储能技术综述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,储能技术综述,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。,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,改善电能品质,分布式电源和可再生能源的功率平滑装置,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。,主要储能技术,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,主要储能技术,机械储能抽水蓄能,广泛采用的大规模、集中式储能手段。,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。,机械储能抽水蓄能,发展现状：,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90GW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1.8%。,机械储能抽水蓄能,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；,机械储能飞轮储能,Flywheel Energy 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。,机械储能飞轮储能,特点：,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、风力发电，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。,机械储能压缩空气储能,上世纪50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。,化学储能铅酸电池,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BEWAG的8.8MW/8.5MWh的蓄电池储能系统，用于调峰和调频。,化学储能铅酸电池,工程地点,建设时间,额定容量,(MWh),额定功率,(MW),Crescent,美国加州,1987,0.5,0.5,Prepa波多黎各,1994,14,20,Vernon美国加州,1995,4.5,3,Herne-Sodingen,德国,Late 1990s,1.2,1.2,化学储能铅酸电池,中国加入WTO后，由于看好中国蓄电池市场巨大潜力以及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。,化学储能钠流电池、液流电池、钠/氯化镍电池,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（NASA）资助设计，1974年申请了专利。目前主流是全钒电池群雄并起，铁铬电池陷于停顿、多硫化钠/溴电池刚刚兴起。,钠/氯化镍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。,化学储能锂离子电池,优势是储能密度高、储能效率高、循环寿命长等。鉴于上述优点，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400600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。,电磁储能超导储能,超导磁储能（SMES）单元是由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供。功率变换/调节系统将SMES单元与交流电力系统想念，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电。通常使用两种功率变换系统将储能线圈和与交流电力系统相连：一种是电流源型变流器；另一种是电压源型变流器。,电磁储能超级电容器储能,超级电容器（SC）是近几十年来，国里外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储能电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数达到十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。,综上，SC是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的总是，目前发展十分迅速。,各种储能技术特点总结,各种储能技术在其能量密度和功率密度方面均有不同的表现，而同时电力系统也对储能系统不同应用提出了不同的技术要求，很少有一种出储能技术可以完全胜任电力系统中的各种应用，因此，必须兼顾双方需求，选择匹配的储能方式与电力应用。,各种储能技术特点总结,根据各种储能技术的特点，抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源接入等大规模、大容量的应用场合，而超导、飞轮及超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等。,各种储能技术特点总结,抽水蓄能电站在电网中可承担调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种任务，抽水蓄能电站的建设对优化电源结构、提高电网的安全、稳定、经济运行水平、促进电网节能降耗、改善电能质量和供电可靠性等具有不可替代的作用。特别是随着大核电、大水电和大风电的建设，抽水蓄能电站的作用日趋明显。而当前我国的抽水蓄能电站装机容量比重相对较低，远不能满足电网长期安全稳定运行的需要。,各种储能技术特点总结,铅酸电池尽管目前仍是世界上产量和用量最大的一种蓄电池，但从长远发展看，他尚不能满足今后电力系统大规模高效储能的要求，而钠硫电池具有的一系列特点是他们成为未来大规模电化学储能的两种方式，特别是液流电池，它有望在未来的1020年内逐步取代铅酸电池。而锂电池在电动汽车的推动下也有望成为后起之秀。,各种储能技术特点总结,储能类型,典型额定功率,额定容量,特点,应用场合,机械储能,抽水储能,1002000MW,410小时,适用于大规模，技术成熟。响应慢，需要地理资源,日负荷调节，频率控制和系统备用,压缩空气,10300MW,120小时,适用于大规模。响应慢，需要地理资源。,调峰、调频、系统备用、风电储备,飞轮储能,5Kw10MW,1秒30分钟,比功率较大。成本高，噪音大。,调峰、频率控制、UPS和电能质量,电磁储能,超导储能,10Kw50MW,2秒5分,响应快，比功率高。成本高，维护困难。,输配电稳定、抑制振荡,高能电容,110MW,110秒,响应快，比功率高。比能量低。,输电系统稳定、电能质量控制,超级电容,10kW1MW,130秒,响应快，比功率高。成本高、出能量低。,可应用于定制电力及FACTS,各种储能技术特点总结,储能类型,典型额定功率,额定容量,特点,应用场合,电化学储能,铅酸电池,kW50MW,分钟小时,技术成熟，成本低。寿命短，环保问题。,电能质量、电站备用、黑启动,液流电池,5kW100MW,120小时,寿命长，可深放，适于组合，效率高，环保性好。但能量密度稍低,电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS,钠硫电池,100kW100MW,数小时,比能量和比功率较高。高温条件、运行安全问题有待改进。,电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS,锂电池,kWMW,分钟小时,比能量高。成组寿命、安全问题有待改进。,电能质量、备用电源、UPS超导技术及应用,1 超导技术导言,超导体,（,superconductor,）,超导体是指当某种导体在一定温度下,，可使电阻为零的导体。,零电阻,和,抗磁性,是超导体的两个重要特性，也称为超导现象,。使超导体电阻为零的温度，叫,超导临界温度,。,1.1 超导的发现,1.超导技术导言,荷兰物理学家,昂纳斯,(Heike Kamerlingh Onnes),低温物理学家,1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖,1908年7月10日,卡末林-昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。这次卡末林-昂纳斯共获得了60cc的液氦，达到了4.3K的低温。他们又经过多次实验，第二年达到1.38-1.04K。它标志着所有物质都可以存在于气液固状态。,“永久气体”氦气液化成功,1.超导技术导言,1.1 超导的发现,1.超导技术导言,1.1 超导的发现,低温冷却介质地成功获取，使昂纳斯研究各种金属导体在低温状态下特性成为了可能。,昂纳斯试着利用液态氦对汞进行冷却，终于使汞的温度冷却到接近绝对 零度。当他将电流通过汞线，测量汞线 的电阻随温度变化时，一个奇异的现象出现了：当温度降到4.2K时，电阻突然消失了。,1911年12月28日昂纳斯宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。,4.00 4.20 4.40,0.150,0.100,0.050,0.000,*,*,*,：,临界温度,4.20K,附近汞的电阻突降为零,在,1.超导技术导言,1.1 超导的发现,不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导态”，如锡和铅。其中，锡的转变 温度为3.8K，铅的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状 态下进行种种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、锆、铝、锘等24种元素以及是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。,1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,零电阻,迈斯纳效应,临界磁场,临界电流,临界温度1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低。超导态的三大临界条件：临界温度、临界电流和临界磁场，三者密切相关，相互制约。,临界温度(T),临界温度(Tc):,超导体电阻突然变为零的温度。,1.2 超导物理特性,1.超导技术导言,1.超导技术导言,1.2 超导电性,超导体内部电流永远不会消失,昂尼斯发现超导电性以后，继续进行实验，测量低温下电阻是否完全消失。昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体，最后把瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去，这就是昂尼斯持久电流实验。许多人都重复做这个实验，其中电流持续时间最长的一次是从年月日到年月日，而且在这两年半时间内持续电流没有减弱的迹象，液氦的供应中断实验才停止。持续电流说明超导体的电阻可以认为是零。,1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,超导体零电阻观察与测量：,一超导环置一磁场中，然后冷却使之转变成超导态，快速撤去磁场。产生感应电流。,T,T,c,在超导环上加磁场,(b)T,T,c,圆环转变为超导态,(c),突然撤去外电场，超导环中产生持续电流,1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,迈斯纳效应,迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳研究,超导态的磁性时,发现，超导体一旦进入超导状态，超导体内部的磁通量将全部被排出超导体外部，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。,N,N,S,降温,降温,加场,加场,S,注：S表示超导态,N表示正常态,1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,迈斯纳效应,德国物理学家迈纳斯,1.超导技术导言,1.2 超导物理特性,迈斯纳效应,观察迈斯纳效应的磁悬浮试验,在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。,1.超导技术导言,迈斯纳效应,超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象，磁悬浮现象在工程技术中有许多重要的应用，如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等。,1.2 超导物理特性,1.超导技术导言,为了寻找较高临界温度的超导材料，在50年代早期，科学家们将注意力转向了合 金和化合物。,1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K 的铌锡合金。,1960年，昆兹勒发现了铌锡合金在 8.8万高斯磁场中仍具有超导性。它正是第 类超导体。以后，又陆续发现了若干铌系列合金超导体。,1973年，发现了铌锗合金，其临界温度可达 23.2K，这一发现又激起了科学家们 寻找高温超导体的热情。第类超导体发现后，美国和英国的一些公司又花了近10年时间开发可靠的超导产品。,之后，人们进入 了在多元素化体系中寻找高临界温度超导体的竞赛。,1.5 超导材料,超导特性发现于1911年：4.2K,临界温度提高很慢：75年后达23.2K.1988年：110K（2年：100度）,1.超导技术导言,1.5 超导材料,著名高温超导物理学家,1.超导技术导言,1.5 超导材料,高温超导体的发现,1986年4月，正当提高金属、合金有机材料的临界温度都遇到困难的时候，瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发现多相氧化物或称为陶瓷材料超导，激起人们对新陶瓷材料的高度热情，在不到一年时间内，中国、日本，美国等竞相努力，使陶瓷超导体的临界温度提高到300K以上。,1987年初，中国的赵忠贤获得SrLaCuO的超导临界温度为48.6K。,2 超导磁储能技术概述,SMES的概述,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,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,改善电能品质,分散电源的功率平滑装置,SMES的概述,在电力系统中的应用,不同规模的SMES应用场合有所不同，一般中、大型SMES可用于10kV以上电压等级的发电厂、变电站等适合SMES安装的一切地点。,SMES的概述,装置结构,右图是SMES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，SMES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。,SMES的概述,装置结构,35kJ/7.5kW,高温超导磁储能装置,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。,SMES的概述,装置结构,35kJ/7.5kW高温超导磁体,SMES,的磁体系统,运行时，低温系统的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa，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19K21K。,SMES的概述,装置结构,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120A,自感系数,7.8H,SMES的概述,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,-1,Pa数量级）。,采用制冷机直接传导冷却或低温液氮/液氦浸泡工作方式提供低温环境。,SMES的概述,装置结构,SMES,的低温容器,SMES低温容器结构图,SMES的概述,国外研究现状,1983年利用30MJ/10MW 的SMES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1MWh SMES。2000年美国威斯康星北部的115kV电网中配置了分布式SMES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15MJ的微型和小型SMES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SMES的订货。,美国,日本,先后研制了多个kJ级和MJ级的SMES。在完成SMES动模实验研究的基础上，正在电力系统上开展了MJ级SMES的试验研究。,SMES的概述,国外研究现状,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SMES装置。现正在进行150kJ的高温超导SMES的研究工作。,SMES的概述,国外研究现状,韩国,开发了1MJ的SMES用于提高供电品质。,芬兰,芬兰Tampere大学和美国超导公司合作研制了5kJ的高温超导SMES，并已在不间断电源中试验过。,俄罗斯,九十年代以来，还建成了12MJ SMES，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。,SMES的概述,国内研究现状,1999,年中科院电工所研制了一台,300A/220V,，,25kJ,的,SMES,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。,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,SMES,作为,应急备用电源储能设备。,3 超导磁储能技术的功率控制,SMES的功率控制问题,用于电力系统的SMES的拓扑结构不外乎两大类。一类是电流源型SMES，简称CSMES，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SMES，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。,SMES的功率控制问题,3.1,电流源型SMES的功率控制,CSMES功率控制问题,电流源型,SMES,主电路拓扑结构,L,L,S1,S6,S3,S2,S4,S5,超导磁体,L,CSMES功率控制,CSC的数学模型,根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型SMES的时域数学模型：,CSMES功率控制,PWM开关策略,基于触发模式的,PWM,开关策略原理,CSMES功率控制,PWM开关策略,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,产生幅值为M1,1、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,s,ma,、,s,mb,和,s,mc,载波信号发生器,产生幅值变化区间为-1,1且两个斜边在时间轴上投影宽度相等的周期性三角波,w,c,1,-1,s,ma,s,mb,s,mc,w,c,CSMES功率控制,PWM开关策略,调制脉冲发生器工作原理,调制脉冲,发生器,1,s,ma,s,mb,w,c,H,x,a,H,L,x,a,H,L,x,b,H,L,x,b,H,L,x,c,H,x,c,L,H,p,1,H,L,p,2,H,L,p,3,H,L,p,4,H,L,p,5,H,L,p,6,H,p,7,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,t/s,L,L,L,p,1,p,7,调制脉冲的产生,s,mc,-1,CSMES功率控制,PWM开关策略,斜坡函数发生器工作原理,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,u,sa,相同的锯齿波信号,w,t,W,t,/,deg.,270,180,90,0,100,50,-50,-100,0,u,sa,/V,360,CSMES功率控制,PWM开关策略,触发模式选择器工作原理,6,5,4,3,2,1,0,t/s,mod,-300,-200,100,200,300,0,/deg.,-100,t/s,w,t,/,deg.,270,180,90,0,t/s,100,50,-50,-100,0,u,sa,/V,t/s,改变时的触发模式信号,360,触发模式,选择器,=,w,t,-,CSMES功率控制,PWM开关策略,触发脉冲发生器工作原理,触发脉冲,发生器,CSMES功率控制,PWM开关策略,CSC,输出电流特性,变流器A相调制电流,X,k,(t),、分别为x,a,和x,b,第 次谐波分量的幅值,、分别为x,a,和x,b,第 次谐波分量的初始相位,双重傅立,叶分析,CSMES功率控制,PWM开关策略,基波分量,载波谐波分量,边带谐波分量,为,调制波,和基波频率的比值，,为载波和调制波频率的比值,，,当,时,CSC,输出电流特性,CSMES功率控制,PWM开关策略,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n,2,为3的整数倍或n,1,+n,2,为偶数时，边带谐波也为零。,输出电流中基波分量的幅值和相位具有很好的可控性。,CSMES功率控制,CSC的输出功率,CSC,输出功率控制方法,SMES的功率控制,SMES的功率实时控制,SMES,功率实时控制器,SMES的功率控制,SMES的功率实时控制,仿真结果,1,f,c,2100Hz，,I,dc,80A时，和,M,在,t,=0.08s处由=0、M=0.5,改变为=120、M=0.5，在,t,=0.12s时,M,改变为0.7,SMES的功率控制,SMES的功率实时控制,仿真结果,2,f,c,2100Hz，,I,dc,80A时，SMES的功率响应,CSMES功率控制,CSMES输出功率,CSMES,输出功率控制框图,CSMES功率控制,CSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑,CSMES,仿真模型的主电路,CSMES功率控制,CSMES仿真模型,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,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,仿真模型参数及功率跟踪,Psm,Qsm,Id运行结果,CSMES功率控制,仿真结果,CSMES,的功率跟踪,Psm对Pr,Qsm对Qr的跟踪结果,CSMES功率控制,仿真结果,CSMES,功率调节中的输入电压和电流,电源侧A相输入电流曲线,电源侧A相输入电流局部曲线放大图,3.2,电压源型SMES的功率控制,VSMES功率控制,VSC的数学模型,六脉冲电压源型变流器拓扑结构,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：,VSMES功率控制,VSC的数学模型,VSC,的三相静止,ABC,坐标系模型,VSMES功率控制,VSC的数学模型,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,3/2坐标变换,三相静止,ABC,坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制,VSC的数学模型三相静止ABC坐标,两,相,静,止0,坐,标,两,相,旋,转dq0,坐,标,三相静止,ABC,坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制,VSC的数学模型,三相静止坐标系ABC,分量,两相静止坐标系的0,分量,两相旋转坐,标系的dq0,分量,两相坐标系到三相静止坐标系的变换,VSMES功率控制,VSC的数学模型,VSC,的,ABC,坐标系模型到,dq0,旋转坐标系模型的转换,拉氏变换,拉氏反变换,VSMES功率控制,VSC的数学模型,VSC,的,dq0,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,VSMES功率控制,VSC的数学模型,VSC,的,dq0,旋转坐标系模型中的,dq,电流独立控制,d、q轴电流除受控制量,u,rd,和u,rq,的影响外，还受耦合电压wL,id,和wL,iq,、以及变流器交流侧输入电压,u,sd,和u,sq,的影响,假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量，即,VSMES功率控制,VSC的数学模型,VSC,的,dq0,旋转坐标系模型中的,dq,电流独立控制,在同步旋转坐标下进行VSC控制的基本思想是：希望使装置的功率因数可控。为此，输入电流必须跟踪输入电压则可以实现装置的功率因数可控。,解耦双闭环控制结构原理图,VSMES功率控制,VSC的输出功率,单相等效电路图,VSC单相等效电路向量图,VSMES功率控制,VSMES的斩波器,电压型,SMES,主电路拓扑结构,S7,L,C,S5,S3,S1,S6,S4,S2,超导磁体,D1,D2,S8,L,L,L,L,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,斩波器结构,VSMES功率控制,VSMES的斩波器,电压型,SMES,主电路拓扑结构,S7,L,C,S5,S3,S1,S6,S4,S2,超导磁体,D1,D2,S8,L,L,L,L,VSMES,斩波器的工作原理及其控制,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，同时配合变流器控制,直流电压Udc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,Udc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Udc恒定。,VSMES功率控制,VSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑,VSMES,仿真模型的主电路,VSMES功率控制,VSMES仿真模型,VSMES,仿真模型的控制电路,图中,Udr&Uqr组件和Idr&Iqr 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变流器控制框图,VSMES功率控制,功率控制仿真,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10H；超导线圈额定电流为500A(储能1.25MJ)；电网频率为50Hz；电容电压U,dc,为3000V；交流侧电感L为5mH；仿真时间为20s。,VSMES,仿真模型参数,Qref指令,Pref指令,VSMES功率控制,仿真结果,VSMES,的功率跟踪,Psm对Pr的跟踪结果,Qsm对Qr的跟踪结果,VSMES功率控制,仿真结果,VSMES,功率调节中的,Udc,和,Ismes,超级电容器（UC/SC）,当VSC的直流侧电压维持恒定时，在正确的脉宽调制技术控制下，VSC可以被看作是一个基波电压幅值和相位可控的三相电压源。通过其输出的调制电压和VSC电网侧电压共同作用于图中等效连接阻抗Xs，产生相位和幅值可控的三相电流ia、ib和ic，从而实现对VSC输入输出功率的准确控制。同时，由于VSC输入输出功率将导致其直流侧电容Cdc两端电压的变化，因此需要通过对DC/DC变换器的有效控制实现UC对Udc恒定电压的补偿控制,超级电容器储能系统主电路,当对UC进行储能时，DC/DC变换器工作于降压模式，目的是将从电网中吸收的能量储存在UC中，同时避免VSC直流侧母线电压Udc因输入功率所导致的电压上升，使其维持恒定；当UC释能时，变换器器工作于升压模式目的是补偿因VSC向电网输出有功功率所导致的直流母线电压Udc下降，使UC能够通过VSC向电网输送功率。当VSC与系统之间无功率交换时，UC通过降压或升压模式补偿VSC直流侧母线电压Udc因开关损耗引起的电压变化。,基于非隔离型Buck-Boost电路的DC/DC变换器,超级电容器（UC/SC）,超级电容器（UC/SC）,UC储能系统的四象限功率跟踪仿真结果,3,35kJ/7.5kW 高温超导SMES及其功率调节特性,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,SMES装置,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及其功率调节特性,SMES装置,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。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,-1,Pa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0.10.2Pa，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19K21K。,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,SMES装置,高温超导线圈,变流器1,变流器2,变流器3,变流器4,直流母线,三相交流母线,SCR1,SCR2,SCR3,SCR4,R1,R2,R3,R4,SCR,S11,S14,S24,S21,S34,S31,S44,S41,S16,S13,S12,S15,S26,S23,S22,S25,S36,S33,S32,S35,S46,S43,S42,S45,L,a,L,a,L,a,L,a,L,a,L,a,L,a,L,a,C,f,C,f,C,f,C,f,DC+,DC-,A,B,C,I,as,I,sb,I,dc,L,d,I,dc1,I,dc1,I,dc2,I,dc2,I,dc3,I,dc3,I,dc4,I,dc4,Y,AC,电源,DT,I,sc,SMES,的变流器结构,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,SMES装置,SMES,的控制系统,触发脉冲,p,SM,外环控制器,采样,SMES磁体,q,SM,电力,系统,v、i,内环控制器,SMES装置的控制框图,SMES,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。,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及其功率调节特性,SMES装置,SMES,的控制系统,内环控制器,MCU1,驱动,隔离,短接与封锁,光藕,MCU2,驱动,隔离,短接与封锁,光藕,MCU3,驱动,隔离,短接与封锁,光藕,MCU4,驱动,隔离,短接与封锁,光藕,失超,保护,电压,同步,信号,TMS320,F2407A,DSP,A/D,CAN bus,TX/RX,RS485,保护,电路,u,a,u,b,u,c,i,a,i,b,i,c,u,dc,i,dc,i,dc1,i,dc2,i,dc3,i,dc4,信号调理,变流器1,变流器2,变流器3,变流器4,SMES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,CSMES输出功率,CSMES,输出功率控制框图,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,SMES装置,SMES,的控制系统,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及其功率调节特性,SMES装置,SMES,的控制系统,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及其功率调节特性,SMES装置,SMES,的控制系统,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