征參量首先將電網(wǎng)A，B，C相電壓構造為三個獨立的三相電壓系統(tǒng)，然后對每個獨立的三相電壓系統(tǒng)進行dq變換，將d軸定義為電網(wǎng)A相電壓矢量方向，q軸定義為其垂直方向，0軸定義為垂直于dq平面的方向，由各個獨立的三相電壓系統(tǒng)的d、q軸分量Vd和、確定跌落前各相電壓的有效值。以A相為例，設跌落前后A 相電壓只含有基波分量，其有效值為V，初相位為0，則由A相電壓構造的獨立三相電壓可表示為vsa = 42V sin ω v =V2Fsin(^ + |)(1)vsc=-42V^m{ot--)將Vsa，vsb, Vsc變換至d-q坐標下，獲得電壓跌落前三相電壓d，q軸分量的有效值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于高溫超導儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)不對稱電壓動態(tài)補償裝置及其方法，該方法應用數(shù)字信號處理器芯片DSP TMS320F2812采樣電網(wǎng)側電壓、電流和頻率特征參量，將各相系統(tǒng)構造成獨立的三相系統(tǒng)，通過檢測到的電壓跌落信號，并與正常電壓進行實時比較，確定各相單獨注入的補償時間和補償電壓的幅值和相位。供脈寬調制電路產生驅動信號給功率調節(jié)器開關管，實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)能量的全數(shù)字控制。本發(fā)明適用于高溫超導儲能系統(tǒng)對實際電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱或者不對稱跌落故障的快速補償。能在毫秒內使負載電壓恢復正常水平，實現(xiàn)無電壓波動、無不對稱及無諧波的實時控制功能，提高電網(wǎng)電能質量和供電可靠性。
文檔編號H02J3/28GK102185330SQ20111011979
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權日2011年5月10日
發(fā)明者丘明, 張宏杰, 諸嘉慧, 魏斌 申請人:中國電力科學研究院