超导技术及应用储能技术综述

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。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传统电力系统的特点发电〔稳定、可控〕输配电用电〔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－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：被动致稳水电核电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：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发电〔随机〕输配电〔规模大，特性复杂〕用电〔随机〕水电核电风电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？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→在高比例风电条件下如何保证电力系统的平安运行建设大基地，融入大电网？大规模储能：抽水蓄能：核电平安，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－输－用〞→“发－输－用－储〞火电水电核电风电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能储能方式，主要可分为：机械储能、化学储能和电磁储能等。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、氧化复原液流电池、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。负荷顶峰时，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－抽水蓄能机械储能－抽水蓄能机械储能－飞轮储能FlywheelEnergyStorage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，电力转换器和真空平安罩组成。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、别离发电，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。2021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，-40℃～50℃；价格低廉；制造维护本钱低；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19870.50.5Prepa波多黎各19941420Vernon美国加州19954.53Herne-Sodingen德国Late1990s1.21.2化学储能－铅酸电池化学储能－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。液流电池或称氧化复原液流电池，是正负极活性物质均为液态流体氧化复原电对的一种电池。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根底上开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，国里外开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，具备到达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，充放电循环次数到达十万次以上，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，目前开展十分迅速。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电源结构、提高电网的平安、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平安稳定运行的需要。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，但从长远开展看，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10~20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。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100~2000MW4~10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10~300MW1~20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5Kw~10MW1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10Kw~50MW2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1~10MW1~10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10kW~1MW1~30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kW~50MW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5kW~100MW1~20小时寿命长，可深放，是与组合，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100kW~100MW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kW~MW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、UPS2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。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－功率调节系统拓扑结构

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。如下图，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局部组成。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0.1～0.2Pa，通过制冷机的冷却，磁体外表温度以及电流引线温度保持在19K～21K。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<20K>120A自感系数7.8HSMES的概述－装置结构SMES的磁体系统日本住友公司研制的超导磁体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10-1Pa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1MWhSMES。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1～5MJ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动模实验研究的根底上，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。

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，并方案完成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，同时该校还准备方案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M∈[－1,1]、初始相位滞后变流器各输入相电压相位α＋30°的三相正弦信号sma、smb和smc

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wc

1-1smasmbsmcwcCSMES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1smasmbwcHxaHLx’aHLxbHLx’bHLxcHx’cLHp1HLp2HLp3HLp4HLp5HLp6Hp7t/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/sLLLp1－p7调制脉冲的产生smc-1CSMES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usa相同的锯齿波信号wt

Wt/deg.27018090010050-50-1000usa/V360CSMES功率控制－PWM开关策略触发模式选择器工作原理6543210t/smod-300-2001002003000α,ε/deg.αε-100t/swt/deg.270180900t/s10050-50-1000usa/Vt/sα改变时的触发模式信号360触发模式选择器ε=wt-α

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Xk(t)、分别为xa和xb第次谐波分量的幅值

、分别为xa和xb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n2为3的整数倍或n1+n2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CSMES功率控制－CSMES输出功率

CSMES输出功率控制框图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1fc＝2100Hz，Idc＝80A时，α和M在t=0.08s处由α=0°、M=0.5改变为α=120°、M=0.5，在t=0.12s时M改变为0.7SMES的功率控制—SMES的功率实时控制仿真结果2fc＝2100Hz，Idc＝80A时，SMES的功率响应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那么，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αβ0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αβ0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urd和urq的影响外，还受耦合电压wLid和wLiq、以及变流器交流侧输入电压usd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控制的根本思想是：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有d轴分量，而不含q轴分量，那么可以实现装置的单位功率因数特性。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下图，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

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S5

S3

S1

S6

S4

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超导磁体

D1

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L

L

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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&IqrCalculate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/电流双环控制局部。

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Udc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

335kJ/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10-1Pa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0.1~0.2Pa，通过制冷机的冷却，磁体外表温度以及电流引线温度保持在19K~21K。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SCR1SCR2SCR3SCR4R1R2R3R4SCRS11S14S24S21S34S31S44S41S16S13S12S15S26S23S22S25S36S33S32S35S46S43S42S45LaLaLaLaLaLaLaLaCfCfCfCfDC+DC-ABCIasIsbIdcLdIdc1Idc1Idc2Idc2Idc3Idc3Idc4Idc4Y△AC电源DTIscSMES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pSM外环控制器采样SMES磁体qSM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那么，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TMS320F2407ADSPA/DCANbusTX/RXRS485保护电路ua,ub,uc,ia,ib,ic,udc,idc,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内环控制器主要由信号调理、保护电路、DSP和微控制器〔MicroControlUnit，简称MCU〕等局部组成，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那么用于实现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，而内环控制器那么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及其功率调节特性—SMES装置

SMES的控制系统－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。

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，然后返回到外环控制器的上电或复位初始工作状态，内环控制器那么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。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQSMES/kVarPSMES/kWSMES的磁体起磁过程SMES的起磁35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的起磁35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的去磁35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的四象限功率调节02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQref=0、Pref由+3kW变换到-3kW时SMES的阶跃功率响应QSMES/kVarPSMES/kWQref=0、Pref由+3kW变换到-3Kw时SMES的瞬时响应t/msisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/VQSMES/kVarPSMES/kW35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的四象限功率调节20000t/msPref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的阶跃功率响应Pref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的瞬时响应020004000600080001000012000140001600018000Idc/AQSMES/kVarPSMES/kWt/msPSMES/kWQSMES/kVarisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/V35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的四象限功率调节02000400060008000100001200014000160001800020000t/msisa,isb,isc/AIdc/APSMESQSMESPref,Qref四象限连续变换时SMES的功率响应usab,usbc,usca/VPSMES/kWQSMES/kVar35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES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SMES对正阶跃有功和无功指令的暂态响应PSMESQSMESt/msisa,isb,isac/Ausab,usbc,usca/VPSMESQSMESt/msusab,usbc,usca/Visa,isb,isac/A35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性SMES的四象限功率调节4SMES在电力系统应用的仿真及试验研究SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理含SMES电力系统传递函数框图SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理KE称为同步转矩系数，DE称为阻尼转矩系数。

代入求解特征根无SMES时的系统功率振荡机理分析对特征根分析得如下结论

当且时，系统稳定

当且时，系统发生振荡失步

当且时，系统发生等幅振荡

当且时，系统的状态不确定

当，或者且，或者且时，系统发生非振荡失步

SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理无SMES时的系统功率振荡机理分析将看作坐标系中的复转矩，、即为复转矩的横、纵坐标，由上面分析可以看出，当系统发生功率振荡时，复转矩应该位于第一象限或第四象限靠近轴部分，此时特征根实部为绝对值较小得正数或负数，系统表现为缓慢衰减或增幅的功率振荡。SMES抑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轴的位置，这时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。SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理有SMES时的系统功率振荡机理分析SMES投入阻尼控制时的电磁转矩

第二项为SMES通过Kp提供的直接电磁转矩，第三项为SMES通过Kq和Kv提供的间接电磁转矩。SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理有SMES时的系统功率振荡机理分析取发电机的转速变化量作为SMES阻尼控制的输入,

SMES的功率调节特性可用一阶惯性环节表示,外环控制器采用比例控制环节作为阻尼控制器当忽略由SMES提供的间接电磁转矩，SMES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SMES对功率振荡的阻尼作用。系统发生低频振荡时，由于低频振荡的振荡频率在0.2~2.5Hz之间，使得ωs的变化范围大概在1.26~15.7之间，且这么大的ωs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SMES提供的间接电磁转矩，将很难从理论上证明SMES对低频振荡的抑制作用。SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理有SMES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°。当系统发生功率振荡时，通过阻尼控制可以把原来在一、四象限接近△δ轴的电磁转矩调整到ω0△ω轴附近，从而可以到达很好的抑制功率振荡的效果。而系统没有发生振荡时，那么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。选用SMES并联于系统处的且测量上容易实现的有功变化量作为SMES阻尼控制的输入

G(jωs)为SMES阻尼控制器的传递函数

SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—抑制功率振荡的机理SMES的阻尼功率振荡控制器

，

数字式PI调节器死区大小设计为Pe0最大值的±1~±2%控制器主要参数限幅大小设计为Pe0最大值和SMES有功调节最大值之间的最小值

SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究动模实验系统SMES动模实验一次接线方式GZL1=5.2ΩZL2=16.8ΩTA01QF53QF13DX35kJ/6.5kW电流型高温超导SMESK5TU电流信号电压信号DT220/110V10kVAT1230/800V6kVAT2800/380V100kVAYΔ01#G21W54QF5kVA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。SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究实验结果未使用SMES时,系统对故障的响应特性(短路时间390ms)使用SMES时,系统对故障的响应特性(短路时间320ms)SMES对发电机三相短路故障的功率调节作用〔Pe=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SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究实验结果PSMES〔kW〕QSMES〔kVar〕Idc〔A)SMES对发电机三相短路故障的响应特性(Pe=3.5kW、短路时间320ms)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msSMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究实验结果使用SMES时,系统对故障的响应特性(短路时间360ms)SMES对发电机三相短路故障的功率调节作用（Pe=4.0kW）未使用SMES时,系统对故障的响应特性(短路时间380ms)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SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究