基于DSP2812高温超导储能系统斩波器控制设计

第 44 卷第 10 期 2010 年 10 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.44， No.10 October 2010 电力电子技术 Power Electronics 基金项目：国家电网公司重点项目 定稿日期： 2010-05-25 作者简介 ：诸嘉慧 （1977-），女 ，江苏无锡人 ，博士 ，研究方 向为电磁场的数值计算、超导电力技术。 基于 DSP2812高温超导储能系统斩波器控制设计 诸嘉慧 1， 杨 斌 1，2， 黄宇淇 3， 郭云峥 1，2 （1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.北京交通大学，电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京 100044； 3.福州电业局，福建 福州 350009） 摘要 ：电压型超导储能（Superconduction Magnetic Energy Storge，简称 SMES）系统的斩波器用于对超导磁体快速 稳定充放电。研究了 SMES 系统用斩波器充放电的工作原理，采用状态空间平均法建立其数学模型，并提出一 种斩波器充电、放电的闭环控制方法。基于第 2 代高温超导磁体及其限流保护，搭建了斩波器实验系统，应用 DSP2812 处理器实现对超导磁体充放电的控制。实验结果表明，所应用斩波器控制方法的性能良好，可以满足 SMES 系统的要求。 关键词：斩波器；高温超导储能；电压源型变流器 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1000-100X（2010）10-0100-03 Control Design of HT-SMES Chopper Based on DSP2812 ZHU Jia-hui1， YANG Bin1，2， HUANG Yu-qi3， GUO Yun-zheng1，2 （1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China； 2.Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；3.Fuzhou Electric Power Bureau，Fuzhou 350009，China） Abstract：The chopper of voltage source converter SMES is used to charge and discharge the superconducting mag- net.Charging and discharging working principles of SMES chopper are studied.The state-space averaging method is used to establish the mathematical model of chopper and loop feedback control is proposed for the chopper charging and discharging.Considering the actual inductance of magnet coil and its current-limiting protection，a SMES chopper experimental system is set up by using DSP2812 control system.The results show the validity of the proposed control method and prove that the SMES chopper can meet the requirements of high temperature superconducting magnetic energy storage（HT-SMES）. Keywords：chopper；high temperature superconducting magnetic energy storage；voltage source converter Foundation Project：Supported by Key Project of State Grid Corporation 1 引 言 高温超导储能（High Temperature Supercondu- cting Magnetic Energy Storge，简称 HT-SMES）装置 应用于现代电力系统中，可改善电网供电质量、提 高电力系统稳定性 [1]。作为 SMES 装置的关键部 分，变流器有 2种基本结构：电流源型变流器[2]和电 压源型变流器（VSC）与斩波器相串联的结构[3]。由 于 VSC 采用更成熟的数字化控制技术，且斩波器 隔离了电网对磁体的直接影响，有利于磁体稳定 运行。斩波器配合变流器共同控制 SMES 系统的 功率交换，控制超导磁体的磁能与直流侧电容的 电场能快速转换，使超导磁体快速、稳定地充放电。 这里运用状态空间平均法建立斩波器数学模型， 并提出一种充放电的闭环控制方法。基于第 2 代 YBCO 高温超导线圈进行斩波器充放电实验，并 应用 DSP2812处理器实现斩波器对超导磁体充放 电的控制。实验表明，斩波器能较好地实现对超导 磁体快速稳定的充放电。 2 SMES 用斩波器工作原理 二象限斩波器由两个 IGBT 和两个快速功率 二极管组成 H桥型结构，如图 1所示。 Lsc为超导磁体的电感量；isc为流过超导磁体的电流 Idc为 VSC 直流端输出电流；Udc为直流母线电容 C 的端电压 Rs为线路中引线电阻、开关损耗和磁体损耗的等效电阻 图 1 SMES 用斩波器拓扑结构 100 通过控制开关管 VS7，VS8的开通和关断实现 SMES 磁体充电、放电和续流工作状态。SMES 中 的超导磁体在通过直流电流时没有焦耳热损耗， 因此 SMES 装置都采用直流电系统。斩波器中的 VS7，VS8 同时导通，磁体处于充电状态；VS7，VS8 同时关断，磁体处于放电状态；VS7开通 VS8关断 或 VS8开通 VS7关断，磁体续流。 斩波器需两象限工作，不论超导磁体充电或 放电，都能确保电流在超导磁体中流动方向不变， 工作在直流状态，并保证超导线圈有闭合通路。根 据电网实际需要调节两个开关器件的导通和关断, 实现对超导线圈中的充放电电流进行斩波控制。 3 SMES 斩波器数学模型 3.1 充电模式数学模型 斩波器的充电模式全过程有充电和续流两种 工作状态。此时，VS7始终处于开通状态，VS8交替 开通和关断 [4]。 （1）充电状态 在充电状态下，VSC 变流器工 作在整流状态，维持 Udc稳定。在斩波器中，VS7， VS8同时导通，C 给 Lsc充电，isc上升，Lsc中能量增 加。其数学模型可表示为： Lsc discdt =-Rscisc+Udc ， C dUdcdt =Idc-isc （1） （2）续流状态 在续流状态下，VS7 导通，VS8 关断，磁体经过 VS7及 VD8形成续流回路，当忽略 Rs及开关管导通压降时，isc不变，Lsc中能量不变。 其数学模型可表示为： Lsc discdt =-Rscisc ， C dUdcdt =Idc （2） 将式（1），（2）状态求和平均，VS7 一直导通， 考虑到开关管 VS8导通占空比为 D8（0