SMES变流器控制策略的研究

四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究1SMES 变流器控制策略的研究专业： 电气工程及其自动化学生： 林晓冬 指导老师： 雷勇摘要 不可再生能源的过度使用造成了资源短缺、环境污染、改变地球环境的基本结构等诸多的危害。在强调可持续发展的今天，那些不可再生资源已经逐渐开始被新能源所取代。所以开发应用于新能源的储能技术，是保证国家电力可持续发展的一项战略性政策。由于超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage System, SMES)具有储能容量大、转换效率高、快速响应指令的性能，所以它可以和电网之间进行快速高效地功率交换。并且 SMES 在电力系统中的应用对提高电力系统稳定性，改善电能质量，发展新能源技术中都发挥着重要的作用。首先，文中概述了 SMES 在电力系统中的研究现状以及应用前景。通过与电流源型变流器进行详细的比较分析，最终选择了电压源型变流器作为基本的研究对象。其次，本文研究了基于坐标变换下的 SMES 电压源型变流器的数学模型与工作原理，为本文关于 SMES 控制策略的研究提供了理论依据。又深入研究了空间电压矢量调制方法，并以控制电流为目的研究了变流器及其斩波器的控制策略。其中变流器控制分别从双环 PI 控制、状态反馈控制两种控制策略进行了研究。斩波器建立了电流环与电压环，它们分别在磁体充电与放电的时候进行切换控制，以实现对电流的控制以及直流侧电压的稳定。然后，在基于电流控制的 SMES 变流器控制策略的研究基础上，改进并提出了一种以控制磁体与电网功率交换为目的的 SMES 变流器的控制策略。 SMES 变流器接收系统发出的功率指令，通过将磁体功率的标幺值转化为占空比进而控制斩波器 IGBT 管的开断状态，磁体进行相应的充放电，以实现直流侧电压的稳定以及 SMES 对系统功率指令的快速响应。最终，把本文建立的基于功率控制下的 SMES 用作抑制风光互补发电系统产生的功率波动。通过变流器与斩波器的协调控制，仿真实现了 SMES 与电力系统进行大小可控的、快速、双向的功率交换，并对假设的风光互补发电系统产生的功率波动有很好的平抑效果。本文的仿真模型都是通过 MATLAB/Simulink 进行搭建。仿真结果验证了本文设计的控制策略可以实现 SMES 与电力系统进行单位功率因数下快速、可控的功率交换。关键词 超导磁储能系统；电压源型变流器；斩波器；PI 控制；功率控制四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究2第一章 绪论1.1 研究背景与意义电力工业是我国的支柱产业，在国民经济中占据了非常重要的地位。最近，国家标准化体系建设发展规划印发，能源领域提出了要加强特高压及柔性直流输电、智能电网、微电网及分布式电源并网、电动汽车充电基础设施标准修订，研究大规模间歇式电源并网和储能技术等标准 1；通过国家制定标准化体系建设的规划，可以看出关于微电网、新能源并网是之后电网改造中重点发展的对象，而 SMES 在电力系统中的应用，恰好在其中有一个非常广阔的应用前景。在 2016 年 9 月即将于澳大利亚伍伦贡大学举行的电力系统技术国际会议(POWERCON 2016)上，也将以电网现代化的新兴趋势为背景，探讨微电网、智能电网、分布式发电技术在未来发展可持续的能源系统时所面临的问题与解决方案。自从 1911 年 Onnes 发现了某些物质在一定温度条件下，电阻降为零的特殊导电性能后 2，人们认识到将超导材料做成储能装置将会大大降低损耗，但是由于基本理论和材料上的种种困难，一直未得以实现。1969 年，Ferrier 提出了超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage System，简称 SMES)的构想 3，他设想利用 SMES 来平衡法国一天的日负荷变化，最终因造价太高并未实现，但是从此 SMES 进入了人们的视线，来解决电力需求变化的各种问题。随着我国工业水平的提高，电能质量的要求变得越来越高。SMES 不但为电力系统充当了备用电源，而且还提高了电力系统的安全性、灵活性。电力电子技术以及高温超导储能技术的高速发展，为 SMES 的研究提供了非常大的帮助。关于 SMES 在电力系统中的应用，国内外已经做了相关的一些研究，但是进行 SMES 及其并网的基础研究还是非常有必要的，其中还有很多需要完善的地方。SMES 构成的装置，由于超导体的电阻为零，利用超导线 圈以电磁能的方式储存电能，能量储存时的损耗非常小，SMES 装置的利用效率高达 90%以上，且响应速度快(最快可达到毫秒级)，可构成大功率、大容量系统 4。由于其与电网的功率交换非常迅速，随着最近的电力电子技术飞速发展，通过电力电子器件与技术的支持，SMES 能同时与系统独立地进行四象限的有功、无功的功率交换。在国外的实验中，已经证实了其快速响应以及独立地于四象限内调节功率的能力。其后人们开始进行其对于提高电能质量的研究例如电压暂降和突然停电等，发现了它对提高电力系统稳定，提升输电能力以及改善电能质量有着非常重要的作用。作为超导储能磁体与电网的能量转换的关键，SMES 变流器可以实现储能磁体与电力系统进行有功与无功功率的交换。为了使其高效运行，变流器设计与控制策略是非常关键的。所以 SMES 并网的研究中，主要就是通过对 SMES 变流器的控制来提高电力系统运四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究3行的稳定与可靠性。将超导储能系统作为一个直流电源与变流器相结合，与普通的直流电源与变流器的研究有一定的区别，因为超导磁体的参数对变流器的运行有一定的影响。那么通过将超导磁体的特性与变流器组合为 SMES，进行协调的控制，具有很强的研究意义与研究价值。1.2 超导磁储能系统的概述在电力系统中不断接入新能源，意味着能源的储存技术的使用将对系统稳定和电能质量有着越来越重要的应用。目前存在有一系列的能源储存技术，如超导磁储能(SMES)、压缩空气储能(CAES)、流体电池、飞轮储能系统、抽水蓄能系统、超级电容器等 5。直流电流通过超导线圈，以电磁场的形式储存能量于超导磁储能系统。超导磁储能系统有各种功率等级，由于它非常短的反应时间，超导磁储能系统最适合用于改善电能质量和电力系统的暂态稳定。表 1-1 几种常见储能方式的性能比较 6存储设备 密度(Wh/kg)效率(%)反应时间 资本成本(/kW)寿命(年)优点 缺点超级电容器0.1-5 85-90 秒-小时 1400-7000 30-40 寿命长，效率高低能量密度，有毒化合物压缩空气储能- 50-75 小时-日 2800 30 容量大，单位容量成本相对较低技术不成熟飞轮储能 30-100 30-90 秒-分钟 21k-70k 20-30 高功率 低能量密度抽水蓄能 - 60-80 小时-日 980-4900 40 容量大，单位容量成本低影响野生动植物和水位铅酸蓄电池储能24-45 60-80 分-小时 350-2500 2-10 成本低 铅需要回收超导磁储能- 97-98 毫秒-分钟 2500 40 高功率 现阶段成本较高从表 1-1 可以看出，SMES 具有以下的优点：(1) 转换效率高。SMES 通过超导磁体以电磁能的形式与电网进行能量交换，转换效率稳定在 97%-98%。(2) 响应速度快。SMES 通过变流器与电网连接，响应速度最快可达到毫秒级。(3) 大功率，大容量，低损耗。和常规的电感线圈相比，超导线圈有更高的平均电流密度，可以有很高的能量密度，运行在超导状态下没有直流的焦耳损耗。四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究4(4) 可持续发展的条件容易满足。建造地点可以任选，维护成本低，对环境的污染很小。1.2.1 SMES 在电力系统中的主要应用SMES 在电力系统中的应用涉及到了电力系统的稳定性、改善电能质量、作为系统的备用的研究等问题。(1) 提高电力系统稳定性并抑制电网的低频振荡。电力系统的电压稳定性从时间上来划分，分为了短期电压稳定和中长期电压稳定。其中，中长期电压稳定性与有载调压变压器、发电机的限制、静态负荷特性等作用因素有关。而短期电压是否稳定是与动态负荷和电力电子设备的作用时间等因素有关 7。而应对短期电压稳定性的问题，必须要有快速响应的控制设备。低频振荡是由于在特定情况下系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机、励磁绕组和机械等所产生的正绕组，在欠阻尼的情况下，扰动逐渐被放大，引起系统功率的振荡 8。而利用 SMES 与 FACTS(柔性交流输电设备)相结合进行控制 9，可以改善阻尼系统的振荡，从而改进电力系统的稳定性。(2) 改善电能质量 10。电能质量问题中最严重的是电压骤降，SMES 通过其快速的响应速度(ms 级)，与电力系统进行快速平滑的功率交换，平衡负荷的波动。(3) 作为电力系统的备用容量 11。系统备用容量的大小既是一个安全问题，也是一个经济问题。备用容量过大使利用效率低，备用容量过小会使系统发生故障时不能快速地恢复供电。考虑这些因素后，适当容量的 SMES 就可以作为备用容量提高系统的安全稳定运行水平。(4) 用于微网和新能源发电 11。微网和新能源发电技术是国家最近主导的能源战略发展方向。但由于新能源中很多是可再生能源，它们具有间歇性、不稳定性以及不可调控性。这些都特性导致了可再生能源的并网与消纳存在一定的困难。所以国家大力推进先进、高效、低成本的可再生能源发电技术。SMES 能够平滑快速地调节新能源发电系统的输出功率，即通过控制 SMES 的输出功率的大小和方向，就可以间接地控制并网功率在一定范围内变化，从而达到调节这些新能源发电的功率输出的目的。1.2.2 超导磁储能系统的结构超导磁储能系统，首先于 1969 年，由法国 Ferrier 提出，他将 SMES 作为一种削峰填谷，平衡日负荷曲线的装置。SMES 通过利用超导磁体储存电磁能，需要时再将能量通过一系列装置返回电网或负载。超导磁体中储存的能量 W 由式(1-1)所示：四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究5(1-1)W=12LI2式(1-1)中 L 为磁体的电感值； I 为磁体中的电流值。SMES 是由超导磁体、功率调节系统即变流器、低温冷却系统、磁体失超保护系统、监控系统等装置组成 11，12 ，具体如图 1-1 所示。其中与电力系统相连的变压器只是为了选择适当的电压水平而不是必要组成部分。SMES 根据其变流器的不同，还可以分为电流源型变流器(Current source converter，简称 CSC)和电压源型变流器(Voltage source converter，简称 VSC)。图 1-1 SMES 的构成A. 超导磁体超导磁体作为 SMES 的核心之一，它可以利用功率调节系统中的变流器将储存在磁体内的电磁能转化为电能，从而实现能量的转化。超导磁体按线圈结构大致可以分为三类：螺管磁体、环形磁体和多极磁体。其中多极磁体多应用于需要特殊磁场位形的特殊装置中。按照螺管数量可以分为单螺管型和多螺管型磁体。用于储存能量的多为环形磁体和螺管磁体。单螺管型磁体虽然具有材料利用率高，储能密度大等优点，但是杂散磁场较大；多螺管型磁体可以降低杂散磁场，但是储能效率较低；环形磁体外部杂散磁场较小，适合制作大型磁体。B. 低温冷却系统低温冷却系统使超导磁体运行在超导态得到保障。最简单的冷却方式是将磁体直接浸泡在冷却液体里面。低温超导体一般采用液氦(4.2K)冷却，Y 系高温超导体用液氮冷却。高温超导材料的优势就在于不需要使用液氦(4.2K)来进行冷却，只需要使用液氮，就可以提供更大的电流密度，不仅减少制冷成本而且还提高了系统的工作效率。C. 功率调节系统功率调节系统，控制着超导磁体与电网之间双向的功率流动，是整个 SMES 功能实现的关键。这里的功率调节系统就是指带有全控型开关器件的 PWM 变流器。四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究6SMES 变流器可以在功率的四个象限内快速响应功率的需求，进行有功与无功的功率吞吐。并且通过 PWM 的控制方式，减小了交流侧的低次谐波含量。目前 SMES 用功率调节变流器的基本拓扑结构有：电流源型变流器和电压源型变流器两种，结构如图 1-211。图 1-2 两种变流器的结构拓扑图设电源电压 ，交流侧输出电流 ，交流侧电流 的幅值相位可控。=0 = 如图 1-3 所示，根据 的控制，可以实现系统与变流器四象限内的功率交换。图 1-3 四象限功率交换图第一、二象限内，电流超前于电压，变流器呈电容性；第三、四象限内，电压超前于电流，变流器呈电抗性。功率交换可以分为以下的 8 种情况：(1) 当 时，变流器呈正电阻性，吸收有功功率。=0(2) 当 时，变流器呈正电阻与电容的特性，变流器从系统吸收有功功率，并090发出感性无功功率即吸收容性无功功率。(3) 当 时，变流器呈纯电容的特性，向系统发出感性无功功率。=90(4) 当 时，变流器呈负电阻与电容的特性，变流器向系统发出有功功率，90180并发出感性无功功率即吸收容性无功功率。(5) 当 时，变流器呈负电阻的特性，向系统发出有功功率。=180(6) 当 时，变流器呈负电阻与电抗的特性，变流器向系统发出有功功率，180270四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究7并发出容性无功功率即吸收感性无功功率。(7) 当 时，变流器呈纯电抗的特性，向系统发出容性无功功率。=270(8) 当 时，变流器呈正电阻与电抗的特性，变流器从系统吸收有功功率，270360并发出容性无功功率即吸收感性无功功率。D. 监控系统监控系统是 SMES 中不可或缺的组成部分，它由信号采集器和控制器组成。信号采集器从系统中提取系统与 SMES 之间吸收与释放功率、电压电流等信息；控制器根据信号采集器所得到的信息来判断与控制电力系统的运行状况，通过变流器与斩波器的控制环节对超导磁体的充放电进行控制。 E. 磁体失超保护系统磁体的失超即为超导磁体由于某些原因的影响从超导态变为了正常态。由于超导磁体具临界温度、临界磁场和临界电流密度这三种临界值，当这三种的任意一种的数值超过了临界值，超导磁体都会失超。当超导磁体发生失超现象时，超导磁体的内阻增大，电流以及电压都会发生非常大的变化，磁体甚至可能发生绕组的绝缘击穿。在失超的过程中，磁体所释放出的能量会使磁体部分温度升高，破坏内部的结构。所以，失超保护要做的就是当磁体处于失超状态时，要将磁体中的电流释放到外界消耗掉，防止对磁体造成损害。因此，磁体的失超保护对磁体的安全可靠性有着非常重要的作用。1.3 超导磁储能系统在国内外应用于电力系统的研究现状1.3.1 国外的研究现状在 1969 年，法国科学家 Ferrier 首先提出了将 SMES 作为一种削峰填谷的手段，用来减小峰谷差平衡日负荷曲线 2。在电力系统运行时中，负荷曲线的绘制对电力系统的经济运行有非常重要的作用。下图 1-4 为电力系统日负荷曲线的示意图。调度部门每天要绘制出第二天的日负荷曲线，根据日负荷曲线安排发电厂的日发电计划。在电力系统的输电、配电环节，肯定会产生相关的损耗，而这些损耗分为了固定损耗与可变损耗 13。固定损耗主要是来自于输电与配电变压器的铁损；可变损耗则主要是指输电与配电变压器的铜损以及输电线路上的电阻所产生的损耗，由于这些损耗的大小与负荷或电流的平方有关，所以是可变的。四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究84 8 12 16 20 24102030405060t/hP/MWPminPmax图 1-4 电力系统的日负荷曲线有研究证明了在相同供电量的情况下日负荷曲线越平坦，可变损耗越小 13，14 。所以采用削峰填谷的措施，负荷曲线变得更平坦对降低电力系统的可变损耗有积极的意义。负荷曲线中的峰谷差的增加代表了负荷率的降低，由于电力设备的容量都是按最大负荷进行设计的，所以负荷率的降低会使电力设备的容量不能得到充分的利用。为了防止电力设备的利用率变低，就可以通过减少负荷曲线的峰谷差来避免对电力设备容量的浪费，那么也就减少了电力设备的投资 14。同样的，减少峰谷差即减少了负荷功率的波动，电网的负荷波动小意味着削峰填谷对提高电力系统的稳定性也有着重要的作用。(1) 美国的研究现状1971 年，美国威斯康星大学的 Boom 和 Peterson 把超导电感线圈和三相 AC/DC 格里茨桥路组合成了一种新型的储能系统，并将其接入电力系统进行了分析。发现这种储能装置具备快速响应的特性，并且对于抑制远距离交流输电时发生的低频振荡非常有效 15。80 年代初期，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室与博纳维尔电力公司(BPA)合作研制了一台 30MJ/10MW 的 SMES，这是第一次建成大容量的超导磁储能系统，合作团队将这台SMES 安装在华盛顿塔科马(Tacoma)变电站，实验证明了 SMES 的投入成功抑制了太平洋西北地区到南加利福利亚州的 1500km 双回路 500kv 交流输电线路上出现的低频 0.35Hz 的功率振荡，提高了电网运行的稳定性能 16。而后成功研制的 1MWh/500MW 示范样机，安装在了加利福尼亚州布莱斯，将南加里福尼亚输电线路的负荷传输极限提高了近 8%。2003 年以前，由于美国电网经常会发生停电事故，所以认为美国电网的可靠性出现了风险。美国能源部对其电网进行了评估，并提出了“Grid 2030”计划 17。计划中提出了使电力传输系统现代化的规划，在现有电网结构上，将超导技术等先进新型技术应用于电力网中，可以有效地提高输电能力与电能质量。智能电网成为了美国未来建设现代化电网的主流方向。(2) 日本的研究现状1986 年，超导磁储能系统的研究协会在日本成立，其任务是促进 SMES 在实际电力系统当中的应用 18。由于发电机出力变化也会对电网带来影响，在 1991 年，日本九州电力公司在一台 60kW 的水力发电机上安装了一台储能 30kJ 的 SMES，实验证明了 SMES 对改善四川大学本科毕业论文 SMES 变流器控制策略的研究9发电机稳定性有着较好的效果 19。接着又相继设计了 1kWh/1MW、100kWh/20MW 级的SMES。2004 年，日本的研究人员通过应用 15MWh 的超导磁储能系统于 100MW 风力发电厂，提高了系统的稳定性。从上世纪 90 年代开始，超导磁储能系统的研究已经成为了日本电力系统的国家重点发展项目，该项目由日本资源能源厅制定。1991 年，由政府、工业生产界、学术界开始合作研究 SMES。整个项目分为了三个阶段：在第一阶段，重点是发展基础技术如超导线圈和直流断路器，用于开发多用途的超导磁储能系统；在第二阶段即从 1999 年开始，设计研究功率为 100MW 级的 SMES，研制成功后通过实验证实了该 SMES 具有负荷波动补偿、频率控制、提升电力系统稳定性的作用；第三阶段即 2004 年至 2007 年，目标是研制完成低成本、大电流的变流器。在变流器研制成功后对其进行了测试，与带有 20MJ 超导线圈组成 SMES，并将该 SMES 与实际的电力系统并网，在连续的操作下完成了负载波动补偿的测试以及电力系统稳定性的测试，取得了良好效果 20。1.3.2 国内的研究现状中国未来电网预计在 2030 年，实现西电东送、南北互供、全国联网的新格局。那时，我国就将形成世界上超大规模的复杂电网之一。但是随着电网规模的增加，一些局部地区的扰动例如远距离重负荷的输电线路上就容易发生功率振荡，若调整不及时不到位，则会影响整个电网的正常运行。电网的规模增加导致了电网中各个子网的暂态稳定性减弱，输电线路的输送功率极限较联网之前会有所下降。在系统中出现低频振荡时，暂态不平衡功率跨区域传播，整个互联电网的阻尼明显下降，若功率振荡幅值继续增大，则系统的稳定性遭到破坏，发生解列。截至 2005 年，我国基本形成了东北 华北 华中、华东、南方、西北四个同步电网，其中华北华中互联电网形成初期，系统中存在 0.13Hz左右的低频振荡，阻尼很弱，不能发挥预期作用，影响系统的安全稳定运行 21,22。SMES 可以作为一种独立的有功功率源,可以快速补偿系统的不平衡功率。投入 SMES也可以改善系统的阻尼特性，国内有研究表明将 SMES 引入到静止同步无功补偿器结合为STATCOM-SMES 的组合补偿器对抑制电力系统出现的低频振荡、电压波动有积极的作用9，23 。因为新能源不断地接入电网，使得电力系统的网络结构更加复杂。以前单一的无功补偿装置就无法在补偿无功功率并提高电压稳定性的同时满足线路的传输能力与系统的暂态稳定性的等等要求。所以在 STATCOM-SMES 的组合补偿器的安装地点和容量方面还需要进行一定的优化。常用的