超导电力磁储能系统研究进展(一)——超导储能装置

交介绍了超导磁储能装置（SMES）的基本原理、系统组成和发展状,阐述了具有高效、快速响应、能与系统独立进行四象限交换有功和无功功率等特性的SMES在电力系统中应的重要意义,概述了SMES的应用前景和需要进一步解决的若干问题。并针对我国SMES研究的现状提出了一些建设性意见。     

基于SMES/BESS混合储能抑制风电功率波动的控制策略

针对风能的随机性和波动性,风力发电系统易出现功率波动的问题,采用超导磁储能(SMES)和蓄电池(BESS)混合储能的方式来平抑功率波动,提出了一种改进型混合遗传算法的变参数荷电状态(SOC)分区控制优化策略。基于自适应学习的思想对算法进行了改进,使得算法的收敛速度和精确度得以提高。将储能系统荷电状态剩余量和荷电状态分区限值作为改进后混合遗传算法的目标函数和边界条件。所得目标结果作为滤波器滤波时间常数修正值对其进行修正,从而实现功率二次分配。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型验证了该控制策略的有效性。所提控制策略可以对任意时刻SMES和BESS出力进行最优配合,同时能减小电池充放电深度和提高对风电功率波动的平抑效果,且能有效提高混合储能系统的使用寿命。     

超导磁储能装置中的变流器的实验规程研究

超导储能装置(SMES)的变流器目前没有统一的实验规程.考虑到SMES变流器主要完成大容量的功率交换功能,本文探讨了变流器稳态和动态特性、电压电流波动、变流器均衡度、电磁干扰等重要的电磁问题,结合要考核的变流器的其它电磁问题,初步提出了SMES变流器的实验规程.该实验规程借鉴了一些常规变流器的测试方法,增添了对于SMES变流器来说很重要的一些电磁特性的测量方法和测量程序,形成了一个较为全面的SMES变流器的实验规程.     

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.     

SMES变流器监控系统及其可视化设计

针对用于超导磁储能SMES(Superconducting Magnets Energy Storage)的变流器监控需要,设计了具有人机交互功能的可视化监控系统。该系统基于微控制器(MCU)+数字信号处理(DSP)双处理器的形式,使用C8051F020单片机作为监控系统主处理器,实现SMES变流器监控系统液晶终端的监控参数显示和人机交互界面;采用TMS320F2812芯片作为DSP控制处理器,用于实时数据采集、数据处理和变流器功率模块开关管控制。对SMES变流器监控系统的工作原理、硬件接口电路、软件程序设计进行了研究。采用该监控系统,通过传感器、DSP、单片机实时采集和处理各监控量的运行参数判断变流器的运行状态,可将各监控量在液晶终端上实时显示,同时DSP接收液晶终端的控制命令,从而控制变流器的运行状态。实验测试结果表明设计的SMES变流器监控系统可以实现对变流器系统运行状态的实时可靠监控。     

超导磁储能装置在风电系统控制中的应用

超导磁储能装置(SMES)是将超导技术、电力电子技术、控制理论和能量管理技术相结合的一种新型储能装置。在实时补偿系统中,由于各种原因会产生不平衡功率,SMES从这一新的角度出发考虑提高电力系统稳定性的问题。理论研究表明,SMES是一种提高电力系统稳定性的非常有效的新措施。为促使这一理论的广泛应用,同时进一步提高SMES的可靠性,研究将超导磁储能装置应用于风电场,以稳定系统输出;在此基础上,对风电场中超导磁储能装置的信号选取和控制策略等关键技术进行研究,阐述了未来的发展趋势。     

考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计

超导磁体是超导磁储能系统（SMES）的核心部件,其优化设计可以提高SMES的经济性和运行性能。提出了一种考虑磁体动态特性的高温超导磁储能磁体设计方法,该方法以有限元方法为基础,选取遗传算法作为优化工具,对高温超导磁体的内径、单饼匝数和双饼个数进行了优化。该方法将超导磁体的优化分为了两个部分,一次优化以磁体的用线量为优化目标,二次优化将交流损耗低为优化目标。最后用此方法对储能容量为150 kJ的高温超导磁储能磁体进行了优化设计,经过两次优化后的150 kJ磁体方案兼具低用线量和低交流损耗的优点。     

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。     

超导电力磁储能系统研究进展(一)——超导储能装置

介绍了超导磁储能装置（SMES）的基本原理、系统组成和发展状况,阐述了具有高效、快速响应、能与系统独立进行四象限交换有功和无功功率等特性的SMES在电力系统中应用的重要意义,概述了SMES的应用前景和需要进一步解决的若干问题,并针对我国SMES研究的现状提出了一些建设性意见。     

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。     

A robust SMES controller design for stabilization of inter-area oscillations based on wide area synchronized phasor measurements

This paper proposes a robust power controller design of superconducting magnetic energy storage (SMES) based on wide area synchronized phasor measurement units (PMUs) for stabilization of inter-area oscillation. The structure of active and reactive power controllers of SMES is the first-order lead/lag compensator. Assuming multiple PMUs are located in an interconnected power system, the steady state phasor data are obtained by applying the small load perturbation. Using the phasor data, the simplified oscillation model (SOM) included with SMES power controllers can be identified and applied to estimate the dominant inter-area oscillation modes. In the robust control design, unstructured system uncertainties such as various operating conditions, system parameters variation, etc., are represented by the inverse additive perturbation and included in the SOM. To enhance the system robust stability margin, the optimization of SMES control parameters is solved by genetic algorithm in the SOM. Simulation studies in the West Japan 6-machine power system confirm that the robustness of the proposed SMES is much superior to the conventional SMES against various operating conditions and fault locations.     

电压型超导储能系统的统一直接功率控制方法

将PWM整流器的直接功率控制方法用于电压型超导储能系统的电压源型换流器，给出了新的开关矢量表，并提出了斩波器的直接功率控制方法。文中的电压源型换流器和斩波器的直接功率控制方法以有功功率为纽带，可对超导储能系统进行一体化的功率控制。仿真结果表明，该控制方法具有良好的控制性能，十分适用于电压型超导储能系统。     

超导储能技术在可再生能源中的应用与展望

超导储能系统直接将电磁能存储在超导磁体中,无须中间转换环节,具有响应速度快、功率密度高、效率高等优点,在可再生能源领域具有重要的应用价值。总结了超导储能系统在可再生能源领域的研究现状,将其在可再生能源应用的研究归纳为如下几个方面:解决可再生能源的波动性及其引发的频率稳定性问题,解决暂态功率失衡引发的电网稳定性问题,解决可再生能源发电设备的故障穿越问题,以及解决与其他超导电力装置协同控制问题。详细介绍了超导储能系统在这些方面应用的基本原理和实现方法,评估了其技术成熟度和经济性,介绍了其典型应用案例,指出影响其未来发展的核心关键技术,并对其未来的发展进行了展望。     

基于SMES的D-STATCOM提升配电网电能质量的研究

配电网位于电力系统终端,直接面向电力用户,因此由电气设备产生的电能质量问题将直接影响配电网的安全运行。为了解决配电网中存在的电能质量问题,本文提出了基于SMES的D-STATCOM组合结构,并提出了相应的控制及优化策略。基于SMES的D-STATCOM能对配电网中的有功、无功功率进行快速补偿,从而有效地控制系统频率和母线电压。通过改进的粒子群算法对基于SMES的D-STATCOM进行参数优化,可以使负荷母线电压、功率波动以及设备成本最小化。仿真结果表明,采用SMES作为储能装置的D-STATCOM较传统的D-STATCOM在配电网中能获得更好的电能质量指标。     

A robust centralized SMES controller design based on WAMS considering system and communication delay uncertainties

It is well known that the communication delay due to the phasor measurement in wide area monitoring system (WAMS) as well as various system operating conditions such as heavy line flows and unpredictable network structures, may deteriorate the wide-area stabilizing control effect. To overcome this problem, the inverse input and output multiplicative model is proposed to represent unstructured uncertainties due to system operations and communication delay in the robust centralized damping controller design of superconducting magnetic energy storage (SMES) based on WAMS. The structure of centralized controller for SMES is the practical 1st-order lead/lag compensator. To automatically tune the control parameters, the optimization problem based on the enhancement of damping performance and system robust stability margin is achieved by particle swarm optimization. Simulation studies in the West Japan six-area interconnected system confirm that the proposed robust SMES centralized controller is superior to the conventional SMES centralized controller in terms of damping performance and robustness against system and time delay uncertainties.     

超导储能蓄电池混合储能在风力发电中的应用

风力发电输出功率的波动性导致其直接并网会对电网带来不良影响,需要电力储能装置来提高并网性能,而常用的单一电池储能由于受到充放电次数的限制而易损坏。在建立用于平滑风电功率波动的超导储能和电池储能的混合储能模型基础上,设计超导储能用于平抑高频尖峰功率,电池储能用于平抑低频波动功率,并给出了两种储能装置的功率和容量确定方法。算例的仿真结果表明该方法同单一电池储能相比,可以有效地平抑风场并网的功率波动并减小电池的功率等级,减少电池的充放电次数和放电深度,从而延长了电池使用寿命。     

基于预测控制的微电网SMES系统涡流损耗抑制方法

针对传统PWM调制方法应用于超导磁场储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)系统中造成的涡流损耗问题,本文提出一种基于预测控制的微电网SMES系统涡流损耗抑制方法。首先,建立了SMES系统离散域预测模型,并以VSC网测电流和母线电容电压为状态变量,推导出了SMES系统的价值函数评估方法。进而,对比了PWM调制和预测控制时直流电流谐波分布规律,并对此时超导线圈中存在的涡流损耗加以评估。最后,基于50 k W样机对SMES系统预测控制方法的可行性进行验证分析,得出高幅值谐波分量将产生高涡流损耗的一般性关系,验证了预测控制方法较PWM调制在抑制涡流损耗特性方面的优越性。     

Design of a coordinated robust controller of SMES and blade pitch for smart‐grid power systems

This paper presents the design of a coordinated superconducting magnetic energy storage (SMES) and blade pitch controller (BPC) to stabilize the frequency in a smart‐grid power system. To compensate for such power variations, a SMES that is able to supply and absorb active power quickly can be applied to control the frequency fluctuation. The structure of the controller is that of a first‐order lead–lag compensator. The robustness of the controller is guaranteed by applying an inverse additive perturbation to represent possible unstructured uncertainties in the power system such as variation of system parameters, generating and loading conditions, etc. Genetic algorithm (GA) is applied to solve and achieve the control parameters. Simulation studies have been done to show the control effect and robustness of the proposed SMES and blade pitch in comparison with SMES & Pitch against various disturbances. © 2012 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.