超导技术应用储能技术综述

1、 储能装置快速的功率调节能力使其突破了传统电力系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。段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。 电网调峰电网调峰 系统备用容量系统备用容量 调节电网中的过负荷冲击调节电网中的过负荷冲击 提高电力系统稳定性提高电力系统稳定性 静止无功补偿静止无功补偿 改善电能品质改善电能品质 分布式电源和可再生能源的功率平滑装置分布式电源和可再生能源的功率平滑

2、装置传统电力系统的特点传统电力系统的特点发电发电（稳定、可控）（稳定、可控） 输配电输配电 用电用电（随机，不可控）（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：发电侧输出功率稳定且可控，用电侧负荷随机性大：一组随机变量一组随机变量电能难以大规模存储电能难以大规模存储：发输用三个环节功率实时平衡：发输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：因故障导致系统功率严重失衡时，切机切负荷：被动致稳被动致稳火电火电水电水电核电核电现代电力系统的新特点现代电力系统的新特点随着规模越来越大，出现新的现象和问题：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

3、振荡超低频功率振荡；功率振荡的传播特性的传播特性发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性：发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性：两组独立随机变量两组独立随机变量电能难以大规模存储：电能难以大规模存储：功率失衡可能成为电网的一种常态功率失衡可能成为电网的一种常态发电发电（随机）（随机） 输配电输配电（规模大，特性复杂）（规模大，特性复杂） 用电用电（随机）（随机）火电火电水电水电核电核电风电风电电网对大规模的风电接入持非常谨慎的态度！电网对大规模的风电接入持非常谨慎的态度！电网究竟能接纳多大比例的风电？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，可再生能源核心政策：总量目标，全额

4、收购全额收购，能接纳多大比例的风电能接纳多大比例的风电 在高比例风电条件下如何保证电力系统的安在高比例风电条件下如何保证电力系统的安全运行全运行建设大基地，建设大基地，融入大电网融入大电网大型风电场并网技术已成为可再生能源规模利用的瓶颈！大型风电场并网技术已成为可再生能源规模利用的瓶颈！？大规模储能：大规模储能：抽水蓄能：抽水蓄能：核电安全，电网经济；核电安全，电网经济；510中小规模储能：中小规模储能：蓄电池蓄电池、飞轮飞轮、超导、超级电容器、超导、超级电容器储能技术将在未来电力系统中占有重要地位储能技术将在未来电力系统中占有重要地位电力系统：电力系统：“发输用发输用” “发输用储发输用储”

5、火电火电水电水电核电核电风电风电储能储能储能储能储能储能 到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电到目前为止，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：能储能方式，主要可分为：机械储能、化学储能和电磁机械储能、化学储能和电磁储能储能等。等。机械储能：机械储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能化学储能：化学储能：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、 锂离子电池锂离子电池电磁储能：电磁储能：超导储能、超级电容器储能超导储能、超级电容器储能机械储能抽水蓄能机械储能抽水蓄能 广泛采用的大规模、集中式储能手段。广泛

6、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。配备上、下游两个水库。 在在负荷低谷时段负荷低谷时段，抽水蓄能设备工作在，抽水蓄能设备工作在电动机状态电动机状态，将下，将下游水库的水抽到上游水库保存。游水库的水抽到上游水库保存。 负荷高峰时负荷高峰时，工作在，工作在发电机状态发电机状态，利用储存在上游水库中，利用储存在上游水库中的发电。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。站进行电力调度。机械储能抽水蓄能机

7、械储能抽水蓄能发展现状：发展现状： 1919世纪世纪9090年代于意大利和瑞士得到应用，据统计目前全世界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共有超过90gw90gw的抽水蓄能机组投入运行。的抽水蓄能机组投入运行。 日、美、西欧等国日、美、西欧等国2020世纪世纪60607070年代出现抽水蓄能电站的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。引领世界潮流。 我国上世纪我国上世纪9090年代开始发展，有广州抽水蓄能年代开始发展，有广州抽水蓄能1 1期，十三陵，期，十三陵，浙江天

8、荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机浙江天荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机5.7gw5.7gw，占全国装，占全国装机容量的机容量的1.8%1.8%。机械储能抽水蓄能机械储能抽水蓄能优点：优点： 技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。缺点：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；心； 抽水和发电中有相当数量的能量被损失，储能密度较差；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；建设周期长，投资大；机械储能飞轮储能机械储能飞轮储能

9、 flywheel energy storage 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。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，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。电和放电。机械储能飞轮储能机械储能飞轮储能特点

10、：特点： 储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无污染、应储能密度高、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。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、目前用于调峰、分离发电，太阳能储能、电动汽车、upsups、低、低轨道卫星、电磁炮、鱼雷。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。大、华北电大、中科院电工所。20092009年年8 8月月5 5日，国内最先进和可日，国内最先进和可靠的两台靠的两台250kva250kv

11、a移动式飞轮发电车落户北京电力公司，执行供电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。保障和应急供电任务。机械储能压缩空气储能机械储能压缩空气储能 上世纪上世纪5050年代提出，目的是削峰填谷。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。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

12、经过回热器预热，再使用燃料做发电机工作，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。电。 德国、美国、日本和以色列建成过示范性电站。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，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，距今硫酸溶液为电解质的一种蓄电池，距今140140年历史。年历史。 优点：优点： 自放电小，自放电小，2525下自放电率小于下自放电率小于2%/2%/

13、月；结构紧凑，密封好，月；结构紧凑，密封好，抗振动，大电流性能好；工作温度范围宽，抗振动，大电流性能好；工作温度范围宽，-40-405050； 价格低廉；制造维护成本低；无记忆效应（浅循环工作时容量价格低廉；制造维护成本低；无记忆效应（浅循环工作时容量损失）。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。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：德国柏林例如：德国柏林bewagbewag的的8.8mw/8.5mwh8.8mw/8.5mwh的蓄电池储能系统，用于的蓄电池储能系统，用于调峰和调频。调峰和调频。化学储能铅酸电池化学储能铅酸电池工程地点工程地点建设时间建设时

14、间额定容量额定容量(mwh)额定功率额定功率(mw)crescent美国加州美国加州19870.50.5prepa波多黎波多黎各各19941420vernon美国加州美国加州19954.53herne-sodingen德国德国late 1990s1.21.2化学储能铅酸电池化学储能铅酸电池 中国加入中国加入wtowto后，由于看好中国蓄电池市场巨大潜力以及后，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造商选择在中国建厂和生产，目前我国铅酸电池

15、产量占世界的1/31/3，生产研发技术与国际先进说平差距不明显。保定风帆、哈，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。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、钠化学储能钠流电池、液流电池、钠/ /氯化镍电池氯化镍电池 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。硫和多硫化钠熔盐。 液流电池或称氧化还原液流电池

16、，是正负极活性物质均为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（nasanasa）资助设计，）资助设计，19741974年申请了专利。目前主流是全钒电池年申请了专利。目前主流是全钒电池群雄并起，铁铬电池陷于停顿、多硫化钠群雄并起，铁铬电池陷于停顿、多硫化钠/ /溴电池刚刚兴起。溴电池刚刚兴起。 钠钠/ /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、储能电池，具有较高的能量密度和

17、功率密度，具备可过充电、无自放电，运行维护简单等优势。无自放电，运行维护简单等优势。 化学储能锂离子电池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。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目前，单体电池标准循环寿命已经超过10001000次，仅从电池次，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单体的角

18、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，循环寿命只有储能应用需求，但在锂离子电池组应用时，循环寿命只有400400600600次，甚至更低，严重制约了锂离子电池储能应用。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。锂离子电池在电力系统的应用方面，美国走在前面。20092009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。的研究和开发。电磁储能超导储能电磁储能超导储能 超导磁储能（超导磁储能（smessmes）单元是由一个置于低温

19、环境的超导线）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。功率变换率变换/ /调节系统将调节系统将smessmes单元与交流电力系统想念，并且可以根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。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电磁储能超级电容器储能

20、 超级电容器（超级电容器（scsc）是近几十年来，国里外发展起来的一种）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。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，具备较高的达到十万

21、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。比功率，且对环境无污染。 综上，综上，scsc是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优是一种高效、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。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要求，很少有

22、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，因此，必须兼顾双方需求，选择匹配的储能方式与电力应用。应用。 各种储能技术特点总结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，如应对电压暂储能适合于需要提供短时较

23、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、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。提高系统稳定性等。 各种储能技术特点总结各种储能技术特点总结 抽水蓄能电站在电网总可承担调峰填谷、调频、调相、紧抽水蓄能电站在电网总可承担调峰填谷、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。节能降

24、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。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池，但从长远发展看，他尚不能满足今后电力系统大规

25、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，它有望在未来的的10201020年内逐步取代铅酸电池。而锂电池在电动汽车的推动下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。也有望成为后起之秀。 各种储能技术特点总结各种储能技术特点总结储能类型储能类型典型额定功率典型额定功率额定容量额定容量特点特点应用场合应用场合机机械械储储能能抽水储能抽水储能1002000mw410小时小时适用于大规模，技术适用于大规模，技术

26、成熟。响应慢，需要成熟。响应慢，需要地理资源地理资源日负荷调节，频日负荷调节，频率控制和系统备率控制和系统备用用压缩空气压缩空气10300mw120小时小时适用于大规模。响应适用于大规模。响应慢，需要地理资源。慢，需要地理资源。调峰、调频、系调峰、调频、系统备用、风电储统备用、风电储备备飞轮储能飞轮储能5kw10mw1秒秒30分钟分钟 比功率较大。成本高，比功率较大。成本高，噪音大。噪音大。调峰、频率控制、调峰、频率控制、ups和电能质量和电能质量电电磁磁储储能能超导储能超导储能10kw50mw2秒秒5分分响应快，比功率高。响应快，比功率高。成本高，维护困难。成本高，维护困难。输配电稳定、抑输

27、配电稳定、抑制振荡制振荡高能电容高能电容110mw110秒秒响应快，比功率高。响应快，比功率高。比能量低。比能量低。输电系统稳定、输电系统稳定、电能质量控制电能质量控制超级电容超级电容10kw1mw130秒秒响应快，比功率高。响应快，比功率高。成本高、出能量低。成本高、出能量低。可应用于定制电可应用于定制电力及力及facts各种储能技术特点总结各种储能技术特点总结储能类型储能类型典型额定功率典型额定功率额定容量额定容量特点特点应用场合应用场合电电化化学学储储能能铅酸电池铅酸电池kw50mw分钟分钟小时小时 技术成熟，成本低。技术成熟，成本低。寿命短，环保问题。寿命短，环保问题。电能质量、电站电

28、能质量、电站备用、黑启动备用、黑启动液流电池液流电池5kw100mw120小时小时寿命长，可深放，寿命长，可深放，是与组合，效率高，是与组合，效率高，环保性好。但能量环保性好。但能量密度稍低密度稍低电能质量、备用电能质量、备用电源、调峰填谷、电源、调峰填谷、能量管理、可再能量管理、可再生储能、生储能、eps钠硫电池钠硫电池100kw100mw数小时数小时比能量和比功率较比能量和比功率较高。高温条件、运高。高温条件、运行安全问题有待改行安全问题有待改进。进。电能质量、备用电能质量、备用电源、调峰填谷、电源、调峰填谷、能量管理、可再能量管理、可再生储能、生储能、eps锂电池锂电池kwmw分钟分钟小

29、时小时比能量高。成组寿比能量高。成组寿命、安全问题有待命、安全问题有待改进。改进。电能质量、备用电能质量、备用电源、电源、ups smes快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统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。的状况，形成崭新的主动致稳新思想。 电网调峰电网调峰 系统备用容量系统备用容量 调节电网中的过负荷冲击调节电网中的过负荷冲击 提高电力系统稳定性提高电力系统稳定性

30、静止无功补偿静止无功补偿 改善电能品质改善电能品质 分散电源的功率平滑装置分散电源的功率平滑装置不同规模的不同规模的smessmes应用场合有所不同，一般中、大型应用场合有所不同，一般中、大型smessmes可用于可用于10kv10kv以上电压等级的发电厂、变电站等适合以上电压等级的发电厂、变电站等适合smessmes安装的一切地点。安装的一切地点。 项目项目 规模规模 安装地点安装地点 应用目的和作用应用目的和作用 微型微型 smes装置装置 100kwh以下以下 负载端负载端 用户电力技术解决方案， 提供敏感和用户电力技术解决方案， 提供敏感和重要负载的电源重要负载的电源 小型小型 sme

31、s装置装置 0.1mwh等级等级 负载端；长距离输电线端；负载端；长距离输电线端；66kv 等级发电厂； 光伏发电等级发电厂； 光伏发电和风力发电系统和风力发电系统 改善稳定性；小波动负载调平；电压改善稳定性；小波动负载调平；电压波动调节；间断型电源调平输出波动调节；间断型电源调平输出 中型中型 smes装置装置 10mwh等级等级 配电站；配电站；154275kv 等级发等级发电厂电厂 大波动负载调平；电压波动调节；频大波动负载调平；电压波动调节；频率调节及瞬时备用功率； 改善电源可率调节及瞬时备用功率； 改善电源可靠性靠性 大型大型 smes装置装置 1gwh等级等级 500kv 电压等级

32、发电厂；适电压等级发电厂；适合于大型合于大型 smes 装置的一切装置的一切其它地点其它地点 减少传输容量和电站建设； 减少输电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；提间连接功率波动；阻尼线路振荡；提高系统稳定性和可靠性高系统稳定性和可靠性 不同规模不同规模 smes 的应用情况的应用情况 电电压压源源型型smes主主电电路路拓拓扑扑结结构构 s7 l c s5 s3 s1 s6 s4 s2 超导 磁体 d1 d2 s8 l l l l 电电流流源源型型smes主主电电路路拓拓扑扑结结构构 fig.2.5

33、 the main circuit of l l s1 s6 s3 s2 s4 s5 超导磁体 l 电力系统 控制状态量去/从 变压器 制冷系统装置 监控系统 变流器 触发电路 电力 系统 ld smes装装置置结结构构框框图图 变流器 超导 磁体 无功补偿 磁体失 超保护 华华中中科科技技大大学学研研制制的的35kj/7.5kw电电流流源源型型高高温温超超导导smes系系统统 左图中，左图中，smes各组成设各组成设备从左至右依次为备从左至右依次为smes的监测控制系统、的监测控制系统、smes用于功率调节的电流型变用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境流器、提供超导运行环境的低温制冷

34、系统和高温超的低温制冷系统和高温超导磁体。导磁体。 磁体与导冷座连接杆 用于电流引线的多股铜导线 用于电流引线的超导棒材 双级制冷机冷头 bi双饼形磁体 导冷座 磁体支撑杆 wc4 smc smb sma wc4 90 wc4 单级制冷机冷头 35kj/7.5kw高温超导磁体高温超导磁体 19971997年建造完成了一个由年建造完成了一个由6 6个超导线圈组成的个超导线圈组成的2mj2mj的环的环形形smessmes装置。现正在进行装置。现正在进行150kj150kj的高温超导的高温超导smessmes的研究工的研究工作。作。 电力系统 控制状态量去/从 变压器 制冷系统装置 监控系统 变流器

35、 触发电路 电力 系统 ld smes装装置置结结构构框框图图 变流器 超导 磁体 无功补偿 磁体失 超保护 电电压压源源型型smes主主电电路路拓拓扑扑结结构构 s7 l c s5 s3 s1 s6 s4 s2 超导 磁体 d1 d2 s8 l l l l 电电流流源源型型smes主主电电路路拓拓扑扑结结构构 fig.2.5 the main circuit of l l s1 s6 s3 s2 s4 s5 超导磁体 l scscsbsbsasasmesiuiuiup)(31scabsbcasabcsmesiuiuiuq0scsbsaiii0scsbsauuusin23sssmesiuqco

36、s23sssmesiup 电流源型电流源型smes主电路拓扑结构主电路拓扑结构 l l s1 s6 s3 s2 s4 s5 超导磁体 l 根据基尔夫定律可以建根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型立六脉冲电流源型smessmes的的时域数学模型：时域数学模型： s1 c s2 s3 s5 c c s4 s6 lt ica icb icc uca ucb ucc isc isb isa usa usb usc rd ld idc lt lt rt rt rt 电电流流源源型型s sm me es s六六脉脉冲冲变变流流器器拓拓扑扑结结构构图图 cccbcacccbcascsbsaiiiuuudtd

37、ciiiscsbsacccbcascsbsatscsbsatuuuuuuiiiriiidtdlcscbsbasadcddcdvuvuvuirdtdil 三态三态 pwm 开关矢量的定义开关矢量的定义 s1 s2 s3 s4 s5 s6 (va vb vc) c c o o o o o c c o o o o o c c o o o o o c c o o o o o c c c o o o o c c o o c o o o c o o c o o o c o o c ( 1 0 -1 ) ( 0 1 -1 ) (-1 1 0) (-1 0 1) (0 -1 1) (1 -1 0) (0 0

38、0) (0 0 0) (0 0 0) 注：注：c表示开关导通，表示开关导通，o 表示开关关断表示开关关断 基基于于触触发发模模式式的的 p pw wm m 开开关关策策略略原原理理框框图图 mod 斜坡函数 发生器 - + wt 触发模式 选择器 载波信号 发生器 调制波信号发生器 usa 调制脉冲 发生器 smc wc 触发脉冲发生器 p1-p7 ps1ps6 m sma,smb 调制波信号发生器调制波信号发生器产生幅值为产生幅值为mm1,11,1、初始相位、初始相位滞后变流器各输入相电压相位滞后变流器各输入相电压相位3030的三相正弦信号的三相正弦信号sma、smb和和smc 载波信号发生

39、器载波信号发生器产生幅值变化区间为产生幅值变化区间为-1,1-1,1且两且两个斜边在时间轴上投影宽度相等个斜边在时间轴上投影宽度相等的周期性三角波的周期性三角波wc 1-1smasmbsmcwc),(),(),(),(),(),(),(6543217654321ppppppnorpxxandpxxandpxxandpxxandpxxandpxxandpcbacbacbacba调制脉冲调制脉冲发生器发生器1smasmbwchxahlxahlxbhlxbhlxchxclhp1hlp2hlp3hlp4hlp5hlp6hp7t/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/s

40、t/slllp1p7调制脉冲的产生调制脉冲的产生smc-1斜坡函数发生器斜坡函数发生器产生幅值范围为到产生幅值范围为到360360，周期与变流器，周期与变流器a a相输入电压相输入电压usa相同的锯齿波信号相同的锯齿波信号wt wt /deg.27018090010050-50-1000usa/v3600)60/(701)60/(modceilfloor = wt- mod 0 60，-360-300 1 60120，-300-240 2 120180，-240-180 3 180240，-180-120 4 240300，-120- 60 5 300360，- 60 - 0 6 对对应应的的

41、触触发发模模式式信信号号 6543210t/smod-300-2001002003000,/deg.-100t/swt/deg.270180900t/s10050-50-1000usa/vt/s改变时的触发模式信号改变时的触发模式信号360触发模式触发模式选择器选择器= wt- 触发脉冲触发脉冲发生器发生器 mod ps1 ps3 ps5 ps4 ps6 ps2 1 p1 p7 p5 l h l 2 h l l p7 p6 p2 3 p1 p3 p7 l l h 4 l h l p4 p7 p2 5 p7 p3 p5 h l l 6 l l h p4 p6 p7 触发脉冲产生规则 100 us

42、a 50 -50 -100 0 usa,usb,usc/v usb usc t/s h l ps1 t/s t/s h l ps2 t/s h l ps3 t/s h l ps4 h l ps5 h l ps6 t/s t/s t/s t/s t/s idc 0 ica/a -idc idc 0 icb/a -idc idc 0 icc/a -idc =0，m=0.5，cf=150hz 时变流器的相电压、调制电流和 ps1ps6触发脉冲 变流器变流器a相调制电流相调制电流)()(21)(txtxitibadcca 1 smk(t) wc(t) m xk(t) xk(t)的的 spwm 信号信号

43、（k=a,b,c) t 1 -1 xk(t) 、 分别为分别为x xa a和和x xb b第第 次谐波分量的幅值次谐波分量的幅值 mxacmmxbc 、 分别为分别为x xa a和和x xb b第第 次谐波分量的初始相位次谐波分量的初始相位 mxammxb1)cos()cos(21)()(21)(mmxmxmxmxdcbadccabbaatmctmcitxtxiti双重傅立双重傅立叶分析叶分析)65cos()6cos(2)(1ttmitidcca1123dcmic0)cos()cos(2sin()(1)(1111011_ccdchcantmntmnmnjniti)65cos()6)cos(2)

44、(sin()(1)(22122121112_2nnntmnnntmnnmnjniticcndchca, 2 , 11n, 2, 12nsk为为调制波调制波和基波频率的比值，和基波频率的比值， ck为载波和调制波频率的比值为载波和调制波频率的比值， scknknm21当当 时时, 1121221121212)!( !2) 1()(nnnnnnnnnnxxj ica/a idc 0 -idc 谐波系数 hf 0 0.01 0.02 0.03 t/s 谐波/次 0 0.01 0.02 0.03 t/s 谐波/次 0 （b） =0，m=0.5，cf=1000hz 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

45、 0 10 20 30 40 50 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 （a） =0， m=0.5，cf=500hz 谐波系数 hf ica/a idc -idc 变流器a相 调制电流 和谐波分 析 特点特点 scscsbsbsasasmesiuiuiup)(31scabsbcasabcsmesiuiuiuq0scsbsaiii0scsbsauuusin23sssmesiuqcos23sssmesiup1( )( )skckititcos433dcssmesmiupsin433dcssmesmiuq)/(tan),(1smessmessmessmespqq

46、pfdcssmessmessmessmesiuqpqpgm334),(22 - k ism_set 0 pr )11 (stkip )11 (stkip 2243 3arctan()rrsmsrrpqmi eqp m 变流器 pmax pmin pr qmax qmin qr psm pmax pmin + qmax qmin + qr sw ism_max ism_min + 功率 跟踪 磁体 起磁 - - idc qsm 电流型smes的控制原理图 11()(2) 33smab abc abc bsmbcabaabbcbpu iu iu iquuiuui 电电流流源源型型 s sm me

47、es s 功功率率控控制制原原理理图图 pwm 控制 + - + + + + - + smes psmes qsmes pr qr m idc p q ps1 ps2 ps6 pi1 pi2 = f(p,q ) m= g(p,q) psmes功率实时控制器功率实时控制器p仿真结果仿真结果1 80.8 80.6 80.4 80.2 80 0 0.02 0.18 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 t/s 电流 idc /a （c）变流器直流侧电流 0 0.02 0.18 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 120 80 40 0 -

48、40 -80 -120 电压 uca /v 0 0.02 0.18 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 -40 -20 0 20 40 电流 isa /a t/s （b） 变流器交流侧 a 相电流 （a）变流器交流侧 a 相电压 t/s fc2100hz，idc80a时，时， 和和m在在t=0.08s处由处由=0、m=0.5改变为改变为=120、m=0.5，在，在t=0.12s时时m改变为改变为0.7p仿真结果仿真结果2fc2100hz，idc80a时，时， smes的功率响应的功率响应 0 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s -2 -1 0 1 2 有功

49、psmes，pr/kw （c c） 变变流流器器直直流流侧侧电电流流 39 40 41 电流 idc/a 1 （b b）s sm me es s 的的无无功功功功率率 q qsmes响响应应 1 2 2 曲曲线线 1 1：参参考考功功率率 曲曲线线 2 2：s sm me es s 的的输输出出功功率率 （a a）s sm me es s 的的有有功功功功率率 p psmes响响应应 s sm me es s 的的阶阶跃跃功功率率响响应应 0 -2 -1 0 1 2 无功 qsmes，qr/kvar 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s -2 -1

50、 0 1 2 有功 psmes，pr/kw 0 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s 1 2 （a a）s sm me es s 的的有有功功功功率率 p psmes响响应应 （b b）s sm me es s 的的无无功功功功率率 q qsmes响响应应 1 2 0 -2 -1 0 1 2 无功 qsmes，qr/kvar 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s （c c） 变变流流器器直直流流侧侧电电流流 39.8 40 40.2 电流 idc/a 0 0.1 0.2 0.3 0.4 t/s 曲曲线线 1 1：参参考考功功率率 曲曲线线 2 2：s sm me es s 的的输输出出功功

51、率率 s sm me es s 的的波波动动功功率率响响应应 根据基尔霍夫定律可以建立六根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型脉冲电压源型smessmes的时域数学模的时域数学模型：型：*asaaadnbsbbbdncscccdndiuli rs uudtdiuli rs uudtdiuli rs uudt*da ab bc clducs is is iidt+ +c c+ +- -ududg1g1g4g4g3g3g5g5g6g6g2g2r rr rr rl ll ll liaiaibibicica ab bc cusausausbusbuscusco om mn ndcbascsbsanus

52、ssuuuu33*asaaadnbsbbbdncscccdndiuli rs uudtdiuli rs uudtdiuli rs uudt*()33()33()33asasbscabcasaadbsasbscabcbsbbdcsasbscabccsccddiuuusssli r usudtdiuuusssli r usudtdiuuussslir usudtutabcdq022coscos()cos()33222sinsin()sin()333111222abcdqt022coscos()cos()33222sinsin()sin()333111222abc dqt00111222330322

53、111222abctt23t23022sinsin() sin()33222coscos() cos()333111222abc dqttttttt0110221313222131222abct01sincos22221sin() cos()3332221sin() cos()332dqabcttttttt*()33()33()33asasbscabcasaadbsasbscabcbsbbdcsasbscabccsccddiuuusssli r usudtdiuuusssli r usudtdiuuussslir usudt00,sdsqsabcdqsasbscuuutuuu 00, , ,d

54、qabcdqabci i iti i i *, ,*00,()3kk a b cdqabcdqkss s sts*1001001000dddsdqqqsqdldqdsrdilldtliudisriudtllluidusscdtcc*1001001000dddsdqqqsqdldqdsrdilldtliudisriudtllluidusscdtcc*ddqsdrdqqdsqrqrdd drqq ddilriliuudtdilriliuudtus uus u*ddqsdrdqqdsqrqrdddrqqddilriliuudtdilriliuudtus uus u d、q轴电流除受控制量轴电流除受控

55、制量1231231212rdrdrdrdrqrqrqrqrdsdrdqrqsqrqduuuuuuuuuuuliuuuli、33ddrdqqrqdilriudtdilriudt + +- -+ +- -r rl lip p q qseru 吸收有功 p xip ru re ru ip i xiq iq q 吸收感性无功 srejixusreuijxsincosprqsrxiuxie usin(sin )sracs pssracs qeupeixe e uqeix()()acacrsqpsssqpue xijxie xjxee22()()acacrsssqpuexxee2acsacacsacssp

56、xexparctgarctgqexqexe 电压型电压型 smes主电路拓扑结构主电路拓扑结构 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，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。它由提供所需的超导储能。它由2 2个可控开关功率器件个可控开关功率器件( (如如gtogto）和和2 2个大功率二极管组成。个大功率二极管组成。 电压型电压型smes 主电路拓扑结构主电路拓

57、扑结构 s7 l c s5 s3 s1 s6 s4 s2 超导磁体 d1 d2 s8 l l l l 开关器件和二极管器件的动作开关器件和二极管器件的动作需按照需按照smes的实时工作状态进行的实时工作状态进行调整，具体调整过程如下：调整，具体调整过程如下： 磁体起磁或磁体储能状态，在磁体起磁或磁体储能状态，在这两种工作状态中，这两种工作状态中，s8恒通，恒通， s7斩波，同时变流器控制直流斩波，同时变流器控制直流电压电压udc恒定。恒定。 磁体电流续流状态，磁体电流续流状态，s8恒断、恒断、s7恒通。变流器控制直流电压恒通。变流器控制直流电压udc恒定。恒定。 磁体放磁或释能状态，在这两磁体

58、放磁或释能状态，在这两种工作状态中，种工作状态中，s8恒断、恒断、s7斩波，同时控制电压斩波，同时控制电压udc恒定。恒定。 vsmes变流器控制框图变流器控制框图 参数：参数：三相电压源相电压为三相电压源相电压为800v；直流电容为；直流电容为10mf，超导线圈等效电感为超导线圈等效电感为10h；超 导 线 圈 额 定 电 流 为超 导 线 圈 额 定 电 流 为500a(储能储能1.25mj)；电；电网频率为网频率为50hz；电容电；电容电压压udc为为3000v；交流侧；交流侧电感电感l为为5mh；仿真时间；仿真时间为为20s。 pref指令指令 p35kj/7.5kw高温超导高温超导s

59、mes装置装置左图中，左图中，smes各组成设各组成设备从左至右依次为备从左至右依次为smes的监测控制系统、的监测控制系统、smes用于功率调节的电流型变用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超的低温制冷系统和高温超导磁体。导磁体。 psmes的冷却系统的冷却系统 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。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10-1pa数量级）。数量级）。

60、 采用制冷机直接传导冷却工作方式。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运行时，低温系统的杜瓦真空可保持在保持在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，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持在19k21k。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scr1scr2scr3scr4r1r2r3r4scrs11s14s24s21s34s31s44s41s16s13s12s15s26s23s22s25s36s33s32s35s46s43s42s45lalalalalalalalacfcfcfcfdc+dc-ab