SMES用电压源型变流器控制策略及其仿真

SMES用电压源型变流器控制策略及其仿真摘要：本文简要介绍了SMES用电压源型变流器的基本原理，分析了其与电流型变流器的不同点，给出了基于VSC的储能装置功率调节系统的主电路及其数学模型，采用离散化状态反馈解耦控制策略设计控制系统，在Matlab/Simulink环境下进行仿真，验证了基于VSC的功率控制系统对阶跃和正弦波功率指令具有很强的跟踪能力，且能有效实现有功和无功功率的解耦控制。关键字：SMES；功率调节系统；电压源型变流器；解耦控制0引言SMES在电力系统中的应用首先是由Ferrier在1969年提出的。SMES在电力系统应用中的研究重点主要着眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应能力，提高电力系统稳定性、改善电能质量、提供系统备用容量、用于可再生能源发电及微网等。功率调节系统是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁，根据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器可分为电流源型(CurrentSourceConverter，CSC)和电压源型(VoltageSourceConverter，VSC)两种基本结构。SMES用电压源型变流器和电流源型变流器的基本原理相同，都是通过开关管的动作，控制变流器交流侧输出电流的大小和幅值，从而与交流系统进行四象限的有功和无功功率交换。1SMES用电压源型变流器的基本原理SMES用电压源型变流器（VSC）的基本电路拓扑结构如图1.1所示。由于VSC反馈无功能量时斩波器输出电压和电流反向，所有必需在开关器件处反并联二极管，使能量经二极管反馈回电源。L代表每相的滤波电感，R代表滤波电感的内阻和开关损耗。由于超导磁体固有的电流源特性，VSC的直流侧必需并流斩波器来调节超导磁体两端的电压，斩波器配合VSC共同控制变流器功率交换，并以直流电流的形式将能量存储于超导磁体。直流侧电容、斩波器和超导磁体一起构成VSC直流侧的稳压源，VSC可以等效为一个相位和幅值可控且频率分量对称的三相电压源。1图1.1基于VSC的功率调节系统主电路拓扑结构图电容器的作用是提供一个稳定的直流电压以维持VSC的正常工作，斩波器则配合变流器共同控制功率变换，并以直流电流的形式将能量存储于超导磁体。在变流器和斩波器的配合下，SMES装置可与交流电力系统进行实时的能量变换。2SMES用电压下变流器与电流型变流器的比较（1）由于超导磁体固有的电流源特性，CSC的直流侧与超导磁体直接并联，而VSC的直流侧必须通过斩波器与超导磁体相连，其电路结构相对复杂，而且磁体的充放电需要考虑VSC和斩波器两部分协同控制。（2）采用CSC时，超导磁体直接参与SMES的功率调节，功率输出与磁体上电流参数有关，磁体本身的参数和动态行为也会对输出功率产生较大影响。而采用VSC时，斩波器调节超导磁体的端电压，同时配合变流器共同控制功率交换，超导磁体本身的参数和动态行为与输出功率没有直接关系。（3）CSC和VSC都能在P、Q平面四象限独立地进行有功和无功功率的控制。CSC由于在交流侧并有滤波电容，使得它能向电网提供更多的容性无功；VSC必须经过电感与电网相连，以保证其正常地工作和适当的性能。因此，在相同的有功容量下，其向电网提供容性无功的能力比CSC型弱。（4）对于面向电力系统的大容量SMES，一般通过多重化方式提高变流器的容量。CSC由于其电流源的特性，可在交流侧直流并联，无需变压器，在多重化时十分经济；VSC在交流侧必须经过变压器串联，经济性不如前者。2（5）CSC直接控制强电流，超导储能磁体、均流电感和分布电感在开关换流时极易产生过电压，对开关器件的耐压、通流能量要求较高，而且必须具备良好的缓冲电路和过电压保护电路。VSC的直流侧经过电容与斩波器连接，线圈过电压已被电容吸收，对于斩波器，即使有短暂的开关误动，其拓扑结构保证了电感电流具有通路，从而不易产生过电压。但是VSC无法避免地存在上下桥臂直通过流问题，必须保证上下桥臂驱动脉冲之间有足够的死区时间。3SMES用电压源型变流器的控制3.1电压源型变流器的数学模型根据图2.1所示电路拓扑结构，经推导可列出VSC的动态数学模型为：{()(3-1)3.2斩波器的数学模型根据图1.1所示电路拓扑结构，经推导可列出斩波器的数学模型为：{充磁模式放磁模式(3-2)3.3电压源型变流器控制器设计VSC的数学模型由两部分组成：①有功和无功电流调节，用来控制交直流系统之间的功率交换：②直流侧电容电压调节，使电容器提供稳定的直流电压以维持VSC的正常工作。直流侧电容电压的调节是通过有功功率的交换实现的，因而，直流电容电压控制可以作为外环，有功和无功电流控制作为内环。采用离散化状态反馈解耦控制方法，系统的控制方程可以整理为：[](3-3)整个控制系统框图如图3.1所示。3图3.1VSC控制框图4系统仿真验证在Matlab/Simulink环境下，按照图1.1的主电路结构，设置系统参数为：电源频率50HZ理想工频交流，相电压峰值220V；滤波电感为10mH，电阻为0.1Ω；直流侧储能电容为1000μF；SMES超导线圈电感为6H，电阻忽略；变流器开关频率为5KHZ。初始工作状态为直流电容电压800V，超导线圈电流80A，超导线圈吸收单位功率因素吸收有功功率5KW。图4.1为有功功率和无功功率指令在±5KW变换，图4.2为有功功率指令正弦变化，每组仿真给出了直流侧电压、交换功率、交流侧电流及斩波器占空比波形。图4.1功率阶跃响应曲线4从图4.1中可以看出基于VSC的功率调节系统对阶跃变化的有功功率指令和无功功率指令的跟踪时间小于10ms，且有功功率和无功功率阶跃变时互相之间基本没有影响，说明成功实现了有功功率和无功功率的解耦控制。图4.2有功功率指令正弦变化响应曲线从图4.2可以看出，变流器发出的实际功率几乎能够瞬时跟踪指令功率，同时可以看到有功功率对指令的跟踪基本不受变流器和系统之间的无功功率的影响，进一步验证了有功和无功解耦控制的有效性。5总结SMES用于电力系统时一般采用基于全控型开关器件的PWM变流器，能够在四象限快速、独立地控制有功和无功功率，具有谐波含量低、动态响应快等特点。变流器及其控制系统组成SMES的功率调节系统(PowerConditionSystem，PCS)，本文以用于SMES的电压源型变流器作为研究对象，采用离散化状态反馈解耦控制策略设计控制系统。仿真验证了基于电压源型变换器的功率调节系统能够快速跟踪功率指令，可以实现有功和无功功率的解耦控制。参考文献[1]唐跃进，石晶，任丽．超导储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用［M］．北京：中国电力出版社，2009，5．5[2]张辉，路亚新，钟彦儒．一种改善电力系统性能的SMES解耦控制策略及其仿真研究［J］．西安理工大学学报，2008，24(1)：22-26．[3]郭文勇，赵彩宏，张志丰．电压型超导储能系统的统一直接功率控制方法［J］．电网技术，2007，31(9)．[4]张金良，周博曦，卞秋野．基于VSC的超导储能装置中功率调节系统的设计［J］．电工电气，2013，(5)：5－9．[5]刘平．用于超导电磁储能系统的高性能电压源变换器控制技术研究［博士学位论文］．武汉：华中科技大学，2000．