超導磁儲能系統控制策略的研究

王 丹

（西安鐵路職業技術學院 電氣工程系，陜西 西安710014）

1 引言

超導磁儲能（Superconducting Magnetic Energy Storage,縮寫為SMES）是基于現代電力電子技術發展而來的一種新的儲能方式，它利用超導線圈以電磁能的形式存儲電能，并以其快速而獨立的功率雙向調節功能而成為高新技術研究的熱點［1］。SMES最大的優越性在于其能快速地與系統進行有功和無功交換，而且有功和無功的交換可四象限獨立進行。超導磁儲能系統中控制器及其控制策略的設計非常關鍵，它決定著SMES裝置能否與電網良好匹配，其已成為根據不同控制目標最大限度改善電力系統性能的主要因素。本文提出的將數字信號處理器和可編程邏輯控制器件相結合的數字控制方法，具有抗干擾能力強、控制精度高等優點，具有廣闊的推廣應用前景［2］。

2 SMES系統的總體結構和變換器結構

超導儲能系統由超導線圈、制冷裝置、變流器、控制器和保護電路等幾大部分組成。其總體結構框圖如圖1所示。

圖1 超導儲能系統結構框圖

從變流器“基本單元并聯”的思想出發，采用將多個模塊直接并聯的電流型組合變流器結構，其結構圖如圖2所示。

圖2 多模塊并聯的電流型組合變流器結構

當超導儲能系統需要大容量的變流器時，可通過直接并聯模塊數目來改變變流器總功率容量。當模塊數變化時，只需對保護設定和軟件中若干參數做調整，無需改動其他硬件，因此易于實現擴展。

3 控制算法研究

基于赤木泰文［4］定義的瞬時實功率和瞬時虛功率，在三相電路中通常稱為瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，計算公式如下：

在三相電壓對稱的電網中，三相電流和三相電壓之和為零，即：

令SMES接入點處的電流等于變流器調制電流的濾波電流，即isn＝icn，其中n＝a，b，c，在調制過程中，設變流器直流側電流idc恒定，變流器工作在三邏輯SPWM調制方式，其直流側可以等效為一個電流源，用三值邏輯開關函數Yn來描述其交流側的電流，有：

由此可得：ia（t）＝Ya（t）·Ⅰdc。將Yn經過傅立葉變換，得：

交流側電流的基波幅值為：

式中，n＝a，b，c，M 為SPWM的幅度調制比，Ⅰdc為直流電流。

設電壓和電流之間的相位差為α，利用三角恒等式可得：

式中，Us、Ⅰs分別為電網中SMES接入點處變流器的基波電壓和電流的幅值。SMES的功率調節目的是跟蹤給定的有功無功功率參考值，設Uph為交流側電壓的有效值，則有將設定值pr和qr代入式（6）得：

通過直接調節M 和α,可以實現SMES和電網之間按照給定的功率參考值交換有功和無功功率。

4 CPLD與DSP構成的控制系統

采用基于DSP(Digital Signal Processing 數字信號處理)和CPLD(Complex Programmable Logic Device復雜可編程邏輯器件)相結合的控制系統。DSP選用TMS320LF2407A芯片，CPLD選用EPM1270T144C5芯片［4］，其結構圖如圖3所示。DSP接到中斷信號后進行采樣計算，用DSP的時鐘驅動CPLD的時序進行數據處理，兩者時鐘完全同步，運算和控制信號由DSP給出，通過總線將信號按照正確的時序送到CPLD中，在CPLD中有數據鎖存單元、三角波發生器和比較單元。數據鎖存單元將各個橋臂的信號數據鎖存，在三角波發生器給出的確定時刻，將其送到比較單元與計數器進行比較而產生SPWM信號。

圖3 DSP與CPLD構成的控制系統框圖

5 DSP和CPLD內部軟件的設計

用C語言進行編程，其主程序的流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

在圖4中，DSP首先對寄存器和I/O口進行初始化，接著對變流器直流電流的過流標志位進行檢測，看它是否為1，如果是1會立即調用限流子程序對超導線圈中的電流進行限制，防止超導線圈發生過流現象。然后判斷超導儲能系統的變流器所處的狀態：充磁狀態；放磁狀態；功率交換狀態。如果超導儲能系統的變流器處于充磁狀態，此時需要調用充磁子程序來控制超導線圈中的充磁電流。如果超導儲能系統的變流器處于放磁狀態，就需要調用放磁子程序來放掉超導線圈中的電能。若兩種狀態都不是，則變流器處于功率交換狀態，此時要控制變流器進行有功功率和無功功率的交換：首先要將需要補償的有功功率和無功功率的值經過比例積分環節，并要對結果進行限幅，接著利用公式計算出SPWM調制所需的相位角α和幅度調制比M，最后利用總線將此M和α的值發送給CPLD。同時，要調用SCI發送子程序并利用查詢方式向主機PC傳送信息。CPLD內部邏輯結構圖如圖5所示。CPLD內部軟件的設計情況如下：

（1）三角載波計數器。三角載波計數器是由可依次加減交替計數的可逆計數器構成。載波周期值Tc取決于兩個因素，一是計數脈沖周期Tit，二是載波的幅值Peak。它們之間的關系為：

在CPLD內設置載波幅值寄存器，保存載波最大計數值Peak。該值可由DSP發送數據來更新，從而改變三角載波的周期和頻率，以實現同步或分段同步調制的目的。此外，N個CPLD由于采用同一個晶振提供時鐘信號，可嚴格保證各片的載波計數的同步性。在CPLD開始工作時，一定要保證兩個載波計數器的計數初值和加減狀態，從而保證載波計數器嚴格錯開360°/N的載波角度。

（2）脈沖數據鎖存器。CPLD接收DSP發送的數據。在CPLD內設置譯碼器，以保證不同的寄存數據發送到相應的寄存單元中。為了保證PWM脈沖的正確實現，三角載波計數值必須在從0增加時同步與脈沖關斷時間比較，才能產生正確的PWM脈沖，而DSP通過總線發送給CPLD的脈沖低電平時間數據是依次的，并不是同步的，所以要設置二級的緩沖寄存器，以保證三相橋臂的脈沖低電平數據同時進入比較器與三角載波相比較。

（3）數值比較器。數值比較器將三角載波計數值與三個脈沖低電平時間數據相比較，產生三路PWM信號。根據比較原理，比較結果采用載波計數值大于或等于脈沖低電平時間數據時翻轉。比較產生的PWM信號再經過D觸發器，以消除比較過程中所產生的干擾脈沖。

圖5 CPLD內部邏輯結構圖

（4）死區發生器。它由死區計數器和一些時序邏輯組成。在每個信號的上升沿，將信號經過一段死區時間延時后再輸出，死區時間由死區計數器計至一定的數值來控制［6］。

6 結束語

先進的DSP+CPLD能使超導磁儲能系統結構更加緊湊，從而提高了系統的抗干擾性能，保證了系統運行的實時性和穩定性，同時也為最新數字控制器件成功應用于電力電子裝置做了有益的探索。

［1］唐躍進，石 晶，任 麗.超導磁儲能系統及其在電力系統中的應用［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］權 博.超導磁儲能系統及其在風電并網系統中的應用研究［D］.天津：天津理工大學，2011.

［3］謝小榮，姜其榮.柔性交流輸電系統的原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2006

［4］唐 蕾，陳維榮.瞬時無功功率理論坐標變換的推導及諧波電流檢測原理分析［J］.2008，2.

［5］Texas Instruments Incorporated 著，徐科軍等譯，TMS320LF／LC24系列DSP的CPU與外設［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［6］葉劍利.CPLD在電力電子變換技術中的應用［D］.浙江：浙江大學，2004.