王 丹

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，陜西 西安710014）

1 引言

超導(dǎo)磁儲能（Superconducting Magnetic Energy Storage,縮寫為SMES）是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展而來的一種新的儲能方式，它利用超導(dǎo)線圈以電磁能的形式存儲電能，并以其快速而獨(dú)立的功率雙向調(diào)節(jié)功能而成為高新技術(shù)研究的熱點(diǎn)［1］。SMES最大的優(yōu)越性在于其能快速地與系統(tǒng)進(jìn)行有功和無功交換，而且有功和無功的交換可四象限獨(dú)立進(jìn)行。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)中控制器及其控制策略的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，它決定著SMES裝置能否與電網(wǎng)良好匹配，其已成為根據(jù)不同控制目標(biāo)最大限度改善電力系統(tǒng)性能的主要因素。本文提出的將數(shù)字信號處理器和可編程邏輯控制器件相結(jié)合的數(shù)字控制方法，具有抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景［2］。

2 SMES系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和變換器結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)由超導(dǎo)線圈、制冷裝置、變流器、控制器和保護(hù)電路等幾大部分組成。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從變流器“基本單元并聯(lián)”的思想出發(fā)，采用將多個模塊直接并聯(lián)的電流型組合變流器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多模塊并聯(lián)的電流型組合變流器結(jié)構(gòu)

當(dāng)超導(dǎo)儲能系統(tǒng)需要大容量的變流器時，可通過直接并聯(lián)模塊數(shù)目來改變變流器總功率容量。當(dāng)模塊數(shù)變化時，只需對保護(hù)設(shè)定和軟件中若干參數(shù)做調(diào)整，無需改動其他硬件，因此易于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

3 控制算法研究

基于赤木泰文［4］定義的瞬時實(shí)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(jì)算公式如下：

在三相電壓對稱的電網(wǎng)中，三相電流和三相電壓之和為零，即：

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

由此可得：ia（t）＝Y(jié)a（t）·Ⅰdc。將Yn經(jīng)過傅立葉變換，得：

交流側(cè)電流的基波幅值為：

式中，n＝a，b，c，M 為SPWM的幅度調(diào)制比，Ⅰdc為直流電流。

設(shè)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(wǎng)中SMES接入點(diǎn)處變流器的基波電壓和電流的幅值。SMES的功率調(diào)節(jié)目的是跟蹤給定的有功無功功率參考值，設(shè)Uph為交流側(cè)電壓的有效值，則有將設(shè)定值pr和qr代入式（6）得：

通過直接調(diào)節(jié)M 和α,可以實(shí)現(xiàn)SMES和電網(wǎng)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(gòu)成的控制系統(tǒng)

采用基于DSP(Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理)和CPLD(Complex Programmable Logic Device復(fù)雜可編程邏輯器件)相結(jié)合的控制系統(tǒng)。DSP選用TMS320LF2407A芯片，CPLD選用EPM1270T144C5芯片［4］，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。DSP接到中斷信號后進(jìn)行采樣計(jì)算，用DSP的時鐘驅(qū)動CPLD的時序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，兩者時鐘完全同步，運(yùn)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(shù)據(jù)鎖存單元、三角波發(fā)生器和比較單元。數(shù)據(jù)鎖存單元將各個橋臂的信號數(shù)據(jù)鎖存，在三角波發(fā)生器給出的確定時刻，將其送到比較單元與計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較而產(chǎn)生SPWM信號。

圖3 DSP與CPLD構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖

5 DSP和CPLD內(nèi)部軟件的設(shè)計(jì)

用C語言進(jìn)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(jìn)行初始化，接著對變流器直流電流的過流標(biāo)志位進(jìn)行檢測，看它是否為1，如果是1會立即調(diào)用限流子程序?qū)Τ瑢?dǎo)線圈中的電流進(jìn)行限制，防止超導(dǎo)線圈發(fā)生過流現(xiàn)象。然后判斷超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的變流器所處的狀態(tài)：充磁狀態(tài)；放磁狀態(tài)；功率交換狀態(tài)。如果超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的變流器處于充磁狀態(tài)，此時需要調(diào)用充磁子程序來控制超導(dǎo)線圈中的充磁電流。如果超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的變流器處于放磁狀態(tài)，就需要調(diào)用放磁子程序來放掉超導(dǎo)線圈中的電能。若兩種狀態(tài)都不是，則變流器處于功率交換狀態(tài)，此時要控制變流器進(jìn)行有功功率和無功功率的交換：首先要將需要補(bǔ)償?shù)挠泄β屎蜔o功功率的值經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)，并要對結(jié)果進(jìn)行限幅，接著利用公式計(jì)算出SPWM調(diào)制所需的相位角α和幅度調(diào)制比M，最后利用總線將此M和α的值發(fā)送給CPLD。同時，要調(diào)用SCI發(fā)送子程序并利用查詢方式向主機(jī)PC傳送信息。CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。CPLD內(nèi)部軟件的設(shè)計(jì)情況如下：

（1）三角載波計(jì)數(shù)器。三角載波計(jì)數(shù)器是由可依次加減交替計(jì)數(shù)的可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成。載波周期值Tc取決于兩個因素，一是計(jì)數(shù)脈沖周期Tit，二是載波的幅值Peak。它們之間的關(guān)系為：

在CPLD內(nèi)設(shè)置載波幅值寄存器，保存載波最大計(jì)數(shù)值Peak。該值可由DSP發(fā)送數(shù)據(jù)來更新，從而改變?nèi)禽d波的周期和頻率，以實(shí)現(xiàn)同步或分段同步調(diào)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(yán)格保證各片的載波計(jì)數(shù)的同步性。在CPLD開始工作時，一定要保證兩個載波計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)初值和加減狀態(tài)，從而保證載波計(jì)數(shù)器嚴(yán)格錯開360°/N的載波角度。

（2）脈沖數(shù)據(jù)鎖存器。CPLD接收DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)。在CPLD內(nèi)設(shè)置譯碼器，以保證不同的寄存數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的寄存單元中。為了保證PWM脈沖的正確實(shí)現(xiàn)，三角載波計(jì)數(shù)值必須在從0增加時同步與脈沖關(guān)斷時間比較，才能產(chǎn)生正確的PWM脈沖，而DSP通過總線發(fā)送給CPLD的脈沖低電平時間數(shù)據(jù)是依次的，并不是同步的，所以要設(shè)置二級的緩沖寄存器，以保證三相橋臂的脈沖低電平數(shù)據(jù)同時進(jìn)入比較器與三角載波相比較。

（3）數(shù)值比較器。數(shù)值比較器將三角載波計(jì)數(shù)值與三個脈沖低電平時間數(shù)據(jù)相比較，產(chǎn)生三路PWM信號。根據(jù)比較原理，比較結(jié)果采用載波計(jì)數(shù)值大于或等于脈沖低電平時間數(shù)據(jù)時翻轉(zhuǎn)。比較產(chǎn)生的PWM信號再經(jīng)過D觸發(fā)器，以消除比較過程中所產(chǎn)生的干擾脈沖。

圖5 CPLD內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖

（4）死區(qū)發(fā)生器。它由死區(qū)計(jì)數(shù)器和一些時序邏輯組成。在每個信號的上升沿，將信號經(jīng)過一段死區(qū)時間延時后再輸出，死區(qū)時間由死區(qū)計(jì)數(shù)器計(jì)至一定的數(shù)值來控制［6］。

6 結(jié)束語

先進(jìn)的DSP+CPLD能使超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性和穩(wěn)定性，同時也為最新數(shù)字控制器件成功應(yīng)用于電力電子裝置做了有益的探索。

［1］唐躍進(jìn)，石 晶，任 麗.超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］權(quán) 博.超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)及其在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.天津：天津理工大學(xué)，2011.

［3］謝小榮，姜其榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006

［4］唐 蕾，陳維榮.瞬時無功功率理論坐標(biāo)變換的推導(dǎo)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(shè)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［6］葉劍利.CPLD在電力電子變換技術(shù)中的應(yīng)用［D］.浙江：浙江大學(xué)，2004.