专利名称：基于高温超导储能的电网不对称电压补偿装置及方法
技术领域：
本发明属于超导应用技术领域，具体涉及一种基于高温超导储能系统的电网不对称电压动态补偿装置及其方法。
背景技术：
电力系统中的配电网络或用户端，一旦发生短路故障、开关操作、变压器或电容器组的投切等均可能引起瞬时电压跌落。虽然瞬时电压跌落属于偶然的暂态电压变动，持续时间很短，但对一些敏感用电设备的影响却很大。面对这种现状，改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要作用， 直接关系到国民经济的总体效益。高温超导储能系统是应用高温超导材料构造储能磁体线圈，并把电能以磁场能形式存储在超导线圈中的储能设备。高温超导储能系统可以解决因电网故障引起的瞬时电压跌落问题，并同时可以执行无功补偿、有源滤波、波动负载补偿、三相负载不平衡补偿等功能。在正常工作情况下，电网系统交流功率经大功率电力电子变换器转换成直流注入超导线圈，以磁场能形式储存起来。当电网波动超过一定范围时，检测控制系统立即发出释放能量的指令，此时储存在超导储能系统中的能量在极短的时间内，经功率调节器执行无功补偿、有源滤波、波动负载补偿等功能，超导磁体通过功率调节器的控制输出能量从而保持负载端电压稳定。高温超导储能系统所用的功率调节器是超导磁体和电网之间实现能量交换的功率装置。它一般通过变压器与电网进行隔离连接，能独立控制超导磁体与电力系统间的有功功率和无功功率交换。从器件上看，早期基于可控硅的功率调节器虽然易于得到较大的转换容量，但因其滞后的功率因数及较大的谐波使应用受到限制。随着半导体功率器件技术的发展，用可关断晶闸管和绝缘栅双极型功率管等全控型器件构成的调节器可克服这些弱点。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。当采用这些开关元件时，功率调节器可工作于P，Q平面的四个象限，并可利用脉宽控制技术来减少交流侧低次谐波，从而提高动态响应速度，增强高温超导储能系统的功率调节动态性能，改善电力系统电能质量。为了使高温超导储能系统能够迅速、独立地与电网系统进行四象限有功和无功功率的交换，提高电网电压的暂态稳定性，对超导储能系统用功率调节器的控制方法的研究显得十分重要。目前已有美国、日本以及欧洲一些学者针对超导储能系统不同的功率调节器拓扑结构提出了不同的控制方法，如电压电流双闭环PI控制、状态反馈控制、滑模结构控制、重复控制以及基于Lyapunov稳定性理论的控制；也发展了一些对电网电压进行暂态检测的方法，如基于瞬时无功功率理论的dqO变换方法等。国外已在低温超导储能装置的实用化、大容量化方面取得了相当多的成果，但由于大容量的高温超导储能系统尚未研制出，适应的功率调节器及其控制方法、电力电子器件的连接方式也都在摸索之中，这样就限制了高温超导储能系统在电力系统中的应用。
为了能更好的发挥超导储能系统稳定电网电压的特性，防止瞬间电压跌落等故障，本发明提出了一种基于可控高温超导储能系统的双闭环PI控制的不对称相电压补偿控制方法，通过检测电网侧电压、电流和频率特征参量，经过解耦和反馈运算可以快速和准确地为各相电网独立提供跌落电压及相位补偿值，提高配电系统的供电质量。中国专利申请200810080666. 7介绍了一种应用两组单相动态电压恢复器实现三相电源系统的动态串联电压补偿器和补偿方法。但在这种方法中，如果三相电压发生不对称跌落的话，那么仅用两组电压恢复器可能无法完全准确补偿电压跌落故障。同时，上述补偿过程中通常使用电容器存储能量来提供补偿电压。当需要较大的存储容量以便对长时间的电压跌落提供补偿电压时，电容器费用将会很高。本发明通过将各相系统构造成独立的三相系统，针对每个独立的三相系统将其进行d，q变换解耦后，补偿实际电网电压发生三相对称或者不对称跌落故障。超导储能系统作为大容量的储能单元，可以实现毫秒级内向电力系统注入补偿能量，因此比电容器具有更快速的能量转换速度和效率。
发明内容
本发明的目的是设计一种实现高温超导储能系统在毫秒级内向电力系统注入正常电压与故障电压之差，进行电压不对称跌落动态补偿的闭环控制算法。针对负载侧的短路故障引起的电压幅值凹陷和相位偏移，提出了采用数字信号处理器，利用YBCO高温超导储能单元进行电压补偿的闭环控制技术。应用该补偿技术可以快速地将超导线圈存储的能量注入到电网系统中补偿电压凹陷，使负载的电压维持在正常水平，实现无电压波动、无不对称及无谐波的实时控制的柔性化配电网，提高电能质量。本发明内容包括一种基于瞬时电压跌落补偿的闭环控制算法，应用全数字信号处理器DSP 2812 中数模模块采样电压跌落信号，提出了将每相单独构造成对称的三相进行考虑，针对各个独立三相系统，检测故障电压幅值并与正常电压进行实时比较，从而确定补偿控制方法，通过控制算法产生各相的补偿时间和补偿电压的幅值和相位，供脉宽调制电路产生驱动信号给变流器的功率开关管，实现能量的转换。依据本发明的一种基于高温超导储能系统的电网不对称电压补偿装置，其结构包括三相全控整流器、双向充放电斩波器、高温超导磁体单元和控制器，其特征在于，三相全控整流器的交流侧和三相交流电网相连，输出侧和充放电斩波器的输入侧相连，充放电单元的输出侧与高温超导磁体单元连接，所述三相整流器，双向充放电斩波器均与控制器相连。其中，所述三相全控整流器的电路结构为，三相半桥的IGBT开关管Sl和S2、S3和 S4、S5和S6串联后并联在线路上，每个IGBT开关管并联一个反向续流二极管Dl、D2、D3、 D4、D5和D6，IGBT开关管Sl和S2之间通过滤波电感L1与Y型三相对称电网Ua连接，IGBT 开关管S3和S4之间通过滤波电感L2与Y型三相对称电网Ub连接，IGBT开关管S5和S6 通过滤波电感L3与Y型三相对称电网Uc连接，在直流输出侧安装滤波电容Cd。其中，所述双向充放电斩波器为H型电路结构，IGBT开关管S7和反向续流二极管 D7并联后串联快速二极管VD2构成“H桥”的一个上、下桥臂，IGBT开关管S8和续流二级管D8并联后串联快速二极管VDl构成“H桥”的另一个下、上桥臂，超导储能磁体Lsc串接在IGBT开关管S7和IGBT开关管S8之间，“H桥”输入端并联在电容Cd上。其中，IGBT开关管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的驱动信号由控制器应用数字信号处理器TMS320F2812根据空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环反馈控制算法产生， 通过光耦隔离和功率放大后，连接至IGBT开关管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8。本发明还提出了一种使用上述装置的基于高温超导储能系统的电网不对称电压补偿方法，其特征在于应用数字信号处理器芯片DSP TMS320F2812采样电网侧三相电压、 三相电流和频率特征参量，将各相电压系统分别构造成独立的三相电压系统，通过将检测到的电压信号与正常电压进行实时比较，获得差值，从而确定电网电压发生跌落的时候，各相单独注入的补偿时间和补偿电压的幅值和相位；供脉宽调制电路产生驱动信号给功率调节器，实现超导储能系统能量的全数字控制；该方法将每相电压解耦成独立的三相电压系统，简化了电压跌落补偿算法，适合于电网电压发生三相对称和不对称凹陷故障时的电压补偿。上述方法，具体包括以下计算步骤(1)确定跌落前电网各相电压的特征参量首先将电网A，B，C相电压构造为三个独立的三相电压系统，然后对每个独立的三相电压系统进行dq变换，将d轴定义为电网A 相电压矢量方向，q轴定义为其垂直方向，0轴定义为垂直于dq平面的方向，由各个独立的三相电压系统的d、q轴分量Vd和、确定跌落前各相电压的有效值。以A相为例，设跌落前后A相电压只含有基波分量，其有效值为V，初相位为0，则由A相电压构造的独立三相电压可表示为
权利要求
1.一种基于高温超导储能系统的电网不对称电压补偿装置，其结构包括三相全控整流器、双向充放电斩波器、高温超导磁体单元和控制器，其特征在于，三相全控整流器的交流侧和三相交流电网相连，输出侧和充放电斩波器的输入侧相连，充放电单元的输出侧与高温超导磁体单元连接，所述三相整流器，双向充放电斩波器均与控制器相连。
2.如权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，所述三相全控整流器的电路结构为，三相半桥的IGBT开关管Sl和S2、S3和S4、S5和S6串联后并联在线路上，每个IGBT开关管并联一个反向续流二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT开关管Sl和S2之间通过滤波电感 L1与Y型三相对称电网Ua连接，IGBT开关管S3和S4之间通过滤波电感L2与Y型三相对称电网Wd连接，IGBT开关管S5和S6通过滤波电感L3与Y型三相对称电网Uc连接，在直流输出侧安装滤波电容Cd。
3.如权利要求2所述的补偿装置，其特征在于，所述双向充放电斩波器为H型电路结构，IGBT开关管S7和反向续流二极管D7并联后串联快速二极管VD2构成“H桥”的一个上、 下桥臂，IGBT开关管S8和续流二级管D8并联后串联快速二极管VDl构成“H桥”的另一个下、上桥臂，超导储能磁体Lsc串接在IGBT开关管S7和IGBT开关管S8之间，“H桥”输入端并联在电容Cd上。
4.如权利要求3所述的补偿装置，其特征在于，IGBT开关管Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7 和S8的驱动信号由控制器应用数字信号处理器TMS320F2812根据空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环反馈控制算法产生，通过光耦隔离和功率放大后，连接至IGBT开关管Si、 S2、S3、S4、S5、S6、S7 和 S8。
5.一种使用权利要求1-4任一所述装置的基于高温超导储能系统的电网不对称电压补偿方法，其特征在于应用数字信号处理器芯片DSP TMS320F2812采样电网侧三相电压、 三相电流和频率特征参量，将各相电压系统分别构造成独立的三相电压系统，通过将检测到的电压信号与正常电压进行实时比较，获得差值，从而确定电网电压发生跌落的时候，各相单独注入的补偿时间和补偿电压的幅值和相位；供脉宽调制电路产生驱动信号给功率调节器，实现超导储能系统能量的全数字控制；该方法将每相电压解耦成独立的三相电压系统，简化了电压跌落补偿算法，适合于电网电压发生三相对称和不对称凹陷故障时的电压补偿。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于包括以下计算步骤(1)确定跌落前电网各相电压的特征参量首先将电网A，B，C相电压构造为三个独立的三相电压系统，然后对每个独立的三相电压系统进行dq变换，将d轴定义为电网A相电压矢量方向，q轴定义为其垂直方向，0轴定义为垂直于dq平面的方向，由各个独立的三相电压系统的d、q轴分量Vd和、确定跌落前各相电压的有效值。以A相为例，设跌落前后A 相电压只含有基波分量，其有效值为V，初相位为0，则由A相电压构造的独立三相电压可表示为vsa = 42V sin ω v =V2Fsin(^ + |)(1)vsc=-42V^m{ot--)将Vsa，vsb, Vsc变换至d-q坐标下，获得电压跌落前三相电压d，q轴分量的有效值。
全文摘要
本发明涉及一种基于高温超导储能系统的电网不对称电压动态补偿装置及其方法，该方法应用数字信号处理器芯片DSP TMS320F2812采样电网侧电压、电流和频率特征参量，将各相系统构造成独立的三相系统，通过检测到的电压跌落信号，并与正常电压进行实时比较，确定各相单独注入的补偿时间和补偿电压的幅值和相位。供脉宽调制电路产生驱动信号给功率调节器开关管，实现超导储能系统能量的全数字控制。本发明适用于高温超导储能系统对实际电网电压发生三相对称或者不对称跌落故障的快速补偿。能在毫秒内使负载电压恢复正常水平，实现无电压波动、无不对称及无谐波的实时控制功能，提高电网电能质量和供电可靠性。
文档编号H02J3/28GK102185330SQ20111011979
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者丘明, 张宏杰, 诸嘉慧, 魏斌 申请人:中国电力科学研究院