用于超导储能的双向功率控制器.pdf

用于超导储能的双向功率控制器，由电压源型逆变器、低频变压器和可控硅变换器组成，电压源型逆变器的直流侧与超导储能系统中电力控制用电压源型变换装置的直流侧相连接，交流侧与低频变压器的原边相连接，低频变压器的副边与可控硅变换器的交流侧相连接，可控硅变换器的直流侧与超导储能电感相连接。采用本发明双向功率控制器方案可以实现大功率的超导储能系统的功率控制，以及理想的直流电压稳定性控制性能。不需要增加另外的稳压装置，电路结构简单，效率高。

1、  用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由电压源型逆变器、低频变压器和可控硅变换器组成，所述的电压源型逆变器的直流侧与超导储能系统中电力控制用电压源型变换装置的直流侧相连接，其交流侧与所述的低频变压器的原边相连接，低频变压器的副边与所述的可控硅变换器的交流侧相连接，可控硅变换器的直流侧与超导储能电感相连接。

2、  根据权利要求1所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是所述的低频变压器的频率为50Hz或60Hz工频。

3、  根据权利要求1或2所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由一个两电平三相电压源逆变器、一个三相工频变压器和一个三相共阴极可控硅半桥变换器组成。

4、  根据权利要求1或2所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由一个三电平三相电压源逆变器、一个三相工频变压器和一个三相可控硅全桥变换器组成。

5、  根据权利要求1或2所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由两个三电平三相电压源逆变器、一个双绕组工频变压器和一个三相可控硅全桥变换器组成。

6、  根据权利要求1或2所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由两个三电平三相电压源逆变器、一个双绕组工频变压器和一个三相可控硅全桥变换器组成。

7、  根据权利要求1或2所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由三个及其以上的大功率电压源型逆变器、三个及其以上的低频变压器和三个及其以上的可控硅变换器连接组成。

8、  根据权利要求1或2或7所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是所述的大功率电压源型逆变器为多电平电压源逆变器、级联式逆变器。

9、  根据权利要求1或2或7所述的用于超导储能的双向功率控制器，其特征是所述的低频变压器可以是三绕组或多绕组变压器。

用于超导储能的双向功率控制器
技术领域
本发明涉及一种用于超导储能的双向功率控制器，属于超导应用的
技术领域。
背景技术
随着高温超导材料的发现和电力电子技术的快速发展，超导储能(SMES)装置在电力系统中的应用越来越广泛。超导储能装置不仅可以用来调平负载，增大输电线路的输送功率极限，还可以改善电力系统稳定性，抑制电网频率和电压波动，减轻发电机的次同步振荡，缩短故障恢复时间等。SMES所用的电力控制装置是超导线圈和电网的能量交换装置，通过变压器与电网连接，它能独立控制超导线圈与电力系统的有功功率和无功功率交换。早期，SMES中的电力控制装置采用可控硅器件，系统中的功率因数总是滞后的，而且存在大量的低次谐波。因此，目前的超导储能(SMES)用电力控制装置多数是由电力电子开关元件构成的电压源型变换器，通过对电压源型变换器输出电压的幅值和相位进行控制，使之快速地调节系统的有功功率、无功功率(包括谐波)。
我们先来了解一下，在超导储能系统中双向功率控制器的工作原理。
为了实现超导储能电感与电力控制装置(如静止无功发生器、电力有源滤波器、动态电压恢复器等等)的双向功率传输，必须有一个能够完成将超导储能电感中磁场能量与电压源型变换装置进行能量的双向交换的装置，国外一般称之为双向斩波器(BI-DIRECTIONAL CHOPPER FORSMES)，而我们将它命名为双向功率控制器(BI-DIRECTIONAL POWERREGULATOR FOR SMES)，其在用于电力系统的超导储能系统中的位置如图1所示。
当超导储能系统从电网中吸收有功功率时，起电压支撑作用的直流电容(参见图2中C所示)上电压将升高，双向功率控制器工作在充电方式，使得这部分有功能量储存于超导储能电感中，维持直流电容上电压恒定。而当超导储能系统向电网中发出有功功率时，起电压支撑作用的直流电容上电压将降低，双向功率控制器工作在放电方式，使得储存于超导储能电感中的有功能量对直流电容释放，维持直流电容上电压恒定。
再来看一下现有超导储能用双向斩波器电路的基本形式及工作原理。
现有超导储能用双向斩波器电路的基本形式如图2所示，它是由两个单向斩波器合成：电力电子开关T1和二极管D1构成第一个斩波器，电力电子开关T2和二极管D2构成第二个斩波器，图中Lsc表示超导储能电感，箭头表示电流方向，C表示直流电容。其工作原理是，通过控制电力电子开关T1、T2的开通和关断时间，实现对流过超导储能电感Lsc的电流和直流电容C上电压的控制。在T1、T2同时开通时，直流电压加在超导储能电感Lsc上，且电压方向与电流方向相同，双向斩波器工作在充电模式。在T1、T2同时断开时，直流电压反向加在超导储能电感Lsc上，超导储能电感Lsc中的能量向直流电容C释放，双向斩波器工作在放电模式。而T1、T2中只有一个开通时，双向斩波器的输出电压为零，超导储能电感Lsc中能量维持不变。
双向斩波器的电路结构简单，所用电力电子元件也较少，但其缺点也非常明显。首先，大功率的电力电子开关元件与超导储能电感直接串联，承受与超导储能电感相同的电流，而超导储能电感的电流承受能力远远超过目前的大功率的电力电子元件(可以达到数千甚至数万安培)，导致超导储能效率受到抑制。其次，为达到大型超导储能系统大功率交换的要求，电力电子元件应承担更高的电压(数千伏)。而现有双向斩波器由于开关频率很低，因而导致直流电压侧的电压波动剧烈，必须采用其他复杂的电压稳定装置才能解决，使得电路结构非常复杂，效率也大大降低。同时，上述的原因也限制了更大功率超导储能系统的实现。目前，双向斩波器已经在小型超导储能装置中得到了应用，但应用效果并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有双向斩波器的缺点，提供一种易于实现大功率超导储能的、控制直流电压稳定的用于超导储能的双向功率控制器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种用于超导储能的双向功率控制器，其特征是由电压源型逆变器、低频变压器和可控硅变换器组成，所述的电压源型逆变器的直流侧与超导储能系统中电力控制用电压源型变换装置的直流侧相连接，其交流侧与所述的低频变压器的原边相连接，低频变压器的副边与所述的可控硅变换器的交流侧相连接，可控硅变换器的直流侧与超导储能电感相连接。
本发明的有益效果如下：首先，采用本发明的双向功率控制器方案可以实现大功率的超导储能系统的功率控制。电压源型逆变器由可控的电力电子开关元件组成，当采用多电平技术或逆变器级联技术等新型电路形式就可以利用工作电流较低(几百安培以内)的电力电子开关元件构成大功率的电压源型逆变器，较低的工作电流使得电力电子开关元件可以工作很高的开关频率下。通过采用高频载波调制技术，电压源型逆变器输出载波频率高而基础频率低(如50Hz/60Hz工频)的交流电，经过低频变压器(频率一般为50Hz或60Hz工频)降压后提供给可控硅变换器，通过选取合适的低频变压器变比，可以使电压源型逆变器工作于高电压小电流的工况，而可控硅变换器工作于低电压大电流的工况。可控硅是目前容量最大(可达8000V/8000A以上)、技术最成熟地一种电力电子元件，具有控制简单、工作效率高的特点，特别适合大容量可控整流/逆变的应用，但它的缺点是控制频率低，且不能自关断。用可控硅变换器直接对超导储能电感进行功率的双向控制正好符合可控硅元件电流大、频率低的特点。另外，利用不同形式的串联、并联技术，可以实现由多个电压源型逆变器、低频变压器和可控硅变换器组成的更高容量和更大电流的超导储能用双向功率控制器。理论上，这样的超导储能用双向功率控制器的容量由于不受电力电子元件容量的限制，可以达到100MW/10KA以上。
其次，采用本发明的双向功率控制器方案可以实现理想的直流电压稳定性控制性能。如上面所述，与直流电压侧相连的电压源型逆变器因为工作电流较低，电力电子开关元件可以工作在很高的开关频率下，因此可以实现对直流电压的高频控制，这样直流电压将表现为高频率、低振幅的波动。不需要增加另外的稳压装置，电路结构简单，效率也大大提高。
总之，本发明的双向功率控制器方案相比于现有的双向斩波器，具有功率大，控制性能好的优点，符合当今超导储能应用大容量、大电流的发展趋势。
附图说明
图1为用于电力系统的超导储能系统原理框图。
图2为现有技术的双向斩波器电原理图。
图3为本发明用于超导储能的双向功率控制器原理框图。
图4为本发明实施例1电原理图。
图5为本发明实施例2电原理图。
图6为本发明实施例3电原理图。
具体实施方式
下面参照附图并结合三个实施例对本发明作进一步描述。
如图4所示的实施例1为100KW/1000A小功率的用于超导储能的双向功率控制器，它由一个两电平三相电压源逆变器INV、一个三相工频变压器(频率为50Hz或60Hz)Tr和一个三相共阴极可控硅半桥变换器SCR组成。其中两电平三相电压源逆变器INV输出线电压为400V，输出相电流为150A。工频变压器Tr为D/Y₀接法的100KVA三相变压器。三相共阴极可控硅半桥变换器SCR的输出直流电压为100V(逆变时为-100V)，输出电流为1000A。图中C为直流电容，Lsc为超导储能电感。
如图5所示的实施例2为500KW/2000A中等功率的用于超导储能的双向功率控制器，它由一个三电平三相电压源逆变器TLI、一个三相工频变压器Tr和一个三相可控硅全桥变换器SCR组成。其中三电平三相电压源逆变器TLI的输出线电压为1000V，输出相电流为300A。工频变压器Tr为D/Y₀接法的500KVA三相变压器。三相可控硅全桥变换器的输出直流电压为250V(逆变时为-250V)，输出电流为2000A。图中C1、C2为直流电容，Lsc为超导储能电感。
如图6所示的实施例3为1000KW/2000A大功率的用于超导储能的双向功率控制器，它由两个三电平三相电压源逆变器TLI1和TLI2、一个双绕组工频变压器Tr和一个三相可控硅全桥变换器SCR组成。其中每个三电平三相电压源逆变器输出线电压为1000V，输出相电流为300A。工频变压器Tr为Y/Y/D接法的1000KVA三相双绕组变压器。三相可控硅全桥变换器SCR的输出直流电压为500V(逆变时为-500V)，输出电流为2000A。图中C11、C12、C21、C22为直流电容，Lsc为超导储能电感。
对于更大功率的超导储能系统，本发明控制器可以由三个及其以上的大功率电压源型逆变器、三个及其以上的低频变压器和三个及其以上的可控硅变换器连接组成，实现功率合成，完成大功率超导储能双向控制。大功率电压源型逆变器可以是多电平电压源逆变器、级联式逆变器等，低频变压器可以是三绕组或多绕组变压器。