儲(chǔ)能技術(shù)綜述專題培訓(xùn)課件

儲(chǔ)能裝置快速的功率調(diào)節(jié)能力使其突破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴?yán)^電保護(hù)和自動(dòng)裝置的被動(dòng)致穩(wěn)框架，徹底改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中缺乏快速補(bǔ)償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動(dòng)致穩(wěn)新思想。

在目前所提出的各種超導(dǎo)電力裝置中，儲(chǔ)能裝置具有較大的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展儲(chǔ)能裝置的研制工作對(duì)各國電力事業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義，而且也是各國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)備用容量調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的過負(fù)荷沖擊提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性靜止無功補(bǔ)償改善電能品質(zhì)分布式電源和可再生能源的功率平滑裝置到目前為止，人們已經(jīng)探索和開發(fā)了多種形式的電能儲(chǔ)能方式，主要可分為：機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能等。主要儲(chǔ)能技術(shù)機(jī)械儲(chǔ)能：抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能化學(xué)儲(chǔ)能：鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、鋰離子電池電磁儲(chǔ)能：超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能主要儲(chǔ)能技術(shù)機(jī)械儲(chǔ)能－抽水蓄能廣泛采用的大規(guī)模、集中式儲(chǔ)能手段。利用自然界里數(shù)量最大的液體－水的勢能進(jìn)行儲(chǔ)能。需要配備上、下游兩個(gè)水庫。在負(fù)荷低谷時(shí)段，抽水蓄能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。

負(fù)荷高峰時(shí)，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的發(fā)電。一些高壩水電站具有儲(chǔ)水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進(jìn)行電力調(diào)度。機(jī)械儲(chǔ)能－抽水蓄能發(fā)展現(xiàn)狀：19世紀(jì)90年代于意大利和瑞士得到應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全世界共有超過90GW的抽水蓄能機(jī)組投入運(yùn)行。

日、美、西歐等國20世紀(jì)60～70年代出現(xiàn)抽水蓄能電站的建設(shè)高峰。其中日本是世界上機(jī)組水平最高的國家，在技術(shù)方面引領(lǐng)世界潮流。我國上世紀(jì)90年代開始發(fā)展，有廣州抽水蓄能1期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能電站。資料統(tǒng)計(jì)，已裝機(jī)5.7GW，占全國裝機(jī)容量的1.8%。機(jī)械儲(chǔ)能－抽水蓄能優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫庫容限制。缺點(diǎn)：建造受地理?xiàng)l件限制，需合適落差的高低水庫，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心；抽水和發(fā)電中有相當(dāng)數(shù)量的能量被損失，儲(chǔ)能密度較差；建設(shè)周期長，投資大；機(jī)械儲(chǔ)能－飛輪儲(chǔ)能FlywheelEnergyStorage將能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。由高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料的轉(zhuǎn)子、高速軸承、雙饋電機(jī)，電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩組成。電能驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能變飛輪動(dòng)能儲(chǔ)存，需要時(shí)，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪的加速和減速實(shí)現(xiàn)了充電和放電。機(jī)械儲(chǔ)能－飛輪儲(chǔ)能特點(diǎn)：儲(chǔ)能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無污染、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前用于調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電，太陽能儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、UPS、低軌道衛(wèi)星、電磁炮、魚雷。國內(nèi)相關(guān)單位：清華大學(xué)工程物理系飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室、華科大、華北電大、中科院電工所。2009年8月5日，國內(nèi)最先進(jìn)和可靠的兩臺(tái)250kVA移動(dòng)式飛輪發(fā)電車落戶北京電力公司，執(zhí)行供電保障和應(yīng)急供電任務(wù)。機(jī)械儲(chǔ)能－壓縮空氣儲(chǔ)能上世紀(jì)50年代提出，目的是削峰填谷。兩個(gè)循環(huán)構(gòu)成其儲(chǔ)能過程：一是充氣壓縮循環(huán)；二是排氣膨脹循環(huán)。壓縮時(shí)，雙饋電機(jī)做電動(dòng)機(jī)工作，利用谷荷時(shí)的多余電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將高壓空氣壓入地下儲(chǔ)氣洞；峰荷時(shí)，雙饋電機(jī)做發(fā)電機(jī)工作，儲(chǔ)存壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱，再使用燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，進(jìn)入膨脹系統(tǒng)中做工（如驅(qū)動(dòng)燃汽輪機(jī)）發(fā)電。德國、美國、日本和以色列建成過示范性電站。化學(xué)儲(chǔ)能－鉛酸電池它是以二氧化碳和海綿狀金屬鉛分別為正、負(fù)極活性物質(zhì)，硫酸溶液為電解質(zhì)的一種蓄電池，距今140年歷史。

優(yōu)點(diǎn)：

自放電小，25℃下自放電率小于2%/月；結(jié)構(gòu)緊湊，密封好，抗振動(dòng)，大電流性能好；工作溫度范圍寬，-40℃～50℃；價(jià)格低廉；制造維護(hù)成本低；無記憶效應(yīng)（淺循環(huán)工作時(shí)容量損失）。目前，世界各地已建立了許多基于鉛酸電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如：德國柏林BEWAG的8.8MW/8.5MWh的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于調(diào)峰和調(diào)頻。化學(xué)儲(chǔ)能－鉛酸電池工程地點(diǎn)建設(shè)時(shí)間額定容量(MWh)額定功率(MW)Crescent美國加州19870.50.5Prepa波多黎各19941420Vernon美國加州19954.53Herne-Sodingen德國Late1990s1.21.2化學(xué)儲(chǔ)能－鉛酸電池中國加入WTO后，由于看好中國蓄電池市場巨大潛力以及發(fā)達(dá)國家對(duì)蓄電池行業(yè)的限制政策，越來越多國外大型電池制造商選擇在中國建廠和生產(chǎn)，目前我國鉛酸電池產(chǎn)量占世界的1/3，生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)與國際先進(jìn)說平差距不明顯。保定風(fēng)帆、哈爾濱光宇，江蘇雙登、湖北駱駝等，都是主要電池制造企業(yè)。

化學(xué)儲(chǔ)能－鈉流電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池鈉流電池是一種新型蓄電池。采用熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)，其中，負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽。液流電池或稱氧化還原液流電池，是正負(fù)極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對(duì)的一種電池。最早由美國航空航天局（NASA）資助設(shè)計(jì)，1974年申請(qǐng)了專利。目前主流是全釩電池群雄并起，鐵鉻電池陷于停頓、多硫化鈉/溴電池剛剛興起。鈉/氯化鎳電池是一種在鈉流電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型儲(chǔ)能電池，具有較高的能量密度和功率密度，具備可過充電、無自放電，運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)勢?；瘜W(xué)儲(chǔ)能－鋰離子電池優(yōu)勢是儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長等。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展，隨著制造技術(shù)和制造成本的不斷降低，將鋰離子電池用于儲(chǔ)能非常具有應(yīng)用前景。目前，單體電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命已經(jīng)超過1000次，僅從電池單體的角度來看，鋰離子電池的比能量和循環(huán)壽命已基本滿足儲(chǔ)能應(yīng)用需求，但在鋰離子電池組應(yīng)用時(shí)，循環(huán)壽命只有400～600次，甚至更低，嚴(yán)重制約了鋰離子電池儲(chǔ)能應(yīng)用。鋰離子電池在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面，美國走在前面。2009年的儲(chǔ)能項(xiàng)目研究規(guī)劃中，擬開展鋰離子電池用于分布式儲(chǔ)能的研究和開發(fā)。電磁儲(chǔ)能－超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）單元是由一個(gè)置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)想念，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對(duì)儲(chǔ)能線圈進(jìn)行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲(chǔ)能線圈和與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器；另一種是電壓源型變流器。電磁儲(chǔ)能－超級(jí)電容器儲(chǔ)能超級(jí)電容器（SC）是近幾十年來，國里外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)能電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達(dá)到法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到十萬次以上，且不用維護(hù)；與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對(duì)環(huán)境無污染。綜上，SC是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的總是，目前發(fā)展十分迅速。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)各種儲(chǔ)能技術(shù)在其能量密度和功率密度方面均有不同的表現(xiàn)，而同時(shí)電力系統(tǒng)也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同應(yīng)用提出了不同的技術(shù)要求，很少有一種出儲(chǔ)能技術(shù)可以完全勝任電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用，因此，必須兼顧雙方需求，選擇匹配的儲(chǔ)能方式與電力應(yīng)用。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源接入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合，而超導(dǎo)、飛輪及超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)抽水蓄能電站在電網(wǎng)中可承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種任務(wù)，抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、提高電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、促進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能降耗、改善電能質(zhì)量和供電可靠性等具有不可替代的作用。特別是隨著大核電、大水電和大風(fēng)電的建設(shè)，抽水蓄能電站的作用日趨明顯。而當(dāng)前我國的抽水蓄能電站裝機(jī)容量比重相對(duì)較低，遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)鉛酸電池盡管目前仍是世界上產(chǎn)量和用量最大的一種蓄電池，但從長遠(yuǎn)發(fā)展看，他尚不能滿足今后電力系統(tǒng)大規(guī)模高效儲(chǔ)能的要求，而鈉硫電池具有的一系列特點(diǎn)是他們成為未來大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的兩種方式，特別是液流電池，它有望在未來的10~20年內(nèi)逐步取代鉛酸電池。而鋰電池在電動(dòng)汽車的推動(dòng)下也有望成為后起之秀。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)儲(chǔ)能類型典型額定功率額定容量特點(diǎn)應(yīng)用場合機(jī)械儲(chǔ)能抽水儲(chǔ)能100~2000MW4~10小時(shí)適用于大規(guī)模，技術(shù)成熟。響應(yīng)慢，需要地理資源日負(fù)荷調(diào)節(jié)，頻率控制和系統(tǒng)備用壓縮空氣10~300MW1~20小時(shí)適用于大規(guī)模。響應(yīng)慢，需要地理資源。調(diào)峰、調(diào)頻、系統(tǒng)備用、風(fēng)電儲(chǔ)備飛輪儲(chǔ)能5Kw~10MW1秒~30分鐘比功率較大。成本高，噪音大。調(diào)峰、頻率控制、UPS和電能質(zhì)量電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能10Kw~50MW2秒~5分響應(yīng)快，比功率高。成本高，維護(hù)困難。輸配電穩(wěn)定、抑制振蕩高能電容1~10MW1~10秒響應(yīng)快，比功率高。比能量低。輸電系統(tǒng)穩(wěn)定、電能質(zhì)量控制超級(jí)電容10kW~1MW1~30秒響應(yīng)快，比功率高。成本高、出能量低?？蓱?yīng)用于定制電力及FACTS各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)儲(chǔ)能類型典型額定功率額定容量特點(diǎn)應(yīng)用場合電化學(xué)儲(chǔ)能鉛酸電池kW~50MW分鐘~小時(shí)技術(shù)成熟，成本低。壽命短，環(huán)保問題。電能質(zhì)量、電站備用、黑啟動(dòng)液流電池5kW~100MW1~20小時(shí)壽命長，可深放，適于組合，效率高，環(huán)保性好。但能量密度稍低電能質(zhì)量、備用電源、調(diào)峰填谷、能量管理、可再生儲(chǔ)能、EPS鈉硫電池100kW~100MW數(shù)小時(shí)比能量和比功率較高。高溫條件、運(yùn)行安全問題有待改進(jìn)。電能質(zhì)量、備用電源、調(diào)峰填谷、能量管理、可再生儲(chǔ)能、EPS鋰電池kW~MW分鐘~小時(shí)比能量高。成組壽命、安全問題有待改進(jìn)。電能質(zhì)量、備用電源、UPS超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用1超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言超導(dǎo)體（superconductor）超導(dǎo)體是指當(dāng)某種導(dǎo)體在一定溫度下，可使電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性，也稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。1.1超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言荷蘭物理學(xué)家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

低溫物理學(xué)家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象象1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

1908年7月10日,卡末林-昂納斯和他的同事在精心準(zhǔn)備之后，集體攻關(guān)，終于使氦液化。這次卡末林-昂納斯共獲得了60cc的液氦，達(dá)到了4.3K的低溫。他們又經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，第二年達(dá)到1.38-1.04K。它標(biāo)志著所有物質(zhì)都可以存在于氣液固狀態(tài)?！坝谰脷怏w”氦氣液化成功1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.1超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.1超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

低溫冷卻介質(zhì)地成功獲取，使昂納斯研究各種金屬導(dǎo)體在低溫狀態(tài)下特性成為了可能。昂納斯試著利用液態(tài)氦對(duì)汞進(jìn)行冷卻，終于使汞的溫度冷卻到接近絕對(duì)零度。當(dāng)他將電流通過汞線，測量汞線的電阻隨溫度變化時(shí)，一個(gè)奇異的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，電阻突然消失了。1911年12月28日昂納斯宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。

4.004.204.400.1500.1000.0500.000***：臨界溫度4.20K附近汞的電阻突降為零在1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.1超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

不久，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)了其他幾種金屬也可進(jìn)入“超導(dǎo)態(tài)”，如錫和鉛。其中，錫的轉(zhuǎn)變溫度為3.8K，鉛的轉(zhuǎn)變溫度為6K。由于這兩種金屬的易加工特性，就可以在無電阻狀態(tài)下進(jìn)行種種電子學(xué)試驗(yàn)。此后，人們對(duì)金屬元素進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈹、鈦、鋅、鎵、鋯、鋁、锘等24種元素以及是超導(dǎo)體。從此，超導(dǎo)體的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性

零電阻

邁斯納效應(yīng)

臨界磁場

臨界電流

臨界溫度1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)必須具備一定的條件，如溫度、磁場、電流都必須足夠的低。超導(dǎo)態(tài)的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，三者密切相關(guān)，相互制約。

臨界溫度(T℃)臨界溫度(Tc):超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟取?.2超導(dǎo)物理特性1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)電性超導(dǎo)體內(nèi)部電流永遠(yuǎn)不會(huì)消失昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以后，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量低溫下電阻是否完全消失。昂尼斯把一個(gè)鉛制圓圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁鐵，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使鉛冷卻成為超導(dǎo)體，最后把瓶外的磁鐵突然撤除，鉛圈內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流并且此電流將持續(xù)流動(dòng)下去，這就是昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)。許多人都重復(fù)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中電流持續(xù)時(shí)間最長的一次是從１９５４年３月１６日到１９５６年９月５日，而且在這兩年半時(shí)間內(nèi)持續(xù)電流沒有減弱的跡象，液氦的供應(yīng)中斷實(shí)驗(yàn)才停止。持續(xù)電流說明超導(dǎo)體的電阻可以認(rèn)為是零。1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性超導(dǎo)體零電阻觀察與測量：一超導(dǎo)環(huán)置一磁場中，然后冷卻使之轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)，快速撤去磁場。產(chǎn)生感應(yīng)電流。T>Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場

(b)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(c)突然撤去外電場，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流

1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性邁斯納效應(yīng)

邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納研究超導(dǎo)態(tài)的磁性時(shí)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通量將全部被排出超導(dǎo)體外部，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性邁斯納效應(yīng)德國物理學(xué)家邁納斯1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.2超導(dǎo)物理特性邁斯納效應(yīng)觀察邁斯納效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)

在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)體的完全抗磁性會(huì)產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象，磁懸浮現(xiàn)象在工程技術(shù)中有許多重要的應(yīng)用，如用來制造磁懸浮列車和超導(dǎo)無摩擦軸承等。

1.2超導(dǎo)物理特性1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言為了尋找較高臨界溫度的超導(dǎo)材料，在50年代早期，科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向了合金和化合物。1952年，發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17K的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18K的鈮錫合金。1960年，昆茲勒發(fā)現(xiàn)了鈮錫合金在8.8萬高斯磁場中仍具有超導(dǎo)性。它正是第Ⅱ類超導(dǎo)體。以后，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了若干鈮系列合金超導(dǎo)體。1973年，發(fā)現(xiàn)了鈮鍺合金，其臨界溫度可達(dá)23.2K，這一發(fā)現(xiàn)又激起了科學(xué)家們尋找高溫超導(dǎo)體的熱情。第Ⅱ類超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)后，美國和英國的一些公司又花了近10年時(shí)間開發(fā)可靠的超導(dǎo)產(chǎn)品。之后，人們進(jìn)入了在多元素化體系中尋找高臨界溫度超導(dǎo)體的競賽。1.5超導(dǎo)材料超導(dǎo)特性發(fā)現(xiàn)于1911年：4.2K

臨界溫度提高很慢：75年后達(dá)23.2K.

1988年：110K（2年：100度）

1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.5超導(dǎo)材料著名高溫超導(dǎo)物理學(xué)家1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言1.5超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)1986年4月，正當(dāng)提高金屬、合金有機(jī)材料的臨界溫度都遇到困難的時(shí)候，瑞士學(xué)者繆勒和西德學(xué)者柏努茲發(fā)現(xiàn)多相氧化物或稱為陶瓷材料超導(dǎo)，激起人們對(duì)新陶瓷材料的高度熱情，在不到一年時(shí)間內(nèi)，中國、日本，美國等競相努力，使陶瓷超導(dǎo)體的臨界溫度提高到300K以上。1987年初，中國的趙忠賢獲得SrLaCuO的超導(dǎo)臨界溫度為48.6K。

2超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)概述SMES的概述

SMES快速的功率調(diào)節(jié)能力使其突破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴?yán)^電保護(hù)和自動(dòng)裝置的被動(dòng)致穩(wěn)框架，徹底改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中缺乏快速補(bǔ)償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動(dòng)致穩(wěn)新思想。在目前所提出的各種超導(dǎo)電力裝置中，SMES具有較大的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展SMES的研制工作對(duì)各國電力事業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義，而且也是各國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

SMES的概述—在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)備用容量調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的過負(fù)荷沖擊提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性靜止無功補(bǔ)償改善電能品質(zhì)分散電源的功率平滑裝置SMES的概述—在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不同規(guī)模的SMES應(yīng)用場合有所不同，一般中、大型SMES可用于10kV以上電壓等級(jí)的發(fā)電廠、變電站等適合SMES安裝的一切地點(diǎn)。SMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)右圖是SMES裝置的具體結(jié)構(gòu)原理圖，該結(jié)構(gòu)是由美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室首先提出來的。如圖所示，SMES裝置一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、功率變換裝置、失超保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)幾個(gè)主要部分組成。SMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置左圖中，SMES各組成設(shè)備從左至右依次為SMES的監(jiān)測控制系統(tǒng)、SMES用于功率調(diào)節(jié)的電流型變流器、提供超導(dǎo)運(yùn)行環(huán)境的低溫制冷系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)磁體。SMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)磁體SMES的磁體系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，低溫系統(tǒng)的杜瓦真空可保持在0.1～0.2Pa，通過制冷機(jī)的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K～21K。SMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)SMES的磁體系統(tǒng)

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES的磁體磁體參數(shù)名目參數(shù)名目參數(shù)儲(chǔ)能量磁體35kJ結(jié)構(gòu)雙餅單螺管額定輸出功率7.5kW導(dǎo)體材料Bi2223/Ag額定工作電流100A磁體內(nèi)徑150mm中心最大場強(qiáng)3.2T磁體外徑270mm工作溫度20K磁體高度352mm臨界電流<20K>120A自感系數(shù)7.8HSMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)SMES的制冷系統(tǒng)低溫系統(tǒng)使用直筒立式真空杜瓦結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體籠罩于真空杜瓦內(nèi)部。杜瓦內(nèi)部的超導(dǎo)磁體外圍安裝輻射屏，其內(nèi)部保持高真空環(huán)境（真空度達(dá)10-1Pa數(shù)量級(jí)）。采用制冷機(jī)直接傳導(dǎo)冷卻或低溫液氮/液氦浸泡工作方式提供低溫環(huán)境。SMES的概述－裝置結(jié)構(gòu)SMES的低溫容器SMES低溫容器結(jié)構(gòu)圖

SMES的概述—國外研究現(xiàn)狀

1983年利用30MJ/10MW的SMES裝置在美國西海岸兩條并聯(lián)的500kV高壓輸電線路上，進(jìn)行了抑制0.35Hz的低頻振蕩試驗(yàn)。九十年代初，美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室研制了一臺(tái)用于演示儲(chǔ)能調(diào)峰的1MWhSMES。2000年美國威斯康星北部的115kV電網(wǎng)中配置了分布式SMES用以提高局域系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前美國超導(dǎo)公司和IGC公司所開發(fā)的1～5MJ的微型和小型SMES已經(jīng)開始進(jìn)入市場，該公司宣稱已可以接受100kJ級(jí)的高溫超導(dǎo)SMES的訂貨。美國日本

先后研制了多個(gè)kJ級(jí)和MJ級(jí)的SMES。在完成SMES動(dòng)模實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，正在電力系統(tǒng)上開展了MJ級(jí)SMES的試驗(yàn)研究。SMES的概述—國外研究現(xiàn)狀德國

1997年建造完成了一個(gè)由6個(gè)超導(dǎo)線圈組成的2MJ的環(huán)形SMES裝置。現(xiàn)正在進(jìn)行150kJ的高溫超導(dǎo)SMES的研究工作。SMES的概述—國外研究現(xiàn)狀韓國開發(fā)了1MJ的SMES用于提高供電品質(zhì)。芬蘭

芬蘭Tampere大學(xué)和美國超導(dǎo)公司合作研制了5kJ的高溫超導(dǎo)SMES，并已在不間斷電源中試驗(yàn)過。俄羅斯

九十年代以來，還建成了12MJSMES，并進(jìn)行了儲(chǔ)能100MJ/電感8H/電流5kA/最強(qiáng)磁場5.4T的SMES設(shè)計(jì)，并正在研制建造100MJ級(jí)SMES。

SMES的概述—國內(nèi)研究現(xiàn)狀1999年中科院電工所研制了一臺(tái)300A/220V，25kJ的

SMES試驗(yàn)裝置。在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程支持下，電工所目前正在開展超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制工作，并計(jì)劃完成

2.5MJ/1MW超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制工作，但前還沒有看到相關(guān)報(bào)道。清華大學(xué)進(jìn)行了20kJ/15kW超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的研制工作，但未見相關(guān)電力系統(tǒng)應(yīng)用動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道，同時(shí)該校還準(zhǔn)備計(jì)劃在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心安裝基于500kJ的SMES作為應(yīng)急備用電源儲(chǔ)能設(shè)備。3超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)的功率控制SMES的功率控制問題

用于電力系統(tǒng)的SMES的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不外乎兩大類。一類是電流源型SMES，簡稱CSMES，其中的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由輸出直流電流可控的電流型變流器組成；另一類是電壓源型SMES，簡稱VSMES，其中的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由輸出直流電壓可控的電壓型變流器和斬波器組成。SMES的功率控制問題3.1

電流源型SMES的功率控制CSMES功率控制問題

電流源型SMES主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

L

L

S1

S6

S3

S2

S4

S5

超導(dǎo)磁體

L

CSMES功率控制－CSC的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾夫定律可以建立六脈沖電流源型SMES的時(shí)域數(shù)學(xué)模型：CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略基于觸發(fā)模式的PWM開關(guān)策略原理CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略調(diào)制波信號(hào)發(fā)生器和載波信號(hào)發(fā)生器工作原理調(diào)制波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為M∈[－1,1]、初始相位滯后變流器各輸入相電壓相位α＋30°的三相正弦信號(hào)sma、smb和smc

載波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值變化區(qū)間為[-1,1]且兩個(gè)斜邊在時(shí)間軸上投影寬度相等的周期性三角波wc

1-1smasmbsmcwcCSMES功率控制－PWM開關(guān)策略調(diào)制脈沖發(fā)生器工作原理調(diào)制脈沖發(fā)生器1smasmbwcHxaHLx’aHLxbHLx’bHLxcHx’cLHp1HLp2HLp3HLp4HLp5HLp6Hp7t/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/sLLLp1－p7調(diào)制脈沖的產(chǎn)生smc-1CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略斜坡函數(shù)發(fā)生器工作原理斜坡函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生幅值范圍為到360，周期與變流器A相輸入電壓usa相同的鋸齒波信號(hào)wt

Wt/deg.27018090010050-50-1000usa/V360CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略觸發(fā)模式選擇器工作原理6543210t/smod-300-2001002003000α,ε/deg.αε-100t/swt/deg.270180900t/s10050-50-1000usa/Vt/sα改變時(shí)的觸發(fā)模式信號(hào)360觸發(fā)模式選擇器ε=wt-α

CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作原理觸發(fā)脈沖發(fā)生器CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略

CSC輸出電流特性變流器A相調(diào)制電流Xk(t)、分別為xa和xb第次諧波分量的幅值

、分別為xa和xb第次諧波分量的初始相位

雙重傅立葉分析CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略基波分量載波諧波分量邊帶諧波分量為調(diào)制波和基波頻率的比值，

為載波和調(diào)制波頻率的比值，

當(dāng)

時(shí),

CSC輸出電流特性CSMES功率控制－PWM開關(guān)策略

CSC輸出電流特性特點(diǎn)改進(jìn)型PWM控制下的電流源型變流器輸出的電流中在任何情況下都不再含載波諧波分量，并且在n2為3的整數(shù)倍或n1+n2為偶數(shù)時(shí)，邊帶諧波也為零。

輸出電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的輸出功率

CSC輸出功率控制方法SMES的功率控制—SMES的功率實(shí)時(shí)控制SMES功率實(shí)時(shí)控制器SMES的功率控制—SMES的功率實(shí)時(shí)控制仿真結(jié)果1fc＝2100Hz，Idc＝80A時(shí)，α和M在t=0.08s處由α=0°、M=0.5改變?yōu)棣?120°、M=0.5，在t=0.12s時(shí)M改變?yōu)?.7SMES的功率控制—SMES的功率實(shí)時(shí)控制仿真結(jié)果2fc＝2100Hz，Idc＝80A時(shí)，SMES的功率響應(yīng)CSMES功率控制－CSMES輸出功率

CSMES輸出功率控制框圖CSMES功率控制－CSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖CSMES的主拓?fù)?/p>

CSMES仿真模型的主電路CSMES功率控制－CSMES仿真模型CSMES仿真模型的控制電路csmes功率控制原理框圖CSMES功率控制－功率控制仿真參數(shù)：三相電壓源相電壓為14000V；變流器交流側(cè)等效電感400uH，濾波電容為130uF，仿真時(shí)間為20s。CSMES仿真模型參數(shù)及功率跟蹤Psm,Qsm,Id運(yùn)行結(jié)果CSMES功率控制－仿真結(jié)果CSMES的功率跟蹤Psm對(duì)Pr,Qsm對(duì)Qr的跟蹤結(jié)果

CSMES功率控制－仿真結(jié)果CSMES功率調(diào)節(jié)中的輸入電壓和電流

電源側(cè)A相輸入電流曲線電源側(cè)A相輸入電流局部曲線放大圖3.2

電壓源型SMES的功率控制VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型六脈沖電壓源型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)基爾霍夫定律可以建立六脈沖電壓源型SMES的時(shí)域數(shù)學(xué)模型：VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型VSC的三相靜止ABC坐標(biāo)系模型VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)PARK變換的定義并遵循功率不變的原則，可以得到從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣為3/2坐標(biāo)變換三相靜止ABC坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型三相靜止ABC坐標(biāo)兩相靜止αβ0坐標(biāo)兩相旋轉(zhuǎn)dq0坐標(biāo)三相靜止ABC坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC分量兩相靜止坐標(biāo)系的αβ0分量兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的dq0分量兩相坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型VSC的ABC坐標(biāo)系模型到dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的轉(zhuǎn)換拉氏變換拉氏反變換VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型VSC的dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的原理框圖同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下VSC結(jié)構(gòu)框圖

VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型VSC的dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型中的dq電流獨(dú)立控制d、q軸電流除受控制量urd和urq的影響外，還受耦合電壓wLid和wLiq、以及變流器交流側(cè)輸入電壓usd和usq的影響假設(shè)變換器輸出的電壓矢量中包括三個(gè)分量，即VSMES功率控制－VSC的數(shù)學(xué)模型VSC的dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型中的dq電流獨(dú)立控制

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下進(jìn)行VSC控制的基本思想是：希望使裝置的功率因數(shù)可控。為此，輸入電流必須跟蹤輸入電壓則可以實(shí)現(xiàn)裝置的功率因數(shù)可控。解耦雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖VSMES功率控制－VSC的輸出功率單相等效電路圖VSC單相等效電路向量圖VSMES功率控制－VSMES的斬波器

電壓型SMES主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

S7

L

C

S5

S3

S1

S6

S4

S2

超導(dǎo)磁體

D1

D2

S8

L

L

L

L

斬波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，這是一個(gè)兩象限斬波器，其目的是控制電容上的直流電壓并向磁體外部或向磁體內(nèi)部提供所需的超導(dǎo)儲(chǔ)能。它由2個(gè)可控開關(guān)功率器件(如GTO）和2個(gè)大功率二極管組成。VSMES斬波器結(jié)構(gòu)VSMES功率控制－VSMES的斬波器

電壓型SMES主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

S7

L

C

S5

S3

S1

S6

S4

S2

超導(dǎo)磁體

D1

D2

S8

L

L

L

L

VSMES斬波器的工作原理及其控制開關(guān)器件和二極管器件的動(dòng)作需按照SMES的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整過程如下：磁體起磁或磁體儲(chǔ)能狀態(tài)，在這兩種工作狀態(tài)中，S8恒通，S7斬波，同時(shí)配合變流器控制直流電壓Udc恒定。磁體電流續(xù)流狀態(tài)，S8恒斷、S7恒通。變流器控制直流電壓Udc恒定。磁體放磁或釋能狀態(tài)，在這兩種工作狀態(tài)中，S8恒斷、S7斬波，同時(shí)控制電壓Udc恒定。VSMES功率控制－VSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖VSMES的主拓?fù)?/p>

VSMES仿真模型的主電路VSMES功率控制－VSMES仿真模型VSMES仿真模型的控制電路

圖中Udr&Uqr組件和Idr&IqrCalculate組件一起實(shí)現(xiàn)了前面所簡述的雙環(huán)解耦控制原理，也就是電壓/電流雙環(huán)控制部分。

VSMES變流器控制框圖VSMES功率控制－功率控制仿真參數(shù)：三相電壓源相電壓為800V；直流電容為10mF，超導(dǎo)線圈等效電感為10H；超導(dǎo)線圈額定電流為500A(儲(chǔ)能1.25MJ)；電網(wǎng)頻率為50Hz；電容電壓Udc為3000V；交流側(cè)電感L為5mH；仿真時(shí)間為20s。VSMES仿真模型參數(shù)

Qref指令Pref指令VSMES功率控制－仿真結(jié)果VSMES的功率跟蹤Psm對(duì)Pr的跟蹤結(jié)果

Qsm對(duì)Qr的跟蹤結(jié)果

VSMES功率控制－仿真結(jié)果VSMES功率調(diào)節(jié)中的

Udc和Ismes

超級(jí)電容器（UC/SC）當(dāng)VSC的直流側(cè)電壓維持恒定時(shí)，在正確的脈寬調(diào)制技術(shù)控制下，VSC可以被看作是一個(gè)基波電壓幅值和相位可控的三相電壓源。通過其輸出的調(diào)制電壓和VSC電網(wǎng)側(cè)電壓共同作用于圖中等效連接阻抗Xs，產(chǎn)生相位和幅值可控的三相電流ia、ib和ic，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC輸入輸出功率的準(zhǔn)確控制。同時(shí)，由于VSC輸入輸出功率將導(dǎo)致其直流側(cè)電容Cdc兩端電壓的變化，因此需要通過對(duì)DC/DC變換器的有效控制實(shí)現(xiàn)UC對(duì)Udc恒定電壓的補(bǔ)償控制

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路當(dāng)對(duì)UC進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，DC/DC變換器工作于降壓模式，目的是將從電網(wǎng)中吸收的能量儲(chǔ)存在UC中，同時(shí)避免VSC直流側(cè)母線電壓Udc因輸入功率所導(dǎo)致的電壓上升，使其維持恒定；當(dāng)UC釋能時(shí)，變換器器工作于升壓模式，目的是補(bǔ)償因VSC向電網(wǎng)輸出有功功率所導(dǎo)致的直流母線電壓Udc下降，使UC能夠通過VSC向電網(wǎng)輸送功率。當(dāng)VSC與系統(tǒng)之間無功率交換時(shí)，UC通過降壓或升壓模式補(bǔ)償VSC直流側(cè)母線電壓Udc因開關(guān)損耗引起的電壓變化。基于非隔離型Buck-Boost電路的DC/DC變換器

超級(jí)電容器（UC/SC）超級(jí)電容器（UC/SC）UC儲(chǔ)能系統(tǒng)的四象限功率跟蹤仿真結(jié)果335kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES裝置左圖中，SMES各組成設(shè)備從左至右依次為SMES的監(jiān)測控制系統(tǒng)、SMES用于功率調(diào)節(jié)的電流型變流器、提供超導(dǎo)運(yùn)行環(huán)境的低溫制冷系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)磁體。35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置SMES的冷卻系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)使用直筒立式真空杜瓦結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體籠罩于真空杜瓦內(nèi)部。杜瓦內(nèi)部的超導(dǎo)磁體外圍安裝輻射屏，其內(nèi)部保持高真空環(huán)境（真空度達(dá)10-1Pa數(shù)量級(jí)）。采用制冷機(jī)直接傳導(dǎo)冷卻工作方式。運(yùn)行時(shí)，低溫系統(tǒng)的杜瓦真空可保持在0.1~0.2Pa，通過制冷機(jī)的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K~21K。35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置高溫超導(dǎo)線圈變流器1變流器2變流器3變流器4直流母線三相交流母線SCR1SCR2SCR3SCR4R1R2R3R4SCRS11S14S24S21S34S31S44S41S16S13S12S15S26S23S22S25S36S33S32S35S46S43S42S45LaLaLaLaLaLaLaLaCfCfCfCfDC+DC-ABCIasIsbIdcLdIdc1Idc1Idc2Idc2Idc3Idc3Idc4Idc4Y△AC電源DTIscSMES的變流器結(jié)構(gòu)35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置SMES的控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖pSM外環(huán)控制器采樣SMES磁體qSM電力系統(tǒng)v、i內(nèi)環(huán)控制器

SMES裝置的控制框圖SMES的控制系統(tǒng)用于根據(jù)從系統(tǒng)提取的所需信息，按照系統(tǒng)控制的需要產(chǎn)生觸發(fā)脈沖序列去控制IGBT，從而控制SMES輸出所需的有功和無功功率。它含有外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器兩個(gè)閉合控制回路。外環(huán)控制器實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)各點(diǎn)電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算并采用選定的控制算法，得出系統(tǒng)此時(shí)所需要的功率調(diào)節(jié)量，并將此信號(hào)傳遞給內(nèi)環(huán)控制器。內(nèi)環(huán)控制器根據(jù)外環(huán)下達(dá)的功率調(diào)節(jié)參考信號(hào)，利用有效的開關(guān)調(diào)制規(guī)則，產(chǎn)生變流裝置的觸發(fā)。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置SMES的控制系統(tǒng)－內(nèi)環(huán)控制器MCU1驅(qū)動(dòng)隔離短接與封鎖光藕MCU2驅(qū)動(dòng)隔離短接與封鎖光藕MCU3驅(qū)動(dòng)隔離短接與封鎖光藕MCU4驅(qū)動(dòng)隔離短接與封鎖光藕失超保護(hù)電壓同步信號(hào)TMS320F2407ADSPA/DCANbusTX/RXRS485保護(hù)電路ua,ub,uc,ia,ib,ic,udc,idc,idc1,idc2,idc3,idc4信號(hào)調(diào)理變流器1變流器2變流器3變流器4

SMES裝置的內(nèi)環(huán)控制器原理框圖內(nèi)環(huán)控制器主要由信號(hào)調(diào)理、保護(hù)電路、DSP和微控制器（MicroControlUnit，簡稱MCU）等部分組成，采用以DSP為核心的主從控制結(jié)構(gòu)，主要用以控制變流器在變化的直流電流下通過開關(guān)調(diào)制方法產(chǎn)生實(shí)際所需的交流電流，從而使SMES實(shí)際輸入或輸出的有功和無功功率能夠?qū)ν猸h(huán)控制器輸出的功率參考值進(jìn)行快速跟蹤，以及在SMES運(yùn)行發(fā)生故障的情況下，對(duì)主電路執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)控制。

CSMES功率控制－CSMES輸出功率

CSMES輸出功率控制框圖35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置

SMES的控制系統(tǒng)－外環(huán)控制器外環(huán)控制器由監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)和測量控制單元構(gòu)成，用于對(duì)內(nèi)環(huán)控制器的工作方式以及SMES和電力系統(tǒng)功率交換大小進(jìn)行控制。內(nèi)環(huán)控制器用于實(shí)現(xiàn)外環(huán)控制器對(duì)SMES在磁體起磁、功率跟蹤、非功率跟蹤和去磁四種工作方式的切換，從而使SMES在外環(huán)控制器的作用下，能夠在電力系統(tǒng)中靈活地投切。SMES和電力系統(tǒng)的交換功率控制則用于實(shí)現(xiàn)SMES在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置

SMES的控制系統(tǒng)－外環(huán)控制器SMES的投入當(dāng)控制系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)，內(nèi)環(huán)控制器工作于默認(rèn)的功率跟蹤模式，外環(huán)控制器在指定內(nèi)環(huán)工作模式的方式下運(yùn)行，此時(shí)外環(huán)控制器并不向內(nèi)環(huán)控制器下達(dá)功率交換參考值，而內(nèi)環(huán)控制器則通過自身初始化設(shè)定的零功率參考值進(jìn)行功率跟蹤，從而使SMES可在不影響電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下投入運(yùn)行。

SMES的起磁當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出磁體起磁命令后，外環(huán)控制器立刻通過通信接口向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)出磁體起磁命令，內(nèi)環(huán)控制器接收此命令后隨即切換至磁體起磁控制方式，通過調(diào)節(jié)最終使磁體電流維持在設(shè)定值。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置

SMES的控制系統(tǒng)－外環(huán)控制器SMES的功率控制當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出允許交換功率命令后，外環(huán)控制器立即轉(zhuǎn)換至對(duì)SMES和電力系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)功率交換的控制模式，同時(shí)將該命令轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)環(huán)控制器，使內(nèi)環(huán)控制器也轉(zhuǎn)入功率跟蹤控制模式，并做好接受來自外環(huán)控制器的功率參考值的準(zhǔn)備。外環(huán)控制器在每次控制周期到來時(shí)，先執(zhí)行按SMES具體應(yīng)用要求所設(shè)計(jì)的控制算法以確定交換功率的參考值，然后將此參考值通過通信接口發(fā)送給內(nèi)環(huán)控制器。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置

SMES的控制系統(tǒng)－外環(huán)控制器SMES的禁止功率交換控制當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出不允許交換功率命令時(shí)，外環(huán)控制器先向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)送Pref和Qref等于零的功率參考值，以使SMES不再和系統(tǒng)交換功率，接著再向內(nèi)環(huán)控制器轉(zhuǎn)發(fā)不允許功率交換命令，使內(nèi)環(huán)控制器返回到上電或復(fù)位初始工作狀態(tài)，然后外環(huán)控制器也退出對(duì)SMES交換功率大小的控制，并且不再向內(nèi)環(huán)控制器輸出交換功率參考值。在此種操作下，由于磁體的存儲(chǔ)的磁能并未釋放，因此其剩余能量還可以被隨后的操作所利用。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—SMES裝置

SMES的控制系統(tǒng)－外環(huán)控制器SMES的去磁控制

外環(huán)控制器對(duì)內(nèi)環(huán)控制器發(fā)出的磁體去磁命令也有兩種方式：第一種是先由監(jiān)控計(jì)算機(jī)手動(dòng)發(fā)送；第二種是SMES控制插件檢測到磁體失超保護(hù)信號(hào)后，由外環(huán)控制器自動(dòng)發(fā)送。兩種方式下，外環(huán)控制器都必須先向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)送Pref和Qref等于零的功率設(shè)定值，接著向內(nèi)環(huán)控制器轉(zhuǎn)發(fā)磁體去磁命令，然后返回到外環(huán)控制器的上電或復(fù)位初始工作狀態(tài)，內(nèi)環(huán)控制器則導(dǎo)通各變流器直流側(cè)和磁體兩端并聯(lián)的晶閘管和電阻，通過續(xù)流回路的功率損耗迅速釋放磁體中儲(chǔ)存的能量。

35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQSMES/kVarPSMES/kWSMES的磁體起磁過程SMES的起磁35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的起磁35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的去磁35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的四象限功率調(diào)節(jié)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQref=0、Pref由+3kW變換到-3kW時(shí)SMES的階躍功率響應(yīng)QSMES/kVarPSMES/kWQref=0、Pref由+3kW變換到-3Kw時(shí)SMES的瞬時(shí)響應(yīng)t/msisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/VQSMES/kVarPSMES/kW35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的四象限功率調(diào)節(jié)20000t/msPref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時(shí)SMES的階躍功率響應(yīng)Pref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時(shí)SMES的瞬時(shí)響應(yīng)020004000600080001000012000140001600018000Idc/AQSMES/kVarPSMES/kWt/msPSMES/kWQSMES/kVarisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/V35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的四象限功率調(diào)節(jié)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msisa,isb,isc/AIdc/APSMESQSMESPref,Qref四象限連續(xù)變換時(shí)SMES的功率響應(yīng)usab,usbc,usca/VPSMES/kWQSMES/kVar35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的四象限功率調(diào)節(jié)SMES對(duì)正階躍有功和負(fù)階躍無功指令的暫態(tài)響應(yīng)SMES對(duì)正階躍有功和無功指令的暫態(tài)響應(yīng)PSMESQSMESt/msisa,isb,isac/Ausab,usbc,usca/VPSMESQSMESt/msusab,usbc,usca/Visa,isb,isac/A35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性—功率調(diào)節(jié)特性SMES的四象限功率調(diào)節(jié)4SMES在電力系統(tǒng)應(yīng)用的仿真及試驗(yàn)研究SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理含SMES電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理KE稱為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，DE稱為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

代入求解特征根無SMES時(shí)的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析對(duì)特征根分析得如下結(jié)論

當(dāng)且時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定

當(dāng)且時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生振蕩失步

當(dāng)且時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩

當(dāng)且時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)不確定

當(dāng)，或者且，或者且時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生非振蕩失步

SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理無SMES時(shí)的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析將看作坐標(biāo)系中的復(fù)轉(zhuǎn)矩，、即為復(fù)轉(zhuǎn)矩的橫、縱坐標(biāo)，由上面分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時(shí)，復(fù)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該位于第一象限或第四象限靠近軸部分，此時(shí)特征根實(shí)部為絕對(duì)值較小得正數(shù)或負(fù)數(shù)，系統(tǒng)表現(xiàn)為緩慢衰減或增幅的功率振蕩。SMES抑制功率振蕩的目的就是把此復(fù)轉(zhuǎn)矩調(diào)整到第一象限中靠近軸的位置，這時(shí)特征根實(shí)部為絕對(duì)值較大的負(fù)數(shù)，振蕩可以被快速抑制，從而使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理有SMES時(shí)的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析SMES投入阻尼控制時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩

第二項(xiàng)為SMES通過Kp提供的直接電磁轉(zhuǎn)矩，第三項(xiàng)為SMES通過Kq和Kv提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩。SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理有SMES時(shí)的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析取發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化量作為SMES阻尼控制的輸入,

SMES的功率調(diào)節(jié)特性可用一階慣性環(huán)節(jié)表示,外環(huán)控制器采用比例控制環(huán)節(jié)作為阻尼控制器當(dāng)忽略由SMES提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩，SMES對(duì)低頻振蕩的阻尼作用相當(dāng)于在原來的轉(zhuǎn)矩上疊加了一個(gè)第一象限的轉(zhuǎn)矩，從而表現(xiàn)出SMES對(duì)功率振蕩的阻尼作用。系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，由于低頻振蕩的振蕩頻率在0.2~2.5Hz之間，使得ωs的變化范圍大概在1.26~15.7之間，且這么大的ωs變化范圍將會(huì)造成間接電磁轉(zhuǎn)矩的不確定性。因此，在不忽略SMES提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩，將很難從理論上證明SMES對(duì)低頻振蕩的抑制作用。SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理有SMES時(shí)的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析SMES的作用相當(dāng)于向系統(tǒng)提供了一個(gè)起旋轉(zhuǎn)作用的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定時(shí)，可通過調(diào)整控制器的參數(shù)，使旋轉(zhuǎn)的角度略小于90°。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時(shí)，通過阻尼控制可以把原來在一、四象限接近△δ軸的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整到ω0△ω軸附近，從而可以達(dá)到很好的抑制功率振蕩的效果。而系統(tǒng)沒有發(fā)生振蕩時(shí)，則可以將阻尼控制封鎖，以免將原來處于第一象限的電磁轉(zhuǎn)矩拉到了別的象限，使原來穩(wěn)定的系統(tǒng)失去穩(wěn)定。選用SMES并聯(lián)于系統(tǒng)處的且測量上容易實(shí)現(xiàn)的有功變化量作為SMES阻尼控制的輸入

G(jωs)為SMES阻尼控制器的傳遞函數(shù)

SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—抑制功率振蕩的機(jī)理SMES的阻尼功率振蕩控制器

，

數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器死區(qū)大小設(shè)計(jì)為Pe0最大值的±1~±2%控制器主要參數(shù)限幅大小設(shè)計(jì)為Pe0最大值和SMES有功調(diào)節(jié)最大值之間的最小值

SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—實(shí)驗(yàn)研究動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)SMES動(dòng)模實(shí)驗(yàn)一次接線方式GZL1=5.2ΩZL2=16.8ΩTA01QF53QF13DX35kJ/6.5kW電流型高溫超導(dǎo)SMESK5TU電流信號(hào)電壓信號(hào)DT220/110V10kVAT1230/800V6kVAT2800/380V100kVAYΔ01#G21W54QF5kVA實(shí)驗(yàn)電力系統(tǒng)模型的建立采用了一臺(tái)25MW的發(fā)電機(jī)組經(jīng)變壓器升壓后通過單回110kV輸電線與無窮大系統(tǒng)相連的電力系統(tǒng)作為參考原型。SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果未使用SMES時(shí),系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)特性(短路時(shí)間390ms)使用SMES時(shí),系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)特性(短路時(shí)間320ms)SMES對(duì)發(fā)電機(jī)三相短路故障的功率調(diào)節(jié)作用（Pe=3.5kW）機(jī)端電壓A相B相C相機(jī)端電流A相B相C相機(jī)端有功功率機(jī)端電壓A相B相C相機(jī)端電流A相B相C相機(jī)端有功功率SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果PSMES（kW）QSMES（kVar）Idc（A)SMES對(duì)發(fā)電機(jī)三相短路故障的響應(yīng)特性(Pe=3.5kW、短路時(shí)間320ms)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msSMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用SMES時(shí),系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)特性(短路時(shí)間360ms)SMES對(duì)發(fā)電機(jī)三相短路故障的功率調(diào)節(jié)作用（Pe=4.0kW）未使用SMES時(shí),系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)特性(短路時(shí)間380ms)機(jī)端電壓A相B相C相機(jī)端電流A相B相C相機(jī)端有功功率機(jī)端電壓A相B相C相機(jī)端電流A相B相C相機(jī)端有功功率SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究—實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果PSMES（kW）QSMES（kVar）Idc（A)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msSME