储能技术综述

1、 4.00 4.20 4.400.1500.1000.0500.000K/T)/(R*cT：临界温度临界温度4.20K附附近近汞汞的的电电阻阻突突降降为为零零在在 NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态 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 SMES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

2、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

3、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

4、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。 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

5、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 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

6、S3 S2 S4 S5 超导磁体 L scscsbsbsasaSMESiuiuiuP)(31scabsbcasabcSMESiuiuiuQ0scsbsaiii0scsbsauuusin23ssSMESIUQcos23ssSMESIUP 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 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

7、变变流流器器拓拓扑扑结结构构图图 cccbcacccbcascsbsaiiiuuudtdCiiiscsbsacccbcascsbsaTscsbsaTuuuuuuiiiRiiidtdLcscbsbasadcddcdvuvuvuIRdtdIL 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

8、 ) (-1 1 0) (-1 0 1) (0 -1 1) (1 -1 0) (0 0 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

9、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1smasmbwcHxaHLxaHLxbHLxbHLxcHxcLHp1HLp2HLp3HLp4HLp5HL

10、p6Hp7t/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/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

11、4 240300，-120- 60 5 300360，- 60 - 0 6 对对应应的的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

12、p3 p5 H L L 6 L L H p4 p6 p7 触发脉冲产生规则 100 usa 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)(txtxItibad

13、cca 1 smk(t) wc(t) M xk(t) xk(t)的的 SPWM 信号信号（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)(1

14、111011_ccdchcantmntmnMnJnIti)65cos()6)cos(2)(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

15、0 （b） =0，M=0.5，cf=1000Hz 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 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( )( )skckititcos433dcsSMESMIUPsi

16、n433dcsSMESMIUQ)/(tan),(1SMESSMESSMESSMESPQQPfdcsSMESSMESSMESSMESIUQPQPgM334),(22 电电 流流 源源 型型 S SM ME 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

17、.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 -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=

18、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 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

19、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 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

20、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 的的输输出出功功率率 S SM ME ES S 的的波波动动功功率率响响应应 - 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

21、 起磁 - - Idc Qsm 电流型SMES的控制原理图 11()(2) 33smab abc abc bsmbcabaabbcbPu iu iu iQuuiuui *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 NdcbascsbsaNuSSSuuuu33*

22、0abciii三相不接地系统*asaaadNbsbbbdNcscccdNdiuLi RS uudtdiuLi RS uudtdiuLi RS uudt*()33()33()33asasbscabcasaadbsasbscabcbsbbdcsasbscabccsccddiuuuSSSLi R uSudtdiuuuSSSLi R uSudtdiuuuSSSLiR uSudtUtABCdq022coscos()cos()33222sinsin()sin()333111222ABCdqT022coscos()cos()33222sinsin()sin()333111222ABC dqT00111222

23、330322111222ABCTt23t23022sinsin() sin()33222coscos() cos()333111222ABC dqtttTttt0110221313222131222ABCT01sincos22221sin() cos()3332221sin() cos()332dqABCttTtttt*()33()33()33asasbscabcasaadbsasbscabcbsbbdcsasbscabccsccddiuuuSSSLi R uSudtdiuuuSSSLi R uSudtdiuuuSSSLiR uSudt00,sdsqsABCdqsasbscuuuTuuu 00

24、, , ,dqABCdqabci 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

25、轴电流除受控制量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()()acacrsssQPUEXXEE2acsacac

26、sacssPXEXParctgarctgQEXQEXE 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 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 VSMES变流器控制框图变流器控制框图 Pref指令指令 当当VSC的直流侧电压维持恒定时，的直流侧电压维持恒定时，在正确的脉宽调制技术控制下，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可以被看作是一个基波电压幅值和相位可控的三

27、相电压源。通过其输出的位可控的三相电压源。通过其输出的调制电压和调制电压和VSC电网侧电压共同作用电网侧电压共同作用于图中等效连接阻抗于图中等效连接阻抗Xs，产生相位和，产生相位和幅值可控的三相电流幅值可控的三相电流ia、ib和和ic，从，从而实现对而实现对VSC输入输出功率的准确控输入输出功率的准确控制。同时，由于制。同时，由于VSC输入输出功率将输入输出功率将导致其直流侧电容导致其直流侧电容Cdc两端电压的变两端电压的变化，因此需要通过对化，因此需要通过对DC/DC变换器的变换器的有效控制实现有效控制实现UC对对Udc恒定电压的补恒定电压的补偿控制偿控制 超级电容器储能系统主电路超级电容器

28、储能系统主电路 当对当对UC进行储能时，进行储能时， DC/DC变换器工作于降压模式，目的是将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从电网中吸收的能量储存在UC中，中，同时避免同时避免VSC直流侧母线电压直流侧母线电压Udc因输入功率所导致的电压上升，使因输入功率所导致的电压上升，使其维持恒定；当其维持恒定；当UC释能时，变换器释能时，变换器器工作于升压模式，目的是补偿因器工作于升压模式，目的是补偿因VSC向电网输出有功功率所导致的向电网输出有功功率所导致的直流母线电压直流母线电压Udc下降，使下降，使UC能够能够通过通过VSC向电网输送功率。当向电网输送功率。当VSC与系统之

29、间无功率交换时，与系统之间无功率交换时，UC通过通过降压或升压模式补偿降压或升压模式补偿VSC直流侧母直流侧母线电压线电压Udc因开关损耗引起的电压因开关损耗引起的电压变化。变化。 基于非隔离型基于非隔离型Buck-Boost电路的电路的DC/DC变换器变换器 UC储能系统的四象限功率跟踪仿真结果储能系统的四象限功率跟踪仿真结果 p35kJ/7.5kW高温超导高温超导SMES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

30、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）。 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

31、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-ABCIasIsbIdcLdIdc1Idc1Idc2Idc2Idc3Idc3Idc4Idc4YAC电源DTIscpSMES的变流器结构的变流器结构pSMES的控制系统的控制系统触发脉冲pSM外环控制器采样SMES磁体qSM电力系统v

32、、i内环控制器 SMES装置的控制框图装置的控制框图 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，从而控制SMES输出所需的有功和无功功率。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。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，得出号，经过相应的运算并采用选定的控制算法，得出 系系 统此时所需要的功

33、率调节量，并将此信号传递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。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。用有效的开关调制规则，产生变流装置的触发。 pSMES的控制系统的控制系统内环控制器内环控制器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TMS320F2407ADSPA/DCAN busTX/RXRS485保护电路ua, ub, uc, ia, ib, ic, udc, id

34、c, idc1, idc2, idc3, idc4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、内环控制器主要由信号调理、保护电路、DSPDSP和和微控制器微控制器（Micro Control UnitMicro Control Unit，简称，简称MCUMCU）等部分组成，采用以）等部分组成，采用以DSPDSP为核心的主从控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下通过开关调制方法产生实际所需的交流电流，从而

35、使流，从而使SMESSMES实际输入或输出的有功和无功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，以及在快速跟踪，以及在SMESSMES运行发生故障的情况下，运行发生故障的情况下，对主电路执行相应的保护控制。对主电路执行相应的保护控制。 - 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 Is

36、m_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 pSMES的控制系统的控制系统外环控制器外环控制器 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

37、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在外环控制器的作用下，能够在电力系统中灵活地投切。地投切。SMES和电力系统的交换功率控制则用于实现和电力系统的交换功率控制则用于实现SMES在电力系统中的在电力系统中的具体应用。具体应用。 pSMES的控制系统的控制系统外环控制器外环控制器pSMES的投入的投入 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环控制器在

38、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可在不影响电力系统稳态运行的情况下投入运行。运行。 pSMES的起磁的起磁 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

39、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。控制方式，通过调节最终使磁体电流维持在设定值。 pSMES的控制系统的控制系统外环控制器外环控制器pSMES的功率控制的功率控制 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，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

40、控制器在每次控制周期到来时，先执行按参考值的准备。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通信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通信接口发送给内环控制器接口发送给内环控制器。 pSMES的控制系统的控制系统外环控制器外环控制器pSMES的禁止功率交换控制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发送Pref和和Q Qref等于零的功率参考值，以使等于零的功率参考值，以使SMES

41、不再和系统交换功率，接着再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。并未释放，因此其剩余能量还可以被随后的操作所利用。 pSMES的控制系统的控制系统外环控制器外环控制器

42、pSMES的去磁控制的去磁控制 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器发送Pref和和Q Qref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，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

43、工作状态，内环控制器则导通各变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。释放磁体中储存的能量。 02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQSMES/kVarPSMES/kWSMES的磁体起磁过程的磁体起磁过程pSMES的起磁的起磁pSMES的起磁的起磁 19477 19508 19530 19570 19602 19633 19664 19698

44、19727 19758 19790 t/ms PSMES/kW 18815 18839 18864 18889 18914 18939 18964 18989 19014 19039 19064 t/ms 5225 5240 5256 5272 5288 5304 5320 5336 5352 5368 5384 t/ms Idc/A isa, isb, isc/A 起起磁磁过过程程中中 SMES 在在不不同同时时段段的的暂暂态态响响应应 usab,usbc,usca/V pSMES的去磁的去磁 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 180

45、00 20000 t/m s Idc/A PSM ES QSM ES SM ES的的 磁磁 体体 去去 磁磁 过过 程程 QSMES/kVar PSMES/kW pSMES的四象限功率调节的四象限功率调节02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQ Qref=0、Pref由由+3kW变换到变换到-3kW时时SMES的阶跃功率响应的阶跃功率响应QSMES/kVarPSMES/kWQ Qref=0、Pref由由+3kW变换到变换到-3Kw时时SMES的瞬时响应的瞬时响应t/msisa, isb, isc/Ausab,usbc,U

46、sca/VQSMES/kVarPSMES/kWpSMES的四象限功率调节的四象限功率调节20000t/msP Pref=0、Qref由由-3kVar变换到变换到3kVar时时SMES的阶跃功率响应的阶跃功率响应 Pref=0、Qref由由-3kVar变换到变换到3kVar时时SMES的瞬时响应的瞬时响应0200040006000800010000120001400016000 18000Idc/AQSMES/kVarPSMES/kWt/msPSMES/kWQSMES/kVarisa, isb, isc/Ausab,usbc,Usca/VpSMES的四象限功率调节的四象限功率调节02000400

47、060008000100001200014000160001800020000t/msisa, isb, isc/AIdc/APSMESQSMESP Pref, Qref四象限连续变换时四象限连续变换时SMES的功率响应的功率响应usab, usbc, usca/VPSMES/kWQSMES/kVarpSMES的四象限功率调节的四象限功率调节SMES对正阶跃有功和负阶跃无功指令的暂态响应对正阶跃有功和负阶跃无功指令的暂态响应SMES对正阶跃有功和无功指令的暂态响应对正阶跃有功和无功指令的暂态响应PSMESQSMESt/msisa, isb, isac/Ausab,usbc,usca/VPSME

48、SQSMESt/msusab,usbc,usca/Visa, isb, isac/ApSMES的四象限功率调节的四象限功率调节 4892 4954 5017 5079 5142 5204 5267 5329 5392 5454 5517 t/ms PSMES QSMES Q Qref=0、Pref每每 100ms 从从-1kW 变变换换至至 2.5kW 时时 SMES 的的功功率率响响应应 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 t/ms Idc/A Q Qref=0,Pref每每 100ms 从从-1kW 变变换换至

49、至 2.5kW 时时 SMES 磁磁体体电电流流的的动动态态响响应应 QSMES/kVar PSMES/kW p含含SMES电力系统传递函数框图电力系统传递函数框图 K2 + + Vt + Ke 1+sTe + Ef 1 K3+sTd0 K4 + Kq Kv Eq Kp K1 K6 K5 + + + + Pe 1 s 1 D+STj PSM ES 含含 SM ES 单单 机机 无无 穷穷 大大 系系 统统 传传 递递 函函 数数 框框 图图 01)(EEEsEeDKDjKTK KE E称为同步转矩系数，称为同步转矩系数，D DE E称为阻尼转矩系数称为阻尼转矩系数。 DPdtdTdtdej0代

50、入代入0)(020EEjKpDDpT002002, 1/2/4)/()/(jJEEETTKDDDD求解特征根求解特征根p无无SMES时的系统功率振荡机理分析时的系统功率振荡机理分析对特征根分析得如下结论对特征根分析得如下结论 当当 且且 时，系统稳定时，系统稳定 0EK0ED当当 且且 时，系统发生振荡失步时，系统发生振荡失步 0/40EEjDKT0EK当当 且且 时，系统发生等幅振荡时，系统发生等幅振荡 0EK0ED当当 且且 时，系统的状态不确定时，系统的状态不确定 0EK0ED当当 ，或者，或者 且且 ，或者，或者 且且 时，系统发生非振荡失步时，系统发生非振荡失步 0EK0ED0EK0

51、EK0/4EjEKTD 非 振 荡 失 稳 区 域 振荡失稳区域 非振荡失稳区域 DE KE 0 稳定区域 等幅振荡区域 不确定状态区域 0/4EjEKTD 单单机机无无穷穷大大系系统统电电磁磁转转矩矩变变化化量量及及其其稳稳定定区区域域示示意意图图 p无无SMES时的系统功率振荡机理分析时的系统功率振荡机理分析 将将 看作看作 坐标系中的复坐标系中的复转矩，转矩， 、 即为复转矩的横、纵坐标，即为复转矩的横、纵坐标，由上面分析可以看出，当系统发生功率由上面分析可以看出，当系统发生功率振荡时，复转矩应该位于第一象限或第振荡时，复转矩应该位于第一象限或第四象限靠近四象限靠近 轴部分，此时特征根实

52、部轴部分，此时特征根实部为绝对值较小得正数或负数，系统表现为绝对值较小得正数或负数，系统表现为缓慢衰减或增幅的功率振荡。为缓慢衰减或增幅的功率振荡。SMESSMES抑抑制功率振荡的目的就是把此复转矩调整制功率振荡的目的就是把此复转矩调整到第一象限中靠近到第一象限中靠近 轴的位置，这时轴的位置，这时特征根实部为绝对值较大的负数，振荡特征根实部为绝对值较大的负数，振荡可以被快速抑制，从而使系统恢复稳定。可以被快速抑制，从而使系统恢复稳定。eT0EKED0p有有SMES时的系统功率振荡机理分析时的系统功率振荡机理分析pSMES投入阻尼控制时的电磁转矩投入阻尼控制时的电磁转矩 SMESdfvffqSM

53、ESpeePsTKsTKKsTKKPKTT)(1 ()1 (03612第二项为第二项为SMES通过通过Kp提供的直接电磁转矩，第三项为提供的直接电磁转矩，第三项为SMES通过通过Kq和和Kv提提供的间接电磁转矩供的间接电磁转矩。p有有SMES时的系统功率振荡机理分析时的系统功率振荡机理分析01036212212123)1)()(1 ()1 ()11(ssdsfvesfqcsscpsscpejTjTKjTKKjTKKKTKKjTTKKTp取发电机的转速变化量取发电机的转速变化量 作为作为SMES阻尼控制的输入阻尼控制的输入, SMES的功率调的功率调节特性可用一阶惯性环节节特性可用一阶惯性环节

54、表示表示,外环控制器采用比例控制环节外环控制器采用比例控制环节 作作为阻尼控制器为阻尼控制器 0sT111cK 当忽略由当忽略由SMES提供的间接电磁转矩，提供的间接电磁转矩，SMES对低频振荡的阻尼作用相对低频振荡的阻尼作用相当于在原来的转矩上叠加了一个第一象限的转矩，从而表现出当于在原来的转矩上叠加了一个第一象限的转矩，从而表现出SMES对功率对功率振荡的阻尼作用。振荡的阻尼作用。 系统发生低频振荡时，由于低频振荡的振荡频率在系统发生低频振荡时，由于低频振荡的振荡频率在0.22.5Hz之间，使之间，使得得s的变化范围大概在的变化范围大概在1.2615.7之间，且这么大的之间，且这么大的s变

55、化范围将会造成间变化范围将会造成间接电磁转矩的不确定性。因此，在不忽略接电磁转矩的不确定性。因此，在不忽略SMES提供的间接电磁转矩，将很提供的间接电磁转矩，将很难从理论上证明难从理论上证明SMES对低频振荡的抑制作用。对低频振荡的抑制作用。 p有有SMES时的系统功率振荡机理分析时的系统功率振荡机理分析 SMES的作用相当于向系统提供了一个起旋转作用的转矩，当系统参数的作用相当于向系统提供了一个起旋转作用的转矩，当系统参数确定时，可通过调整控制器的参数，使旋转的角度略小于确定时，可通过调整控制器的参数，使旋转的角度略小于90。当系统发。当系统发生功率振荡时，通过阻尼控制可以把原来在一、四象限

56、接近生功率振荡时，通过阻尼控制可以把原来在一、四象限接近 轴的电磁轴的电磁转矩调整到转矩调整到0 轴附近，从而可以达到很好的抑制功率振荡的效果。而系轴附近，从而可以达到很好的抑制功率振荡的效果。而系统没有发生振荡时，则可以将阻尼控制封锁，以免将原来处于第一象限的统没有发生振荡时，则可以将阻尼控制封锁，以免将原来处于第一象限的电磁转矩拉到了别的象限，使原来稳定的系统失去稳定。电磁转矩拉到了别的象限，使原来稳定的系统失去稳定。p选用选用SMES并联于系统处的且测量上容易实现的有功变化量并联于系统处的且测量上容易实现的有功变化量 作为作为SMES阻尼控制的输入阻尼控制的输入 eeePPP0)()1)

57、()(1 ()1 (11103614sssdsfvfsfqpeejGjTjTKjTKKjTKKKTTG(js)为为SMES阻尼控制器的传递函数阻尼控制器的传递函数 pSMES的阻尼功率振荡控制器的阻尼功率振荡控制器 SMES抑抑制制功功率率振振荡荡的的阻阻尼尼控控制制框框图图 + - 测量 Pe0 电力 系统 Pref-max Pref-min 死区 Pe Pe PSMES-max PSMES-min PI调节器 Pr PSMES 阻尼控制器 SMES变流器 )()()()()()()()()()()()(cmcmcecebmbmbebeamamaeaeeiIuIiRuRiIuIiRuRiIu

58、IiRuRP )11 (sTKip ， ) 1()()1 () 1()(keKkeTTKkukupisp数字式数字式PI调节器调节器15. 1pK3 . 0iTsTs04. 0死区大小设计为死区大小设计为Pe0最大值最大值的的12%控制器主要参数控制器主要参数限幅大小设计为限幅大小设计为Pe0最大值和最大值和SMES有功调节最大值之间的最小值有功调节最大值之间的最小值 p动模实验系统动模实验系统SMESSMES动模实验一次接线方式动模实验一次接线方式GZL1=5.2ZL2=16.8TA01QF53QF13DX35kJ/6.5kW电流型高温超导SMESK5TU电流信号电压信号DT220/110V

59、10kVAT1230/800V6kVAT2800/380V100kVAY01#G21W54QF5kVA实验电力系统模型的建立采用了一台实验电力系统模型的建立采用了一台25MW的发电机组经变压器升压后通的发电机组经变压器升压后通过单回过单回110kV输电线与无穷大系统相连的电力系统作为参考原型。输电线与无穷大系统相连的电力系统作为参考原型。p实验结果实验结果未使用未使用SMESSMES时时, ,系统对故障的响应特性系统对故障的响应特性 ( (短路时间短路时间390ms)390ms)使用使用SMESSMES时时, ,系统对故障的响应特性系统对故障的响应特性( (短路时间短路时间320ms)320m

60、s)SMESSMES对发电机三相短路故障的功率调节作用（对发电机三相短路故障的功率调节作用（Pe=3.5kW=3.5kW）机端电压A相B相C相机端电流A相B相C相机端有功功率机端电压A相B相C相机端电流A相B相C相机端有功功率p实验结果实验结果PSMES（kW）QSMES（kVar）Idc（A)SMESSMES对发电机三相短路故障的响应特性对发电机三相短路故障的响应特性( (Pe=3.5kW =3.5kW 、短路时间、短路时间320ms)320ms)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msp实验结果实验结果使用使用SMESSMES时