基于DSP的超导储能装置协调控制策略研究 - 图文

第４章电压源型超导储能装置的硬件和软件设计如从满足有功、无功功率指标，满足瞬态电流跟踪指标等。相关文献中大多设计方法都是从满足瞬态电流跟踪指标出发，在不同程度作了工程近似。其设计思路是：电感参数的大小既要保证电流快速跟踪，又要抑制谐波电流。当电流过零时，电流的变化率最大，此时电感应足够小，以满足电流快速跟踪的要求；在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最大，此时电感应该足够大，以满足抑制谐波电流的要求呻制。满足以上电流瞬态跟踪指标时，交流侧电感参数的范围是：氅艘≤上≤黑（吣１．５ｕ）２Ｕ２△ｋ一＾一一３Ｃ缈、。出７“。。∥（４．５）、“。７其中：Ｕ为电网电动势相电压峰值；魄为直流侧额定电压值；五为交流侧相电流基波峰值；∞为电网电压角频率；彳‰为最大允许谐波电流脉动量；乃为ＰＷＭ控制周期。根据上式可以计算出系统在正常工作情况下交流输入电感的取值范围。设系统参数为：网侧电动势相电压有效值为３００Ｖ，直流侧电压８００Ｖ，最大允许谐波电流脉动量为额定电流的２０ｏ，４，系统ＰＷＭ控制频率５ｋＨｚ，则可以通过上式求得交流侧输入电感最小值４．８ｍＨ。在实际应用中都是从理论出发，求得系统所需电感的最小值，然后按照一定的余量进行选取，并且将选取的交流侧输入电感在装置稳态运行状况下进行比较，选择出比较合适的交流侧输入电感，进行动态实验。４．１．３直流侧电容器参数设计在电压源型超导储能装置中直流电容主要有以下作用：乱缓冲交流侧与直流侧之间的能量交换，并且稳定直流侧电压；ｂ．抑制直流侧谐波电压：Ｃ．实现变流器与电流调节器的解耦。由于直流侧电容设计准则和ＳＶＰＷＭ控制方法以及负载特性都有很大的关系，并且受到实际系统工作条件的限制，相关的设计方法较少，这里给出相关参考文献中的一种设计方法。从满足直流电压控制的跟随性能指标出发，直流侧电容应尽可能的小，以确保直流侧电压控制的快速跟随性；而从满足直流电压控制的稳定性出发，直流侧电容应尽可能大，以限制负载扰动时的直流电压动态压降。根据直流电压跟随性能指标，可以求得三相ＶＳＣ直流侧电容的范围为：ｃ≤—Ｌ０．７４Ｒ￡．（４．６）西安理工大学硕士学位论文其中：ｆ，’为三相ＶＳＣ直流侧电压从初始值上升到额定值的最大允许上升时间；毗为直流侧等效负载电阻。根据直流侧电压的抗扰性指标，可以求得三相ＶＳＣ直流侧电容的范围为：ｃ＞面１互‘４?７）△吒２等（４．８）其中：彳％俄为直流侧电压最大动态压降；４％’为直流侧电压最大动态压降相对值。根据以上推导，可以计算出直流侧电容取值范围。但在实际应用中，式（４．６）和式（４．７）不能同时满足，这时应根据负载的特性以及实际的工作场合对理论值进行合理的选取，最好通过仿真对选取的参数进行验证。本样机最终选取直流侧电容９４０／ＹＦ。由于ＩＧＢＴ的额定电压为１２００Ｖ，所以系统直流侧电容参数选取为９４０／ｚＦ／１２００Ｖ。可采用四只４７０＃Ｆ／６００Ｖ的电容器串并联，然后相同的两组并联实现。４．１．４吸收电路设计吸收电路又称缓冲电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、ｄｕ／ｄｔ或者过电流和ｄｉ／ｄｔ，减小器件的开关损耗。吸收电路可分为关断吸收电路和开通吸收电路。关断吸收电路又称为ｄｕ／ｄｔ抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制ｄｕ／ｄｔ，减少关断损耗。开通吸收电路又称为ｄｉ／ｄｔ抑制电路，用于抑制器件的开通过电流和过充，抑制ｄｉ／ｄｔ，减少器件的开通损耗。二者结合起来就是复合吸收电路，本节主要就是研究复合吸收电路。１）吸收电路的分类ａ．吸收电路按照连接的位置不同，可以分为：个别吸收电路和集中吸收电路。①个别吸收电路：顾名思义，该电路就是一个吸收电路只与一个开关管相连接。这种连接方式对开关管的开通关断过程的过电压和过电流抑制效果较好；但是，由于每个开关管都连有吸收电路，而吸收电路的元件参数不完全一致，导致系统的拓扑结构发生变化，这样就对控制算法的精度要求更高。②集中吸收电路：集中吸收电路是将整个系统作为一个整体进行吸收，它要与变流器并行连接。这种连接方式简单，减少了元件总数，控制较容易；但是，由于它与每个桥臂的距离不同，导致对他们吸收的效果不同，因而无法保证可靠保护开关管。ｂ．吸收电路按照结构的不同，大致分为以下三类：①Ｃ吸收电路，主要应用在集中式连接电路中，并联在系统的直流侧；②ＲＣ吸收电路，主要应用于个别吸收电路中：＠ＲＣＤ吸收电路，既可用在个别连接方式下又可用在集中连接方式情况下。第４章电压源型超导储能装置的硬件和软件设计综合以上分析，本文采用个别吸收的连接方式，保证对ＩＧＢＴ的可靠保护。由于ＩＧＢＴ容量较小，线路寄生电感也很小，因而采用ＲＣ吸收电路即可。下面讨论一下吸收电路的参数选择问题。２）吸收电路的的电容选择在讨论吸收电容的选择之前，先根据有关的手册¨¨，给出采用吸收电路时，功率开关管的典型关断电压波形，如图４．２所示。图４－２ＩＧＢＴ关断电压波形Ｆｉｇ．４－２ＶｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆＩＧＢＴｏｆｆ从图４．２中可以看出，初始浪涌电压么∽之后，随着吸收电容的充电，瞬时电压再次上升。第二次上升峰值４∞是吸收电容值和母线寄生电感的函数。为确定彳阮的数量级，可以用能量守恒定律获得式（４．９），去三Ｐ￡＝ｉ１Ｌ，△ｕ２２二二（４．９）其中：厶为母线寄生电感；如为功率开关管的工作电流；Ｇ为吸收电容值；彳也为吸收电压峰值。若给４踢设定限值，那么便能按上式（４．９）对给定的功率电路确定，ｅ＝上ｐ年／ＡＵ；（４．１０）表４．１给出了三菱公司针对Ｈ系列ＩＧＢＴ推荐的吸收电路设计，实验证明也适合于其他公司的ＩＧＢＴ。使用该表的两个设定条件是：ａ。缓冲电路处理的最大电流为ＩＧＢＴ的额定电流厶，对短路时发生的过大电流已采用降低栅—射电压Ｕｚｚ，钳位Ｕｏｚ等办法加以限制；ｂ．按Ｃ型缓冲电路设计的缓冲电容Ｃ，值，是以４Ｕｅ＝１００Ｖ计算出来的。．根据前面的选择，对于额定电流为４５Ａ的主功率开关管，从表４．１中推荐值可以得出吸收电容的选择应该时０．４缸Ｆ。考虑到大功率ＩＧＢＴ电路需要极低电感量的吸收电路，故吸收电容要选择无感电容。西安理工大学硕士学位论文１磊沁？表４．１ＩＧＢＴ推荐吸收电路设计参数Ｔａｂ．４—１ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＩＧＢＴｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆａｂｓｏｒｂｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ元件额定值～～＼一唧）驱动条件主电路寄生缓冲电容Ｒｅ（ｎ）电感易以Ｈ）Ｇ０Ｆ）５０Ａ＞６８７５Ａ＞４７０．４７１００Ａ＞３３６００Ｖ１５０Ａ５１５＞２４郢．２１．５２００Ａ≥１６５０．１６２．２３００Ａ之９．１Ｓ０．１３．３４００Ａ芝６．８５０．０８４．７５０Ａ＞２２７５Ａ芝９．１０．４７１２００Ｖ１００Ａ＜１５≥５．６１５０Ａ芝４．７＜０．２１．５２００Ａ≥３．０＜ｏ．１６２．２３００Ａ＞－２．Ｏ＜ｏ．０８３．３３）吸收电路的电阻选择缓冲电阻要求的机能是在ＩＧＢＴ下一次关断动作进行前，将存储在缓冲电容器中的电荷放电。在ＩＧＢＴ进行下一次断开动作前，将存储电荷的９０％放电的条件下，求取缓冲电阻的方法如下：Ｒ，≤万茜ｃ４ｍ，根据式（４．１０）和（４．１１）就可计算出ＲＣ吸收电路的参数。本系统的ＲＣ参数为：ｃｒ＝ｏ．４７ｐＦ，Ｒ，＝３０Ｑ。４．１．５驱动电路的设计ＩＧＢＴ的栅极驱动电路在它的应用中有着特别重要的作用，ＩＧＢＴ应用的关键问题之一就是栅极驱动电路的合理设计。ＩＧＢＴ对驱动电路有许多特殊的要求，概括起来主要有脚１：１）栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大，使ＩＧＢＴ能快速开通和关断，缩短开关时间，减小开关损耗。２）在ＩＧＢＴ导通后，栅极驱动电路提供给ＩＧＢＴ的驱动电压和电流要具有足够的幅值。该幅值应能维持ＩＧＢＴ的功率输出级总是处于饱和状态，当ＩＧＢＴ瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证ＩＧＢＴ不退出饱和，避免损坏。３）栅极驱动提供给ＩＧＢＴ的正向驱动电压＋Ｕｏｓ增加时，ＩＧＢＴ输出级晶体管的导通压降ＵＤＳ和开通损耗值将下降。在负载短路过程中，ＩＧＢＴ的集电极电流也会随＋ＵＧｓ的增加而增加，并使ＩＧＢＴ承受短路损坏的脉宽变窄。因此，ＩＧＢＴ的栅极驱动电压应该选取其所需要的最小值。