非线性PID控制器在超导磁储能装置中的应用研究

非线性比例-积分-微分(Nonlinear Proportion-Integral-Differential,NLPID)控制是一种利用非线性跟踪-微分器和非线性组合方法对线性PID控制进行改进的新型控制策略,它具有不依赖于被控系统模型的特点.作者设计了用于电力系统超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES)装置的NLPID控制器,该控制器通过对由跟踪-微分器提取的转子角速度和机端电压的偏差及其微分和积分信号分别进行适当非线性组合,产生用于协调控制SMES和系统之间的有功和无功功率交换的控制信号.仿真结果表明该NLPID控制器具有较好的适应性和鲁棒性,且改善了系统的阻尼特性,提高了系统电压的稳定性.     

超导储能改善并网风电场稳定性的研究

建立了风电机组和超导储能(SMES)装置的数学模型以研究SMES对并网风电场运行稳定性的改善.针对风电系统中经常出现的联络线短路故障和风电场的风速扰动,提出利用SMES安装点的电压偏差作为SMES有功控制器的控制信号的策略.对实例系统进行的仿真计算结果表明,SMES采用该控制策略,不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性,而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的功率输出,降低风电场对电网的冲击.     

超导磁储能系统的自适应单神经元控制

基于自适应单神经元的控制方法是将单个神经元与环境系统相连,利用结合了Hebbian学习和监督学习特点的迭代算法在线修改其连接权值以实现控制目标.将这种控制方法用于超导磁储能(SMES)控制器的设计无需进行系统建模,所得到的控制器结构简单,算法简便,适于工程应用.文章在MATLAB环境下建立了较精确的含SMES的电力系统非线性高阶模型,通过时域仿真考察了基于自适应单神经元的SMES控制器的性能,结果表明该控制器具有令人满意的控制效果和较好的鲁棒性.     

SMES抑制电力系统功率振荡的控制策略研究

为实现超导磁储能装置(superconducting magnetic energy storage,SMES)对电力系统功率的准确跟踪与快速补偿,并有效抑制系统的功率振荡,首先分析了包含SMES的单机系统的功角特性,基于系统的能量函数,以提高系统阻尼为目标,提出了以SMES接入点电压及其变化率为控制变量的导纳控制方法数学模型。与传统的以接入点电压幅值或相角做控制变量的控制方法不同,导纳控制方法不仅与接入点电压幅值有关,还与其变化速度有关,因而可提高SMES响应的灵敏度和精度。最后,通过算例验证了SMES抑制单机无穷大系统功率振荡的效果,结果表明该控制方法不仅可以有效抑制功率振荡,而且能使系统迅速恢复稳定状态,从而能提高电力系统的运行稳定性。     

超导磁储能系统抑制风力发电功率波动的研究

建立含超导磁储能装置(SMES)的单机无穷大系统的Phillips-Heffron模型,导出含SMES电力系统总的电磁转矩表达式,从理论上分析SMES对增强系统阻尼的作用.并设计了SMES非线性比例积分微分控制器,数字仿真结果验证了SMES阻尼系统功率振荡的特性,同时表明该控制器具有较好的鲁棒性.     

超导储能装置应用于风电场平滑功率输出的研究

建立了风电机组和超导储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)装置的数学模型以研究SMES对并网风电场运行稳定性的改善。针对风电系统中经常出现的联络线短路故障和风电场的风速扰动,提出利用SMES安装点的电压偏差作为SMES有功控制器的控制信号的策略。并搭建了风电场接入电网后的仿真模型,对实例系统进行的仿真计算结果表明,SMES采用该控制策略,不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性,而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的功率输出,降低风电场对电网的冲击。     

基于超导储能的暂态稳定控制器设计

设计了用于提高电力系统的暂态稳定超导储能(SMES)装置的非线性鲁棒控制器,并从数字仿真和动模实验两方面进行了验证。为了简化动态性能分析和控制器设计,在实验样机的基础上,提出了新的基于电流型变流器的SMES的动态模型,并将其转化为标幺制模型。通过外部干扰的引入,得到了装设SMES的单机无穷大系统的动态模型,并采用精确线性化方法和线性H∞控制理论设计了SMES的非线性鲁棒控制器。为了验证该控制器的效果,对装设SMES单机无穷大系统进行了数字仿真和动模实验,并将其与常规PI控制器进行了比较。仿真和实验结果都证明了非线性鲁棒控制器具有良好性能。     

基于SMES相量模型抑制电力系统的功率振荡分析

根据超导储能装置（SMES）的工作原理,结合其结构特点与电路拓扑的发展趋势,建立了电压源型SMES相量模型。该模型将SMES等效为三相可控电流源,实现有功电流和无功电流独立控制,模拟SMES的功率响应特性,在功能上实现了对系统功率需求的准确跟踪,快速补偿系统的不平衡功率。最后,通过一个算例验证了SMES抑制单机无穷大系统功率振荡的效果,仿真结果表明该电压源型SMES可有效抑制系统的功率振荡,并使系统迅速恢复稳定运行状态,从而大大提高了系统的稳定性。     

基于超导储能的瞬时电压跌落补偿

超导储能(SMES)是解决瞬时电压跌落问题的一种很有前途的方案。由于SMES自身的特点,基于SMES的瞬时电压跌落补偿装置在主电路结构、参数设计、补偿原理和控制方法上均不同于传统的动态电压恢复器。为了保护一个110kVA的重要负载不受瞬时电压跌落的危害,一套基于SMES的瞬时电压跌落补偿系统正在开发中。该系统主要由0．3MJ超导线圈、200kVA绝缘栅双极晶体管(IGBT)电流型变流器和2．5mH移相电抗器组成。文中通过理论分析和仿真计算介绍了系统主电路的工作原理及参数设计。为实现瞬时控制和获得更高的响应速度,采用了直接电流脉宽调制(PWM)开关策略。开环仿真结果表明,系统可以满足瞬时电压跌落的补偿要求。     

大储能容量超导磁储能系统的拓扑结构及控制策略

随着可再生能源规模化发展,电网对大功率等级储能系统的需求日益增长,因此研究应用于大功率等级场合的超导磁储能(SMES)系统拓扑结构及运行控制策略具有重要的理论意义.提出了一种基于模块化多电平换流器(MMC)的SMES系统拓扑结构,设计了允许多个超导磁体同时接入以成倍数提升系统整体储能容量的新型斩波器.该新型斩波器采用模块化设计,由多个子模块串联构成,可随MMC扩展至多种电压等级和功率等级,且能够均衡各子模块的电容电压和磁体电流.针对新型斩波器的旁路子模块数量难以确定的问题,提出了新型斩波器旁路子模块数量的计算方法.基于线性自抗扰控制设计了MMC双闭环控制器和新型斩波器的直流电压控制器,利用复频域分析法整定了线性自抗扰控制器参数.通过仿真验证了所提拓扑结构和控制策略的正确性和有效性.     

分散励磁与超导储能装置的干扰抑制控制

提出了一种新的设计多机电力系统中励磁和超导储能装置的分散L₂增益干扰抑制控制器的方法。文中首先建立了含超导储能装置的多机电力系统的动态模型，继而利用递推方法设计励磁和超导储能装置的增益干扰抑制控制器，所得控制器可以利用本地测量量实现。计算机仿真结果说明了所设计的控制器可以提高系统的暂态稳定性，显著改善系统的动态性能。     

超导—蓄电池混合储能装置接于配电网对电压稳定性的影响

建立了超导储能(SMES)-蓄电池(BESS)混合储能在电压分析中的简化数学模型。充分利用蓄电池的能量密度大、造价低和超导储能的功率密度大,循环周期长的优点互补供电,大大提高了系统改善电压的性能。混合储能装置经双桥系统与配电网交流系统相接,能大大提高接入的容量。具有快速响应的超导储能装置使得混合储能装置具有快速接入的特点,采用触发角控制原则触动系统输出功率来改善电压稳定。在Matlab平台上,对给出的算例进行仿真计算。仿真结果表明,混合式储能装置接于配电网能有效的改善系统的电压稳定性。     

超导储能装置用于改善暂态电压稳定性的研究

建立了超导储能装置(SMES)在暂态电压稳定性分析中的简化数学模型.SMES经双桥系统的电流源型换流电路与电力系统相连.研究了具有快速响应特性的SMES在提高电力系统暂态电压稳定性方面的作用和其无功控制策略,以及采用不等触发角控制时的控制原则.在Matlab平台上编制了暂态仿真程序,对典型3机10母线系统进行了仿真计算.仿真结果表明,超导储能装置安装在动态负荷处,采用无功-电压控制方式能够有效地提高系统的暂态电压稳定性.     

A heuristic‐based design of robust SMES controller taking system uncertainties into consideration

In this paper, a heuristic‐based design of robust superconducting magnetic energy storage (SMES) controller is proposed taking system uncertainties into consideration. The SMES model with active and reactive power controllers is used. In addition, the effect of SMES coil current is also included in the model. The power system and the SMES unit with the designed controller are formulated as an optimization problem. The proposed objective function considers both the damping performance index and the robust stability index. In particular, the robust SMES controller is designed to enhance the system damping performance and robustness against system uncertainties such as various load and system parameter changes. The robust stability margin is guaranteed in terms of the multiplicative stability margin (MSM). In the proposed method, the robust SMES active and reactive power controllers are designed systematically by using hybrid tabu search and evolutionary programming, so that the desired damping performance and the best obtainable MSM are acquired. Finally, the designed SMES controller is examined under different situations to evaluate and confirm the effectiveness and robustness via eigenvalue analysis and nonlinear simulations. © 2006 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Superconducting magnetic energy storage controller design and stability analysis for a power system with various load characteristics

A simultaneous active power and reactive power (P–Q) control scheme of superconducting magnetic energy storage (SMES) unit is proposed to enhance the damping of a power system. In order to control the P–Q modulation to the power system, a proportional-integral (PI) controller is used to provide a supplementary damping signal. The parameters of the PI controller are determined by a systematic pole assignment method based on modal control theory. Both static load and dynamic load are included to improve the system model fidelity. Eigenvalue analysis and time-domain nonlinear simulation, using a power system incorporating a composite load, are illustrated to validate the effectiveness of the proposed PI SMES controller for the damping of the studied system over a wide range of operating conditions. The control scheme also shows that the stability margin of the power system is expanded.