一种ZSC-SMES拓扑结构及其交/直流侧控制方法技术

本发明专利技术公开了一种ZSC‑SMES拓扑结构，包括依次连接的交流侧三相桥电路、Z源阻抗网络和斩波器，所述交流侧三相桥电路的输入端连接于三相电网。本发明专利技术还公开了交流侧控制方法及直流侧控制方法。本发明专利技术在传统VSC的基础上引入了Z型阻抗网络，可以使VSC中的故障直通状态成为ZSC的正常工作状态，从而解决了直通状态引起故障的情况，基于无源理论设计了变流器交流侧的控制器，通过能量成型和阻尼注入的方法提高了系统的动态响应能力和鲁棒性，改善了变流器的输出电能质量；基于动态演化理论设计了变流器直流侧的控制器，使磁体两端的电压得到了均匀的分布，改善了磁体的运行状态，从而保证了系统的安全运行。

A ZSC-SMES Topology and Its AC/DC Control Method

The invention discloses a ZSC SMES topology structure, which comprises successively connected AC side three-phase bridge circuit, Z source impedance network and chopper. The input end of the AC side three-phase bridge circuit is connected to the three-phase grid. The invention also discloses an AC side control method and a DC side control method. The invention introduces Z-impedance network on the basis of traditional VSC, which can make the fault through state in VSC become the normal working state of ZSC, thus solving the fault caused by the through state. Based on passive theory, the AC side controller of the converter is designed. The dynamic response ability and robustness of the system are improved by energy shaping and damping injection, and the converter is improved. Based on the dynamic evolution theory, the DC side controller of the converter is designed, which makes the voltage at both ends of the magnet uniformly distributed and improves the operation status of the magnet, thus ensuring the safe operation of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种ZSC-SMES拓扑结构及其交/直流侧控制方法
本专利技术涉及电气工程
，具体涉及一种ZSC-SMES拓扑结构及其交/直流侧控制方法。
技术介绍
近年来，不可再生资源逐渐被具有“波动性、间歇性、随机性”特点的新能源所取代。为了提高新能源发电的并网可靠性，开发应用于新能源的储能装置，是一项国家电力可持续发展的战略性技术。超导磁储能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)系统得益于其极高的功率密度和储能效率，作为新型储能装置应用于电力系统是未来的必然趋势。SMES的功率调节系统通常采用电压源型变流器(voltagesourceconverter,VSC)的拓扑，而VSC在直流侧电压较低且交流侧电压较高的场合需要级联额外的直流升压变流器，增加了系统的成本；且VSC的抗电磁干扰能力较差，开关管可能会发生误动而导致桥臂直通，造成不必要的经济损失。SMES变流器连接了超导磁体和电力系统，是一种用来进行快速电能交互的电力电子装置，因此它在运行过程中具有多变量、非线性以及强耦合的特点。且变流器的控制性能会对系统的稳定性产生较大的影响。一般地，控制策略分为线性控制和非线性控制两类。其中，线性控制通常针对用线性微分方程和差分方程表示的理想模型，而通过对实际模型进行局部线性化的方式，只体现了非常有限的局部特性。例如PI控制对系统参数的变化非常敏感，不适合作为复杂非线性系统的控制方法。非线性控制目前有自抗扰控制、反步法控制、模糊控制等方法。其中，自抗扰控制器的控制参数非常多，目前还没定量的参数设计方法；反步法的设计过程复杂，较大的计算量会使得控制周期变长而失去实时性；模糊控制依赖于工程经验而缺乏系统性，虽然鲁棒性较强，但稳态精度较低。其次，由于直流侧Z源阻抗网络的引入，使得依赖于系统模型的输入输出反馈线性化控制、反步法控制、无源控制等策略的设计过程非常复杂，而传统PI控制亦难以实现磁体两端均匀的电压分布。综上所述，在现有技术中，SMES的功率调节系统成本较高且抗电磁干扰能力较差，开关管可能会发生误动而导致桥臂直通，造成不必要的经济损失；SMES变流器的传统交流侧控制策略动态响应能力和鲁棒性较差，较大的计算量会使得控制周期变长而失去实时性；SMES变流器的传统直流侧控制难以实现超导磁体两端对称均匀的电压分布，影响了SMES的安全运行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中，SMES的功率调节系统成本较高且抗电磁干扰能力较差，开关管可能会发生误动而导致桥臂直通，造成不必要的经济损失；SMES变流器的传统交流侧控制策略动态响应能力和鲁棒性较差，较大的计算量会使得控制周期变长而失去实时性；SMES变流器的传统直流侧控制难以实现超导磁体两端对称均匀的电压分布，影响了SMES的安全运行。目的在于提供一种ZSC-SMES拓扑结构及其交/直流侧控制方法，解决上述问题。本专利技术通过下述技术方案实现：一种ZSC-SMES拓扑结构，包括依次连接的交流侧三相桥电路、Z源阻抗网络和斩波器，所述交流侧三相桥电路的输入端连接于三相电网；所述Z源阻抗网络包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2和开关管S7，所述电感L1的一端、电容C1的一端和交流侧三相桥电路的输出正极共节点，电感L1的另一端、开关管S7的漏极和电容C2的一端共节点，电感L2的一端、电容C2的另一端和交流侧三相桥电路的输出负极共节点，电感L2的另一端、电容C1的另一端和斩波器的输出负极共节点，所述开关管S7的源极连接斩波器的输出正极，所述开关管S7的栅极连接于控制端。本专利技术应用时，基于等功率变换的原则建立了dq坐标系下ZSC-SMES交、直流侧的数学模型，分别为后续交流侧无源控制中的PCH建模和直流侧的动态演化控制提供了理论基础。本专利技术由交流侧ZSC和直流侧斩波器构成。其中，ZSC分为了交流侧三相桥和Z源阻抗网络两部分，ZSC-SMES交、直流侧的双向功率流动由Z源网络中开关管S7的状态决定。Z源变流器(Z-sourceconverter,ZSC)在传统VSC的基础上引入了Z型阻抗网络，可以使VSC中的故障直通状态成为ZSC的正常工作状态，从而解决了直通状态引起故障的情况。由于目前没有文献研究基于ZSC的储能系统在双向功率传输中的应用，同时考虑到SMES的经济成本较高，因此将ZSC应用到SMES中，用于提升其运行可靠性具有现实意义。进一步的，所述交流侧三相桥电路采用三相逆变桥电路。进一步的，所述斩波器包括开关管S8、开关管S9、电容C3、电感Lsc、二极管D1和二极管D2；所述电容C3的一端、开关管S8的漏极和二极管D1的阴极共节点并作为斩波器的输出正极连接于Z源阻抗网络，所述电容C3的另一端、二极管D2的阳极和开关管S9的源极共节点并作为斩波器的输出负极连接于Z源阻抗网络；所述开关管S8的源极、二极管D2的阴极和电感Lsc的一端共节点，且电感Lsc的另一端、开关管S9的漏极和二极管D1的阳极共节点。交流侧控制方法，包括：在ZSC-SMES拓扑结构基础上建立交流侧PCH模型；在交流侧PCH模型内设定期望的平衡点；根据期望的平衡点求解能量匹配方程并得出ZSC-SMES交流侧的控制率。本专利技术应用时，无源控制拥有较强的鲁棒性以及低运算复杂度，因此成为了近年来非线性控制方法中的研究热点，目前已经有学者将无源控制成功应用在了统一潮流控制器、有源滤波器、双馈风机、铁路功率调节器的控制中，其主要思路是按照设定的能量函数对受控系统进行能量成型，并通过阻尼注入加快系统状态变量的收敛速度。因此将无源理论应用于SMES变流器交流侧的控制，以提高系统交流侧的输出特性和鲁棒性具有一定的研究意义。无源控制策略的设计步骤可以分为PCH模型的建立、期望平衡点的设定以及能量匹配方程的求解三个步骤。本专利技术基于无源理论设计了变流器交流侧的控制器，通过能量成型和阻尼注入的方法提高了系统的动态响应能力和鲁棒性，改善了变流器的输出电能质量。进一步的，所述建立交流侧PCH模型包括：建立交流侧PCH的一般性模型：式中J(x)为内部结构矩阵，且J(x)＝-JT(x)；R(x)为半正定耗散矩阵；H(x)为受控系统的能量函数；g(x)为系统的外部端口互联矩阵；u为系统的输入端口变量；y为系统的输出端口变量；x为交流侧状态变量；为交流侧状态变量对时间的导数；根据ZSC-SMES拓扑结构将ZSC-SMES交流侧状态变量x和输入端口变量u分别表示为：根据ZSC-SMES拓扑结构将交流侧的能量函数H(x)和能量函数状态变量的变化率▽H(x)分别表示为：根据ZSC-SMES拓扑结构将交流侧的内部结构矩阵J(x)、耗散矩阵R(x)以及内外部交互结构矩阵g(x)分别表示为：式中Lg为变流器网侧电感值；Rg为变流器网侧电阻值；id为网侧d轴上的电流；iq为网侧q轴上的电流；Sd为变流器交流侧d轴上的开关函数；Sq为变流器交流侧q轴上的开关函数；Ugd为网侧d轴上的电网电压；Ugq为网侧q轴上的电网电压；ω为网侧电压角频率；Udc表示为直流侧电压值；将交流侧的能量函数H(x)、能量函数状态变量的变化率▽H(x)和内外部交互结构矩阵g(x)代入交流侧PCH的一般性模型得出交流侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZSC‑SMES拓扑结构，其特征在于，包括依次连接的交流侧三相桥电路、Z源阻抗网络和斩波器，所述交流侧三相桥电路的输入端连接于三相电网；所述Z源阻抗网络包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2和开关管S7，所述电感L1的一端、电容C1的一端和交流侧三相桥电路的输出正极共节点，电感L1的另一端、开关管S7的漏极和电容C2的一端共节点，电感L2的一端、电容C2的另一端和交流侧三相桥电路的输出负极共节点，电感L2的另一端、电容C1的另一端和斩波器的输出负极共节点，所述开关管S7的源极连接斩波器的输出正极，所述开关管S7的栅极连接于控制端。

【技术特征摘要】
1.一种ZSC-SMES拓扑结构，其特征在于，包括依次连接的交流侧三相桥电路、Z源阻抗网络和斩波器，所述交流侧三相桥电路的输入端连接于三相电网；所述Z源阻抗网络包括电容C1、电容C2、电感L1、电感L2和开关管S7，所述电感L1的一端、电容C1的一端和交流侧三相桥电路的输出正极共节点，电感L1的另一端、开关管S7的漏极和电容C2的一端共节点，电感L2的一端、电容C2的另一端和交流侧三相桥电路的输出负极共节点，电感L2的另一端、电容C1的另一端和斩波器的输出负极共节点，所述开关管S7的源极连接斩波器的输出正极，所述开关管S7的栅极连接于控制端。2.根据权利要求1所述的一种ZSC-SMES拓扑结构，其特征在于，所述交流侧三相桥电路采用三相逆变桥电路。3.根据权利要求1所述的一种ZSC-SMES拓扑结构，其特征在于，所述斩波器包括开关管S8、开关管S9、电容C3、电感Lsc、二极管D1和二极管D2；所述电容C3的一端、开关管S8的漏极和二极管D1的阴极共节点并作为斩波器的输出正极连接于Z源阻抗网络，所述电容C3的另一端、二极管D2的阳极和开关管S9的源极共节点并作为斩波器的输出负极连接于Z源阻抗网络；所述开关管S8的源极、二极管D2的阴极和电感Lsc的一端共节点，且电感Lsc的另一端、开关管S9的漏极和二极管D1的阳极共节点。4.使用权利要求1～3中任意一项ZSC-SMES拓扑结构的交流侧控制方法，其特征在于，包括：在ZSC-SMES拓扑结构基础上建立交流侧PCH模型；在交流侧PCH模型内设定期望的平衡点；根据期望的平衡点求解能量匹配方程并得出ZSC-SMES交流侧的控制率。5.根据权利要求4所述的交流侧控制方法，其特征在于，所述建立交流侧PCH模型包括：建立交流侧PCH的一般性模型：式中J(x)为内部结构矩阵，且J(x)＝-JT(x)；R(x)为半正定耗散矩阵；H(x)为受控系统的能量函数；g(x)为系统的外部端口互联矩阵；u为系统的输入端口变量；y为系统的输出端口变量；x为交流侧状态变量；为交流侧状态变量对时间的导数；根据ZSC-SMES拓扑结构将ZSC-SMES交流侧状态变量x和输入端口变量u分别表示为：根据ZSC-SMES拓扑结构将交流侧的能量函数H(x)和能量函数状态变量的变化率▽H(x)分别表示为：根据ZSC-SMES拓扑结构将交流侧的内部结构矩阵J(x)、耗散矩阵R(x)以及内外部交互结构矩阵g(x)分别表示为：式中Lg为变流器网侧电感值；Rg为变流器网侧电阻值；id为网侧d轴上的电流；iq为网侧q轴上的电流；Sd为变流器交流侧d轴上的开关函数；Sq为变流器交流侧q轴上的开关函数；Ugd为网侧d轴上的电网电压；Ugq为网侧q轴上的电网电压；ω为网...

【专利技术属性】
技术研发人员：林晓冬，何大地，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司成都供电公司，
类型：发明
国别省市：四川,51