电流型超导储能变流器关键技术研究

超导储能系统是电力电子技术和超导电技术有机结合的产物,是灵活交流输电的理想元件之一,对改善现代电网的品质有重要价值。电力电子变流器是超导储能线圈与电网间的桥梁,是超导储能系统的核心部件之一。与电压型超导储能变流器相比,电流型超导储能变流器在技术和经济上有一定优势。 电流型变流器可通过直接并联实现多重化,得到大电流和大的功率容量。通过载波相移SPWM控制,可在低开关频率时得到低交流谐波。直流电流分配和交流谐波特性是此类变流器的关键问题。本文研究了载波相移SPWM控制下的直接并联多重化电流型变流器的直流电流分配特性,分析了交流侧基频边带对直流电流分配的影响规律,认为在低开关频率下,载波相移可导致模块间直流电流分配的严重不平衡。本文研究了理想情况和实际情况下此类变流器的交流谐波特性,尤其给出了在有传统直流均流控制时的交流谐波特性,认为传统直流均流控制方法可使直流均流,但不能改善交流谐波特性。本文提出了载波轮换均流方法,此方法既可实现直流均流,又可降低交流谐波,本文介绍了其原理,给出了实验结果。 通过对单个电流型变流器模块直流侧的串联和交流侧的并联,并利用移相变压器,可构成电流型变流器阵列。电流型变流器阵列可同时得到大电流和高电压,适合应用于大容量超导储能系统。本文研究了调制波相移SPWM控制下的电流型变流器阵列的各列直流电流分配特性,认为除了列数等于2的变流器阵列在α等于0°时的特殊情况外,此类变流器阵列各列直流电流分配仍然严重不均,主要与α值有关。本文也研究了理想情况和实际情况下此类变流器的交流谐波特性,虽然理想情况下N×M变流器阵列谐波特性相当于准6NM脉波变流器,但实际情况下由于直流电流不均,交流低次谐波较为严重。本文提出了行内控制信号轮换均流方法,可实现直流均流,降低交流谐波。本文给出了实现方法和实验结果。 本文推导了SPWM控制下的电流型变流器的有功功率、无功功率和调制比、相位角的关系,设计了电流型超导储能变流器的功率闭环控制。 本文给出了一个应用于实际的35kJ/7.5kW、200A高温超导磁储能系统变流器的设计,介绍了主电路、控制系统的硬件配置、DSP和MCU的软件设计方法,阐述了保护电路的特殊性和过压限制方法。 最后本文给出了一个实际35kJ/7.5kW、200A高温超导磁储能系统变流器的试验结果,包括单模块、多模块、载波相移、无载波相移及稳态和瞬态等多种工作模式时的关键量试验波形,也给出了SMES抑制发电机功率振荡的试验结果。