电流型超导储能变流器关键技术研究

摘要

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。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

第2章直接并联多重化电流型变流器关键特性及其改善

第3章电流型变流器阵列关键特性研究

第4章电流型超导储能变流器功率控制

第5章35kJ/7.5kW高温超导储能系统变流器设计

第6章35kJ/7.5kW高温超导储能系统变流器试验

6.1单模块工作模式带常导电感

6.2四模块载波相移模式带常导电感

6.3四模块无载波相移模式带常导电感

6.4几种工作模式的比较

6.5变流器带超导线圈试验

6.6本章小结

第7章结论与展望

附录装置实物照片

参考文献

攻读博士学位期间发表和录用的论文

致谢