（电力系统及其自动化专业论文）基于哈密顿理论的超导储能装置控制策略研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp o w e rs y s t e mc a p a c i t y , t h ep r o b l e mo fp o w e rs y s t e m s t a b i l i t yb e c o m e sm o r es e r i o u st h a nb e f o r e t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yh a sm a n y l i m i t a t i o n sf o rt h ep o w e rs y s t e m s t a b i l i t y 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 y s t o r a g e ( s m e s ) d e v i c eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e mb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c so fz e r or e s i s t a n c ea n dr a p i dr e s p o n s e ，a n dt h ea c t i v ep o w e ra n d r e a c t i v ep o w e rc a ne x c h a n g eb e t w e e ns m e sd e v i c ea n dp o w e rs y s t e mi nf o u r q u a d r a n t s t h ek e yp r o b l e mo fs m e sd e v i c ei st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es m e s d e v i c e i nt h i sp a p e r , t h ea c t i v ep o w e ri sc o n t r o l l e db yt h et w on e wm e t h o d s d e s c r i b e db e t ow ra na f f i n e d1 3 0 n l i n e a rp o w e rs y s t e mi st r a n s f o r m e di n t oas t a n d a r d h a m i l t o n i a ns y s t e mi nt h e s em e t h o d sf o ri m p r o v i n gp o w e r s y s t e ms t a b i l i t y i no n em e t h o d ，t h ep o r tc o n t r o l l e dh a m i l t o n i a n 、v i t ld i s s i p a t i o n ( p c h d ) m o d e l o fs m e sd e v i c ei s p r e s e n t e d ，a n dt h e n ，d e a l i n g w i t hp r o b l e m so fo u t s i d e d i s t u r b a n c ea n dp a r a m e t r i ci n d e t e r m i n a t i o n ，t h ea d a p t i v el 2 一g a i nc o n t r o lo fs i n g l e m a c h i n ei n f i n i t e b u ss y s t e mw i t hs m e sd e v i c ei sd e s i g n e db yan o n l i n e a ra d a p t i v e l 2 一g a i nc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ec o n t r o l l e dh a r n i l t o n i a nt h e o r y a n dt h e n o n l i n e a rd e c e n t r a l i z e dp a s s i v ec o n t r o lo fs m e sd e v i c ei s p r e s e n t e di n t w o m a c h i n e si n f i n i t e b u ss y s t e mb a s e do nt h ec o n t r o l l e dh a m i l t o n i a nt h e o r y i nt h e o t h e rm e t h o d ，b a s e do nt h eh a m i l t o n i a ne n e r g yt h e o r y , an o n l i n e a rr o b u s tc o n t r o li s d e s i g n e df o rt h es m e s ，t h ep o w e rs y s t e mi st r a n s f o r m e di n t ot h eg e n e r a l i z e d c o n t r o l l e dh a m i l t o n i a n s y s t e m w i t ht h e d i s s i p a t i v et e r m ，a n d t h er o b u s t c h a r a c t e r i s t i co f c o n t r o ls t r a t e g yi sd i s c u s s e d s i n c et h et w oc o n t r 0 1s t r a t e g i e sa r eb a s e dc o m p l e t e l yo nt h en o n l i n e a rp o w e r s y s t e mw i t h o u ta n yl i n e a r i z a t i o np r o c e s sa n dt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h e p o w e rs y s t e mi sw e l lk e p t ，t h ep r e c i s i o no ft h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e si sr e l a t i v e l y h i g h e r t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nf o rt h e s et w oc o n t r o ls t r a t e g i e si sp e r f o r m e d ，a n dt h e r e s u l t so f d i g i t a ls i m u l a t i o nh a v ep r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e di nt h i s p a p e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e ma n dh a v et h e a d v a n t a g e so fs i m p l ec o n s t r u c t i o n ，f i n e r o b u s tc h a r a c t e r i s t i ca n de n g i n e e r i n g a p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：s m e s p c h dm o d e l a d a p t i v el 2 g a i n h a m i l t o n i a nt h e o r y 2 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名：施糯等 日期：2p 哆年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：p 一年r 月7 5f 1 日期：2 d 口3 年f 月工同 c 汉人学坝i ? 学位论文 甚于哈密顿理论的超导储能装置控制策略研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 在现代工业化社会，电力是社会生产、生活的重要支柱，是保证社会f 常 运转的主要能源。人们对电能的需求量同益增大，对电能质量的要求越来越高， r 包力系统的装机容量也越来越大。但是随着电力系统容量的增加，规模的扩大， 电力系统中出现了许多用常规电力技术无法解决的问题，尤其是电力系统稳定 性问题。比如，当根纽输电线路的输送功率接近稳定运行极限时，系统轻微的 扰动就可能造成电流、电压、功率等运行参数的剧烈变化和系统的振荡，使电 力系统不能保持稳定运行状态。电力系统稳定性的破坏，将使整个系统受到不 良的影响，可能造成大量用户供电中断，甚至造成整个系统的瓦解。由此可见， 保证电力系统运行的稳定性具有极其重要的意义。根据我国国情，由于一次能 源资源和电力能源消费分布的不均衡，高电压、长距离的西电东送不可避免， 这使得电力系统的稳定性问题变得尤为突出。不仅如此，现代电力系统中还存 在其它一些问题，例如，随着城市消费水平的提高，电能消费密度不断增长， 使得送 乜通道越来越紧张，用常规输电线路很难满足大城市高密度大容量用电 要求。随着电网规模的扩大和容量的增加，电力系统的短路容量越来越大，一 疗面，断路器的遮断容量很难满足系统短路容量增长的要求：另一方面，过大 的短路f b 流对电力装置提出了更高的电磁、电动以及热的技术指标。出于常规 电力系统使用具有电阻的铜、铝作为导电物质，所以无法从根本上解决电能损 耗的问题。目前，我国的网损高达8 1 i ”，估计到2 0 1 0 年我国每年的网损接 近两个三峡电站的电能。只有彻底解决上述问题，电力系统刊能更好地满足社 会快速发展的需要。由于超导体具有电阻为零等优越特性，故应用超导技术可 以很好地解决上述重大问题。超导技术经过几十年的发展，已经达到可以实际 应用的水平。在电力系统中引入超导技术是二十一世纪电力工业的一个重要发 展方向。 超导技术在电力系统中的应用，主要包括超导发电机、超导变压器、超导 瞅流器、超导电缆、超导储能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 y 些坚鲎! ! ! 兰! ! 丝竺苎堕童塑型丝竺些量熊堂鲨兰丝型墨坚! ! ! 堑 s t o r a g e ) 装置等。超导装置都具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、污染 小等优点，应用超导技术具有明显的优越性，能较好地解决电力生产、电力输 送、电力储存、节能降耗和环境污染等问题。超导发电机可以使同步电抗减小 到常规发电机的1 4 1 3 ，从而提高发电机的稳定送电极限。超导电缆载流能 力大，可以降低电网损耗，减少送电通道，并以较低电压输送较大容量的电能， 为大城市的高密度大容量用电提供保证：同时，电压等级的降低，使系统绝缘 水平下降，电网结构得到改善，从而带来巨大的经济效益，是解决大容量、低 损耗、长距离输电的有效途径。超导变压器效率高，污染小，无爆炸危险，而 且可以进一步减小损耗，过载能力强，采用高阻值的基底材料，故障短路电流 小，列系统过流有限制作用。超导限流器可以限制系统短路电流，增大电网的 输送客量，从而降低系统中电气设备的电磁、电动及热的技术指标。超导储能 装置是利用超导线圈将电网中多余的电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能 返回电网或供给其它负荷使用，由于电磁能以直流的形式储存在超导线圈中， 几乎是无损耗的，而且没有能量形式转换，具有很高的效率( 可达9 5 ) 和能 量密度( 高达1 0 8 j m 3 ) 2 1 ，它通过电力电子变流器与系统连接，响应速度很 快，从电网吸收最大功率到向电网释放最大功率只需几毫秒。成为能为电力系 统快速提供有功功率和无功功率的器件，实时地消除系统发电和用电之间的功 率不平衡。在系统的适当部位安装超导储能装置可以用于增加同步发电机阻尼 3 】川，减轻次同步振荡5 】【6 1 【7 】，进行负荷频率调节嘲，抑制电网频率和电压波动， 改善供电品质，可以增大输电线路输送功率极限，提高电力系统稳定性，还可 以为重要用户提供备用电源，提高供电可靠性。超导储能线圈的储能量与功率 都叫独立地在大范围内调节，可建成大能量和大功率系统。超导储能装置除了 真空和冷却装置外，没有转动部分，装置寿命长，而且建造不受地点限制，维 护方便、污染小。因此，超导储能方式与其它的储能方式如蓄电池储能、压缩 空气储能、抽水储能和飞轮储能等相比，具有较多的优越性【2 j ，经济效益明显。 随着三峡电站的建设，全国统一大电网即将形成，在我国研究超导磁储能 装置具有极其重要的意义。 1 2s m e s 装置的产生和发展 自从t 9 11 年荷兰莱顿实验室的k 0 n n e s 发现低温超导现象后，人们对超 导的应用提出了许多设想，首先被认识到的是它作为储能装置的优点，但由于 2 些堡叁堂竺! ：兰竺堡苎苎! 堕堂塑里丝塑塑! 堡堂鉴里丝型苎堕坐垄 受相关基本理论、材料和技术水平的限制，在很长一段时间旱都没有得到实际 应用。1 9 6 9 年，s m e s 装置首先被作为一种平衡电力负荷的装置由法国的 f e r r i e r 提出来。当时，预计核电将大量用于电力系统，要求其功率输出在数 月甚至数年内保持恒定，于是f e r r i e r 就构想用个很大的超导储能装置来平 衡法国电力系统中的同负荷变化【9 j 。随后，研究如何使用高效的储能装置来解 决电力负荷需求变化给电网造成的不良影响成为人们关注的焦点。7 0 年代初， 美国威斯康星大学应用超导中心的h p e t e r s o n 和r 。b o o m 发明了一个电能储存 系统【9 j ，该系统由超导电感线圈和三相a c d c 格里茨( g r a e t z ) 桥路组成，获 得了美国专利。通过对格里茨桥在超导线圈与电力系统相互影响中的作用进行 详细分析研究，证明该装置对抑制电力系统振荡非常有效，由此打开了超导储 能电力应用研究和发展的新篇章。1 9 7 2 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室l a n l 在能源部d o e 的支持下丌始了s m e s 装置的经济可行性研究。1 9 7 4 年，第一 台并网运行的s m e s 装置在l a n l 进行了测试【l 。结果证明，s m e 8 装置在经济 性、有效性、可靠性、易建设性和环境保护等方面都具有明显的优越性。1 9 7 8 年至1 9 8 2 年，l a n l 和波尼维尔管理局b p a 成功研制了储能为3 0 m j 、最大功率 为i o m w 的8 m e 8 装置。将其安装在从太平洋西北地区到加利福尼亚州南部的距 离为1 4 5 6 k m 的双回路交流5 0 0 k v 输电线路上进行试验，用于抑制交流输电线 路上产生的一种频率为0 3 5 h z 的负阻尼振荡川。自1 9 8 3 年1 1 月l 同起至 1 9 8 4 年3 月8 日，经过累计1 2 0 0 小时的现场试验，系统连续地调制了一个低 频干扰信号，线圈充放电次数超过1 0 次，结果表明其在扪制电网的低频振荡 和无功功率补偿方面具有很好的效果。虽然，受当时低温系统的水平以及其他 问题的限制，该装置最终停止运行，但这已经证明了超导储能系统可以成功地 在一一个复杂的电力系统中运行，并且能够有效地改善电力系统的稳定性。8 0 年代初，l g w h 和5 g w h 的s m e 8 装置也丌始了可行性分析和设计。近几年 束，人们把注意力投向利用小型8 m e s 装置提高电能质量的研究比如，应付 短时问的电压突降和突然停电等。由于解决这样的问题需要功率巨大而不是储 能巨大的储能系统，因此，实现起来比较容易。 出于s m e s 装置具有许多优越性，近3 0 年来，一真是发达国家研究的热点。 美、同、俄、加、英、德、荷等国家都进行了大量研究。尤其是1 9 8 6 年高温 超导材料( 其临界温度值达到1 6 0 k f l 2 】以上) 发现以后，超导储能装置在电力 系统中的应用越来越广泛。9 0 年代初，美国国家强磁场实验室与电力部门联 些堡查兰堡：! 兰竺堡壅苎士堕童堡墨堡塑塑量堡堕茎曼丝型苎l 堕塑塞 合，研制了用于储能调峰的3 6 0 0 m j m ws m e s 装置。1 9 9 3 年，阿拉斯加州 a n c h o r a g e 电力公司开始建造3 0 m w 1 8 0 0 m j 的s m e s 装置，以改善阿拉斯加州 电网供电可靠性，这是第一台可以四象限运行的中型超导储能装置【2j 【”】。威斯 康星州麦迪逊市威斯康星公共服务公司已经投运6 台配电式超导磁储能设备 ( d - s m e 8 ) 【1 “，用于电压调节，尤其是在电网脆弱地区。美国成立了一个包 括电力公司、超导磁体和装置的制造商和大的工程公司的超导事业小组，并为 此提供了3 0 0 万美元经费i l “。为了研究和开发超导储能的实际应用促进只本 超导储能技术的发展，1 9 8 6 年同本成立了由日本著名的大学、研究机构、产 业部门等5 0 个单位组成的超导储能研究会。该会重点是对中小型超导储能装 置进行研究。自8 0 年代中期以来，该会进行了大量的研究分析、设计和试验 工作 8 】 提出了开发超导储能的3 0 多项建议，进行了超导储能装置的概念设 计和经济技术评估。从1 9 9 1 年起，该会参与了通产省自然能源局提出的 】o o k w h 等级的超导储能计划，以便为中大型超导储能积累经验。1 9 8 5 年， 九州( k y u s h u ) 大学设计了一台用于研究直流输电电网中s m e s 装置的应用和 系绞稳定的l o o k j 的s m e s 装置。九州电力公司于1 9 9 1 年将一台3 0 k 5 的s m e s 装置联接到一台6 0 k w 的水力发电机上，进行了改善发电机稳定性和瞬时电压 补偿的一系列现场试验研究，并取得了较好的实验结果1 16 j ：而且，九州电力 公司与九州大学合作，丌展了3 6 m j 的8 m e s 装嚣试验，并设计建造了一台 3 6 0 m j 2 0 m w 的8 m e 8 装置驯，并网后进行示范运行。9 0 年代，神户制钢所、东 芝公司、f 1 立公司、富士电力公司、中部( c h u b u ) 电力公司等也进行了s m e s 装置的相关设计和试验【9 j 。9 0 年代以来，俄罗斯国家实验室建成了1 2 m j 的s m e 8 装置，并进行了储能1 0 0 m j 电感8 h 电流5 k a 最强磁场5 4 t 的s m e s 装置设 计。用于研究储能达9 0 0 m j 的s m e s 装置也己建造完成p j 。德国慕尼黑大学于 1 9 9 7 年建造完成了一个由6 个超导线圈组成的储能量为1 m j 的环形超导储能 装簧口i ，目的是通过实验确定与电网进行功率交换时的损耗和运行性能，了解 变流器对储能工，一的影响，研究在组合储能工厂中超导储能与其它储能方式的 组合应用，并找出最佳组合方法。德国e u 8 于1 9 9 8 年研制出一台8 k j 的 i t s s m e s 装置原型样机。另外，卡尔斯鲁厄研究中心技术物理所进行了用于 时问性较强的太阳能光伏发电的微型超导储能装置的研究【i “，该装置也适用 于风能发电系统。1 9 9 8 年，芬兰t a m p e r e 理工大学研制了一台5 k j 的h t s s m e 8 装置模型。加拿大的魁北克和法国联合进行了3 0 0 m j 3 0 0 m v a 超导储能装置的 堡堡查兰堡二! 兰堡堡兰董主堕童塑里堡竺塑量堂壁鉴墨篓型簦堕婴丝 研究工作【”，进行了超导磁体和线圈的设计。瑞士的p s i 研究所和a b b 公司 进行了5 0 k w h 超导储能装置的设计，以便为i m w h 的超导储能提供技术基 础。我国对s m e 8 装罱的研究起步较晚，中国科学院电工研究所于1 9 9 7 年研制 了一台3 0 0 a 2 2 0 v 、2 5 k j 的s m e s 试验装置，华中科技大学和清华大学对s m e s 试验装置也展开了初步研究。s m e s 装置不仅在电力行业应用广泛，超导储能 在军事及空间站中也具有重要的应用。1 9 8 7 年，美国战略防御计划s d i 办公 室提出超导储能工程实验模型s m e s e t m ( e n g i n e e r i n gt e s tm o d e l ) 计划，开 始了方案论证、工程设计和器件的研制，主要目的是用于储能调峰和战略备用 电源。 此外，美国还积极对电力方面使用的微型超导储能装置( us m e s ) 的作用和 经济价值进行评估工作，以便将超导储能装置推向市场。8 0 年代以来，由威 斯康星大学提供的1 m j 量级的成套s m e s 装置已经商品化，可供区域负荷进行 稳压稳频。1 9 8 8 年初，在美国建立的丌发超导储能商业应用的超导电公司s i ， 已研制成功了两种形式的s s d ( s u p e r c o n d u c t i n gs t o r a g ed e v i c e ) ，并推向 市场【】引，目的是用于避免美国因供电中断而造成的巨大损失。国际磁通用公 司【( ；c 和超导f 邑公司对微型s m e s 装置已实现商品化，但只用作敏感电阻的不 问断f 巳源【l 。1 9 9 6 年以来d o e 主持和帮助组织并部分资助了8 个示范项目。 每个项目都是由技术丌发者，供应商，用户和其他私营投资者等多方合作完成。 每个项目的设计都是用来证明超导应用的可行性，调查在商业竞争中的障碍。 微型超导储能装置已成为产品，并显示出明显的优越性l i “。中型( 1 07 1 0 8 j ) 超导储能装置作为提高电力系统稳定性与传输能力的措施，待其经济性与可靠 性证实后，也可能形成少量产品。中大型s m e s 装置的实际应用还存在许多问 题，比如超导磁体和线圈结构、电磁力支撑、材料选用及边缘磁场等，不过中 大型s m e s 装置在一些国家的支持下，也实施了一些项目，进行了大量工作并 取得了较好的结果。表1 1 列出了世界上已经完成的主要超导储能研究项目【2 j 。 表1 1世界上已经完成的主要超导储熊项目 困 单位彤特性参数种类日标和现状 家 由 中困科学院试验 周i b t f ，e 所 l t s - us m e s 3 0 0 a 2 2 0 v 2 5 k j 1 9 9 7 年完成 装置 中华中科技人试验 围 us m e s 8 0 k j i o k w 故置 武汉大学顺卜学位论文基于哈密i 顷理论的超导储能装置拄制箕略研究 莽 兰 坦布雷大学h t 5 一us m e s1 6 0 a 2 0 0 v ，i o k j示范1 9 9 8 年上半年完成 德i o k v , 电网模型1 9 9 8 年上半 国 e u sg m b h h t s us m e s i o o a 2 0 0 v ，8 k j原型 年完成 德 f z kl t s us s2 5 0 0 a o k v ，2 2 0 k - 2 5 m w 调制器，1 9 9 9 年完成 国 德 f z k l t s - us m e s3 0 0 a 7 0 0 v ，2 5 0 k j刁i 汜功率补偿，1 9 9 7 年现场安装 国 德慕尼黑t 业 周人学 l t s - us m e s1 3 8 0 a 3 k v ，1 m j原型建造完成1 9 9 7 年试验 以 b a r 一1l a n h t s us m e sl o o a s k w ，1 k j原型交流运行也 人学 州 意 人 e n e ls m e s 4 m j原型 1 9 9 7 年底开始 利 e lk a n s a i l t s - us m e s3 5 0 a 4 0 0 v ，l2 m j 试验1 9 9 5 年1 9 9 7 年报告试验， 土 l 包气公一可 装置长期计划的第一步 h k y u s h u l t s us m e s1 k m h i m w ，模块原型 现场建造，1 9 9 8 1 9 9 9 年试 奉 f 乜气公司 验运行 l 东京大学 l t s - t o r o i d2 0 k a 2 k v ，4 8 0 m j 示范 所有系统元件已研制完成 五 站 韩d a n k o o k l t s us m e s1 5 5 0 a ，0 5 m j原型 s m e s 问快速能量转换，已完 国夫学成 韩 l 乜丁研究所 l t s - us m e s2 0 0 0 k l3 8 0 v 0 7 m j 原型 1 9 9 8 年夏开始运行 国 两 功： s 【n e ll t s us m e s i 0 0 0 a 5 0 0 v 1 m j 原型 9 9 8 年运行 牙 二b w x 挫术 l t s s m e s 1 08 k a 3 3 7 5 v ，a l a s k ai u 删稳定性，耻汁完 l 闽公川l8 g j 小t u j 止 美 酬 i ( ，c 公i dl t s us m e s6 0 0 k w ，6 商品 戈 超导l u 公idl t s - us m e s 0 5 m v a l o i v a ， 商品 因i m j 1 0 m j 俄 e f r e m o v3 k a 1 0 k a ， 试验 罗 研c 所 l t s us 瓶e s 斯 0 2 m j l m j袈置 俄 罗 t r o l t s k 研究所 l t s 一“s m e s 5 m 3原型 轨道炮肫用 斯 注：h t s 一高温超导，us m e s 一微型超导储能，l t s 一低温超导，t o r o i d - - 环形 线圈 由于各国的电网结构、电力负荷情况不尽相同，因而各国都根据自己的情 j 况对适用于本国的超导储能装置进行研究和开发。比如在同本，其电力负荷的 特点是昼夜变化大，中午负荷变化很大、很快；而且日本的辐射形电网结构对 武汉大学坝i 学位论义嬉于哈崭顿理论的超导储能装置控制策略研究 负荷的变化非常敏感，频率受负荷影响波动很大。故而在日本，对小型和大型 s m e s 装鼹的研究兴趣较大。雨在欧洲，由于电网的密度高，稳定性好，白天 和夜间的负荷变化小，所以对中型超导储能装黄比较感兴趣。在我国，由于一 次能源分布的不均匀以及区域发展的不平衡等特点，我们既要着眼于平衡高峰 负荷的大型超导储能装置，也要着手于中小型超导储能装置的研究和实际应 用。而且应该有所侧重，即在注意用于调节负荷的大型s m e s 装置的同时，更 多关注中小型s m e s 装置的研究。不同规模的s m e s 装置应用场合见表1 2 i i “。 表1 2 不同规模s m e s 装置的应用情况 项 胤模生装地点应用廿的和作用 目 小 负椭：端k 距离输i u 型 o i m w h 线i u 源端；6 6 k v u 胨改菩稳定性：小波动负柑谰、f ；电压波动调节：间断型i u 等级 级发i u ：光伙发l b源训卜输 和风力发i u 系统 中l o b l w h 配i u 站；1 5 4 2 7 5 k v 负荷调、卜后节省传输容量和小也站建设：_ 人波动负付训、1 7 ， i 乜压波动训节；减少无功功率调节和频率调节装簧和瞬时 型等级 | u 蚯级发电 备用功率：改善电源可靠性；防止中问连接功率波动 5 0 0 i v 电捱级发电负荷调，卜后减少峰值功辩i i n 源裂置：减少传输容量和电站 人 l g w h ，适台十大型超导建设；减少传输损失：改善发r 也敬薪的热效牢；减少无功 型等级储能的一刨1 c 他地功术训节和频率调节发瞬时备用助率黻置；改善i u 源町靠 件：防止中问连接功半波动 大容量s m e s 装置主要用来平衡电网的同高峰和夜低谷负荷。中小容量的 s m e s 装置主要是利用& v i e s 装置的快速响应特性为系统提供快速响应容量，提 高电力系统的稳定性、阻尼次同步振荡以及提高电能质量等，也可以提高分散 电力系统的性能和作为重要用户的紧急备用电源。s m e s 装置的基本作用是通 过运行方式的状态变换，在一定范围内调节电能的供求关系，当系统正常时， s m e s 线圈被旁路，负荷由交流电网供电；系统发生故障时，检测控制器马上 发出控制信号，切断交流电网供电，同时启动s m e s 装置为负荷供电：当电网 恢复f 常后，又切换到交流电网供电状态。s m e s 装置在电力系统中的作用主 要包括以下几方面【7 u j ： c 1 提高供电可靠性主要是提高电力系统的暂态稳定性及保证重要用户 的供电。s m e s 装置可以高效的与系统进行有功功率和无功功率交换，在发电机 端安装s m e s 装置可以同时调整有功功率和无功功率，减轻系统振荡幅度，缩 短故障恢复时制。 些堡叁兰塑! ：兰竺堕兰兰! 堕堂：堕些兰塑塑量垡盟鲨篓塑型茎堕坐壅 b 改善电能质量电压和频率是衡量电能质量的主要指标。由于s m e s 装置可快速发出或吸收一定的有功功率和无功功率，可用来减小负荷波动或发 屯机出力变化对电网的冲击，消除电力系统低频振荡，改善系统频率和电压。 c 提高系统运行的经济性由于瞬时负荷波动以及负荷预测误差的存 在，为了满足电力系统运行的稳定性要求，一般需要由发电机组承担一定的旋 转备用容量。但对于一些火电机组来说，受机组最小出力、调峰能力等条件的 限制，一些发电成本低、经济效益好的机组不能运行于最佳工况，降低了电力 系统运行的经济性。采用s m e s 装置作为系统的旋转备用，能让发电机组处于 最佳工作点。s m e s 装置在负荷低谷时段储存电能，在高峰时段释放电能，可 以避免机组的频繁启停，减小机组的启停费用，同时可以减小装机容量，降低 成本。$ m e s 装置通过控制功率流量和流向，减少无功功率的输送，从而减小 网损，提高系统运行的经济性。 由于太阳能、风能等具有随机性，发电机组出力极不稳定，若将它们直接 与系统相连，会造成系统运行不稳定，并引入大量谐波。中小型s m e s 装置可 用作太阳能和风能发电的能量储存环节，使其发电系统输出平滑，以满足电网 要求。由于s m e s 装置能在短时间内输出大量功率，因此，特别适合于给冲击 负荷供f 乜。 1 3 本课题的主要研究内容 利用s m e s 装置改善电力系统的暂态稳定性，关键问题在于控制s m e s 装置 与电刚快速有效的在四象限内进行有功功率和无功功率交换。实践证明，控制 器和控制策略的好坏是s m e s 装置性能好坏的关键。 电力系统是大的典型非线性系统，具有许多不确定性。常规的控制策略一 般需要电力系统的精确模型或需要进行线性化，忽略了电力系统中各种扰动因 素的影响( 如模型参数的扰动、不确定的外部干扰及建模的不精确性等) ，而 且一般需要大量的微分方程和代数方程，计算量很大，设计复杂，精度较低， 同时，都没有很好地保留电力系统的非线性特性，本文设计了两种新的控制策 略来解决这些问题。下面是本课题的主要研究内容： ( 1 ) 概述了电力系统面临的问题以及本课题研究的意义，综述了超导储能 装置的国内外研究现状和发展趋势： 武汉人学坝i 学位论文笨十哈错顿理论的超导储能装鬣挣制策略耕，e ( 2 ) 分析研究了s m e s 装置的主要组成部分及其工作原理； ( 3 ) 研究了几种常规的控制策略的特点及存在的不足： ( 4 ) 研究并设计了两种基于哈密顿理论的新型控制策略 由于s m e s 装置的有功功率和无功功率可以分别独立控制，而且，有功无 功综合控制与有功功率单独控制相比，对于改善电力系统的稳定性效果提高不 大，本课题针对电力系统非线性的特点，提出两种控制策略，即利用啥密顿理 论对超导储能装置非线性有功功率控制器进行设计，对无功功率控制器采用比 例积分( p i ) 环节进行设计。在第一种策略中，建立s m e s 装置的耗散端口受 控哈密顿( p c h d ) 模型，然后，针对外界干扰和参数不确定性，基于受控哈密 顿系统理论，采用非线性自适应l 2 增益控制方法设计了安装s m e s 装置的单机 无穷大系统的非线性自适应l 2 增益控制器，并且在哈密顿结构的基础上对安 装s m e s 装置的双机无穷大系统进行非线性分散无源化控制器的设计。在第二 种策略中，利用哈密顿能量函数理论进行s m e s 装置非线性鲁棒控制器设计， 将电力系统表示成为带耗散项的广义受控哈密顿系统的形式，利用带耗散项的 广义受控哈密顿系统特性，讨论了控制器的鲁棒特性和闭环系统的h 。特性。 ( 5 ) 建立数学模型并利用m a t l a b 进行仿真验证 将s m e s 装置安装在发电机母线侧，并利用m a t l a b 进行仿真验证控制策略 的效果。仿真结果表明，与常规比例积分控制策略进行比较，这两种控制策略 能够更有效地抑制干扰，显著改善了电力系统的稳定性。 本文利用哈密顿理论对s m e s 装置的控制策略进行了研究，是对s m e s 装置 控制策略的一种新的尝试。采用这两种控制策略，不需要系统精确的数学模型 且不必进行线性化处理，因此，克服了传统控制策略精度低的缺点，能够有效 地抑制外界 i 扰和参数不确定性，具有较好的鲁棒性；并且控制策略设计相对 简单，易于工程实现。对其它过程控制领域也有一定的参考价值。 武汉人学硕士学位论文基于哈密顿理论的超导储能装置控制策略研究 第二章超导储能装置的组成及工作原理 s m e s 装置预先在超导线圈内储存一定量的磁场能( 最大可储存电能的2 5 7 j ) ，再根据电网需要，通过控制变流器的触发角实现s m e s 线圈与电网 的有功功率和无功功率交换，满足电力系统的要求。超导线圈中储存的能量 可出下式表示 = 1 2 l 1 2( 2 一1 ) 式中，三是线圈电感，是线圈电流。 s m e s 装置的工作原理如图2 1 所示。当开关k i 、k 3 闭合，永久电流开关 k 2 打丌时，系统正常运行，超导线圈不起作用，电网g 给负荷供电：当开关 k ，闭合，开关k 2 、k 3 打开时，超导线圈与电网之间进行充放电；当开关k 3 闭 合，丌关k l 、k 2 打丌时，超导线圈给负荷供电；当开关k 1 、k 3 打开，开关k 2 闭合时，超导线圈处于储能状态。由于超导线圈的电阻为零，电流在线圈中无 衰减地永久流通。要在储能装置中实现真正的无损耗储能，永久电流丌关k 2 的电阻必须为零，而且其电流容量要足够大。 g 图2 1s m e s 原理图 按功能模块划分，一般s m e s 装置的基本结构如图2 2 所示1 9 1 。该结构出 【则l 提出，它主要由超导线圈、变压器、失超保护、冷却系统、变流器和检 测控制器等几部分组成。s m e s 装置中出电力电子器件组成的变流器，直流侧 与超导电感线圈连接，交流侧通过变压器与电网相连，变压器将电网高电压小 电流变换为超导线圈需要的低电压大电流，使超导线圈内可以产生很强的磁 场。正常工作情况下，系统电流经变流器转换成直流注入超导线圈，以磁场能 形式储存起来，电网发生波动时，检测控制器发出信号，将储存的能量释放回 武汉大学碗j ：学位论文基于哈密顿理论的超导储能装置控制策略研究 电网或供给其他负荷使用。 图2 2s m e s 结构图 具体控制如下：检测控制器根据负荷电压和超导线圈电流的大小，使线圈 自动在充电、放电和储能三种工作状态之间进行转换，用户根据需要设置线圈 电流和负荷电压的上下极限值并将其与线圈电流和负荷电压的实际值相比较。 一旦线圈电流降至下限值，控制器将使超导线圈处于充电状态，直到上限值； 当负荷端的电压低于最小值时，控制器将使线圈处于放电方式，直到最大值： 当充电放电都不需要时，线圈储存能量，电流在超导线圈内无损耗的流通。以 下分别介绍各组成模块的工作原理。 2 1 超导线圈 置于真空绝热冷却容器中的超导线圈，是s m e s 装置的核心部件，用于无 损耗的储存磁场能。超导线圈的结构主要有两种，一种是将线圈叠加成圆筒形 的螺管形结构，另一种是将线圈排列在圆周上的环形结构。中小型s m e $ 装置 比较适合采用环形结构，具有漏磁场小，占地面积较小的优点，在理想状态下， 环形线圈产生的磁场完全封闭于线圈内部，但效率较低。另外，环形多级结构 是目前较为理想的线圈结构，可增大放电功率，避免螺管形线圈层i 白j 电压过高 造成的短路放电 2 ”，特别适用于中小型s m e $ 装置。大型s m e s 装置及需要现 场绕制的s m e s 装置比较适合采用螺管形线圈，虽漏磁场较大，但其结构简单。 为了产生强磁场，s m e s 装置所用超导线圈中的电流必须很大，特别是大 中型s m e s 装置的额定电流要达到i o o k a 以上，为了保证超导稳定性及克服因 为电流增大丽产生的高电压，必须提高线圈耐压强度。 目前，绕制超导线圈的材料主要是低温超导磁体n b t i 和金属化合物 n b 3 s n ”。n b t 的机械加工性能好，而n b 3 s n 的临界电流、临界磁场、临界温 1 f 垫墨盔兰堡土兰些堕兰茎主堕宣塑型笙箜垫量些堕垄里茎型茎堕! ! ! j 度都优于n b t i ，但机械加工难度大，价格要比n b t i 高两倍以上。当要求磁场 强度较高时，选用n b 3 s n ，般情况下选用n b t i ，目前低温超导线材虽已基本 达到了可以在小型s m e s 装置上使用的水平，但需在液氦( 4 k ) 温区运行，使 s m e s 装置的经济优越性受到了限制。 许多国家正在进行高温超导线材的研制 9 】，美国、同本等发达国家已制造 出5 0 m l k m 的8 i 系超导线材，并具有制造j c 2 0 k a c m 2 、交流损耗 1 k m 的b i 系超导线材的能力。2 0 0 0 年1 1 月2 6 日北京有色金属研究总院 研制成功我国第一根l1 6 米长b i 系多芯高温超导长带【2 2 】，各项技术指标均达 到国际先进水平。现在，高温超导材料的出现，提升了冷却温度，冷却效率提 高，使得高温超导线材已接近或达到可用于超导电力装置的水平。但因为高温 超导材料如b i 系导体在液氮湿区的磁场特性很差，即随着温度的提高，磁场 的增强会使临界电流迅速减小，交流损耗迅速增加，所以b i 系超导线圈无法 在液氮温区产生很强的磁场。但是它在低温下，如3 0 k 以下运行时，不仅电流 密度可以提高约一个数量级，而且磁场特性也有明显改善，因此，用高温超导 材料绕制的储能线圈可以在3 0 k 以下的温区运行吼这样就必须在磁场强度和 效率两者之间加以权衡，找到最佳工作温度。为使高温超导线材达到可实际应 用的水平，各国均在努力开发交流高温超导线材。2 0 0 1 年，北京英纳超导技 术有限公司建成我国第一一条年生产2 0 0 公旱的b i 系高温超导线材生产线，可 生产单线长度为1 2 0 0 米、电流密度大于6 0 0 0 a c m 2 的高温超导线，创世界纪 录，欧洲、美国、韩国、日本等国家踊跃来中国洽谈业务。 2 2 失超保护 在线圈外部发生严重故障或线圈内部故障时，超导线圈可能会由超导态转 变为征常态，线圈中储存的大量能量释放出来，发生失超现象。发生失超时， 电磁能转化为热能，如果热能均匀分布在整个磁体上，一般不会有什么问题， 实际上，热能分布是不均匀的，可能会出现超导线圈局部过热、低温容器中的 液氦蒸发、高压放电、低温容器应力过载等现象。 发7 匕失超后，要降低在线圈f 常区所释放的能量，防止超导线过热；降低 线圈证常区端电压，防止匝闻绝缘击穿；还要降低在低温容器内释放的能量， 防u 二液氦大量蒸发。高压放电和应力过载，在一定范围内可以自动修复；而线 圈局部过热常常会导致磁体损坏。因此，一般的失超保护是针对线圈局部过热。 12 武汉人学坝i 学位论义基于哈密倾理论的超导储能装置控制策略研宄 防止过热，也就是要在失超时将超导线圈中的电流转移至线圈外部，防止焦耳 热释放在超导线圈上。根据不同线圈结构，可有分段电阻保护、并联电阻保护、 谐振电路保护和变压器保护等方法口”。分段电阻保护是将整个超导线圈分成 几段，每段并联一个电阻，当某一段发生失超时，电流由超导线圈转移到并联 电阻上，而线圈各段是紧密耦合的，因此促使邻段线圈电流增大而失超，使整 个磁体迅速失超，热能均匀的分匆在整个磁体上，防止局部过热，这种方式一 般适用于小型磁体：并联电阻保护是通过与超导线圈并联的大电阻消耗掉线圈 中的能量：谐振电路保护是利用电感与电容之间的谐振，将电感中储存的磁场 能转换为电容中储存的电场能：变压器保护是将二次侧负荷作为释能部件。 实现失超保护，除了有保护装置外，还必须要有快速、