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对于非线性负载产生的谐波污染问题,常用的解决措施是在负载侧并联有源滤波器。
一些滤波器还可以设计用来进行无功补偿,以改善功率因数,但不能进行负载电压调节。
当前的研究热点是统一电能质量调节器(UnifiedPower
QualityConditioner,UPQC),该装置能够同时实现功率因数和
负载电压调节以及有源滤波等功能,但仍需要两套变流装置,并要求两者协同控制,具有一定的复杂性[1]。
超导储能(SuperconductingMagnetEnergyStorage,SMES)是超导技术在电力系统中一种很有前景的应用。
SMES系统主要包括超导磁体和AC/DC变流装置。
前者等效为一个电感,储存的能量与电流的平方成正比,且由于磁体处于超导状态,能量损耗非常低,它通过变流装置与电网相连接;
后者主要有电流源型逆变器和电压源型逆变器两种拓扑结构。
输出功率大、系统效率高、四象SMES装置具有响应速度快、
限可控等特点,可同时输出有功功率和无功功率。
SMES系统不仅可以进行电压跌落补偿,还可以实现负载波动补偿和有源滤波等功能,从而实现了统一电能质量调节。
1系统组成
0引言
在诸多电能质量问题中,较常出现并对用户造成经济损失最大的是电压骤降。
随着电力电子技术的广泛应用,出现
图1为SMES装置的基本结构,包括超导线圈、连接超导线圈和室温电缆的电流引线及可控AC/DC变流器。
另外,
SMES装置的辅助设备还有放置超导线圈的低温容器及为其
补充冷却剂的低温制冷系统[2]。
收稿日期:
2007-11-30
基金项目:
国家自然科学基金项目(50323002)
作者简介:
曹彬,北京市海淀区清华大学电机工程与应用电子技术系,E-mail:
caob@mails.thu.edu.cn;
蒋晓华(通讯作者),北京市海淀区清华大学电机
工程与应用电子技术系,教授,E-mail:
jiangxiaohua@mail.tsinghua.edu.cn
2008,26(1)47
变器具有以下优点:
因超导磁体本身是以电流形式储存能量的,故与电网之间的有功和无功功率转换更加迅速;
少一个
图1
SMES装置的基本结构
DC/DC电路,控制更加容易;
在相同的功率下可得到更大的
无功功率调节范围,同时超导线圈所承受的电压纹波更小,减小了磁体的交流损耗;
在大功率应用场合更容易实现多桥并联运行[4]。
两种常用的拓扑为双桥式电流源型逆变器和三端口式电流源型逆变器。
双桥式电流源型逆变器拓扑如图4所示。
双桥结构可以有效消除输出电流的12k±
7(k=0,1,2,…)次谐波分量,而23次以上的谐波可以通过LC滤波电路滤除,使用优化PWM(PulseWidthModulation,脉冲宽度调制)策略可以在不同M之下消除对电力系统影响最严重的5,7,11,13次谐波,从而达到较小的总谐波畸变率(THD)水平。
Fig.1BasicstructureofSMESdevice
1.1超导磁体
磁体系统包括一个低温SMES线圈、一对高温超导电流引线和一个液氦实验杜瓦(低温容器)。
图2为磁体系统的结构图。
图2磁体系统结构图
Fig.2Structureofmagnetsystem
能量存储在NbTi绕制的螺线管线圈中,线圈内径为
281mm,外径315.5mm,高度477mm,电感1.85H,额定电流600A下的储能量为0.3MJ。
磁体的主要热损耗是电流引线
的焦耳热以及传导热损耗。
为了降低热损耗,设计了一对高温超导电流引线,主要由黄铜、不锈钢和铜管组成,14条
图4
双桥式电流源型逆变器主电路拓扑结构
Bi2333导带贴在不锈钢管的四周。
电流引线使用氦蒸汽冷
却,顶部的液氮用来降低传导热损耗。
实验证明高温超导电流引线将热损耗降低了30% ̄50%[3]。
此外,磁体内还安装有氦液面计及铂金电阻传感器,以便监测液面高度和磁体温度。
磁体使用前必须通过锻炼实验,其实验电路见图3。
电源通过IGBT和二极管对SMES磁体进行充电。
当失超发生时,保护电路工作,打开晶闸管T2使线圈通过放电电阻放电,同时T1关断以保护电源。
通过两次失超,磁体达到额定电流
Fig.4Topologyoftwo-bridgecurrent
sourceinverter
三端口式电流源型逆变器的主电路拓扑如图5所示,由单一逆变器组成,在线式工作。
当电压正常时,逆变器不输出有功功率,它通过电感Ls产生的电压相移和幅值补偿完成对输出电压的调整和稳定作用。
使用直接电流PWM控制策略可以实现输出电流的瞬时控制,具有较快的响应速度。
600A,此后不会再度发生失超。
图3磁体锻炼电路
图5
三端口式电流源型逆变器主电路拓扑结构
Fig.3Circuitofthemagnettraining
Fig.5Topologyofthree-portcurrentsourceinverter
1.2AC/DC变流器
SMES系统中的AC/DC变流器主要有电压源型逆变器和
电流源型逆变器两种。
与电压源型逆变器相比,电流源型逆
缓冲吸收电路对提高系统的可靠性,减小开关器件的开关损耗具有十分重要的作用。
与电压源型变流器相比,电流
,261)
源型变流器中缓冲吸收电路的工作过程更加复杂。
通过建立包括所有缓冲吸收电路和开关器件在内的变流器电路的完整模型,求解状态方程,可以仿真研究缓冲吸收电路的详细工作过程,得到不同结构缓冲吸收电路的功率损耗[5]。
瞬时电压跌落。
造成瞬时电压跌落最常见的原因是远方输电线对地短路故障。
绝大多数瞬时电压跌落的幅值在50%以内。
瞬时电压跌落对高科技工业区内的某些敏感性负载的正常运行是极大的威胁。
最常用的保护负载不受瞬时电压跌落影响的设备是电压源型DVR,它通过吸收或发出无功功率调节负载电压,使之在瞬时电压跌落时保持额定值。
对于配电网等级的负载,需要同时注入有功功率。
由于瞬时电压跌落的持续时间很短,功率密度是比能量密度更为重要的技术指1.3控制系统
AC/DC变流器的控制系统基于DSP实现,使用双DSP的
控制系统结构框图如图6。
其中主控制器和从控制器均采用
32位浮点DSP(TMS320C32,40MHz)。
主DSP作为中央控制
器负责接收采样数据和完成控制算法的计算,而从DSP则负标。
SMES装置具有响应速度快、输出功率大、四象限运行的责产生相应的PWM开关信号。
主控制器可以通过RS-232接特点,成为补偿瞬时电压跌落的一种重要技术装置。
口实现和上位机的通信。
SMES系统的保护电路包括SMES2.1.1控制算法
线圈保护和变流器保护两部分。
保护电路检测失超、过流、过变流器的主电路拓扑结构见图5,同步旋转坐标系下系压信号,在发生错误时接通超导磁体的放电通路,使超导磁统的数学模型如图8所示。
模型中忽略了滤波电感L和阻尼体对放电电阻放电,并封锁变流器的PWM触发信号,使变流电阻Rc。
由于负载是纯阻性负载,忽略模型中的耦合支路可器停止工作[6]。
得到一种简化的控制算法[7]
i*2CL-1**
PWMd=1usq+wussfq-1uffd
i*2**
PWMq=1usd+wCLs-1usfd-1usf
fq
Rf=!
ufd+ufq
!
i2
fd+ifq
其中,i*
*
PWMd,iPWMq为变流器交流电流设定值;
ufq,ufd为负载电压
d,q方向的设定值;
Rf为负载电阻。
由于系统自身存在损耗,
如果不从电源端吸收有功功率,即使不对瞬时电压跌落进行补偿,超导线圈中的直流电流也会逐渐下降。
为了能够有效
图6
双DSP的控制系统框图
Fig.6Dual-DSPcontrolsystem
单DSP的控制系统框图如图7所示,其工作原理与双
DSP的控制系统类似。
图8系统的数学模型
Fig.8Mathematicalmodelofthesystem
图7单DSP的控制系统框图
Fig.7Single-DSPcontrolsystem
2控制算法和实验结果
2.1电压跌落补偿
电压幅值是与电能质量相关的一个重要技术指标。
电压图9
电源电压正常时的系统相量图
幅值在0.5工频周期至1min内突然下跌,该过程被定义为
Fig.9Phasediagramonnormalcondition
2008,26(1)49
补偿电压跌落,使直流电流保持恒定是十分必要的。
图9为电源电压正常时的系统相量图。
为了补偿系统自身损耗,!
<90°
,从电源端输入的有功功率Ps同时供给负载和SMES系统。
根据图9,电源功率Ps可以写为
Ps=3usufsin(2"
s)=3usufq
ss
在未发生电压跌落时,可以通过电源输入功率计算ufq,保持超导线圈中直流电流恒定。
当发生电压跌落时,ufq=-Uf・
**
图10
Id和ufd的控制框图
Fig.10
ControldiagramofIdandufd
sin2"
s,其中Uf为负载电压的设定值。
直流电流Id和ufq的控制框图如图10所示。
由于要对能量进行控制,Rid的输入为直流电流设定值和实际值的平方差,该闭环控制环节的作用是自动补偿系统自身的损耗,使Id保持恒定。
为使Uf保持恒定,ufd=等,即可实现电压跌落补偿。
由上述控制方法可知,在实施控制之前需要首先从电压和电流的反馈信号中快速、准确、稳定地提取基波分量,为此,开发了一套带有软件锁相环的加权最小二乘拟合算法。
[8]
制了一套150kV・A/0.3MJ基于SMES的电流源型DVR。
该系统为三相三线制,包括一套150kV・A的IGBT电流源型变流器、一个0.3MJNbTiSMES磁体和一个2.5mH/380V三相移相电抗器。
其主电路拓扑结构如图5所示,控制系统结构如图7所示。
为了检测系统在对称和不对称瞬时电压跌落情况下的补偿结果,首先需模拟瞬时电压跌落情况。
用三相自耦变压器和可编程逻辑控制器(PLC)控制的接触器模拟各种形式的瞬时电压跌落,跌落时间由PLC控制。
图11为三相对称跌落补偿的实验结果。
在0.35s时,us
跌落至额定值的75%,0.55s时恢复正常;
而uf在跌落发生后一个工频周期内恢复至额定值。
在补偿过程中,由于超导线圈输出有功功率,Id逐渐下降;
跌落恢复后,在控制算法的作用下Id会逐渐恢复至额定值。
uf-ufq。
使用电流PWM
调制方式,使调制后的电流在一个控制周期内与设定值相
2.1.2实验结果
为保护110kW重要负载不受瞬时电压跌落的影响,研
(a)电源电压(a)Sourcevoltage
(b)负载电压(b)Loadvoltage
(c)直流电流(c)Coilcurrent
图11三相对称跌落补偿的实验结果
Fig.11Experimentresultsofthree-phasecompensation
控制对波动负载进行补偿,使电网输入的有功功率近似保持恒定,同时补偿负载的无功功率以提高功率因数[9]。
对比图11和图12可见,单相跌落的补偿结果不如三相对称跌落。
原因是当模拟不对称的电压跌落时,自耦变压器的一相或两相漏电感将被接入电源与移相电抗器之间,导致电源端等效线电抗不对称。
2.2.1控制算法
忽略滤波电容的电流,SMES装置从电网输入的功率可以表示为
2.2负载波动补偿
电网中存在许多周期性波动或暂态的负载,会导致传输线及系统中相应设备容量的增加。
解决这一问题的一种方法是在负载端并联一个可控功率源,由它补偿负载中的波动分量,使电网输入的功率保持恒定。
基于SMES的补偿装置具有快速、独立的有功和无功功率的双向调节功能,使用负反馈
p=3UIcos"
=3MUIdcos"
q=3UIsin"
=3MUIdsin"
其中,U为系统相电压的幅值;
I为相电流基波的幅值;
Id为直
图12单相跌落补偿的实验结果
Fig.12Experimentresultsofsingle-phasecompensation
就意味着SMES可全部补偿负载的无功功率,补偿后的功率因数为1。
流侧电流;
M为PWM调制比;
为相电流落后于相电压的触发延迟角。
由上式可得
2.2.2实验结果
M=2d
主电路拓扑结构如图4所示,控制系统如图6所示。
使用三相可变电阻器和自耦调压器的原边串联为负载,副边开路。
当电阻器的阻值变化时,由于调压器激磁电感的饱和,负载电流的变化也将引起调压器感抗的变化,从而得到一个非线性的可变有功功率、无功功率负载。
实验中,负载电压为
=arctanq
通过调节M和!
即可控制相应的有功和无功功率,
SMES装置即可等效为一个可控的功率源。
图13为波动负载
补偿控制算法的框图,采用内外双闭环控制有功功率。
其中外环调节器RI的作用是补偿SMES装置自身的损耗,使直流电流Id保持在设定值左右。
有功功率的设定值ps等于负载的平均有功功率与SMES装置损耗之和,这样,内环调节器类似Rp的作用就是控制电网流入的有功功率ps等于设定值。
地,采用闭环调节器Rq可以调节无功功率,当设定值为零时
380V,电阻器电阻以3.5Hz的频率在50 ̄140Ω内波动,相
应的负载电流的变化范围为2.0 ̄5.5A。
实验结果如图14所示。
可以看出,直流电流被保持在设定值上下波动,电网输入的有功功率的波动幅度与负载波动相比大为降低,同时输入的无功功率也近似为零。
2.3有源滤波
随着电力系统中非线性负荷的不断增加,谐波问题已十分突出,有源滤波器是补偿电力系统谐波的主要方法之一。
有源滤波器可分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器两种。
电流型有源滤波器有较好的电流控制能力和更高的可靠性,但直流侧的储能电感损耗较大。
随着超导储能技术的成熟,电流型有源滤波器将越来越具有吸引力。
图13波动负载补偿控制算法框图
2.3.1控制算法
使用状态反馈和延迟补偿控制相结合的控制策略可以
Fig.13Controldiagramofload-fluctuationcompensation
(a)有功功率(a)ActivePower
(b)无功功率(b)ReactivePower
(c)直流电流(c)CoilCurrent
图14波动负载补偿实验结果
Fig.14Experimentresultsofload-fluctuationcompensation
2008,26(1)51
取得较好的控制性能。
其中状态反馈通过滤波电感的电压和电流实现,将系统闭环极点配置在需要的位置,获得满意的动态性能;
而延迟补偿可减小逆变器补偿电流滞后负载电流的时间,从而获得较好的稳态性能。
控制算法框图如图15所示[10]。
其中,G1(s)为前馈环节;
G2(s)为控制器传递函数,相当于
非线性负载电流对电源电流的传递函数为
Is(s)=G1(s)G2(s)G(s)-G(s)load23因此,合理选择前馈控制器G1(s),使得G1(s)=1/G2(s)就可以消除负载谐波电流对电源电流的影响。
如前所述,控制器
G2(s)是个延迟环节,延迟的存在使得逆变器发出的补偿电流
总是滞后负载电流,影响谐波补偿的效果,特别是采样频率较低时补偿性能很差。
要实现延迟补偿,要求G1(s)是超前环节。
实际应用中,考虑到负载电流一般是周期性的,可以利用上一周期的采样值预测得到超前的负载电流。
实际上,采样和计算的延迟不一定是采样周期的整数倍,且逆变器采用的
1一个纯延时环节;
G3(s)为状态反馈传递函数,G3(s)=;
12G(s)为系统的传递函数;
iload为负载电流;
iaf为逆变器电流;
ig
为电源电流给定值。
PWM方式一般不能完全补偿延迟,但它能减小逆变器发出
的补偿电流相对于负载电流的滞后时间,从而改善电源电流波形。
采用延迟补偿并结合状态反馈控制就可以取得较好的补偿结果。
图15
电流型有源滤波器的控制框图
2.3.2实验结果
图16为采用延迟补偿和状态反馈相结合的控制算法对谐波电流进行补偿的实验结果。
Fig.15Controldiagramofcurrent-sourceactivefilter
(a)补偿前的电源电流波形
(a)Currentwaveformwithoutcompensation
采用状态反馈的电源电流波形(b)有延迟补偿控制、
(b)Currentwaveformwithcompensation
图16有源滤波器实验结果
Fig.16Experimentresultsofactivefilter
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3结论
SMES系统主要包括超导磁体、AC/DC变流器及其控制
系统。
SMES系统具有响应速度快、输出功率大、系统效率高、四象限可控等特点,可以同时输出有功功率和无功功率。
实验结果表明,SMES系统可以实现电压跌落补偿:
负载波动补偿和有源滤波等功能,从而实现统一电能质量调节。
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