（电力系统及其自动化专业论文）超级电容器储能系统电压控制技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着工娩、经济酌发屣，人民生活水平不断箍离，电力嗣户对电能质量 提出了更高强求。为了更好的改善电能质量，系统化补偿技术怒解决电能质 麓问题的最终途径。本文中研究了基于超级电容爨的电压控制技术，其中鲍 继麓元 孛采鞠超级毫容器这一薪型能滋器薛。越级电容嚣蒹旁鬻规电容器功 率密度大，充电电池能量密度高的优点，可以快速究放电，而熙寿命长，是 离效实用的储能元件。文中分析了超级电容器储能系统的工作原理，给出了 瑷理銎，羞熬漤述了主彀鼹貔结携程硬 牛毫爨，莠黻t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为控裁梭 心，采用拒编语言进行了软件编程。髓着技术的成熟和成本的降低，超级电 容器储能将被广泛应用于电力系统的电能质量控制中。 获键诿：电貔震量，趣缀电容器，熬竟调麓，p i d ，d s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i n d u s t r y ，e c o n o m ya n d t h ei m p r o v e m e n to f t h es t a n d a r do f l i v i n g ，p r o b l e m sr e g a r d i n gp o w e rq u a l i t y i s s u e si n g e n e r a l b e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i n o r d e rt o i m p r o v ep o w e rq u a l i t 只t h e s y s t e m i cc o m p e n s a t i o ni sn e c e s s a r y t h i sp a p e rs t u d i e sc o n t r o lo ft h ee n e r g y s y s t e m b a s e do n s u p e rc a p a c i t o r s s u p e rc a p a c i t o r ，a n o v e l e n e r g ys t o r a g e c o m p o n e n t ，i su s e dh e r e i ti n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp o w e rd e n s i t y c h a r a c t e r i z e db yc o n v e n t i o n a lc a p a c i t o r s ，h i g he n e r g yd e n s i t yc h a r a c t e r i z e db y r e c h a r g e a b l eb a t t e r i e s ，t h ef a s tc h a r g e ，d i s c h a r g ep e r f o r m a n c ea n dt h el o n gl i f e t h u s ，i ti se x p e c t e dt ob ea ne n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n tw i t hh i g he f f i c i e n c ya n d p r a c t i c a b i l i t y t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dm a i nc i r c u i ta r ea n a l y z e d t h ep a p e r p r e s e n t st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni n c l u d i n gs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so f t h e m a i nc i r c u i t i t sc o n t r o lc e n t e ri sm i c r o p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 t h es o f t w a r ei s c o m p l e t e d i na s s e m b l el a n g u a g e w i t ht h eg r o w i n g u po f t h et e c h n o l o g ya n dl o w c o s t ，t h ee n e r g ys y s t e mb a s e do ns u p e rc a p a c i t o r sw i l lb eu s e dw i d e l y c a il i - j u a n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n e h e n g k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , s u p e rc a p a c i t o r , p w m ，p i d ，d s p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超级电容器储能系统电压控制技术 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蘼函翊 日 期：至翌垒2 ：兰； 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：麓萤当 日期：旦垒1 2 ：呈邕 ： 名 期 签师 导 日 华北电力大学颐士学位论文 第一章绪论 随着信息产业和新技术产业的飞速发展，以及传统行业采用计算机管理及新的 控制技术的应用，对电能质量敏感的负荷所占比重越来越大，这就意味着信息社会 不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特殊性的电力供应。 针对电能质量问题，各国都在开展改善电能质量这方面的研究。美国电力科学 研究院的n ，h h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年率先提出了“用户电力”( c u s t o mp o w e r ) 的概念1 1 1 ，在配电网中，利用“用户电力”技术将配电系统改造成无瞬间停电、无 电压闪变、无不对称现象和无谐波的实时控制的柔性化配电网，即利用各种电力电 子控制器来提高配电网供电可靠性及电能质量。目前，美国西屋电气公司、德国西 门子公司、日本三菱电气公司、瑞典a b b 公司等各大电力设备制造厂都制造出相应 的产品。在美国、欧洲以及东南亚的新加坡，已经有多种类型的装置投入了实际运 行1 2 1 1 3 ”。 近年来，我国的清华大学、中国电力科学研究院、西安交通大学、浙江大学、 哈尔滨工业大学和华北电力大学等众多科研院校也在该领域进行了有益的尝试。 鉴于此，国家电力公司制订的2 0 0 1 2 0 0 5 2 0 1 5 年科技发展规划中明确将“电 能质量的分析与控制技术”列为重点研究课题。我校和国家电力公司合作，开始进 行配电电能质量分析与控制模拟试验系统的研究。“基于超级电容器的电能质量控 制技术研究”课题就是这个项目中的子项目。 配电电能质量分析与控制的应用与推广可使电力用户提高工作效率和产品质量，降 低生产成本；对供电企业来讲，可减少在将来电力市场条件下的停电补偿，电力按质论 价，增加售电收益，树立为用户良好服务的形象。浚项目的研究不仅具有理论意义，而 且具有重要的实用价值。 1 1 本课题的研究意义 随着电网中各种冲击性、非线性负荷的不断增加，供电系统电能质量受到了严 重污染。电压质量的优劣将会对很多用户，特别是计算机、自动化装置、医疗设备 和通讯设备等敏感型用户产生很大的影响，若不采取合适的缓解措施，电压干扰会 使设备不能j 下常工作或误动作，带来巨大的经济损失。据报道，1 9 9 5 年美国工业由 于电源电压质量问题造成的损失超过2 0 0 亿美元。 在电压质量问题中尤其要注意的是电压跌落和瞬时断电两种干扰，而且因电压 华北电力大学颐士学位论文 跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的事故次数的1 0 倍。专家们 认为，电压跌落与瞬时断电已上升为最重要的电能质量问题之一”1 ，应引起足够的 重视。 通常有两种方法来提高电能质量，第一种是改善负荷特性，降低用户设备对电 能质量的敏感程度，使具有更高的抗扰动的能力；第二种方法就是加装补偿装置， 来抵消系统中的干扰，使其用户侧得到不受扰动的电能。第二种方法被广泛的采用， 除了传统的并联电容器、有载调压变压器、同步调相机等外，还有许多新兴基于电 力电子技术的补偿装置。 本课题主要研究基于超级电容器的电能质量控制技术，利用超级电容器储能系 统改善电能质量，提高供电可靠性。当系统电压跌落时，补偿装置就像一组可调电 容器那样向系统提供无功功率；当系统电压突升时，补偿装景将消耗无功功率。由 于具有储能单元一超级电容器，在配电系统发生供电电压中断时，还可以向负荷短 时供电。这样，不仅做到了无功功率的实时跟踪，还有效地抑制负荷扰动造成的电 压波动，而且对提高系统的供电能力和供电可靠性也具有很好的作用。 1 2 超级电容器简介 超级电容器亦称双电层电容器是近年来出现的一种新型能源器件，所以称之为 “超级”，是因为与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数千法拉。 众所周知，电池是以电化学能的形式储存能量。电化学能在电池的两个极板的 界面处通过电化学反应发生转化。传统物理电容由电极和电介质构成，储存的电能 来源于电荷q 在两块极板上的分离，两块极板被真空( 相对介电常数为1 ) 或一层 介电物质( 相对介电常数r ) 所隔离。超级电容器填补了电池和传统的物理电容之 间的空白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界 面之f s j 自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的。超级电容器极 板为活性炭，它具有极大的有效表面积s ，所以超级电容器的比电容远大于普通电 容。电池适用于长时间低电流的供电需要，而超级电容器适用于短时间大电流的放 电。 之所以选用超级电容器作为储能元件，主要因为它具有以下特点： ( 1 ) 电容量很大，1 9 9 5 年报道了电容量达2 3 0 0 f 的超级电容器”“。 ( 2 ) 和普通电容器相比，具有很高的能最密度。是普踊电容的1n 10 0 倍一孵 可达2 0 7 0 m j m 。 ( 3 ) 漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长。 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 充放电性能好，且无需限流和充放电控制回路，不受充电电流限制，可快速 充电，通常几十秒。 ( 5 ) 储存和使用寿命长，维修费用很小。 ( 6 ) 使用温度范围广，可达一4 0 。c + 8 j 。而电池仅为0 。c + 4 0 。c 。 ( 7 ) 比蓄电池安全，如果短路的话，超级电容器不会爆炸。 1 3 电力电子逆变器控制方法与技术 逆变器的数字控制是现代控制发展的趋势。相应的控制方法己成为当今交流研 究领域的一个热点，出现了多种逆变器离散化控制方法，包括状态反馈控制、无差 拍控制、重复控制、模糊控制、神经网络控制以及数字p i d 控制等。 状态反馈控制利用状态反馈实现对逆变器系统极点的优化配置，该方法对线性负载 的响应很好，但对于非线性负载，如二极管整流负载，其控制效果不是很好。无差拍控 制是一种基于电路方程的控制方式，在理想状态下，能够输出很好的跟踪给定控制效果， 波形畸变率很小。但是对系统参数的变化反应灵敏，如电源电压波动、负载变动，系统 的鲁棒性差。重复控制是一种基于内模原理的控制方法，它的突出特点是稳态特性好， 控制鲁棒性强。但重复控制有一个致命的弱点，就是它的控制实时性差，动态响应速度 慢。滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其 导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系 统有极强的鲁捧性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控制和无差拍控制。 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式，它模仿人的大脑实现对系统的控 制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用，而大多数系统或 多或少的都带有非线性因素。模糊控制属于智能控制的范畴，与传统的控制方式相比， 智能控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型，理论上，模糊控制可以任意精 度逼近任何非线性函数，但由于当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则 数都受到一定的限制。 在逆变器控制中，最常用的方法是p i d 控制，大约9 j 以上的工业过程控制都 采用p 1 1 ) 控制。具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制， 如图卜1 所示。 与其它控制方法相比，p i d 算法具有如下优点： ! 、”i ! 、算滓汗了砂二：控雀l 过哩中二。：，、之和将曩7 p 主要j 蠢0 ，可。芷7 ：剖 过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 2 ) p i d 控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对控 华北电力大学硕士学位论文 制效果的影响很小，控制的适应性好，有较强鲁棒性。 3 ) p i d 算法简单明了，已经形成了一套完整的设计和参数调整方法。 但是，数字p i d 控制算法不可避免的产生了一些局限性。一方面是系统的采 样量化误差降低了算法的分辨率，使得p i d 调节器的控制精度变差；另一方面，采 样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成p i d 调节器的设计 困难，稳定域减小。随着高速信号处理器d s p 及高速a d 的出现，才使得数字p i d 技术有了进一步应用。 ( a ) 电压瞬时值反馈控制 ( b ) 电压电流双闭环反馈控制 图卜1 逆变器数字p i d 控制 p i d 控制是工程实践中应用最广泛的控制器，在逆变器输出波形的控制中应用 也较多。p i d 控制蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，设计好的 p i d 控制器具有动态响应速度快，稳态精度高，鲁棒性强的优点。 1 4 论文的主要研究内容 1 主电路及基本原理 主回路主要包括三部分：整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元是三相全桥不 可控整流，给超级电容器充电，为逆变单元提供能量，同时维持电容电压的恒定，保证 串联侧输出电压范围在工作时不变。逆变单元采用三相电压型桥式电路。整流单元和逆 变单元通过超级电容器连接起来。 华北电力大学硕士学位论文 本装置是并联在系统和负荷之间，其基本原理是先将系统电压整流成直流保存在超 级电容器内，经过逆变器将此直流逆变成交流电压，通过变压器与系统相连。如果所逆 变的电压高于系统电压，那么逆变器就相当于一组电容器向系统提供无功功率；如果电 压低于系统电压，它将消耗无功功率。由于具有储能单元，在配电系统发生供电电压中 断时，可以向负荷短时供电。这样，不仅可以有效抑制负荷扰动造成的电压波动，对提 高系统的供电能力和供电可靠性也有很好的作用。 2 无功功率补偿的实时跟踪 在电力系统中，无功要时刻保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导 致设备损坏，系统解列。解决无功平衡的常用方法，是对需供给无功的用户负载装设无 功补偿装置。而对于含有谐波源的电力用户来说，一般的静态无功功率补偿装置很不适 用。本论文就“基于超级电容器的电能质量控制技术”进行研究，研究无功功率补偿的 实时跟踪控制技术，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 系统的模拟信号采样及调理电路 ( 2 ) 功率主电路 ( 3 ) 控制电路 ( 4 ) 软件设计 3 电压波动与闪变的抑制 这是本装置要解决的另一个问题。无功负荷的变化在电网各级系统中均产生电压 偏差，它是产生电压偏差的源。要从源头上解决问题，目前最有效的办法就是就地进行 无功功率补偿，及时调整无功补偿量。我们所研究的基于超级电容器的电能质量控制技 术可以有效地解决这个问题。它是根据系统电压的大小，决定对系统输出多少无功功率 或者消耗多少无功功率，这样，不仅可以有效抑制负荷扰动造成的电压波动，对提高系 统的供电能力和供电可靠性也有很好的作用。 1 5 论文的结构 论文一共分六章。 第一章绪论介绍了选题的意义和背景，介绍了超级电容器这一新型器件，研究 了逆变； ： l 源的控制方法，说明了本文的主要研究内容。 第二章设计了超级电容器储能系统主电路，对主电路的储能单元、电能转换单 元和控制单位分别进行了研究。在此基础上分析了基于超级电容器的电压控制技术 5 华北电力大学硕士学位论文 的主要工作原理以及系统特性，列举了有关的控制、保护功能。为以后介绍系统的 软、硬件设计提供了技术背景。 第三章主要研究了超级电容器储能系统的控制理论，分析了无差拍控制、变结构控 制、模糊控制、神经网络控制、p i d 控制等多种控制方法的控制原理。本文中主要研究 了p i d 控制。 第四章主要讨论了本文研究课题所采用的硬件电路，具体说明了d s p 各资源分 配情况和分配原则：设计了主电路结构图和信号滤波电路，分析了信号采样及调 理电路等各个单元的实现方法；针对功率主电路进行了详细分析，对硬件p c b 图设 计中的设计原则做出了说明。 第五章主要介绍了本文的软件设计和具体实现方案。其中给出了一种利用 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的外围模块实现市电跟踪的方案，分析了控制系统的特性，介绍了数字 电压p i 调节器的实现等，给出了本系统中各类保护、控制功能的实现方案及有关 误差分析，最后还对软件编程中的几点注意事项进行了说明。在软件的编制中，充 分利用了l f 2 4 0 7 的事件管理器和片内外围电路，简化了程序的复杂性。 第六章对全文工作进行总结，对下一步工作进行了展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章超级电容器储能系统及基本工作原理 本文电压控制技术是基于超级电容器研究和实现的，研究目标是研制出超级电 容器储能系统样机一台，容量为i o k v a 左右，技术性能达到国内领先水平，实现有 效的发电控制。为此，在对本课题进行研究之前进行一定的分析，熟悉其各控制功 能，进而说明本课题的研究任务和具体实现方案、策略。 2 1 主电路结构 超级电容器储能系统的基本构成如图2 1 所示，主要l h - - 部分组成，分别为储存能 量用的超级电容器组件、进行能量变换与传输的电能转换系统和基于d s p 信号处理器的 p i 控制系统。 够丁_ j 答l _ t 与 丁_ 二卜 一一) 1 图2 - 1 超级电容器储能系统 2 1 1 超级电容器组件 超级电容器组件由4 x 1 0 个0 6 f 4 0 0 v 4 0 0 a 超级电容器组成。由于工作电压为5 1 3 伏，所以超级电容器必须两两串联才能满足电压要求，因此该超级电容器储能系统工作 时储能量为7 8 9 5 0 7 焦耳。若将大量超级电容器并联起来，同时提高电能转换系统中电 力电子器件的容量，还可以方便地组成更大容量的超级电容器储能系统，在运行可靠性 和控制灵活性方面不会受到影响。 2 1 2 电能转换系统 电能转换系统主要包括a c d c 整流单元和d c a c 逆变电路两部分。整流单元采用三 相全桥整流器。除了为逆变单元提供能量外，还负责维持电容器的电压。逆变电路根 华北电力大学硕士学位论文 据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路：直流 侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路( v s t i ) 和电 流源逆变电路( c s t i ) 。电流型逆变电路主要存在两个缺陷：一是输出电流中含有较 大的纹波，用滤波器消除会影响高频波形的产生：二是不便于调试和稳定。另外还有 软开关逆变器以及谐振式逆变器等，但是主电路或控制过于复杂。目前广泛使用的仍 是电压型逆变器。本设计采用的是三相电压型逆变器，选用i g b t 作为逆变器各臂的 开关元件。三相电压型逆变电路的结构如图2 2 所示。 + 2 1 3 逆变器输出的控制 图2 - 2 三相电压型逆变电路 n 要完成上述系统功能必须采用优异的控制方式。本文中，控制方式采用p i 控 制，调制方式采用s p w m 方式。图2 3 是逆变器控制框图( 以单相为例) ，该控制系 统基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s p 芯片，该芯片实现了所有必需的控制功能。 如图2 3 所示，逆变器输出电压k 和感应电流厶经过采样和调理电路后，变成 d s p 芯片可以处理的模拟量，a d c i n 6 、a d c i n7 、a d c i n8 采样输出电压，转换后做 为反馈信号，数字化的反馈电压，与给定的正弦波参考电压k ，相比较，其偏差匕。 作为p i 控制器的输入。经过p i 控制器调节后的电压送到p w m 模块，p w m 模块使它 与1 2 8 k h z 的三角载波( 由定时器1 实现) 相比较，得到6 路p w m 信号p w m i 6 ， 作为驱动信号控制i g b t 的通断。为了防止同一个桥臂上的两个i g b t 同时导通，一 对互补的p w m 信号之间要设置死区时间，可编程死区时间是通过定义死区控制寄存 器d b t c o n 来实现的。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 逆变器控制框图 2 2 超级电容器储能系统的工作原理 超级电容器储能系统并联在负荷侧母线上，其基本原理是三相交流电能经整流器变 为直流电能，通过逆变器将直流逆变成可控的三相交流，通过变压器与系统相连。如果 所逆变的电压高于系统电压，那么逆变器就相当于一组电容器向系统提供无功功率；如 果电压低于系统电压，它将消耗无功功率。由于具有储能单元，在配电系统发生供电电 压中断时，可以向负荷短时供电。这样，不仅可以有效抑制负荷扰动造成的电压波动， 对提高系统的供电能力和供电可靠性也有很好的作用。 下面用向量图来说明超级电容器储能系统的工作原理。 在市电正常工作时，其等效电路和工作原理如图2 - 4 所示( 仅以单相等效电路 图来说明) 。设电网电压和逆变器的输出交流电压分别用相量d 。和d ，表示，那么连 接电抗j 上电压驴，就是7 。和驴，的相量差，又因为连接电抗的电流可以由其电压来 控制，因此，改变逆变器输出电压d ，的幅值及其相对于口。的相位，就可以改变连 接电抗器上的电压。 华北电力大学硕士学位论文 一埘 ( a ) 系统等值f n 路豳 ( b ) 电流超前 ( c ) 电流浠后 图2 4 等效电路及工作原理 在等效电路中，由于没有考虑损耗，因此不必从电网中吸收有功能量。在这种 情况下，只需使d ，和 7 。同相，仅改变u ，的幅值大小就可以控制逆变器是从电网吸 收的电流是超前还是之后9 0 0 ，并且能够控制该电流的大小。 如果考虑损耗的话，将总的损耗集中做为连接电抗器的电阻考虑，工作相量图 如图2 - 5 所示。这种情况下，因为将损耗没有归算到交流侧，所以电网电压u 。与电 流j 仍然相差9 0 0 ，逆变器电压d ，与电流j 相位差为9 0 0 + 占，又由于直流侧有超级 电容器提供能量，所以损耗归算到了直流侧。 电流超前 电流滞后 图2 - 5 损耗能量由直流测提供时的工作相量图 当市电故障的时候，市电被切断， 压为标准的5 0 h z 3 8 0 v 的三相正弦波。 用。 2 3 辅助功能分析 负载完全由逆变器提供能量，逆变器输出电 此时，超级电容器储能系统做为备用电源使 2 3 1 市电同步跟踪电路 在逆变器控制系统中基准的产生与锁相是不可分割的一个整体。基准正弦波发 生器是由振荡分频电路、阶梯波合成电路和有源滤波电路三部分构成。振荡分频电 路用于产生时钏i f 言号，阶梯波合成电路用1 6 块阶梯波来合成正弦波阶梯波形，有 源滤波电路将合成的阶梯波形滤成正弦波形输出。 华北电力大学硕士学位论文 对于本系统来说，如果控制它的脉宽调制脉冲的震荡频率与5 0 h z 市电输入频 率之间没有很好地同步的话，势必会在执行市电供电与逆变器供电转换时，造成市 电输入的5 0 h z 砸弦波电源与逆变器输出的5 0 h z 正弦波电源之间的相位关系的随意 性。正是这种相位关系的不确定性，很容易在转换的瞬间在市电供电系统和逆变器 供电系统之间形成环流。一般来说，系统转换功率越大，形成的环流也越大。这就 意味着在转换的瞬间造成逆变器驱动元件被损坏的可能性也越大。因此，市电同步 电路在本控制系统中具有及其重要的作用。 圈2 - 6 市电跟踪控制框图 由市电输入检测变压器所得到的双极性5 0 h z 交变控制信号首先经过波形变换 控制电路变成仅具有正值，而没有负值分量的5 0 h z 控制信号v 1 ，以便使得出现在 模拟开关上的控制信号能适应与采用只有正电源的单电源供电组件的技术要求。这 是因为任何出现在单电源的组件电路输入端的偏大的负值信号均会造成组件被损 坏。当市电供电正常时，出现在模拟开关1 上的控制信号为高电平，模拟开关处于 闭合状态。市电同步信号到达模拟开关2 的输入端。反之，当市电供电不正常或市 电供电中断时，模拟开关1 处于断开状态，从而切断了市电电源到达模拟开关2 输 出端的通道。正是基于这种设计思想，对本系统来说，其逆变器电源仅在市电供电 f 常时才会去同步跟踪市电。反之，当市电供电不正常时，逆变器将处于5 0 h z 本 机振荡工作状态，不再与市电电源的频率和相位有任何关系。 从自激多谐振荡器输出的脉冲v 2 经分频处理后成为信号v 3 ，再经阶梯波合成 组件输出方波控制信号v 4 ，该控制信号经窄脉冲发生器处理后，变成脉宽很窄的同 步捕捉信号v 5 ，由于v 5 是被送到模拟开关2 的控制端上的，所以v 5 信号实际上是 起着对输入到模拟开关2 的市电信号进行“选通”的作用的。 在此条件下，经过v 5 “选通”处理过的5 0 h z 市电同步信号v 6 被送到多谐振荡器控 制端上，从而使得从振荡器输出的高频脉冲v 2 带有市电同步跟踪控制的特性。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 故障保护和报警 为了保证本系统在遇到各种异常情况时仍能安全可靠地运行，有必要时钟各种 保护控制电路。这样，在系统运行中，如果遇到系统本身出故障或因用户操作不当 而引发重大事故，或遇到市电供电质量过于恶劣等情况时，要求系统本身能够快速 地执行自动关断逆变器电源以免造成不必要的损失。一般情况下，有输出电压过压、 欠压保护，过载输出保护，输出短路保护，超级电容器电压过低自动关机保护，逆 变器温度过高保护，过流保护，报警电路等： ( 1 ) 逆变器输出过压、欠压保护 逆变器输出过压、欠压保护指的是输出电压超过额定输出电压上下限设定值时 采用的保护。此类保护一般采用窗口比较器进行监控，当逆变器输出超出或低于设 定值时，均会使窗口比较器的输出置高，从而切断逆变器同时报警电路报警。 ( 2 ) 超级电容器电压过低保护 当超级电容器电压过低时，不仅不能向逆变器提供足够的能量，同时会造成它 本身的损坏，使其寿命减少。检测超级电容器电压的具体电路也是比较器，一旦检 测到超级电容器电压过低就会使比较器置高，同时发出报警信号。 ( 3 ) 市电电压过低、过高保护 当市电输入超出一定范围时，就不能正常的向逆变器提供直流能量，可能会造 成器件损坏或输出电压不准确。具体保护电路同逆变器输出过压、欠压保护。 ( 4 ) 过载保护 过载保护指的是输出电流为其额定电流上限设定值时所采用的保护。保护电路 由电流检测电路、比较器、触发器电路等组成。电流一旦超出设定的上限，立即切 断逆变，停止输出，并发出报警信号。 ( 5 ) 逆变器温度过高保护 逆变器温度过高会造成器件老化、损坏等，严重时可能造成逆变失败。因此需要专 门的电路监控。具体电路由温度检测电路、比较电路组成，最后同其他保护电路一样， 连接至报警电路。 2 4 本章小结 本章首先设计了超级电容器储能系统主电路，然后对主电路的储能单元、电能 转换单元和控制单位分别进行了研究。在此基础上分析了基于超级电容器的电压控 制技术的主要工作原理以及系统特性，列举了有关的控制、保护功能。为以后介绍 兰j ! 皇查盔堂堡主兰焦丝奎 系统的软、硬件设计提供了技术背景。 华北电力大学硕士学位论文 第三章超级电容器储能系统控制理论与技术 3 1 控制理论研究 近年来随着数字信号处理器( d s p ) 的高速发展，其应用迅速普及，而且已经渗 入到了电力电子领域。由于d s p 采用的是一系列特殊的结构使得芯片功能得到大大 加强，它的特点在于：采用并行体系的哈佛结构，增强了数据吞吐能力；具有专用 的硬件乘法器：具有陕速的指令执行周期，晶快的已达到了2 0 n s 以下，为通常微 处理器芯片数据处理速度的十倍以上。正是有了高性能的d s p ，才使得无差拍控制、 变结构控制、模糊控制、神经网络控制及一些先进的智能控制的思想应用到逆变器 的控制系统中成为可能。传统的经典控制具有概念清晰、控制简单等优点，将p i d 等经典控制和现代智能控制策略有效的结合起来，可以很大程度上简化控制，提高 控制的可靠性和控制效果，使控制系统e 臻完美。 3 1 1 状态反馈控制 台湾新竹交大的邹应屿等人提出了一种优化状态反馈控制方法“。它利用状态 反馈实现了逆变器系统极点的优化配置，逆变器工作在一种十分稳定的状态，输出 具有良好的瞬态响应效果和较低的谐波畸变率。该方法对线性负载的响应很好，但 对于非线性负载，如二极管整流负载，其控制效果就不是很好了。 所以，状态反馈控制策略可以明显的改善系统的动态性能，减少过渡过程的响 应时间。但是，这种方法对系统稳态指标的影响不大，不能抑制各种干扰引起的波 形畸变。 3 1 2 无差拍控制 1 9 5 9 年，k a l m a n 首次提出了状态变量的无差拍控制理论。1 9 8 5 年，g o k h a l e 在p e s c 年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制，逆变器的无差拍控制才引起 了广泛的重视“。无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式，它利用状态反馈实 现零点和极点地对消，并配置另一个极点于原点。在理想状态下，输出能够很好的 跟踪给定，波形畸变率很小。因此，即使在很低的开关频率下，无差拍控制也能够 保证输出波形的质量，这是其它控制方法所不能做到的。 当然，无差拍控制也有其自身的局限性：1 ) 由于采样和计算时间的延迟，输 出脉冲的占空比受到很大限制。2 ) 对系统参数的变化反应灵敏，如电源电压波动、 负载变动，系统的鲁棒性差。十几年来，对逆变器无差拍控制技术的研究也就侧重 于这两方面问题的解决。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 3 重复控制 虽然以上各种逆变器的控制方法在系统中都获得了良好的应用，但它们有一个 共同的特点，即对线性负载的适应能力都很好，但对于非线性负载，输出电压的畸 变率却很高。为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在逆变器控制中引入了重 复控制技术。h a n e y o s h i 及k a w a m u r a 等人首先在p w m 逆变器中采用重复控制消除周 期性畸变”。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制理论，给出了一种 重复控制器的设计方法，提出了自适应重复控制的理论”“。 重复控制是一种基于内模原理的控制方法，它的突出特点是稳态特性好，控制 鲁棒性强。但重复控制有一个致命的弱点，就是它的控制实时性差，动态响应速度 慢。 3 1 4 滑模变结构控制 滑模变结构控制理论起于五十年代，它最显著的特点是对参数变动和外部扰动 不敏感，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。早期的滑模变结构控制器采 用模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统及正弦波逆变器中。但在发展的初期， 滑模变结构控制理论并不被控制界所看好，原因在于。：1 ) 对非线性的变结构控 制应用于线性系统没有兴趣：2 ) 变结构的良好的鲁棒性及控制系统的鲁棒性尚未 成为控制界的热门话题；3 ) 变结构控制发展成为控制系统的一种具有普遍性综合 方法的可能性尚未明显的显现。 滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差 及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无 关，因此系统有极强的鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不及重复控 制和无差拍控制。 3 1 5 神经网络控制 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式，它模仿人的大脑实现 对系统的控制。它的最大优点是不仅适用于线性系统，而且对非线性系统也适用， 而大多数系统或多或少的都带有非线性因素。 9 0 年代初，日本的y o s h i h i s a 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中，构 成一个数字电流调节器。因为硬件系统的限制，目前还不能实现在线神经网络波形 控制，多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现 系统的在线控制。图3 1 给出了一种神经网络控制逆变器控制框图。 华北电力大学硕士学位论文 图3 一l 神经网络控制逆变电源系统 如图3 一l 所示，系统采用了三层神经网络结构，神经网络的输入是当前滤波电 容电流及其前次采样值、输出电压、输出负载电流及当前跟踪误差。神经网络的输 出与参考给定结合，构成逆变器的控制输入。神经网络学习所需的各种实例来自于 实验和仿真得到的数据，包括线性负载条件和非线性负载条件。选择一种学习算法， 应用所获实例，通过离线学习获得系统的最佳控制规律。然后，可以将这一控制规 律应用到实际系统中去，实现在线控制。由于其控制规律的获得不依赖于系统模型， 而且学习实例包含了各种情况，因此系统的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。 3 1 6 模糊控制 美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 教授分别于1 9 6 5 年、1 9 6 8 年、1 9 7 3 年发表了模糊集、模糊算法和基于语言变量建立模糊逻辑系统方法等具有开创性的 研究论文，奠定了模糊逻辑作为一门新学科的理论基础。它首先将输入的精确量( 一 般为跟踪误差及其导数) 转换为模糊量，按根据专家经验总结的语言规则进行模糊 推理，根据推理结果确定当前情况下最适合的控制器参数。模糊控制系统就像一个 有经验的专家一样，能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统的 鲁棒性。1 9 7 4 年英国伦敦大学的e h m a m d a n i 教授开创性地将模糊控制逻辑成功地 用于蒸气机的控制中。目前，i b m 、o m r o n 、s i e m e n s 等公司正在从事模糊技术的开 发工作。 模糊控制属于智能控制的范畴。与传统的控制方式相比，智能控制最大的好处 是不依赖控制对象的数学模型；模糊控制从模仿人的思维外特性入手，模仿人的模 糊信息处理能力，它对系统的控制是以人的经验为依据的，而人的经验正是反映了 1 6 华北电力大学硕士学位论文 人的思维过程中的判断、推理、归纳。理论上已经证明，模糊控制可以任意精度逼 近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都 受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素， 因此模糊控制的精度有待于进一步提高。 综合来看，本设计选用p i d 方法控制逆变器的输出波形。因为p i d 控制是工程 实践中应用最广泛的控制器，在逆变器输出波形的控制中应用也较多。p i d 控制蕴 涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，设计好的p i d 控制器具有动态 响应速度快，稳态精度高，鲁棒性强的优点。而且随着高速信号处理器d s p 及高速 a d 的出现，使得数字p i d 技术有了更好的应用。 3 1 7p l d 控制 在逆变器控制中，最常用的方法是p i d 控制，大约9 5 以上的工业过程控制都 采用p i d 控制。 与其它控制方法相比，p i d 算法具有如下优点： 1 ) p i d 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，可以使控制 过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。 2 ) p i d 控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对控 制效果的影响很小，控制的适应性好，有较强鲁棒性。 3 ) p i d 算法简单明了，已经形成了一套完整的设计和参数调整方法。 鉴于p i d 控制的这些优点，本文的逆变器控制系统的控制方法就选择p i d 控制。 3 2p id 控制研究 p i d 控制又叫p i d 调节，是比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微分 ( d i f i e r e n t i a l ) 调节的简称。在自动控制的发展历程中，p i d 调节是历史最悠久、 控制性能最强的基本调节方式。p i d 控制具有结构简单、容易实现、控制效果好和 鲁棒性强等特点，且p i d 算法原理简明，参数物理意义明确，理论分析体系完整。 将它应用到电力系统自动控制技术中，将有很大的发展前途。 p i d 控制的价值取决于它们对大多数控制系统的广泛适用性。它不仅适用于被 控对象数学模型已知的控制系统，而且对于大多数被控对象的数学模型不知道、而 且不能应用解析设计方法的控制系统，p i d 控制显得特别有用。对于p i d 控制器，无 论在任何情况下，只要能确定系统线性化后的传递函数，就能很容易对控制器参数 k p 、k i 年f l k d 进行整定。所以，当系统运行状况改变导致系统动态特性变化时，如果 华北电力大学硕十学位论文 能实时准确地辨识出系统在该状态下线性化后的传递函数的结构和参数，就能方便 地得到性能优良的p i d 控制器，从而实现对控制对象的控制。本文采用p i 调节器。 在超级电容器储能系统中，采用p i 控制方法实现逆变器输出电压控制，所以该 p i 调节器设计的好坏直接影响着输出质量和系统的稳定性，因此，k p 、k i 参数的 选择至关重要。 电力网络模型如图3 3 所示。将系统负荷设置为额定电压u = 2 2 0 v ，额定功率 p = 1 0 k w ，功率因数c o s 巾= 0 8 ，电动机负荷，恒定负荷阻抗模型。 图3 - 3电路网络模型 其中，z s 为电源到用户侧母线之间的阻抗，乙为负荷阻抗，乙为逆变器的等效阻 抗，并且z s = 2 6 + 1 7 q ，z = 3 1 0 + j 2 3 2 q 。 p i 电压控制框图如图3 - 4 所示。 e 图3 4p i 控制框图 建立此电力系统传递函数模型 华北电力人学硕士学位论文 生! 尘2 二竺鱼! = s x i u ( s ) 辱习 掣掣螂) ( 志+ 一i 掣= f 志r ss x s + 志rs x l + 壶ms x !七l+s x i1 、。 g s ( s ) = 锚= 壶乜+ 志+ 壶) ：些! ：! 坠些量些 ： ( x z x t + 量骼+ x s x ls + ( 月l 船+ r 骄+ r , v y l + r t x s b + r s r t 3 0 1 6 s 2 + 4 6 3 3 s + 8 0 6 = 一 9 1 4 4 s 2 + 6 9 1 3 s + 8 0 6 3 7 4 s 2 + 5 7 4 s + 1 1 1 3 5 s 2 + 8 5 8 s + 1 ：_ l f l + 3 0 3 l l 3 0 31 1 3 5 s 2 + 8 5 8 s + 1 在此，仅将第二部分作为分析系统动态性能的传递函数，因此有 g b ) ：驾! 塑 、7 1 1 3 5 s 2 + 8 5 8 s + 1 为了便于计算需将其转换成程序中所用公式的形式，即 g ：堕+ ! ：! ! 6 9 4 s + 11 6 4 s + 1 根据对应关系得： a l = 6 9 4 ，a 2 = 1 6 4 ，k 1 = o 3 3 ，k 2 = o 3 4 运行m a t l a b 蚁群算法程序，输入a 1 ，a 2 ，k 1 ，k 2 的值即可得到所要的d a t 、y i 9 华北电力大学硕士学位论文 的值 d a t = o 3 5 2 9 t i = l7 2 5 4 9 所以，k p = i 0 3 5 2 9 = 2 8 3 3 7 ，t i = 1 7 2 5 4 9 同时可以得出单位阶跃相应曲线，如图3 - 5 所示： 图3 - 5单位阶跃响应曲线 3 3 本章小结 本章主要研究了超级电容器储能系统的控制理论，分析了无差拍控制、变结构 控制、模糊控制、神经网络控制、p i d 控制等多种控制方法的控制原理。由于p i d 控 制器具有动态响应速度快，稳态精度高，鲁棒性强的优点，所以本文中超级电容器 储能系统采用的是p i d 控制。k p 、k i 参数的选择是通过用m a t l a b 编程和仿真实现的， 编程i ，所刚的寻优方法是蚁群算法。仿真结果表明，本文设计的p i d 控制系统及其 参数的选择是正确的。 华北电力大学硕士学位论文 第四章控制系统的硬件电路设计 在第二章中已对储能系统的整体结构、工作原理进行了一定的研究和讨论。整 个控制系统的设计包括硬件电路的设计和软件控制程序的开发，本章结合具体的开 发情况，在介绍t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的主要功能和性能的基础上，研究了基于d s p 芯片的 逆变控制系统的硬件设计，主要包括系统功率主电路、控制电路板的原理图和p c b 、 模拟信号采样及调理电路、同步电路及带通滤波器设计等。 4 1 t m s