一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，包括第一斩波器、第二斩波器以及连接第一斩波器和第二斩波器的直流电容，第一斩波器包括：第一IGBT和第二IGBT串联，第一二极管和第二二极管分别并联在第一IGBT和第二IGBT的集电极和发射极两端，滤波电感的一端与第二IGBT的集电极端连接，另一端与直流电容的正极连接，第二IGBT的发射极端与直流电容的负极连接；第二斩波器包括：第三IGBT与第四二极管串联后并联在直流电容两端，第四IGBT与第三二极管串联后并联在直流电容的两端，超导储能电感的一端与第三IGBT的发射极端相连，另一端与第四IGBT的集电极端相连。本发明专利技术可以消除超导储能电感的高频PWM脉冲电压，提高超导磁储能的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器
本专利技术属于超导磁储能
，更具体地，涉及一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器。
技术介绍
传统电力系统没有大容量快速存取电能的器件，一旦系统受到扰动引发机-电功率失衡就可能对系统构成威胁，严重时会导致系统崩溃。超导磁储能系统(SMES)能为高压输电系统提供快速响应容量，提高系统稳定性、增大输电线路的极限输送功率，并可以抑制电网频率和电压的波动、改善供电品质。超导磁体是SMES进行能量存储的关键部件，通过功率调节系统(PCS)与交流电网进行功率交换。目前，PCS一般采用基于高频开关器件的PWM变流器。根据电路拓扑结构，PCS可分为电流源型(CurrentSourceConverter，CSC)和电压源型(VoltageSourceConverter，VSC)两种基本拓扑结构，这两种拓扑的直流侧输出波形均为高频PWM脉冲电压。目前中小型SMES的功率调节系统主要采用IGBT开关器件，PCS输出PWM脉冲电压的上升和下降时间很短，一般在0.2-0.4us。变流器输出的具有陡上升沿/下降沿的PWM脉冲电压通过电缆和电流引线传输到超导磁体，由于电缆与超导磁体之间的阻抗不匹配，将产生波的反射和折射，从而在超导磁体接线端产生尖峰过电压。以VSCSMES系统为例，由于超导磁体固有的电流源特性，VSC直流侧必须通过斩波器(Chopper)与超导磁体相连，其电压波形的变化如图1所示。图1(a)为“电网——变流器——斩波器——电缆——超导储能磁体”构成的一个简单等效电路；图1(b)为电网电压的波形；图1(c)为变流器直流端电容上的电压波形；图1(d)为斩波器输出端的电压波形；图1(e)为超导储能磁体承受的电压波形。由图可知其尖峰电压幅值最大达到了数倍的直流母线电压。超导磁体承受的脉冲电压尖峰容易引起超导磁体线圈绝缘层局部放电的发生，又由于PCS输出PWM电压的频率远大于工频，这也会使局部放电显著增强。此外，脉冲电压陡上升/下降沿还会使绕组内部电压分布不均匀，导致个别绕组、匝间承受更高的电应力，使其绝缘加速老化。由此可见，现有技术存在无法消除超导储能电感的高频PWM脉冲电压，且超导磁储能的稳定性较低的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种属于超导磁储能
，由此解决现有技术存在无法消除超导磁体的高频PWM脉冲电压，且超导磁储能系统的稳定性较低的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，包括第一斩波器、第二斩波器以及连接第一斩波器和第二斩波器的直流电容，所述第一斩波器包括：第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管和滤波电感，所述第一IGBT和第二IGBT串联，所述第一二极管和第二二极管分别并联在第一IGBT和第二IGBT的集电极和发射极两端，所述滤波电感的一端与第二IGBT的集电极端连接，所述滤波电感的另一端与直流电容的正极连接，所述第二IGBT的发射极端与直流电容的负极连接；所述第二斩波器包括：第三IGBT、第四IGBT、第三二极管、第四二极管和超导储能电感，所述第三IGBT与第四二极管串联后并联在直流电容两端，所述第四IGBT与第三二极管串联后并联在直流电容的两端，所述超导储能电感的一端与第三IGBT的发射极端相连，所述超导储能电感的另一端与第四IGBT的集电极端相连。进一步的，DC/DC斩波器还包括变流器和变流器输出端的电容，所述第一IGBT和第二IGBT串联之后并联在变流器输出端的电容的两端，所述第一斩波器与变流器通过变流器输出端的电容连接。进一步的，DC/DC斩波器在充电时，所述第二斩波器的占空比为1，电网发出功率需求指令P*与超导储能电感的电流iLsc经过功率变换以后得到变流器输出端的电容的整定电压整定电压与变流器输出端的电容的真实电压udc2经过PI调节之后得到第一斩波器的占空比d1，根据第一斩波器的开关频率形成三角载波，与占空比d1比较，得到开关信号，利用开关信号控制第一斩波器中的第一IGBT和第二IGBT的开断，从而控制有功功率的输出。进一步的，DC/DC斩波器在放电时，所述第二斩波器的占空比为1，直流电容的整定电压与直流电容的真实电压udc1经过PI调节之后得到变流器输出端的电容的一部分整定电压udc2-1；电网发出功率需求指令P*与超导储能电感的电流iLsc经过功率变换以后得到变流器输出端的电容的另一部分整定电压udc2-2；udc2-1和udc2-2之和为变流器输出端的电容的整定电压变流器输出端的电容的整定电压与变流器输出端的电容的真实电压udc2经过PI调节之后得到第一斩波器的占空比d1，根据第一斩波器的开关频率形成三角载波，与占空比d1比较，得到开关信号，利用开关信号控制第一斩波器中的第一IGBT和第二IGBT的开断，从而控制有功功率的输出。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术由两个通过直流电容连接的斩波器组成，第一斩波器包括：两个串联的IGBT，两个二极管分别并联在两个IGBT的集电极和发射极两端，滤波电感的一端与第二IGBT的集电极端连接，另一端与直流电容的正极连接，第二IGBT的发射极端与直流电容的负极连接；其中开关信号为PWM信号，本专利技术通过引入第一斩波器对直流母线电压进行PWM调制，使第二斩波器输出侧直流电压满足功率响应需求，超导储能电感两端的电压只有在功率指令发生变化时才会产生突变，基本上不再承受PWM脉冲电压。进而从源头上消除超导储能电感的高频PWM脉冲电压，从而提高超导磁储能的稳定性。附图说明图1(a)为本专利技术
技术介绍
提供的等效电路；图1(b)为本专利技术
技术介绍
提供的电网电压的波形图；图1(c)为本专利技术
技术介绍
提供的变流器直流端电容上的电压波形图；图1(d)为本专利技术
技术介绍
提供的斩波器输出端的电压波形图；图1(e)为本专利技术
技术介绍
提供的超导储能磁体承受的电压波形图；图2为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器的拓扑结构图；图3(a)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S1、S3和S4导通，S2断开时的工作状态；图3(b)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S1和S3导通，S2和S4断开时的工作状态；图3(c)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S1和S4导通，S2和S3断开时的工作状态；图3(d)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S3和S4导通，S1和S2断开时的工作状态；图3(e)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S3导通，S1、S2和S4断开时的工作状态；图3(f)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器充电时S4导通，S1、S2和S3断开时的工作状态；图4(a)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器放电时S1、S2、S3和S4均断开的工作状态；图4(b)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器放电时S1、S2和S4断开，S3导通的工作状态；图4(c)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器放电时S1、S2和S3均断开，S4导通的工作状态；图4(d)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器放电时S1、S3和S4断开，S2导通的工作状态；图4(e)为本专利技术实施例提供的DC/DC斩波器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，其特征在于，包括第一斩波器、第二斩波器以及连接第一斩波器和第二斩波器的直流电容，所述第一斩波器包括：第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管和滤波电感，所述第一IGBT和第二IGBT串联，所述第一二极管和第二二极管分别并联在第一IGBT和第二IGBT的集电极和发射极两端，所述滤波电感的一端与第二IGBT的集电极端连接，所述滤波电感的另一端与直流电容的正极连接，所述第二IGBT的发射极端与直流电容的负极连接；所述第二斩波器包括：第三IGBT、第四IGBT、第三二极管、第四二极管和超导储能电感，所述第三IGBT与第四二极管串联后并联在直流电容两端，所述第四IGBT与第三二极管串联后并联在直流电容的两端，所述超导储能电感的一端与第三IGBT的发射极端相连，所述超导储能电感的另一端与第四IGBT的集电极端相连。

【技术特征摘要】
1.一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，其特征在于，包括第一斩波器、第二斩波器以及连接第一斩波器和第二斩波器的直流电容，所述第一斩波器包括：第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管和滤波电感，所述第一IGBT和第二IGBT串联，所述第一二极管和第二二极管分别并联在第一IGBT和第二IGBT的集电极和发射极两端，所述滤波电感的一端与第二IGBT的集电极端连接，所述滤波电感的另一端与直流电容的正极连接，所述第二IGBT的发射极端与直流电容的负极连接；所述第二斩波器包括：第三IGBT、第四IGBT、第三二极管、第四二极管和超导储能电感，所述第三IGBT与第四二极管串联后并联在直流电容两端，所述第四IGBT与第三二极管串联后并联在直流电容的两端，所述超导储能电感的一端与第三IGBT的发射极端相连，所述超导储能电感的另一端与第四IGBT的集电极端相连。2.如权利要求1所述的一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，其特征在于，所述DC/DC斩波器还包括变流器和变流器输出端的电容，所述第一IGBT和第二IGBT串联之后并联在变流器输出端的电容的两端，所述第一斩波器与变流器通过变流器输出端的电容连接。3.如权利要求2所述的一种适用于超导磁储能的DC/DC斩波器，其特征在于，所述D...

【专利技术属性】
技术研发人员：石晶，廖孟，夏仲，周晓，张立晖，李媛媛，苏荣宇，郭树强，朱凯，张宇，蒲东昇，李书剑，高铭含，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42