超导储能用大功率换流器及其控制技术_

超导储能用大功率换流器及其控制技术
   李学斌,赵彩宏,肖立业
   （1.中国科学院电工研究所，北京100080；2.中国科学院研究生院，北京100039）
   摘要: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。
   关键词:换流器；控制/超导储能；级联型多电平电路
   中图分类号:TM917文献标识码:A文章编号:1000-100X（2006）05-0124-03
   1引言
   根据超导储能系统（Superconductive MagneticEnergy Storage，简称SMES）的容量，可将其分为大容量和中小容量两类。大容量储能系统在电网中能够存储大量有功能量，中小容量系统主要用于改善电网电能质量。SMES结构主要包括超导磁体和功率调节电路两大部分，其中功率调节电路又包括用于超导磁体的电流调节电路及与电网衔接、用于输出控制量的换流器电路。换流器直接与电网相连，承担着与电网进行能量交换的作用，所以其工作及控制特性可直接影响系统的性能。本文根据超导储能技术的发展情况，分析比较了超导储能用换流器的技术要求及结构特点，同时给出了几种用于电压型换流器的控制策略。
   2 SMES原理及换流器特点
   由于超导体的超导电性，电能可以电磁能的形式无损耗地存储于磁体当中。当系统处于工作状态时，超导磁体通过功率变换电路将磁体电流转换为换流器的直流支撑电压。图1示出一种串联电压型SMES系统原理，主要针对电压敏感负荷，基本功能为对非正常电压进行动态补偿，以满足敏感负荷对电压质量的要求。
   超导储能用换流器与普通逆变电路不同。简言之，换流器连接储能单元与电网，工作环境复杂，功率双向流动，对开关电路要求较高；通用逆变器作为电源设备，服务对象一般为用户负载，工作环境单一。所以，换流器必须具备电压等级较高、开关谐波含量少以及结构灵活易于维护等特点。

   3  两种电压型大功率换流器的比较
   多电平电路旨在提供多电平的输出电压以改善系统性能，同时努力降低开关器件的电应力，提高工作频率。目前常用的大功率拓扑有中点箝位型电路和级联型电路两种。多电平电路具有更高的容量，能够产生更好的输出波形。由于多电平电路中的开关元件交替工作，因此大大减小了器件的电应力，减轻了电磁干扰问题。
   3.1中点箝位型多电平电路
   图2示出二极管箝位型的三电平结构。二极管箝位型三电平电路是目前中点箝位型电路中最简单最实用的一种，由其构成的STATCOM已得到了应用[1]。该电路具有可产生N阶梯输出电压，改善输出波形，开关管耐压等级降低的优点；其缺点是随着输出电压的增高相应电平数也要增加，大量箝位元件使电路结构复杂化，同时电路的开关控制逻辑亦变得十分复杂，并会产生中点电位漂移[2，3]。

    3.2  级联多电平电路
   级联型多电平电路基本思路类似于电源串联，通过各个独立电源进行电压叠加以得到多阶梯输出电压波形，图3示出其电路拓扑。采用级联型电路构造电平数为2n+1个，其特点为：①无中点漂移现象；②可容错和冗余工作；③结构简单灵活，易于构造大功率系统；④控制方法不会因电平数增加而变得复杂。不足之处是直流电源数量多。

   4  采用级联型换流器的SMES
   中点箝位型电路性能比较平均，属中上容量等级。将两种电路在同样电平数及电压等级下比较，级联型电路相对简单，控制策略容易实现，所以超导储能采用级联型换流器能够改善输出波形质量，提高动态性能及电压等级，简化控制策略。图4示出级联型超导储能单相电路拓扑。图中超导磁体的功率系统和多抽头变压器、整流电路构成电流调节器组，将磁体电流转化为直流电压[4]。

   5 换流器控制策略
   针对电能质量的调节问题，将换流器控制分为两个方面：①换流器自身开关器件的控制脉冲产生和分配；②控制目标及控制策略。换流器控制脉冲的产生是控制系统中重要方面，它对于SMES而言，就是控制功能经由脉宽调制（PWM）产生的具体执行信号，其实现方式分为基于载波PWM技术和非载波PWM技术两种类型。
   5.1基于载波的相移PWM控制技术
   基于载波的PWM技术通过调制波信号与三角载波比较得到PWM信号，最基本的为正弦波调制技术（SPWM）。该技术具有优化的频谱分布、优良的传输特性以及能够根据换流器要求设定工作频率等优点。图5示出换流器采用基于载波的相移PWM控制时的控制信号流程图。

图6示出相移SPWM方式产生原理，图中3个三角波依次为单元1，2，3的载波。补偿量通过特定算法提取，并作为调制波。设用于功率单元1的三角载波相位为0，则用于功率单元2，3的三角载波相位依次延迟1/6，2/6个载波周期。n单元级联，则相应单元载波延迟角度为（n-1）/2n个载波周期。

    5.2基于非载波PWM控制技术
   典型的非载波PWM技术有滞环控制法及滑模控制等方法。前者是一种简单的Bang-Bang控制，依靠实际参数与指定参数的上下限比较得到开关信号，具有动态响应速度快，鲁棒性能好等优点，但由于开关频率不易控制，往往超过大容量功率器件的频率范围；后者属于变结构控制，通过控制参数的切换影响受控对象，使受控对象快速跟随参考信号，鲁棒性好，响应速度快。变结构特性非常适合电力电子等开关系统，但是普通的滑模控制中由于切换函数存在高频抖动，这种抖动提高了大功率器件的切换频率，使开关损耗增加，所以有必要利用改进算法来降低这种抖动频率[5]。图8为换流器电路及滞环滑模控制框图。

信号。控制器输出端加入滞环，将滑模切换线s=0扩展为切换带，则切换函数轨迹将以低频振荡的方式趋向于原点，大大降低切换频率。
   5.3两种控制方式的比较
   基于载波调制的相移PWM控制技术能根据要求确定换流器的工作频率，控制实现简单，尤其针对级联型电路，控制策略不会随电平数增加而变得复杂。但该方法需要确定作为调制波的控制信号，所以控制信号的提取算法对控制精度影响很大，尤其当算法中采用数字滤波器时会产生响应延迟。
   采用非载波PWM调制的滑模变结构控制，将电网质量控制归结为受控对象跟踪参考信号的闭环控制，这样避免了提取调制波的运算过程，算法在稳定区域内具有较强的鲁棒性和自适应性，并对外界干扰不敏感。但是设计控制器时需要考虑输出端滤波器等各种参数的影响，同时不能精确控制换流器的开关频率，该频率可能会超出额定频率，所以需要采用特殊方法加以降低。对于级联型换流器，可以采用分程滑模控制，进一步改善控制品质。
   通过仿真可知，两种控制方式均对电压凹陷及谐波有良好的补偿效果，但滑模控制的效果更为平滑，而相移PWM控制含有少量特征谐波。
   6  结论
   由上述分析可知，级联型换流器因其结构灵活，工作性能良好，在大功率领域有着广阔的应用前景。
   对该换流器的控制手段有多种，尤其在多电平情况下控制算法不会变得复杂。两大类PWM控制方式各有其优点，相移PWM简单可靠，而滑模控制稳定性能良好，对于外界扰动具有自适应性。两种PWM产生方式均适用于级联型大功率换流器的控制。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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