超导技术及应用_储能技术综述.pdf

储能技术综述刻仆字Wuhan University储能装置快速的功率调节能力使其突破了传统电力系 统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻 底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手 段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。在目前所提出的各种超导电力装置中，储能装置具有较 大的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电 子技术的不断进步，开展储能装置的研制工作对各国电力 事业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需 要。，才Wuhan University储能技术在电力系统中的应用 电网调峰系统备用容量调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿A改善电能品质分布式电源和可再生能源的功率平滑装置I和*岁Wuhan University传统电力系统的特点Ml输配电（稳定、可控）用电（随机，不可控）发电侧输出功率稳定且可控，用电侧负荷随机性大：一组随机变量电能难以大规模存储：发一输一用三个环节功率实时平衡因故障导致系统功率严重失衡时，切机切负荷：被动致稳二工齐飞云卓Wuhan University现代电力系统的新特点（随机）（规模大，特性复杂）（随机）随着规模越来越大，出现新的现象和问题：超低频功率振荡；功率振荡 的传播特性发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性：两组独立随机变量电能难以大规模存储：功率失衡可能成为电网的一种常态蹴通嚼 电网对大规模的风电接入持非常谨慎的态度！邮趟R麟）和44Wuhan University电网究竟能接纳多大比例的风电?可再生能源核心政策：总量目标，全额收购，能接纳多大比例的风电一在高比例风电条件下如何保证电力系统的安 全运行 建设大基地，融入大电网Wuhan University储能技术将在未来电力系统中占有重要地位大规模储能：抽水蓄能：核电安全，电网经济；5%10%中小规模储能：蓄电池、飞轮、超导、超级电容器电力系统：“发一输一用”曰 vd lrjr1 一“发一输一用一储”主要储能技术为仆字Wuhan University到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电 能储能方式，主要可分为：机械储能、化学储能和电磁 储能等。I和”主要储能技术Wuhan University机械储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能化学储能：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、锂离子电池电磁储能：超导储能、超级电容器储能刻仆字Wuhan University机械储能一抽水蓄能广泛采用的大规模、集中式就能手段。利用自然界里数量最大的液体-水的势能进行储能。需要 配备上、下游两个水库。在负荷低谷时段，抽水蓄能设备工作在电动机状态，将下 游水库的水抽到上游水库保存。负荷高峰时，工作在发电机状态，利用储存在上游水库中 的发电。一些高坝水电站具有储水容量，可以将其用作抽水蓄能电 站进行电力调度。知42学Wuhan University机械储能一抽水蓄能19世纪90年代于意大利和瑞士得到应用，据统计目前全世界 共有超过9 0GW的抽水蓄能机组投入运行。日、美、西欧等国20世纪6070年代出现抽水蓄能电站的 建设高峰。其中日本是世界上机组水平最高的国家，在技术方面 引领世界潮流。我国上世纪90年代开始发展，有广州抽水蓄能1期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机5.7GW,占全国装机容量的L 8%o机械储能一抽水蓄能，字Wuhan University优点:技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。缺点：建造受地理条件限制，需合适落差的高低水库，远离负荷中 心；抽水和发电中有相当数量的能量被损失，储能密度较差;建设周期长，投资大；对印之，吗以您驻a52011-6-14刻仆字Wuhan University机械储能一飞轮储能F lywheel E nergy Storage将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。由高强度合 金和复合材料的转子、高速轴承、双馈电机，电力转换器和真 空安全罩组成。电能驱动飞轮高速旋转，电能变飞轮动能储存，需要时，飞轮减速，电动机做发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充 电和放电。机械储能一飞轮储能*岁Wuhan University储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无污染、应 用范围广、适应性强等特点。目前用于调峰、分离发电，太阳能储能、电动汽车、UPS、低 轨道卫星、电磁炮、鱼雷。国内相关单位：清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华科 大、华北电大、中科院电工所。2009年8月5日，国内最先进和可 靠的两台250kVA移动式飞轮发电车落户北京电力公司，执行供电 保障和应急供电任务。刻仁字Wuhan University机械储能一压缩空气储能逐春0年代提出，目的是削峰填谷。两个循环构成其储能过程：一是充气压缩循环；二是排气 膨胀循环。压缩时，双馈电机做电动机工作，利用谷荷时的多余电力 驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞；峰荷时，双馈电机 做发电机工作，储存压缩空气先经过回热器预热，再使用燃料 在燃烧室内燃烧，进入膨胀系统中做工（如驱动燃汽轮机）发 电。德国、美国、日本和以色列建成过示范性电站。刻仆字Wuhan University化学储能一铅酸电池它是以二氧化碳和海绵状金属铅分别为正、负极活性物质，硫酸溶液为电解质的一种蓄电池，距今140年历史。优点:自放电小，25下自放电率小于2%/月；结构紧凑，密封好,抗振动，大电流性能好；工作温度范围宽，-4050;价格低廉；制造维护成本低；无记忆效应（浅循环工作时容量 损失）。目前，世界各地已建立了许多基于铅酸电池的储能系统。例如：德国柏林BE WAG的8.8MW/8.5MWh的蓄电池储能系统，用刻仁字Wuhan University化学储能一铅酸电池工程地点建设时间额定容量(MWh)额定功率(MW)Crescent美国加州19870.50.5Prepa波多黎各19941420Vernon美国加州19954.53Herne-Sodingen 德国Late 1990s1.21.2化学储能一铅酸电池 为M*1 J 1 A nUr ll人 J Wuhan University7入WTO后,由场巨大潜力以 J 发达国家对蓄电池行业的限制政策，越来越多国外大型电池制 造商选择在中国建厂和生产，目前我国铅酸电池产量占世界的 1/3,生产研发技术与国际先进说平差距不明显。保定风帆、哈 尔滨光宇，江苏双登、湖北骆驼等，都是主要电池制造企业。化学储能一钠流电池、液流电池、钠流电池是一种新型蓄电池。采用熔融液态电极和固体电解质，其中，负极的活性物质是熔融金属钠，正极活性物质是 硫和多硫化钠熔盐。液流电池或称氧化还原液流电池,是正负极活性物质均为 液态流体氧化还原电对的一种电池。最早由美国航空航天局(N ASA)资助设计，1974年申请了专利。目前主流是全钗电池 群雄并起，铁辂电池陷于停顿、多硫化钠/澳电池刚刚兴起。钠/氯化媒电池是一种在钠流电池的基础上发展起来的新型 储能电池，具有较高的能量密度和功率密度，具备可过充电、无自放电，运行维护简单等优势。化学储能一锂离子电池 0/匕枫y能密度高、储命长等。鉴于L 述优点，近年来得到了快速发展，随着制造技术和制造成本的 不断降低，将锂离子电池用于储能非常具有应用前景。目前，单体电池标准循环寿命已经超过1000次，仅从电池 单体的角度来看，锂离子电池的比能量和循环寿命已基本满足 储能应用需求，但在锂离子电池组应用时，循环寿命只有400 600次，甚至更低，严重制约了锂离子电池储能应用。锂离子电池在电力系统的应用方面，美国走在前面。2009 年的储能项目研究规划中，拟开展锂离子电池用于分布式储能 的研究和开发。尸41 匚新 .=“a u.TT-rfi尸.用二“a u.WW TTimi14 1.匚，r r;mauaK*&-|fzim.rT*fT-Tl尸科.匚r “a u.mi rn iTll rT as二 a u k*-(,WW Fff Wil尸府.匚r SMES快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统 主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻底 改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手段 的状况，形成崭新的主动致稳新思想。在目前所提出的各种超导电力装置中，SMES具有较大 的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电 子技术的不断进步，开展SMES的研制工作对各国电力事 业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需要。SMES的概述一在电力系统中的应用 为仁欧Wuhan University 电网调峰系统备用容量 调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿A改善电能品质分散电源的功率平滑装置SMES的概述一在电力系统中的应用 知卜学Wuhan University不同规模的SME S应用场合有所不同，一般中、大型 SME S可用于10kV以上电压等级的发电厂、变电站等适合 SME S安装的一切地点。不同规模SMES的应用情况项目规模安装地点应用目的和作用微型SMES装置lOOk Wh以下负载端用户电力技术解决方案，提供敏感和 重要负载的电源小型SMES装置O.lMWh等级负载端；长距离输电线端；66k V等级发电厂；光伏发电 和风力发电系统改善稳定性；小波动负载调平；电压 波动调节；间断型电源调平输出中型SMES装置lOMWh等级配电站;154275k V等级发 电厂大波动负载调平；电压波动调节；频 率调节及瞬时备用功率；改善电源可 靠性大型SMES装置I GWh 等级500k V电压等级发电厂；适 合于大型SMES装置的一切 其它地点减少传输容量和电站建设；减少输电 损失；频率调节和功率调节；防止中 间连接功率波动；阻尼线路振荡；提 高系统稳定性和可靠性 1.-rJUlf二/二.一 2 J I J 1-二：，-1-，011-6-14电流源型SMES主电路拓扑结构超导磁体电压源型SMES主电路拓扑结构用于电力系统的SME S的拓扑结构不外乎两大类。一类 是电流源型SME S,简称CSME S,其中的功率调节系统是由 输出直流电流可控的电流型变流器组成；另一类是电压源 型SME S,简称VSMES,其中的功率调节系统是由输出直 流电压可控的电压型变流器和斩波器组成。为4*岁Wuhan UniversitySMES的概述一装置结构右图是SME S装置的 具体结构原理图，该结 构是由美国洛斯阿拉莫 斯实验室首先提出来的。如图所示，SME S装置 一般由超导线圈、低温 容器、制冷装置、功率 变换装置、失超保护系 统和监测控制系统几个 主要部分组成。电力系统SMES装置结构框图和VSMES的概述一装置结构Wuhan University-35kJ/7.5kW高温超导磁储能装置华中科技大学研制的35k J/7.5k W电流源型高温超导SMES3左图中，SMES各组成设 备从左至右依次为SMES 的监测控制系统、SMES 用于功率调节的电流型变 流器、提供超导运行环境 的低温制冷系统和高温超 导磁体。SMES的概述一装置结构Wuhan University-SMES的磁体系统运行时，低温 系统的杜瓦真空可 保持在010.2Pa,通过制冷机的冷 却）磁体表面温度Bi双饼形磁体以及电流引线温度 保持在19K21K。导冷座单级制冷机冷头磁体与导冷座连接杆用于电流引线的多股铜导线双级制冷机冷头35k J/7.5k W高温超导磁体I和”SMES的概述一装置结构Wuhan University-SMES的磁体系统35kJ/7.5kW高温超导SMES的磁体磁体参数名目参数名目参数储能量磁体35kJ结构双饼单螺管额定输出功率7.5kW导体材料Bi2223/Ag额定工作电流100A磁体内径150mm中心最大场强3.2T磁体外径270mm工作温度20K磁体高度352mm临界电流V20K120A自感系数7.8H卜 LJ前”SMES的概述一装置结构Wuhan University，SMES的磁体系统日本住友公司研制的超导磁体为4*岁Wuhan UniversitySMES的概述一装置结构SMES的制冷系统低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。超导磁体笼罩于真 空杜瓦内部。杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保 持高真空环境（真空度达10-iPa数量级）。采用制冷机直接传导冷却或低温液氮/液氨浸泡工作方式 提供低温环境。SMES的概述一装置结构知彳*岁Wuhan University-SMES的低温容器早MIBBtWiaiO4MB4TAi ENCkOWtic BINE*COIO W Sum nmn bmi andkkuv5HKOUPHHMG TO MIUUM DUMPaiAtfHBJUM DUMr VAIVEVirtXJU COLD TOWAHM IIBiHtXOCOHAMUKIMHCM IOUN9ATKX MAIHHUM DUMF MV!ACWATOM0SMES低温容器结构图SMES的概述一国外研究现状刻仁字Wuhan University令美国1983年利用30MJ/10MW的SME S装置在美国西海岸两条 并联的500kV高压输电线路上，进行了抑制0.35Hz的低频 振荡试验。九十年代初，美国国家强磁场实验室研制了 一台用于演示储能调峰的IMWh SME SO 2000年美国威斯康 星北部的H5kV电网中配置了分布式SME S用以提高局域系 统的稳定性。目前美国超导公司和IGC公司所开发的1 5MJ的微型和小型SME S已经开始进入市场，该公司宣称已 可以接受100kJ级的高温超导SME S的订货。SMES的概述一国外研究现状为M*岁Wuhan University*日本先后研制了多个kJ级和MJ级的SME S。在完成SME S动模实 验研究的基础上,正在电力系统上开展了 MJ级SME S的试验研 究。小德国1997年建造完成了 一个由6个超导线圈组成的2MJ的环 形SME S装置。现正在进行15 OkJ的高温超导SME S的研究工 作。现黠盟出陋盘蛔201114SMES的概述一国外研究现状辨字Wuhan University年俄罗斯九十年代以来，还建成了 12MJSMES,并进行了储能 100MJ/电感8H/电流5kA/最强磁场5.4T的SMES设计，并正 在研制建造100MJ级SMES。叱莽吆/3-芬兰Tampere大学和美国超导公司合作研制了 5kJ的高温超 导SME S,并已在不间断电源中试验过。e韩国开发了 1MJ的SME S用于提高供电品质。1和*岁SMES的概述一国内研究现状Wuhan University夕1999年中科院电工所研制了一台300A/220V,25kJ的 SME S试验装置。在中科院知识创新工程支持下，电工所 目前正在开展超导储能系统的研制工作，并计划完成2.5MJ/1MW超导储能系统的研制工作，但前还没有看到 相关报道。a清华大学进行了 20kJ/15kW超导储能磁体的研制工作，但未见相关电力系统应用动模实验结果报道，同时该校 还准备计划在学校网络中心安装基于500kJ的SME S作为 应急备用电源储能设备。知仆学Wuhan University3超导磁雕技糊孵辘I和”SMES的功率控制问题Wuhan UniversitySMES装置结构框图SMES的功率控制问题刻仆字Wuhan University电流源型SMES主电路拓扑结构超导磁体电压源型SMES主电路拓扑结构用于电力系统的SME S的拓扑结构不外乎两大类。一类 是电流源型SME S,简称CSME S,其中的功率调节系统是由 输出直流电流可控的电流型变流器组成；另一类是电压源 型SME S,简称VSMES,其中的功率调节系统是由输出直 流电压可控的电压型变流器和斩波器组成。知卜承Wuhan University3.1电流源型SMES的功率控制I和”Wuhan UniversityCSMES功率控制问题PSMES=Usaisa+Usbisb+UsciscQsMES=M/sa+Uc/sb+/Xc)P1 SMES-usis 2cos。Qsmes=u L 2sin。o-5sLA3skJs离41nm*AMTS2kATS6S4山电流源型SMES主电路拓扑结构CSMES功率控制-esc的数学模型知触才Wuhan UniversityTI TSI T S3 4 S5 A|IdcNI Ld根据基尔夫定律可以建 立六脉冲电流源型SME S的 时域数学模型：电流源型SMES六脉冲变流器拓扑结构图三态PWM开关矢量的定义S1S2S3S4S5S6(VaVbVc)CCO000(10-1)0CC000(01-1)O0CC00(-110)O00CC0(-101)OOO0CC(0-11)C0000C(1-10)C0OC00(000)0C00C0(000)00C00C(000)Lt：haahb+Rtsb+“cb乜sbs clscucc乜sc4 牛注：C表示开关导通，O表示开关关断CSMES功率才空制一pwm开关策略Wuhan University育基于触发模式的PWM开关策略原理斜坡函数 发生器调制波信 号发生器载波信号 发生器modP1-P7PSL PS644UU基于触发模式的PWM开关策略原理框图CSMES功率控制一pwm开关策略令为匕盘Wuhan University曾调制波信号发生器和载波信号发生器工作原理调制波信号发生器载波信号发生器产生幅值为M 1,1、初始相位 滞后变流器各输入相电压相位。+30的三相正弦信号Sm a、Sm h和Snw 产生幅值变化区间为T,1且两 个斜边在时间轴上投影宽度相等 的周期性三角波也1和*岁CSMES功率才空制一pwm开关策略Wuhan University育调制脉冲发生器工作原理P=andxa,xb)P2=and(xc,xa)12 3=andxb,xc)fv 44=andxa,xb)fP5=and(xc,xa)14 6 and(Xb，Xc)调制脉冲 发生器夕7=H(夕1，夕2,夕3,44,夕5,46)4 HLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHLHL xa,xaxbxbxcxcpIP2P3P4P5P6P7II I I II _ II I I 11.t/sII LI II _ II III t/sII I I II II I I II II I I II,II I I IJ/sI II.II I I II II I.t/sI I H H I I I I I LI I I I I I I I I I I I t/s PlP7调制脉冲的产生CSMES功率控制一pwm开关策略 身陷*岁Wuhan University斜坡函数发生器产生幅值范围为到360,周期与变流器A 相输入电压气相同的锯齿波信号叫CSMES功率控制一pwm开关策略Wuhan University澳式选择器工作原,wt/d eg.对应的触发模式信号触发模式1 选择器=wt-a|77oo(/60)+1 0 mo d=(|7+c e(/60)f 08=wz-amo da,s/d eg.o,0 0.00 4V 60,-360 4V-3001。,0。一 060 120,-300-2402120180,-240-1803。一 0。一 01804V240,-180-1204。，0。一 0240 4V300,-120 605300WeV360,-60 乙_加=I#,一,Jo(M)s in(U-)cos(加&+Wc)-cos(m3t+)二kc当m=nckc+n2-ks时，鼠为调制波和基波频率的比值，为载波和调制波频率的比值,二口，00，%=1，2,刃1(1+%)九兀边带谐波分量-山2二般.一，(附)s m(-)co沏就+咐+n2a-:)Z?L 0/5/、-cosint cot+n(pc+n2a-)600 丫2+24jn(%)=-2 M 2,砧他+4)!CSMES功率控制一pwm开关策略 那t L拿CSC输出电流特性特点改进型pwm控制下的电流源型 变流器输出的电流中在任何情况 下都不再含载波谐波分量，并且 在12为3的整数倍或叫+%为偶数 时，边带谐波也为零。一 一 OO 卜-MPsiPS2I S t ri n s-PSMESQsmes/靠鞘MMdPS6电流源型SMES功率控制原理图SMES的功率才空制smes的功率实时控制才小乎Wuhan University仿真结果16 4 2。8 8 8、OPI式招0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 他(c)变流器直流侧电流fc=2100Hz,1加=80人时，a和M在/=0.08s处由a=0、M=0.5 改变为a=120、M=0.5,在片0.12s时M改变为0.7知仁字Wuhan UniversitySMES的功率控制smes的功率实时控制仿真结果2一 一 _ _ h _ _ _ _ O 2 1 O-1-2卤w 科例1-4_-t/s0.1 0.2 0.3 0.4(a)SMES的有功功率Psmes响应-t/s0.1 0.2 0.3 0.4(b)SMES的无功功率Qsmes响应.2-*-*-t/s0 0.1 0.2 0.3 0.4(b)SMES的无功功率Qsmes响应/小Zp U更Uca0.5ohm 400uH*L_巴 0.00000000000-if 争 8 7一1 _，SMES躲吻PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑*岁Wuhan UniversityCSMES功率控制-csmes仿真模理*CSMES仿真模型的控制电路csmes功率控制原理框图CSMES功率控制-功率控制仿真 和 4Wuhan University*CSMES仿真模型参数及功率跟踪参数：三相电 压源相电压为 14000V;变流器 交流侧等效电感 400uH,滤波电容 为130uF,仿真时 间为20s。CSMES功率控制一仿真结果 知仆才Wuhan University行CSMES的功率跟踪QsmPsm对Pr,Qsm对Qr的跟踪结果CSMES功率控制一仿真结果 刻触学Wuhan University质CSMES功率调节中的输入电压和电流3Q产SMES-Gr aphs知卜承Wuhan University3.2电压源型SMES的功率控制VSMES功率控制-v sc的数学模型为C学Wuhan University根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型SMES的时域数学模 型：dtdt di dt*+i0R+SaUd+UN*+ibR+Sbud+uN*+。火+%+uNcduadt=s，+ssz六脉冲电压源型变流器拓扑结构VSMES功率控制-v sc的数学模型为C学Wuhan University行VSC的三相静止ABC坐标系模型sadi=L-dt+iaR+SaUd+UN三相不接地系统usb=L-7+hR+S；a+uN dt=零+icR+S：+uN at+%+0=0di.L-=i R+u a saatdi,L=ihR+u hi.b sbat“He3o*o*q*（S；_“；，）%q*+q*+q*-；，）%T di u+u b+u*S+S6+SL=-iR+%-（Sr-也 at 3 3*sa+sb+sc _ S”+S+%+3%3Wuhan UniversityVSMES功率控制v sc的数学模型#M V行三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换根据PARK变换的定义并遵循功率不变的 原则，可以得到从三相坐标系变换到两相坐 标系的变换矩阵为c o s。3/2坐标变换c o s(e+手-sin(6+等1忑2 COS(-y)-sin(O-g)1正VSMES功率控制v sc的数学模型Wuhan University行二出静止A反星标案到Wl WW三相静止A B C坐标2 6 Ti忑两 相 静 止邱0坐 标s ino/s in/一丁）s in（就+不）5 2 2-cos 就 cos f一-）cos/+-）1 1 1两相旋转dQOTabcwVSMES功率控制-v sc的数学模型为C学Wuhan University行两相坐标系到三相静止坐标系的变换022s in 69cos就两相静止坐 标系的丽0 分量T-BOtABC 21212/2、/2、s m/+-)/2、COS/_)/2 cos/+-)2T-1 dqQiABC 一两相旋转坐 标系的dqO 分量1三相静止坐 标系ABC 分量VSMES功率控制v sc的数学模型知4 4Wuhan University蜀系程期引赢霆寡量转系模型的转换di.L-=i R+ui.u Suat3s；+s；+s；3)%Usd,虱 sq，40=TABCdqU说sa，sb，sc L-=-ihR+u,I,b sb at3(S；s；+s；+s：3)%勿，%，%TBCdq。a，4，4 Jdi u+u,+uL-=-i R+u-Q*.Q*.Q*(S：-“；与与3c scs；,S；,S；卜&s k=a,b,cTdt）为4 A学VSMES功率控制v sc的数学模型Wuhan University拿VSC的dqO旋转坐标系模型的原理框图同步旋转坐标系下VSC结构框图did dt 此 dt dud dt=R S：-co-L-LR S；-CD-L Ls；s；uc ciq+_udL 0 0L0-0 L0 0-_ c_Usd%_ h _ ww.-)；.一 -2011-6-14VSMES功率控制-v sc的数学模型为C学Wuhan UniversityL=Rid+&Liq+Usd Urd di.L-=-Ri Lid+u udt q q qUrd=dUdd、q轴电流除受控制量”和%的影 响外,还受耦合电压wLjd和wLjq、以 及变流器交流侧输入电压Rd和USq的影响假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量，即Urd Urd+Urd2+汨3 Urd sd、Urd2 3Liq、%=%、二一0。VSMES功率控制v sc的数学模型知仁学Wuhan University在同步旋转坐标下进行vsc控制的基本思想是：希望得到装置的 单位功率因数。为此，输入电流必须跟踪输入电压，在dq坐标系中，通过将输入电压矢量定位在d轴上,控制电流矢量也只含着d轴分量,而不含q轴分量，则可以实现装置的单位功率因数特性。耦闭控结原图 解双环制构理coLPI三相V SCd,qa，BSV PWM飕歌谶I僧歌黛2011-6-14在滤堂脑噬冠据整VSMES功率控制v sc的输出功率为卜学Wuhan University单相等效电路图吸收感性无叨VSC单相等效电路向量图Pac=EsIp=“siri8-I-万-Io=arct g-/=arct gE-s 7EsQac 二私二XIp=Ursm6XIq=Es-Urcos3XPU,EXQ+jXIp=(Es-E-XQac1r jx-M7XP4行VSMES斩波器结构电压型SMES主电路拓扑结构斩波器的拓扑结构如图所示，这是一个两象限斩波器,其目的是控制电容上的直流电压并向磁体外部或向磁体内部 提供所需的超导储能。它由2个可控开关功率器件（如GTO）和2个大功率二极管组成。VSMES功率控制-vsmes的斩波器.开关器件和二极管器件的动作 需按照SMES的实时工作状态进行 调整，具体调整过程如下：磁体起磁或磁体储能状态，在 这两种工作状态中，S8恒通，S7斩波，同时变流器控制直流 电压Ude恒定。磁体电流续流状态，S8恒断、S7恒通。变流器控制直流电压Ude恒定。磁体放磁或释能状态?在这两 种工作状态中，S8恒断、S7 斩波，同时控制电压Ude恒定。电压型SME驻电路拓扑结构*VSMES仿真模型的主电路Ide1 0ohm-M G10100000.0 ohmPSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑VSMES功率控制-vsmes仿真模型身展学Wuhan UniversityVSMES变流器控制框图图中Udr&Uqr组件和Idr&lqr Calculate组件一起实现了前面 所简述的双环解耦控制原理，也就是电压/电流双环控制部分。VSMES功率控制-功率控制仿真E八“学Wuhan University2.0M-1.5M-1.0M-0.5M.0.0-0.5M-1.0M-1.5M-PQsm and PQr Psm-Qsm Pr0.0 5,0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0PrefJ旨令PQsm and PQr参数：三相电压源相电压为 800V;直流电容为10mF，超导线圈等效电感为1OH;超导线圈额定电流为 500A（储 能1.25MJ）;电 网频率为50Hz;电容电 压Ude为3000V;交流侧 电感L为5mH;仿真时间 为 20s。Wuhan UniversityVSMES功率控制-仿真结果*VSMES的功率跟踪Psm对Pr的跟踪结果PQsm and PQrQsm对Qr的跟踪结果VSMES功率控制仿真结果 和*学Wuhan University1.5M1.0M0.5M0.0-0.5M-1.OM-1.5M0 10 20g30 40 50_1.2k I smesI smes1.0k-0.8k-Wuhan University3 35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调 节特性35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率 为4Wuhan University 35kJ/7.5kW高温超导SMES装置左图中，SMES各组成设 备从左至右依次为SMES 的监测控制系统、SMES 用于功率调节的电流型变 流器、提供超导运行环境 的低温制冷系统和高温超 导磁体。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率 为4 SMES的冷却系统低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。超导磁体笼罩于真空杜瓦内部 O杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保持高真空环境（真空度 达10-iPa数量级）。采用制冷机直接传导冷却工作方式。运行时，低温系统的杜瓦真空可 保持在010.2Pa,通过制冷机的冷却，磁体表面温度以及电流引线温度保 持在19 K21K。Wuhan University35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率为总学酒三盘喜 SMES的变流器结构高温超导线圈 15?-6-1435kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率Wuhan University SMES的控制系统电力 系统SMES装置的控制框图SMESSMES的控制系统用于根据从系统提取的所需信 息，按照系统控制的需要产生触发脉冲序列去控制 IGBT,从而控制SMES输出所需的有功和无功功率。它含有外环控制器和内环控制器两个闭合控制回路。外环控制器实时采集电力系统各点电压、电流信 号，经过相应的运算并采用选定的控制算法，得出 系统此时所需要的功率调节量，并将此信号传递 给内环控制器。A内环控制器根据外环下达的功率调节参考信号，利 用有效的开关调制规则，产生变流装置的触发。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率i和*字 SMES的控制系统一内环控制器Uy U31b，c，Ude，,de，,del,idc 2，idc 3,idc 4信号调理变流器1 变流器2 变流器3变流器4失超 保护A/DTMS320F2407A DSPTX/RX驱动 驱动 驱动隔离 隔离 隔离压步号 电同信隔离111111 Him 111111 Him短接与封钺-短接与封锁-短接与封锁 短接与封 锁HI IJJ?11H11111111，口 口口、|MCUlMCU2 jMCU3MCU4nT tT tft光藕光藕光藕光藕CAN bu sRS485SMES装置的内环控制器原理框图内环控制器主要由信号调理、保护电路、DSP和微控制器(Micro Control Unit,简称 MCU)等部分组成，采用以DSP为核心的主从控 制结构，主要用以控制变流器在变化的直流电 流下通过开关调制方法产生实际所需的交流电 流，从而使SMES实际输入或输出的有功和无功 功率能够对外环控制器输出的功率参考值进行 快速跟踪，以及在SMES运行发生故障的情况下,对主电路执行相应的保护控制。CSMES功率控制一csmes输出功率暂和“岁Wuhan Universitye CSMES输出功率控制框图功汇 跟踪.磁体 起磁I电流型SMES的控制原理图35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率Wuhan University调芍特性SMFS装詈 SMES的控制系统一外环控制器外环控制器由监控系统的监控计算机和测量控制单元的多路数据采集插件、总线控制插件、SMES控制插件以及同步信号插件构成，用于对内环控制器的 工作方式以及SMES和电力系统功率交换大小进行控制。内环控制器用于实现 外环控制器对SMES在磁体起磁、功率跟踪、非功率跟踪和去磁四种工作方式 的切换，从而使SMES在外环控制器的作用下，能够在电力系统中灵活地投切。SMES和电力系统的交换功率控制则用于实现SMES在电力系统中的具体应用。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率Wuhan University调芍特性SMFS装詈 SMES的控制系统一外环控制器 SMES的投入当控制系统上电或复位时，内环控制器工作于默认的功率跟踪模式，外 环控制器在指定内环工作模式的方式下运行，此时外环控制器并不向内环控 制器下达功率交换参考值，而内环控制器则通过自身初始化设定的零功率参 考值进行功率跟踪，从而使SMES可在不影响电力系统稳态运行的情况下投 入运行。SMES的起磁当监控计算机发出磁体起磁命令后，外环控制器立刻通过串行通信接口 向内环控制器发出磁体起磁命令，内环控制器接收此命令后随即切换至磁体 起磁控制方式，通过调节最终使磁体电流维持在设定值。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率好指4*岁Wuhan University“吐 Q N和口 0”上至 SMES的控制系统一外环控制器 SMES的功率控制当监控计算机发出允许交换功率命令后，外环控制器立即转换至对 SMES和电力系统进行适当功率交换的控制模式，同时将该命令转发给内环 控制器，使内环控制器也转入功率跟踪控制模式，并做好接受来自外环控制 器的功率参考值的准备。外环控制器在每次控制周期到来时，先执行按 SMES具体应用要求所设计的控制算法以确定交换功率的参考值，然后将此 参考值通过串口发送给内环控制器。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率1岁 SMES的控制系统一外环控制器 SMES的禁止功率交换控制当监控计算机发出不允许交换功率命令时，外环控制器先向内环控制器 发送Pref和Qref等于零的功率参考值，以使SMES不再和系统交换功率，接着再 向内环控制器转发不允许功率交换命令，使内环控制器返回到上电或复位初 始工作状态，然后外环控制器也退出对SMES交换功率大小的控制，并且不 再向内环控制器输出交换功率参考值。在此种操作下，由于磁体的存储的磁 能并未释放，因此其剩余能量还可以被随后的操作所利用。知公学Wuhan University33KJ/3KW 局温趋导、M七、仪县切举 调节特性一SMES装置 SMES的控制系统一外环控制器 SMES的去磁控制外环控制器对内环控制器发出的磁体去磁命令也有两种方式：第一种是 先由监控计算机手动发送；第二种是SMES控制插件检测到磁体失超保护信 号后，由外环控制器自动发送。两种方式下，外环控制器都必须先向内环控 制器发送Pref和Q,ef等于零的功率设定值，接着向内环控制器转发磁体去磁命 令，然后返回到外环控制器的上电或复位初始工作状态，内环控制器则导通 各变流器直流侧和磁体两端并联的晶闸管和电阻，通过续流回路的功率损耗 迅速释放磁体中储存的能量。Wuhan University33KJ/.3KW 局温趋导5M匕、及县切举 调节特性一功率调节特性 SMES的起磁SMES的磁体起磁过程33kJ/3KW 同温趋守JVLb、仪县以/平调节特性一功率调节特性为M*岁Wuhan University SMES的起磁71.70-5-；-：-1(2面由-3k Var变换到3k Var时SMES的阶跃功率响应 Pref=0 Q2由-3k Var变换到3k Var口寸SMES的瞬时响应35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率知卜学Wuhan University SMES的四象