（电力系统及其自动化专业论文）超导磁储能装置smes的建模与动态特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 焉磊蠢贯一一 f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s ) ，b a s e d o nt h e p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y i so u eo f t h em o s t a c t i v er e s e a r c ha s p e c t si nt h es t u d yo f p o w e rs y s t e m s w i t h t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s ) a n dc o n t i n u o u s p r o g r e s so fl o wt e m p e r a t u r ee n g i n e e r i n g ，a p p l i c a t i o n o fs u p e r c o n d u c t i n gi np o w e r s y s t e m si sb e c o m i n go n eo f t h em o s ta t t r a c t i v et o p i c s a st h er e v o l u t i o n a r yc o m b i n a t i o n o ft h e s et w o t e c h n o l o g i e s ，s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g eu n i t ( s m e s ) i s t h e s t u d i e do b j e c to f t h e p r e s e n t t h e s i s f i r s t l y , t h i st h e s i sp r e s e n t st h es i g n i f i c a n c eo fa p p l y i n gs m e s ，e s p e c i a l l yf o rp o w e r s y s t e m so f o u rc o u n t r y t h es t u d ya c h i e v e m e n t so fs m e si nv a r i o u sc o u n t r i e sa r ea l s o o v e r v i e w e db a s e do nt h er e c e n tp u b l i c a t i o n s t h e n t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fas i x - p u l s ec u r r e n ts o u r c ec o n v e r t ( c s c ) a n da s i x p u l s ev o l t a g es o u r c ec o n v e r t ( v s c ) b a s e d s m e sa r ea n a l y z e di nd e t m l at i m e d o m a i ns i m u l a t i o nm o d e lf o rat h r e e - p h a s es i x - p u l s ec s cb a s e ds m e si sb u i l tw i t i la d i g i t a ls i m u l a t i o n t o o lp s bf p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ) i nt h ee n v i r o n m e n to f m a t l a b a f t e r w a r d t h er e l a t i o n s h i po f t h e p o w e r f a c t o ro f t h es m e su s e di np o w e rs y s t e ma s af u n c t i o no ft h et r i g g i n gf i r i n ga n g l ea n dt r i g g i n gp u l s ew i d t hi sd e r i v e df r o mt h ed i g i t a l s i m u l a t i o n e x t e n s i v ed i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eo b t a i n e d r e s u l ta n dt h ea b i l i t yo ft h es m e si nc o n t r o l l i n gt h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e ro ft h e p o w e rs y s t e m i na d d i t i o n ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n sa r ea l s op e r f o r m e dt od e m o n s t r a t et h er e s p o n s e o ft h ep o w e r c o n d i t i o n i n gs y s t e m ( p c s ) a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t i o no f t r a n s i e n ta n d m e a n p o w e rr e s p e c t i v e l y t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ea l s ov e r i f i e dt h a ts m e s c a n b em o d e l e d 船a c t i v ea n dr e a c t i v es o u r c e sw i t ha d e l a yr e p r e s e n t e db y t h ef i r s to r d e r 如e l a g s ，w h i c hi s f a s t e n o u g ht od a m pv a r i o u sp o w e rs w i n g si np o w e rs y s t e m s a f t e r o b t a i n i n gt h er e l a t i o n sa m o n gs e v e r a lp e r f o t m m a c e sa n ds m e sp a r a m e t e r s ，as e r i e so f s c h e m e sa n dc o n c l u s i o na r ep r e s e n t e d f i n a l l y , t h ee f f e c t i v e n e s sa n da b i l l t yo ft h es m e st oe n h a n c es t a b i l i t yf o rp o w e r s y s t e mi st e s t i f i e di nf a r - g o i n gr a n g eb yt h ed i g i t a ls i m u l a t i o nb a s e do nas i n g l e - m a c h i n e i n f i n i t e _ b u ss y s t e mw i t hs m e si nt h ee n v i r o n m e n to f m a t l a b ，s i m u l i i l l 【e x p e r i m e n t r e s u l t sv e r i f i e dt h ec o n c l u s i o no b t a i n e d k e y w o r d s ：s m e s ，c o n v e r t e r ，p c s ，m a t l a b p s b ，t i m ed o m a i nm o d e l ，d i g i t a l s i m u l a t i o n ，d y n a m i cs i m u l a t e de x p e r i m e n t 一一一一 华r i ，矛 技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1现代电力系统面临的问题 随着科学的进步和发展，现代工业、商业及居民用户的用电设备对供电质量提 出了更高的要求，而且，随着电力系统容量的不断增加，超大规模电力网络的形成， 长距离大容量输电不可避免，系统的安全稳定运行问题也变得更加突出。同时，电 力市场的形成对于电力卖买双方都会提出新的要求。所有这一切都迫切需要以高投 资效益比的途径来发展我国的电力事业，达到“充分、可靠、优质、经济”地发、 输、配、用电。 为了满足国民经济发展的需要，我国现在的电力系统正以每年新增1 0 0 0 多万 千瓦以上的装机容量发展着，其中单机容量在3 0 万千瓦以上的机组占一半以上， 同时为了提高电力系统的输电能力，我国的电网也正在向超高压、远距离、大容量 的方向飞速发展。 现代电力系统已具有大机组、大容量、超高压、远距离、重负荷、交直流联合 输电和新型负荷等特点，但另一方面现代电力系统也面临着如下问题： 首先，由于电子技术的飞速发展，以计算机为主体的信息网络已在我国逐步形 成，并将在我国的社会生活中起到越来越重要的作用。因为各种电子设备对电源的 可靠性和电压的稳定性的需求很高，现代社会将对电力系统的供电质量提出更高的 要求。不用说停电，即使是电压的瞬时下降或频率的不稳定都会影响到计算机的正 常运行，甚至造成巨大的经济损失。所以提高电力系统的稳定性、可靠性和供电质 量的重要性r 益突出。 其次，随着社会的发展，电力已成为生产和生活中必不可少的能源。在人们消 费的能源中，电力的比重越来越高。从1 9 9 0 年到1 9 9 8 年，我国的发电量平均每年 增长l l 以此增长速度计算，到2 0 1 0 年，我国装机容量将达到5 5 亿k w ，但 是网损功率也将高达4 6 7 5 万千瓦，超过两个半三峡电站的容量! 因此，降低网损， 不仅会带来巨大的经济效益，也对保护环境、节省资源具有相当重大的意义。 再次，为了保护环境和节省资源，太阳能发电、风力发电等新的发电方式已受 到广泛地关注，但是这些发电方式的密度小，且发电时间受自然条件的变化限制， 不一定能满足负荷的要求。因此，只有在技术上有新的突破才能使这些分散的电力 得到更充分地利用。 在二十一世纪，电力工业的主要发展方向是解决供电、用电的市场管制，这将 使得电力市场的竞争空前激烈。同时，由于一系列的社会、环境与经济困难，限制 了新的发电厂和输电线的建设，使得电力系统在二十一世纪的主要研究方向是：如 华中科技大学硕士学位论文 何最人限度地提高l 乜力设侨的利丌j 牢。 i 2f a c t s 的提出和研究意义 随着l 乜j i 乜于技术、计算机技术、控制技术的不断进步，电力工业也注入了新 的内容，其中个重人的成就就足柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，简称f a c t s ) 的提 ；和应用。f a c t s 足电力电子技术与电力 ：业交叉的 新兴学科方向。其卜要内容是在现代交流输电系统的基础i ：，应日电力电予技术和 现代控制理论，实现对交流输电系统参数以及网络结构的灵活快速控制。利用它可 以在很大程度j i 简化电网的复杂程度，并能够很好地控制电网的潮流；增加网络的 输送能力，使电网主干线或联络线不受常规的稳定约束；避免并联运行线路的过负 荷：提高电力系统的静态和暂态稳定性1 。 荚旧的t l i n g o r a n i 博 j 于】9 8 6 年首次提出了f a c t s 概念”。f a c t s 经提出 就受到了1 址界行围的重视和关注，并被国内外权威性的输电技术研究者和工作组确 定为“观代电力系统r 1 1 具有变革性影响的前沿性课题之一”，它为解决现代电力系 统i h 1 l 角的问题提供了一种有效的途径和方法。 自从f a c s 概念提出以来，f a c t s 控制器的种类得到了极大的扩充，已丌发 干i i 7 f ：研制的f a c t s 控制器有： 】j f ：联接入r n 力系统的f a c t s 装霄： a 莆i 【i 池储能系统b e s s ( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ) ： b 超导磁储能装置s m e s ( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ) ： c 静【l ：无功补偿器s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) ： d 新型静止无功发生器a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) ，又称静：同 步补偿器s t a t c o m 、静l l 无功发生器s v g 、静止调相器s t a t c o n ： e 可控硅控制制动电阻t c b r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e db r e a kr e s i s t a n c e ) ： f - j 1 控硅控制电抗器t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t a n c e ) ： g 可控硅丌关电抗器t s r ( t h y r i s t o rs w i t c hr e a c t a n c e ) ； h 可控硅丌关电容器t s c ( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) ： ， i 无功补偿系统v c s ( v a rc o m p e n s a t i o ns y s t e m ) ： 2 串联接入电力系统的f a c t s 装置： a 静止同步串联补偿器s s s c ( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ) ，又称串 联潮流控制器s p f c ( s e r i e sp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) ： b 可控硅串联电容器t c s c ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) ： c 可控硅控制串联电抗器t c s r ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o r ) ： d 可控硅丌关串联电容器t s s c ( t h y r i s t o r s w i t c hs e r i e sc a p a c i t o r ) ： e 可控硅丌关串联电抗器t s s r ( t h y r i s t o r s w i t c hs e r i e sr e a c t a n e e ) ： 3 f jj 联接入电力系统的f a c t s 装蔑： 华中科技大学硕士学位论文 a 相问潮流控制器i p c ( i n t e r p h a s ep o w e rc o n t r o l l e r ) ； b 可控硅控制移相器f c p s t ( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dp h a s es h i f t i n gt r a n s f o r m e r ) ； c 统一潮流控制器u p f c ( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) ： 4 其他： a 可控硅控制电瓜限制器t c v l t 0 4 o ( r r h y r i s t o rc o n t r o l l e dv o l t a g el i m i t e r ) ： b 故障电流限制器f c l ( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) c 同态断路器s s c b ( s o l i ds t a t ec i r c u i tb r e a k e r ) ； d 转移静止补偿器c s c l ( c o n v e r t i b l es t a t i cc o m p e n s a t o r ) ； e 电压源矩阵换流器p l ( v o l t a g es o u r c em a t r i xc o n v e r t e r ) ； f a c t s 可实现对交流输电系统的灵活控制，解决当前困扰电力系统发展的各种 难题，l j 传统的输l 乜系统栩比，f a c t s 的主要用途有1 6 l ： 1 挖掘现有输电网络的传输能力，与传统输电系统的“升压”方法相对应，提 供了个“升流”的途径。 2 对系统电气参数如电眍、电流、相角进行灵活的控制，提高线路的输送能 力，改善系统的静态稳定和动态稳定性。 3 通过增强网络州的联络，减少冷热备用，提高经济效益；控制给定线路上 的功牢使网损减小，满足经济运行的要求。 4 限制jj ：设得故障引起的连锁反应，控制事故的范围以减少故障导致大面 积停电的可能性。 5 实现两个不同频率系统的互联，以及非同步系统互联。 6 为电力市场的发展提供技术支持，保证通道的_ 丌：放，为用户使用更便宜的 电力创造条件。 1 1 此可见f a c t s 对j ：解决当前电力系统面临的问题具有重大意义。 1 3 超导磁储能装置的提出与研究意义 1 9 1 1 每昂尼斯( o n n e s ) 1 7 1 发现低温超导现缘后，人们首先认识到的是它作为储能 装胃的优点；但由于在基本理论，材料和技术上的困难，多年来未能付之于实用。 s m e s 在电力系统中的应用首先是作为一种平衡电力负荷的装置提出的l ”i i 儿i ”。1 9 6 9 年，f e r r i e r 构想用一个很大的超导磁储能装置来平衡法国电力系统中的f 1 负荷变化 1 8 1 。当时，预计核电将大量用于电力系统，其特点是要求其功率输出在数月乃至数 年内保持恒定。研究高效的储能装置以解决日电力需求变化所带来的困难成为人们 关注的热点。在s m e s 中，由于超导磁体电阻为零，能量储存时的损耗极小，s m e s 的效率可达9 0 以上，比抽水储能、飞轮储能和蓄电池储能的效率高得多：同时， s m e s 与电网的功率交换非常迅速。随着高温超导线材的不断刃：发和研制，s m e s 华中科技大学硕士学位论文 的研究意义同益重大起来。 作为国家的支柱产、阮电力是最主要的二次能源，在工业时代和信息时代q ， 发挥着不可替代的作用，是社会生产的最重要、最必需的能源；然而，一直以来， 现代电力系统存在着一些同有的问题。s m e s 作为一种新型的f a c t s 装置对于解 决l ：述问题有其得天独厚的优势： 首先，现代电力系统在安全稳定运行方而存在明显缺陷，原因在于系统巾缺乏 能够人最快速存、取电能的器件，致使系统中电能的发、输、配、用只能维持相对 的基本、r 衡。一旦系统发生扰动，极易引发系统的机电功率失衡，严重时甚至 导致系统崩溃这种灾难性的后果。 我国幅员辽阔，电力资源分布很不平衡。水电多分布于西南，火电多分布于华 北、两北，而重负荷区又大都集中在发达的东部沿海。所以长距离的西电东送成为 我国电力格局的特点。而即将形成的以三峡等超犬容量电站为中心的全国统一大电 网则是我国电力格局的又特点。这些更使得提高我国电力系统的可靠性和稳定性 成了重要而紧迫的课题。 长期以来，传统电力系统的致稳保护措施主要依赖于机组的惯性储能、继电保 护和其它自动控制装霞，基本属于被动致稳，已远不能适应具有上述特点的我国电 力系统的发展。而仅仅靠发展稳定性控制理论这种软件办法是很难从根本上克服电 力系统所固有的缺陷的。 超导磁储能装置s m e s 的稳定控制作用能使系统的稳定储备和相应的容许输电 ( 如i j i i 电东送) 容量提高，抑制次同步谐振s s r ( s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e ) 、次 同步振荡s s o ( s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n ) 。同时，中小型s m e s 还具有灵活调节 有功、无功功率，改善功率因素，稳定电网周波，控制电压波动，保证重要用户不 问断供电等多种功能，从而将大大提高系统的供电品质。若在现代电力系统中引入 基于t 仁小型( 储能1 0 1 0 0 0 m j ) s m e s 的快速响应容量的概念。在系统合适部位 设胃s m e s 并通过现代电力电子型变流器与系统接口，组成既能储存电能( 整流方 式) 又能取 i 电能( 逆变方式) 的快速响应器件。正常运行时改善系统供电品质， 事故扰动时保证系统稳定，就能很好地解决我国现代电力系统的这个弊端。 其次，现代电力系统的效率由于受以铜、铝为基本导电物质的限制，已很难有 较大提高。以铜耗为例，我国电网损耗功率约占整个发电量的8 5 。按9 7 年2 亿 k w 发电容量讨。算，网损功率已达1 7 0 0 万k w 。如果在占网损比例较大城市配电 网f ：实现超导化( 高温超导) ，即采用大电流超导直流配电网取代一直沿用的包括 1 1 j 伏在内的商压交流配电网，并利用s m e s 等f a c t s 器件调控电网潮流。这样， 就能犬火减少网损。 华中科技大学硕士学位论文 再次，| l 瑚l 前述， l j 于s m e s 的储能特性使其能起平衡电力负荷的作用：f 因 为此，s m e s 还川弥补太阳能发f 乜、风力发电等新的发电方式的固有缺陷( 能量密 度小，h 发电的r r , t 1 j 受自然的变化的限制而不一定与负荷要求一致) 。至于未来的 大型s m e s 更是电力系统理想的( 商效、快速、沽净) 调峰容量。军事上，s m e s 还是保证军事指挥控制系统刁i 问断供电的紧急备用电源，如美国的战略防御计划就 是采用s m e s 方案。 最后，随着城乡电网的发展，全国统一大电网的形成，作为系统重要部件的断 蹄器将而临j r 断容量f ”霞f i 足的问题。而长期以来国产丌关一直是制约我国机电行 、i k 的薄弱环节。如若全面更换，不仅投资巨大，且很大一部分断路器要靠进口。如 果发展超导限流丌关s f c l ( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) ，不仅可以解决 ) r 关木身的问题，且山于其所具有的限流特性，必将大大降低对系统的大量电器的 电动稳定和热稳定的技术指标要求，带来的经济效益是非常巨大的。至于其它超导 f t ! _ 力设备如超导变压器、超导发电机、超导电动机等，也将随着高温超导的进展而 走阿实用化。 超导磁储能装置( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，简称s m e s ) 以具 有低损耗性、巨大储能容量和快速响应能力的超导电感磁体为储能器件，并通过灵 活迅速的现代电力电予型变流器与电力系统接口。它不仅能自由地进行无功功率的 凋竹，更重要的是，能同时独立四象限地进行有功功率和无功功率的调控，因而可 以胜仟改善供电质量、提高系统容量和稳定性等诸多控制任务的。而这些是各种传 统意义上的f a c t s 装置所不能媲美的。 由此可见，对于以上现代电力系统固有的问题，如若使用超导电气技术，特别 足超导磁储能装置，将能很好地解决。近l o 年来，超导科学与材料技术的长足进 步。这些使超导技术的应用，尤其是在电力方面的应用，具有了更高的可行性 。 据美国、l 二 本等国的调查研究机构预测，到2 0 1 0 年，新兴的超导产业将发展到超 过2 , 5 0 亿美元的市场，其中在电力中为7 5 亿美元，占3 0 ；到2 0 2 0 年将达到7 0 0 亿美元；在2 0 1 5 年左右，几乎各种超导电力产品都可到商业化水平。在超导的电 力应用中，s m e s 技术上相对简单，又具有诱人的应用前景2 i ，是超导电力应用的 选课题之一1 1 3 , 1 4 1 。 1 4 课题的来源 在我国，虽然超导材料和理论的研究较多且达到国际领先水平，但是超导电力 应， j 方面几乎仍为空白。同时，由于超导电气技术，特别是超导磁储能装置具有重 一一 5 华中科技大学硕士学位论文 大的理论价值和工程实用价值，应用研究已经刻不容缓、势在必行。 本课题研究1 f 是在这一背景下展丌的，是华中科技大学欲申请国家8 6 3 和9 7 3 计划国家重点基础研究发展规划项目超导电气及相关电力电力新技术研究中的 个子课题。本课题的研究经费现由我校超导电力中心2 1 1 工程建设基金提供和资 助，1 j 要hj ：文献调研、软件仿真和动模实验。实验设备为一台5 0 k j 1 0 k w 微型s m e s 样机和电力系统动模实验窀的发电机、变压器、线路、负荷等配套设备。 1 5 本论文的主要工作及章节安排 根据功能模块的划分，s m e s 主要包括超导磁体部分、变流器部分、制冷部分、 失超保护部分和控制部分( 见图1 1 ) 。其中，s m e s 系统很关键的一部分就是功率 调控系统( p o w e r c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，简称p c s ) 。 可科h 嘲 h 爆 嘲托讲0 mp 嘲r 咖m i 到1 - 1s m e s 的功能模块图 山于，s m e s 系统与其它f a c t s 装置最大的区别在于其不仅能快速地与系统 进行无功的交换，而且可快速地与系统进行有功的交换，并且有功功率和无功功率 的调控可以独立分别进行；因此，在控制器设计的过程中最关键的是s m e s 系统 的控制策略是否能使s m e s 装置与电网良好地匹配，使s m e s 装置能最大限度地 改善电力系统的性能。由此可见，控制器和控制策略的好坏是影响s m e s 系统的性 能的关键。 由于电网中的故障类型很多，超导储能系统参与管理的方式也多种多样，无论 6 华中科技大学硕士学位论文 是计算模拟还是实际装置的并网实验，研究结果均表明，适当的储能对于改善各级 输u 网的助角稳定、频牢稳定以及电压稳定都是非常有效的。以往的研究一般都是 根据电网中所出现的某个或某一类故障规律，结合超导储能系统的工作特点提出 相成的解决措施，研究者比较注晕的是装置的拧制策略以及改善电网的效果，对超 导储能系统电路结构的研究相对较少。所以对s m e s 装置本身的结构和内在特性的 研究是非常有意义的。 l i i 丁g t o 、品闸管、：极管的瞬态跳变特性使s m e s 系统具有很强的非线性 特一m 而三相电流在s m e s 巾的流向是山s m e s 的p c s 系统的触发脉冲及其交流 n i l 电压一负决定的，因而控制器的关键是弄清楚s m e s 变流器中各个晶闸管的作 用和它的随触发脉冲的相角和触发脉宽的变化而变化的规律。只有弄清了这种规 律，- f 夺, h f l 器的设计j 能顺利地进行下去。另外，使s m e s 的容量( 本课题所用的微 型s m e s 容i l l ：为5 0 k j ) 与电网容最和参数相匹配来满足要达到的性能指标也是控 制器设计的要点。在此课题中，将就几种典型的指标( 适合于中小型s m e s ) 的参 数设计进行研究，以期得到有指导意义的结论。 在了解s m e s 系统p c s 结构和特性的基础上，对s m e s 系统控制策略的设计 j 是可行的。币如前而所述，l 于系统需要解决的问题较多，单个s m e s 装冒无法 i 司l i , j 解决所有这些问题。因此，s m e s 系统的控制策略必须根据需要控制目标来进 行设计。 例如：为增强系统稳定性、提高供电质量需要对交流系统的有功和无功进行数 据采集、处理和控制；而为了平街电网负荷啦线( 年、月、r ) 则需要采用另一种 控制方式：而结合长线中继开关站，设置s m e s 则需要关注线路的电压值。对于中 小型s m e s 为满足灵活调节有功、无功功率，提高系统的稳定性，改善功率因素， 稳定l 乜网周波，控制电压瞬时波动，保证重要用户不问断供电等多种功能，也需要 采用相应的控制策略。 研究资料显示，目前s m e s 系统所采用的控制策略各式各样，有传统的p i d ， 也有改进的变参数p i d ，而更多的是各种人工智能方法( f u z z y 、a i 、g a ) ；但是， 在s m e s 系统实验时，大多用的是p i d 控制方法。其原因是人工智能方法对s m e s 系统的控制存在或多或少的待改进之处，更重要的是人工智能没有在实际s m e s 系 统中运行的经验，可靠性不为人知，而p i d 控制有丰富的运行经验，较为可靠；因 此将p i d 控制研究透彻，对于实际装置的实现和并网实验也还是很有意义的。 当然，s m e s 系统的p i d 控制的实现也有其自身的困难。由于超导线圈是通过 电力电予变流装置与电网接口的，且电力电子器件的跳变特性使其组成的变流器的 精确数学模型难以建立，因而，用解析方法建立s m e s 系统暂态数学模型是难以实 华中科技大学硕士学位论文 现的。因此，在实际设计p i d 控制器的时候，p 1 d 控制参数均是通过大量仿真和实 验得的。神：此课题【1 1 ，准备建立s m e s 系统的稳态数学模型，并就用仿真和实验 数掘来建立s m e s 系统的暂态数学模型也进行研究工作，然后对其控制策略展开讨 论，以期对现场实验及今后的研究工作提出建设性意见和指导。 综上所述本课题主要对s m e s 系统进行基础性探索研究，研究工作集中在s m e s 理论分析、s m e s 装置仿真、s m e s 系统仿真与实验三个方面： i s m e s 结构和原理的分析 剥f 】前已有的s m e s 的结构及优缺点进行分析，对s m e s 的结构提出新的设 汁方案，例如对设计新的逆变器结构，采用多脉冲、多电平、p w m 的方案进行探 讨。并针对典型的s m e s 的结果进行详细的理论推导和分析。 2 s m e s 装置的仿真分析 s m e s 具有独立四象限有功功率和无功功率调控能力和快速响应特性，这在 众多文献中已经多次提到，然而s m e s 是如何实现独立四象限有功功率和无功功率 调控的? s m e s 的响应时f 刚到底是多少? 以及为什么能称其具有快速响应特性方面 的研究并不多见。出于s m e s 是一个非线性的装置，建立它的暂态模型是一个非常 困难的问题，又t ht - s m e s 在运行过程中，其逆变器的丌断过程复杂如果从网络 拓扑结构来分析，也无疑是一个很繁琐的问题。这罩，就利用现代数字计算机的强 大计算能力，选取一种典型结构的s m e s 通过仿真来分析为什么s m e s 具有上述两 大特性。同时，s m e s 工作机理看似简单，国外装嚣也已研制成功，然而，s m e s 在稳态过程中，特别是动态过程中，很多特性和设计指标与s 、i e s 各项参数关系并 没有文献报道，这些就使得我们自行研制实际的s m e s 装置面临着许多困难和考验。 s m e s 的设计指标和s m e s 参数之问的关系也就成为s m e s 装置仿真研究的重点之 3 s m e s 系统仿真与实验 在基于独立四象限有功功率和无功功率调控和快速响应两大特性的s m e s 装置 的应用中，特别研究了用于抑制电力系统振荡，改善电力系统的稳定性问题。为了 分析此特点，在前一部分弄清楚s m e s 装寅内部特性的基础上，先利用数字仿真的 办法分析了s m e s 抑制系统大、小扰动引起的低频振荡的效果，同时也对s m e s 的简单p i d 控制器的设计进行讨论，再以此为依据，进行s m e s 装置并网实验来 分析s m e s 抑制电力系统振荡的可行性和有效性。 本论文的主要工作和全文章节安排如下： 第一章概述了电力系统现状和面临的问题、f a c t s 技术发展概况、以及s m e s 对于解决上述电力系统面临问题的意义和课题的来源，并且介绍了本课题的主要工 华中科技大学硕士学位论文 作和l 全文的章节安排。 第一二章综述超导磁储能s m e s 的研究现状和发展趋势，对超导电性的基础理论、 s m e s 的应用情况和目前国内外的研究情况等儿个方面进行了详细叙述。 第五带分别对电流源型和电压源型s m e s 的一i ：作机理和运行原理进行了详细的 理论推导和公式计算，从理论上推导出了s m e s 交直流侧电压、电流、功率的关系， 并就s m e s 的多种p c s 结构及电流源型和电压源型的优缺点进行了对比。最后也 对p 1 d 的控制原理进行了简单介绍。 第四章就六脉冲电流源型s i e s 装置仿真得到的大量结果和数据展开了详尽的 讨论和分析，归纳出了触发脉冲宽度0 ，s m e s 功率因数角妒与晶闸管触发脉冲点 火角u 三者的关系；超导磁体电感和s m e s 交流侧等效电阻、等效电感以及开关管 通态电阻、通态电感五个参数对于s m e s 系统稳态充放电时间常数、超导电感电流 纹波幅值和功率因数角偏移量三项性能指标的影响，以及稳态电流1 。和0 、妒的 关系等众多非常有意义的结论，并就s m e s 的独立四象限有功功率和无功功率调控 和快速响应两大特性进行了透彻地分析，得出了适用于稳态和过渡过程的s m e s 频 域数学模型，验证了s m e s 的响应速度对于电力系统的多种振荡而言是足够快的结 论，为进一步分析含s k i e s 的电力系统问题的研究打下扎实的基础。 第五章就s m e s 改善电力系统稳定性的可行性和有效性进行了仿真和实验研 究，得到了令人鼓舞的结果，为深入研究含s m e s 的电力系统的特性打下了基础， 并为s m e s 的控制器设计和实际使用提供了指导。 第六章对全文进行了总结，概括了本论文的主要工作及研究成果，指出了今后 有待进一一步丌展的丁作。 华中科技大学硕士学位论文 第二章超导电性与超导磁储能装置的研究概况 2 1 引言 臼1 9 11 年昂尼斯( o n n e s ) 1 7 1 发现低温超导电性以后，人们一直致力于将其应用 丁二社会生产与生活中。这个过程经历了漫长的时间。8 0 年代以前，超导技术基本 1 只能应用于鼠流稳定电磁场条件f ，而且，n 于必须工作在液氦温区( 4 2 k ) ，其 应用价值受到定程度的限制，在电力系统中应用超导技术一直是一个梦想。在最 近f 多年的时问单，超导应用技术取得了巨大的进步，可用于交变电磁场条件下的 超导线材研制成功，可用于液氮温区( 7 7 k ) 的高温超导技术以及低温冷却技术也在 不断进步。长期停留在“愿望”水平的超导电力应用，终于显露出实际可用的价值。 在电力系统中应用超导技术中，利用超导体的电阻为零的特性制成的超导磁储 能装胃不仅可以高效地储存电能，还可以通过换流器与系统快速交换有功、无功功 率，为提高电力系统稳定性、改善供电品质提供了前所未有的有力手段。 在美国、r 本、法国、德国等工业发达国家。超导发电机、超导变压器、超导 r 乜缆、超导限流器以及超导磁储能系统和超导磁悬浮飞轮储能系统的试验样机均已 相继试制成功，部分装置通过了或f 在经历长期试验运行以及联网试验运行的考 验。超导限流器、超导电缆以及小型超导磁储能系统已经开始进入市场。在电力系 统中广泛应用超导技术的时代即将到来i l ”。鉴于超导在电力行业属于一个崭新的研 究领域，本文将先介绍超导体电性，并在此基础和参阅近三十年来国内外相关文献 的基础，l ，讨论了超导磁储能装置的研究现状和发展趋势。 2 2 超导电性 2 2 1 超导体的三大基本特性 超, 9 - 体具有零电阻特性、迈斯纳( m e i s s n e r ) 效应和约瑟夫森( j o s e p h s o n ) 效应等三 大基本特性。 a 零电阻 1 9 1 1 年，荷兰科学家h k o n n e s 在测量汞的电阻温度特性时发现，当冷却到4 2 k 时，汞的电阻突然消失。此种现象叫做超导，具有此种特性的物质叫做超导体，电 阻突然消失的温度叫做临界温度t c 。 从理论上理解超导电性经历了长期的过程。现在，对低温超导体的超导现象已 经可以用b c s 理论给予较为完全的解释。在临界温度以下，在超导体中的自由电 一一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 予两个两个地形成电子对库年 t ( c o p p e r ) 电予对。超导电子对将不因电子散乱而 损火能量。超导电流山超导电子对承载，因此不存在电阻。至于高温超导体，到目 前为止，还没有一个能全而解释其现象的总括性的理论。正是由于没有理论的指导， 高温超导材料的研究也就进展缓慢。 b 迈斯纳效应 迈斯纳效应是超导体的第二大基本特性。对超导体，无论是先加磁场再将之冷 太”到l i i i 界温度以f ，还是冷却到临界温度以下后雨加磁场，超导体内部的磁场感应 强度都是零。就是说磁通线刁i 能通过处于超导态的超导体，即它是完全抗磁性的。 c 约瑟夫森效应 超导休的第三大特性产生于超导体绝缘薄层超导体形成的超导结上。 这种超导结有着和一般导体或半导体形成的结完全不同的电子隧道效应。约瑟夫森 效应主要应用于超导电二了：学、微弱电磁场测量等领域。 2 2 2 超导体的三个临界值 a 临界温度 超导体具有i 晦界温度，在此温度之上，它不具备超导电性，超导体必须冷却到 临界温度以f 爿会转变为超导态。不同的超导体有不同的临界温度。n b t i 和n b 3 s n 是线材技术较为成熟的两种超导体，临界温度分别为9 k 和1 8 2 k 。n b t i 和n b 3 s n 都必须运行于液氦温区( 4 2 k ) ，冷却技术比较复杂，运行费用也较高，这制约了超 导技术的f “泛应用，也使人们长期形成了超导技术的实际应用为时尚早的看法。 在8 0 年代后期，人们发现了l 临界温度达到液氮温区( 7 7 k ) 以上的超导体高 温超导体。于液氮远比液氦资源丰富、价格低廉，高温超导的发现，给超导应用 技术带来了巨大的希望。 b 临界磁场 当超导体承受的磁场达到一定强度时，超导电性也会消失，即超导体有临界磁 场。不同的超导体其临界磁场值也不同。早期发现的单一金属超导体的临界磁场值 均不商，如h g ：0 0 4 t ，a i ：o o i t ，s n ：0 0 3 t ，这是在发现超导电性后相当长时 期内都无法实际应用的一个重要原因。 c 临界电流密度 于电流会产生磁场，所以，当通过超导体的电流达到一定程度时也会使超导 体失去超导电性，即超导体存在l 临界电流密度。在实际应用中，超导体的断面积是 确定的，为了方便，工程上常用l 临界电流值表示临界电流密度。 2 2 3 低温超导线材 华中科技大学硕士学位论文 从现在低温工程学发展来看，制冷与低温可以看成四个温区，如表2 1 所示6 i 。 丧2i 制冷与低温温区的划分 t a b l e 2 1 + l 、e m p e r a t u r er a n g e so f c o o l i n g a n d c r y o g e n i c s 名称潇度范同应_ l j 领域 制冷窀温1 2 0 k空调、冷藏 低湍】2 0 4 2 k气体分离、超导、激光、信息、空间技术、低温生物与医学、 超低温 42 0l k低温物理与低温技术 0 1 0 k 基础研究极低渝 ( 1 0 6 k ) 由表2 1 可看出，超导主要处在低温温区。而b c s 理论指导下的金属系超导体 的i f i 界温度不会高于4 0 5 0 k ，并主要由液氦来冷却，因而被称为低温超导体。目 前，所发现的低温超导材料的临界温度最高的只有2 3 2 k 。 日前，绕制低温超导磁体线圈的材料主要是n b t i i ”埽口会属化合物n b 3 s n ，它们 均需在液氦( 4 k ) 温区工作。n b t i 的机械加工性能好而n b 3 s u 的临界电流、临界磁 场、临界温度都优于n b t i ，但机械加工较难。 为了减小超导线材在变化磁场中的交流损耗，提高超导稳定性，一般实用低温 超导线材的基本结构是：将直径在un l 级的超导细丝埋霞于电阻率较大的