專利名稱：一種基于dsp的高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的能量變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種可提高系統(tǒng)電能質(zhì)量的能量變換裝置，具體涉及一種高溫超 導(dǎo)儲能系統(tǒng)用快速能量變換裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電力電子技術(shù)，超導(dǎo)磁體技術(shù)，低溫技術(shù)的發(fā)展，以及第II代高溫超 導(dǎo)材料性能的極大提高，尤其是YBC0高溫超導(dǎo)線材在強磁場下具有較好載流能力的特性 使得基于第II代高溫超導(dǎo)體的磁儲能系統(tǒng)(SMES)受到廣泛重視。在超導(dǎo)電力領(lǐng)域中，超 導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于改善電能質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)頻率和電壓波動，減輕發(fā)電機 的次同步振蕩，縮短故障恢復(fù)時間方面。超導(dǎo)儲能磁體實際上是一個儲存有一定電磁能量的無阻電感，當(dāng)儲能磁體放電 時，磁體中的電流隨之衰減，輸出電壓也不斷發(fā)生變化，這給實際應(yīng)用帶來不便。此外，在儲 能磁體放電時，一般要求輸出電壓穩(wěn)定、電壓調(diào)節(jié)范圍大、開關(guān)頻率高、功率密度大等，這些 都對超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)?？焖倌芰孔儞Q裝置是超導(dǎo)儲能能量變換的關(guān)鍵，也是整個系統(tǒng)的核心，該裝置能 夠獨立控制超導(dǎo)線圈和電力系統(tǒng)之間的有功功率和無功功率交換?，F(xiàn)在歐洲、日本等主要 工業(yè)國家投入了大量資金研究SMES功率變換裝置，并且已在超導(dǎo)儲能裝置的實用化、大容 量化方面取得了相當(dāng)多的成果。早期，快速能量變換裝置中的功率級電路多采用可控硅器件(SCR)，網(wǎng)側(cè)的整流環(huán) 節(jié)多采用二極管不控整流或晶閘管相控整流電路，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)很低，對電網(wǎng)和用 電設(shè)備造成了很嚴(yán)重的諧波污染，為了減小諧波，只能采用多重化形式的電壓源換流器和 電網(wǎng)相連。而多重化的電壓源換流器需要使用多個體積龐大，價格昂貴的工頻變壓器，這不 僅大大增大了系統(tǒng)的體積，還大大增加了系統(tǒng)成本。這些早期的基于SCR的變換器雖然易 于得到大的功率容量，但因其滯后的功率因數(shù)及顯著的諧波使其在超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的應(yīng)用受 到限制。另一方面，為了調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體的充電電流，需要一個輸出電壓可調(diào)且能量可以雙向 流動的雙向DC-DC變換器。傳統(tǒng)的電路多采用直接連接型的Buck/Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以高 壓側(cè)作為輸入時，電路等同于一個Buck降壓電路；以低壓側(cè)作為輸入時，電路等同于一個 Boost升壓電路，這種電路工作時利用另外一只開關(guān)管的反并聯(lián)二極管作為續(xù)流元件，雖然 具有結(jié)構(gòu)簡單，元器件利用效率高等優(yōu)點，但其輸入側(cè)與輸出側(cè)沒有電氣隔離，并且當(dāng)電路 工作在升壓狀態(tài)時，二極管的反向恢復(fù)電流很大，損耗極大，不適合大功率應(yīng)用場合。同時，在控制方式上，傳統(tǒng)電路多采用單片機或?qū)Ｓ媚M芯片實現(xiàn)，控制電路存在 電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、抗干擾能力差和存在溫度漂移等缺點。由于大功率電路對開關(guān)器件的 觸發(fā)脈沖要求很高，配電系統(tǒng)的容量和規(guī)模日益增大，傳統(tǒng)的控制裝置無論是在控制精度 還是在控制速度上都難以滿足超導(dǎo)儲能系統(tǒng)對能量變換的要求。

實用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)中控制裝置存在的上述損耗大、反應(yīng)速度慢和抗干擾能力差等問 題，本實用新型設(shè)計一種基于高性能數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的高溫超導(dǎo)儲能快速能量變 換裝置，具有速度快，精度高，控制算法容易實現(xiàn)等特點，具體方案如下一種基于DSP的高 溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的能量變換裝置，包括三相整流器、雙向直流變換器、控制器和雙向充放電 單元，其特征在于，三相整流器的交流側(cè)和三相交流電網(wǎng)相連，輸出側(cè)和雙向直流變換器的 高壓直流側(cè)相連，雙向直流變換器的低壓直流側(cè)和充放電單元的輸入側(cè)相連，充放電單元的 輸出側(cè)與超導(dǎo)磁體連接，所述三相整流器，雙向直流變換器和充放電單元均與控制器相聯(lián)。本實用新型的另一優(yōu)選方式所述三相整流器、雙向直流變換器和充放電單元由 DSP TMS320F2812芯片進行控制。本實用新型的另一優(yōu)選方式所述三相整流器的電路結(jié)構(gòu)為，三相半橋的IGBT開 關(guān)管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6串聯(lián)后并聯(lián)在線路上，每個IGBT開關(guān)管并聯(lián)一個相應(yīng)的續(xù) 流二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT開關(guān)管Q1和Q2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(guān)管Q3和Q4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(guān)管Q5和Q6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(cè)安裝濾 波電容Cl，IGBT開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驅(qū)動信號由數(shù)字信號處理器TMS320F2812 根據(jù)SVPWM空間矢量調(diào)制和電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制算法產(chǎn)生，通過光耦隔離和功率放 大后，連接至功率器件。本實用新型的另一優(yōu)選方式所述雙向直流變換器的電路結(jié)構(gòu)為，電路的輸出端 和輸入端之間安裝隔離變壓器T1，T1輸入端串聯(lián)有并聯(lián)在一起的IGBT開關(guān)管Q7和續(xù)流二 極管D7，輸入端在并聯(lián)濾波電容C2 ；IGBT開關(guān)管Q8和續(xù)流二極管D8并聯(lián)后串聯(lián)在T1輸 出端，IGBT開關(guān)管Q9和續(xù)流二極管D9并聯(lián)接至輸出端，然后與濾波電感L4串聯(lián)，再與濾 波電容C3并聯(lián)，濾波電感L4和濾波電容C3共同組成一階LC低通濾波器。本實用新型的另一優(yōu)選方式所述充放電單元的電路結(jié)構(gòu)為H型電路，IGBT開關(guān) 管Q10和續(xù)流二極管D10并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管D12構(gòu)成“H橋”的一個上下橋臂，IGBT開 關(guān)管Q11和續(xù)流二級管D11并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管D13構(gòu)成“H橋”的另一個下上橋臂，超 導(dǎo)儲能磁體L5串接在IGBT開關(guān)管Q10和IGBT開關(guān)管Q11之間，“H橋”輸入端并聯(lián)在線路 上，同時輸入側(cè)并聯(lián)有濾波電容C4。本實用新型具有對高溫超導(dǎo)儲能磁體進行充/放電，實現(xiàn)能量快速存儲和釋放的 功能，主電路采用無變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合改善電力系統(tǒng)的低頻振蕩等應(yīng)用場合，功率級電 路采用全控型絕緣柵雙極晶體管(IGBT)智能IPM功率模塊、雙向直流變換器和H型充放電 斬波電路組成，一方面可以提高高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面，可以將開關(guān)頻率提 高到20kHz以上，大大降低裝置的體積和成本，采用SVPWM脈沖觸發(fā)方式，改善網(wǎng)側(cè)的功率 因數(shù)，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)的能量交換，提高系統(tǒng)效率。裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、功 率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。本實用新型的控制核心采用TMS320F2812高性能32位定點數(shù)字信號處理芯片，集 微控制器和高性能DSP的特點于一身，能夠在一個周期內(nèi)完成32X32位的乘法累積運算， 能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度的處理任務(wù)，運行速度可以達到100MIPS。芯片內(nèi)部 包含F(xiàn)lash存儲器，快速AD轉(zhuǎn)換器，增強的CAN模塊等外設(shè)，具有強大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如SVPWM等復(fù)雜的控制算法及實時檢測功能。利用高性能數(shù)字信號處理芯片DSP來實現(xiàn)超導(dǎo)儲能裝置的控制，基于SVPWM脈沖 觸發(fā)技術(shù)和單位功率因數(shù)的電壓、電流的雙閉環(huán)反饋控制策略，可以很大程度上提高控制 的速度和精度，減少傳統(tǒng)控制方式由于速度限制而引起的控制滯后和精度缺陷，使整個裝 置具有很好的調(diào)節(jié)性能。采用全數(shù)字信號調(diào)制技術(shù)，可以極大簡化硬件電路的設(shè)計，使輸出 觸發(fā)脈沖安全可靠，實時控制性好，極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用雙向直流變換 器結(jié)構(gòu)單元，超導(dǎo)磁體的端電壓可以靈活調(diào)節(jié)，降低了超導(dǎo)磁體的絕緣耐壓要求，大大減少 了超導(dǎo)磁體的研制費用，為超導(dǎo)儲能系統(tǒng)實現(xiàn)在電網(wǎng)中的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用提供了條件。

圖1本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖圖2本實用新型三相整流器電路示意圖圖3本實用新型雙向直流變換器電路示意圖圖4本實用新型充放電單元電路示意圖
具體實施方式
在高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中，考慮到超導(dǎo)磁體單元能量轉(zhuǎn)換和電流傳輸?shù)奶攸c，需要 既提高響應(yīng)速度又減少網(wǎng)側(cè)交流諧波損耗，實現(xiàn)超導(dǎo)儲能系統(tǒng)高功率因數(shù)的能量轉(zhuǎn)換。在 器件上，隨著半導(dǎo)體功率器件技術(shù)的發(fā)展，用GT0和IGBT等全控型器件構(gòu)成的變流器滿足 這些要求。當(dāng)采用這些開關(guān)元件時，變流器可工作于P，Q平面的四個象限；在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 上，采用隔離型雙向直流變換器和H型斬波器連接超導(dǎo)儲能磁體，可以降低磁體兩端的絕 緣耐壓等級，減小充/放電速率，提供可靠的續(xù)流回路，隔離電網(wǎng)對超導(dǎo)磁體的直接影響， 有利于磁體的穩(wěn)定運行；并可利用空間矢量(SVPWM)控制方式和電壓、電流的雙環(huán)反饋控 制策略，來減少交流側(cè)低次諧波、提高電壓利用率，降低對交流側(cè)濾波器的要求。本實用新型中的三相整流器為三相半橋變換器，交流側(cè)為三相電網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)功 率開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖占空比來調(diào)節(jié)直流側(cè)輸出電壓。為提高輸入側(cè)電壓的利用率、實現(xiàn) 網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的能量交換，保證輸出側(cè)電壓的穩(wěn)定，采用SVPWM空間矢量脈沖觸發(fā)和 電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制方式，對超導(dǎo)磁體的充電電壓進行實時調(diào)節(jié)；所設(shè)計的雙向直流 變換器單元通過PWM或滯環(huán)比較控制方式，對三相PWM整流/逆變單元輸出的幅值較高的 直流電壓進行斬波，獲得一個幅值較低且可調(diào)的直流電壓，從而調(diào)節(jié)超導(dǎo)線圈的充放電電 流。線圈充放電單元由IGBT功率模塊和快速二極管構(gòu)成的橋式電路構(gòu)成，通過控制開關(guān)管 的導(dǎo)通關(guān)斷實現(xiàn)對超導(dǎo)線圈的充電、放電以及能量維持等多種功能。變換裝置可以在無變壓器的情況下，實現(xiàn)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間能量的快速轉(zhuǎn)換， 設(shè)計了基于DSP TMS320F2812控制的具有單位功率因數(shù)能量交換的超導(dǎo)儲能功率變換器， 采用了空間矢量SVPWM調(diào)制以及單位功率因數(shù)控制算法，提高了輸入側(cè)電壓利用率，減小 了系統(tǒng)諧波。采用電壓、電流雙閉環(huán)控制算法，進一步提高了直流側(cè)磁體電壓的穩(wěn)定性。設(shè) 計了基于DSP TMS320F2812控制的隔離型雙向直流變換器，能量可以雙向流動，采用同步整 流技術(shù)，降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，提高了系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計了基于DSPTMS320F2812 控制的超導(dǎo)磁體充/放電斬波電路，基于超導(dǎo)磁體電流變化情況，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體的工作狀態(tài)(充電、續(xù)流和放電)。如圖1所示，在交流電網(wǎng)和超導(dǎo)儲能磁體之間依次串接有三相整流器、雙向直流 變換器和H型充放電單元。如圖2所示，三相整流器電路中，三相半橋的全控型IGBT開關(guān)管Q1和Q2、Q3和 Q4、Q5和Q6串聯(lián)后構(gòu)成三相橋的上下橋臂，每個IGBT開關(guān)管分別并聯(lián)續(xù)流二極管Dl、D2、 D3、D4、D5和D6，IGBT開關(guān)管Q1和Q2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(guān)管Q3和Q4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(guān)管Q5 和Q6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(cè)安裝濾波電容CI。IGBT 開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驅(qū)動信號由數(shù)字信號處理器TMS320F2812產(chǎn)生，通過光耦 隔離和功率放大后，連接至功率器件。為提高輸入電壓的利用率，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù) 的能量雙向流動，DSPTMS320F2812采用SVPWM空間矢量調(diào)制和電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制 算法，對直流側(cè)電壓進行調(diào)節(jié)。DSP的快速AD采樣模塊同時對功率電路進行實時監(jiān)測，對故 障情況進行及時反饋。如圖3所示，直流變換器為能量雙向流動型，電路的輸出端和輸入端之間安裝隔 離變壓器T1，T1輸入端串聯(lián)有并聯(lián)在一起的IGBT開關(guān)管Q7和續(xù)流二極管D7，輸入端在并 聯(lián)濾波電容C2 ；IGBT開關(guān)管Q8和續(xù)流二極管D8并聯(lián)后串聯(lián)在T1輸出端，IGBT開關(guān)管Q9 和續(xù)流二極管D9并聯(lián)接至輸出端，然后與濾波電感L4串聯(lián)，再與濾波電容C3并聯(lián)，濾波電 感L4和濾波電容C3共同組成一階LC低通濾波器。為滿足超導(dǎo)磁體的絕緣要求，達到安全 的充電電壓，該單元將直流變換器的輸出電壓調(diào)制成幅值較低的直流電壓。當(dāng)給磁體充電 時，能量正向流動，電網(wǎng)通過整流器、雙向直流變換器單元及磁體充放電單元給超導(dǎo)磁體充 電，磁體儲存能量，此時雙向直流變換器單元工作在降壓型Buck電路狀態(tài)；當(dāng)超導(dǎo)磁體放 電時，能量反向流動，磁體中存儲的能量經(jīng)過雙向直流變換器單元及整流器以單位功率因 數(shù)形式回饋給電網(wǎng)，此時雙向直流變換器工作在升壓型Boost電路狀態(tài)。如圖4所示，充放電單元的電路中IGBT開關(guān)管Q10和續(xù)流二極管D10并聯(lián)后串聯(lián) 快速二極管D12構(gòu)成“H橋”的一個上下橋臂，IGBT開關(guān)管Q11和續(xù)流二級管D11并聯(lián)后串 聯(lián)快速二極管D13構(gòu)成“H橋”的另一個下上橋臂。超導(dǎo)儲能磁體L5串接在IGBT開關(guān)管 Q10和IGBT開關(guān)管Q11之間，“H橋”輸入側(cè)并聯(lián)有濾波電容C4。當(dāng)Q10和Q11同時導(dǎo)通 時，超導(dǎo)磁體處于充電儲能狀態(tài)，當(dāng)D12和D13同時導(dǎo)通時，超導(dǎo)磁體處于放電回饋狀態(tài)，當(dāng) Q10和D13或Q11和D12導(dǎo)通時，超導(dǎo)磁體處于能量續(xù)流狀態(tài)。為均衡開關(guān)器件所受應(yīng)力， 可以輪流開通Q10或Q11分別構(gòu)成續(xù)流回路。
權(quán)利要求一種基于DSP的高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的能量變換裝置，包括三相整流器、雙向直流變換器、控制器和雙向充放電單元，其特征在于，三相整流器的交流側(cè)和三相交流電網(wǎng)相連，輸出側(cè)和雙向直流變換器的高壓直流側(cè)相連，雙向直流變換器的低壓直流側(cè)和充放電單元的輸入側(cè)相連，充放電單元的輸出側(cè)與超導(dǎo)磁體連接，所述三相整流器，雙向直流變換器和充放電單元均與控制器相聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的能量變換裝置，其特征在于，所述三相整流器、雙向直流變換器 和充放電單元由DSP TMS320F2812芯片進行控制。
3.如權(quán)利要求2所述的能量變換裝置，其特征在于，所述三相整流器的電路結(jié)構(gòu)為，三 相半橋的IGBT開關(guān)管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6串聯(lián)后并聯(lián)在線路上，每個IGBT開關(guān)管 并聯(lián)一個相應(yīng)的續(xù)流二極管D1、D2、D3、D4、D5和D6，IGBT開關(guān)管Q1和Q2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(guān)管Q3和Q4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(guān)管Q5和Q6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(cè)安裝濾波電容Cl，IGBT開關(guān)管Ql、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的驅(qū)動信號由數(shù)字信 號處理器TMS320F2812根據(jù)SVPWM空間矢量調(diào)制和電壓、電流雙閉環(huán)反饋控制算法產(chǎn)生，通 過光耦隔離和功率放大后，連接至功率器件。
4.如權(quán)利要求2所述的能量變換裝置，其特征在于，所述雙向直流變換器的電路結(jié)構(gòu) 為，電路的輸出端和輸入端之間安裝隔離變壓器T1，T1輸入端串聯(lián)有并聯(lián) 在一起的IGBT開 關(guān)管Q7和續(xù)流二極管D7，輸入端在并聯(lián)濾波電容C2 ；IGBT開關(guān)管Q8和續(xù)流二極管D8并 聯(lián)后串聯(lián)在T1輸出端，IGBT開關(guān)管Q9和續(xù)流二極管D9并聯(lián)接至輸出端，然后與濾波電感 L4串聯(lián)，再與濾波電容C3并聯(lián)，濾波電感L4和濾波電容C3共同組成一階LC低通濾波器。
5.如權(quán)利要求2所述的能量變換裝置，其特征在于，所述充放電單元的電路結(jié)構(gòu)為H型 電路，IGBT開關(guān)管Q10和續(xù)流二極管D10并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管D12構(gòu)成“H橋”的一個上 下橋臂，IGBT開關(guān)管Q11和續(xù)流二級管D11并聯(lián)后串聯(lián)快速二極管D13構(gòu)成“H橋”的另一 個下上橋臂，超導(dǎo)儲能磁體L5串接在IGBT開關(guān)管Q10和IGBT開關(guān)管Q11之間，“H橋”輸 入端并聯(lián)在線路上，同時輸入側(cè)并聯(lián)有濾波電容C4。
專利摘要本實用新型公開一種基于DSP的高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的能量變換裝置，具體涉及一種高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)用快速能量變換裝置。利用三相整流器的交流側(cè)和三相交流電網(wǎng)相連，輸出側(cè)和雙向直流變換器的高壓直流側(cè)相連，雙向直流變換器的低壓直流側(cè)和充放電單元的輸入側(cè)相連，充放電單元的輸出側(cè)與超導(dǎo)磁體連接。本實用新型具有對高溫超導(dǎo)儲能磁體進行充/放電/續(xù)流，實現(xiàn)能量快速存儲和釋放的功能，主電路采用無變壓器、雙向直流變換和斬波充放電拓?fù)洌Y(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、功率密度大，降低了超導(dǎo)磁體的絕緣耐壓要求和裝置的體積和成本；此外在控制上，采用空間矢量脈沖觸發(fā)技術(shù)和單位功率因數(shù)的電壓、電流的雙閉環(huán)反饋控制策略，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H02M3/07GK201616765SQ20092027835
公開日2010年10月27日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者丘明, 程強, 諸嘉慧 申請人:中國電力科學(xué)研究院