（电力电子与电力传动专业论文）全数字化pwm超导电力磁储能系统研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f u l l - d i g i t a lp w m - v s c 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 s y s t e mi si n v e s t i g a t e d 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 eh a sb r a n c h e do u tf r o mi t sa p p l i c a t i o n o r i g i n so fl o a dl e v e l i n g ，i nt h ee a r l y1 9 7 0 s ，t oi n c l u d ep o w e rq u a l i t yf o ri n d u s t r i a la n d c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s i th a sa l s os h o w np r o m i s ea sap u l s e dp o w e rs u p p l yf o rl o a d s s u c ha se l e c t r i cg u n sa n de l e c t r o m a g n e t i ca i r c r a f tl a n n e h e r si nm i l i t a r ya p p l i c a t i o n sa sw e l l a sb a c k u pp o w e rs u p p l yf o rv i t a ll o a d sw h e np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sa r et e m p o r a r i l y d o w n t h e s en e w a p p l i c a t i o n sd e m a n dm o r ee 壤c i e n ta n dh i g hp e r f o r m a n c ep c s ： f i r s t l y , p r i n c i p l eo fc u r r e n ta n dv o l t a g es o u r c ec o n v e r t e rt y p es m e si sp r o p o s e d a n d c a r t e r t ta n dv o l t a g es o u r c ec o n v e r c e rw i t h c h o p p e rt y p ep c sa r ea n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i p so ft h et w oc u r r e n t st ot h et o t a lr e a la n dr e a c t i v ep o w e rt r a n s f e r st ot h es m e s a r es h o w n s e c o n d l y , s e v e r a lm o d e l so f4 一q u a d r a n tv s c a r eg i v e n e x p r e s s i o n si ns y n c h r o n o u s f l a m ea r ed e r i v e da n dd e c o u p l e df o rda n dqa x i sc o m p o n e n t so f t h ec u r r e n td r a w n b yt h e v s c p c s p ic o n t r o l l e r so fc u r r e n ta n dv o l t a g ea r ed e s i g n e df o rv s ca n ds v p w m a d o p t e db yt h ed i s s e r t a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l s a tt h es a m et i m e ，s t a t es p a c ea v e r a g em o d e la n ds m a l ls i s a la v e r a g em o d e lo f 2 - q u a d r a n tc h o p a r eg i v e n e x p r e s s i o nw i t hs m a l ls i g r l a la v e r a g em o d e l i sd e r i v e da n dp i c o n t r o l l e r so f c u r r e n ta n dv o l t a g ea r ed e s i g n e df o rc h o p t h i r d l y , s t a b i l i z a t i o n , s t e a d ya n dt r a n s i e n ts t a t ea r ea n a l y z e d c o m p u t e rs i m u l a t i o no f d y n a m i cs t a b i l i z a t i o no ns i n g l e - m a c h i n e - i n f i n i t e - b u sp o w e rs y s t e m 、v i t l ls m e si sc a r r i e d o u t ，a n ds m e si sq u i t ee f f e c t i v ei ns t a b i l i z i n ge l e c t r o m a g n e t i cp o w e ro s c i l l a t i o nb yl a r g e d i s t u r b a n c e s f o u r t h l y , c o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo fm i c r o s m e sa l ea n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i d s b e t w e e nq u a n t i t i e sa r ed e r i v e d f i n a l l y , p r o t o t y p e 谢m5 0 i 【j 1 0 k 、，a s m e si sm a n u f a c t u r e d a n dd y n a m i cm o d e lt e s t f o rs y s t e ms t a b i l i z a t i o ni sc a r r i e d n l er e s u l t so ft e s tp r o v es m e sc a nr e g u l a t ef a s ta n d i n d e p e n d e n t l yt h ea c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e rd e m a n d e di nt h ea cn e t w o r k ，a n dd a m p e l e c t r o m a g n e t i cp o w e ro s c i l l a t i o n k e y w o r d s ：p o w e rc o n v e r t e r , e n e r g ys t o r a g e ，s m e s ，p o w e rc o n d i t i o n i n g ，c s c ，v s c c h o p p e r ，p qm o d u l a t i o n 。华中科技大学博士学位论文 ! ! ! ! 竺! ! ! = ! i 一r 。一= 一；i ! i i i i i ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 i 绪论 1 1 引言 电力工业作为一个国家的支柱产业，是现代社会最必需、最重要的二次能源， 是其它产业赖以发展的必不可少的基础，因此随着现代工业、农业、交通、国防和 社会生活的不断发展，人们对电能的需求日益增长起来。预测表明，到2 0 1 0 年和 2 0 2 0 年，我国的发电机总装机容量将分别达到5 5 0 g w 和8 0 0 g w 。在我国，一次能 源以煤为主，二次能源以电为主的基本格局在相当长的时期内是不会改变的。据统 计，我国的煤炭发电量占总发电量的7 5 ，水力发电量占总发电量的2 3 ，太阳能 和风能等发电量约占总发电量的2 【l “。可是相比之下，我国的一次能源( 煤、 水) 主要分布在华北、西北和蓖南等地区，而主要的电力负荷区却在东南沿海，因 此长距离大容量“西电东送”的电力传输便不可避免，尤其是目前以三峡水电站为 核心的“全国统一联合电力系统”正在逐步形成，大系统的稳定性和可靠性闯题将 十分突出。 同时，由于常规电力系统的导电材料以铜、铝为基础，其固有的缺陷使得系统 效率不可能有更大的提高。按8 5 的网损率计算，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，总网损 将达到4 7 g w 和6 8 g w ，这个数据相当于两个半到四个三峡水电站的发电量，因此 电力传输的效率将亟待提高。 另外，鉴于常规电力设备和电力系统自身的不足，在短路电流越来越大的情况 下，采用目前最先进的四氟化硫断路器也只能达到6 3 k a 的开断容量，已经很难有 再大的提高。若不能提高断路器的开断容量，就很难提高电力系统的电力传输容 量，因此大容量短路电流问题也将是十分地突出。 基于以上论述，如何提高电力系统的稳定性、降低输电线路的损耗、抑制大容 量短路电流的影响等便成为了亟待解决的重要问题，这些问题的解决迫切需要先进 的科学技术为前导。 为了能够实现“充分、可靠、优质、经济”的供电理念，目前各种新的科学技 术正在不断地被应用到电力系统的规划、建设和运行之中，其中超导电力科学技术 是二十一世纪电力工业的唯一高科技储备，将为解决上述存在问题提供崭新的思 想方法，使电力工业发生嚯大的技术变革，产生巨大的社会和经济效益。据估计， 超导电力科学技术一旦大规模应用于电力系统，可以使超导电力装置普遍具有重量 轻、体积小、效率高等优点，不仅带来了装置电气特性的全面提升，而且也带来了 l 华中科技大学博士学位论文 诸如降低发电厂、输电线及变电站的占地面积等附加效果。可以断定，大力发展超 导电力科学技术是二十一世纪国家竞争中保持尖端优势的关键所在。 由于电能储存技术可以有效地改善电力系统的电力品质如稳定性、效率等，因 而电能储存技术的发展一直受到世界各国的普遍关注，尤其是超导电力磁储能技术 更是倍受重视。其实，电能储存并不是一个新的概念。在此之前，其它形式的电能 储存技术如抽水、电池储能已或多或少地得到了一些应用。但这些储能方式的效率 很低，响应很慢，因为它们必须把电能转变为机械能或化学能，然后再把机械能或 化学能变回电能。同时，抽水储能只适用于大型装置，而电池储能又受其储能总量 的限制。正是这些传统电能储存技术具有的局限，才导致了对超导电力磁储能技术 的进一步研究与开发。 1 2 电力系统稳定性 电力系统指的是发电、输电、配电、用电等环节的电力设备组成的一个网络的 总称，其稳定运行的重要标志是系统中的同步发电机与系统处于同步运行状态。在 稳定运行时，电力系统通常具有如下的基本运行特点1 3 1 ： ( 1 ) 电力能量不能大量高效快速地储存：电力系统的发电、输电、配电和用 电等过程实际上是同时进行的。也就是说，在电力系统中，任何时刻发出的电功率 都等于输配电的耗损功率与用电设备的负荷功率之和，系统缺乏应有的运行灵活 性。因此要求电力系统能够储存电能以提高其运行灵活性。 ( 2 ) 电力系统的动态过程非常短暂：与机械系统或机电系统不同，电力系统 从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态的时间非常短暂，动态响应很快。 因此要求与电力系统配套的其它电力设备也必须有良好的动态特性。 ( 3 ) 电力供电中断会产生严重后果：电力系统正常运行的突然中断几乎都是 由某种事故( 大多数是短路故障) 引发的，这种事故的发生会危及各部门的f 常工 作和人们的同常生活。因此要求其具有防止或减少事故发生的能力。 由于电力系统在实际运行中，其稳定状态会因为种种原因而受到或小或大的扰 动。因此扰动之后能否继续保持系统中的同步发电机与系统的同步运行状态便可以 表明电力系统稳定性的高低。 根据电力系统的基本功能以及发配电的特点可以看出，保证稳定可靠且优质经 济地发配电是对电力系统运行最基本的要求。一般而言，电力系统稳定可靠运行的 基本方法有【4 l ： 改善电力系统的结构，增强系统抗干扰能力以提高其稳定性； 2 华中科技大学博士学位论文 改变电力系统的监控模式，利用计算机对系统进行安全运行的监控： 增加电力系统特殊的辅助设备，提供充足的有功功率电源和无功功率电源。 然而，现代电力系统在稳定可靠运行问题上有着不可克服的缺陷，其主要原因 就是系统中没有可以大量高效快速地储存电力能量的元件，而且动态响应也非常地 迅速，导致一旦系统中发、输、配、用电之间的相对平衡遭到破坏，便会引发系统 的机电功率不平衡，造成频率电压和有功无功的振荡，甚至导致系统的崩溃。 几十年来，电力系统稳定性问题一直是理论工作者和工程技术人员所特别关注 的，在励磁控制、调节器控制、静止无功补偿控制等方面已经取得了可观的成果。 可是，现代电力系统在规模和复杂性上已有长足的进步，其特点是长距离大容量以 及区域互联，因而传统的系统致稳措施如机组惯性储能、继电保护等被动致稳方法 已不能完全适应现代电力系统。尤其是在现代电力系统中，无阻尼低频功率摇摆是 潜在的，由于它能够降低系统稳定性和减损允许电力传输容量，因而已经成为一个 新的严重问题。 上述三种电力系统稳定可靠运行的基本方法中，改变电力系统结构将受制于系 统总体特性且只能针对新建系统，而改变电力系统监控模式则属于引进某种新的手 段对系统监控且是被动的方法，因此只有在电力系统中增加某种特殊的辅助设备才 能有效地保证系统的更稳定地运行。 在这种情况下，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 y s t o r a g e ) 有望成为电力系统中一种新的有效设备，因为s m e s 能够大量高效快速地 储存电能以改善系统的电力品质，如调节日负荷变化以补偿负荷需求、保持频率电 压的稳定以及抑制功率摇摆，提高发电机与大系统的稳定性和允许的电力传输容 量。对于中小型以及微型超导磁储能装置m i c r o s m e s 来说，还可以改善用户供电 品质、提高用户功率因数等等。 1 3 超导电力磁储能系统 超导电力技术在电力系统中的可能应用主要体现在超导发电机和电动机、超导 变压器、超导输电线、超导限流器和超导磁储能装置等几个方面5 6 1 。就当前的情 况来看，超导磁储能则是超导电力技术应用于电力系统中唯一的已经可能商用化的 技术【7 引。 1 3 1 超导磁储能的概念 华中科技大学博士学位论文 超导磁储能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 ys t o r a g e ) 装置最基本的 原理是：利用由超导线制成的线圈称之为超导磁体，将交流电网供电电流转换 成直流电流以磁场能量的形式储存起来，在需要时再将此储存的磁场能量进行变换 送回到交流电网或作它用，从而调节电力系统中有功功率和无功功率的平衡，完成 相应的控制目标一j 。在s m e s 中，必须要有某种冷却介质来保持超导磁体始终处于 临界温度以下以保证其零电阻的超导状态，因而流过超导磁体的电流产生的磁场才 能长期无损地储存能量。通常，超导线选用铌钛合金材料，而冷却介质则选用 4 2 k 的液氦f ”1 。 一般情况下，如果超导磁体的电感量为。，流通的电流值为，一则超导磁体 中储存的磁场能量的表达式为： e s c 甚z 可见，超导磁体储存的能量与其电感量和电流值有关。通常，电感量是不变 的，但电流值却决定于磁体材料。如果磁体是由常规导线制成的，则由于常规导线 存在电阻，大部分磁场能量终将以热的形式消耗在磁体的电阻上：然而，如果磁体 是由超导线制成的，那么因为超导线的电阻几乎为零，因而磁场能量也就几乎可以 无损耗永久性地储存着，直到需要时再释放出来。 现在有的文献9 1 也使用了一种更为广义的概念，即s m e s 的镜象变换s e m s ( s u p e r c o n d u c t i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 超导能量管理系统，它在某种 程度上更加确切地反映了超导磁储能的最新应用。但出于传统习惯的考虑，目前仍 沿用s m e s 。 | 璺l1 1 超导磁储能系统原理示意幽 4 华中科技大学博士学位论文 图l 一1 是超导磁储能装置用于电力系统的原理示意图。电力系统中，g 是发电 机，f l q y 变压器升压，经过线路，再由y 变压器降压到无穷大电网。其余部 分即为超导磁储能装置。 1 3 2 超导磁储能的组成 超导磁储能装置主要包括功率调节系统( 图1 1 大虚线框) 、超导磁体( 图1 1 小虚线框) 和低温系统三个大的部分i 。 由于超导磁体是d c 单元，而充放磁通常是通过a c 电网来完成的，因此其间就 需要有种称其为功率调节系统p c s ( p o w e rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ) 的单元来连接 d c 超导磁体和a c 电网1 7 j o 功率调节系统p c s 可采用标准的静止a c 卜斗d c 双向 功率变换器，通常由普通晶闸管s c r 或可关断晶闸管g t o 组成的整流器逆变器实 现，但现在也有用绝缘门极双极晶体管i g b t 来构成功率变换器的。p c s 根据电力 系统的运行要求，在d c 超导磁体和a c 电网之间来回反复传递功率以达到调节日 负荷变化、降低输电线损耗、提高输电线容量、抑制低频功率振荡、改善系统动态 稳定性的目的p ! 。可见p c s 是s m e s 在电力系统中有效可靠运行的关键组成部分。 1 - 3 3 超导磁储能的功能 超导磁储能装置主要用于电力系统日负荷变化的调节、输电线损耗的降低、输 电线容量的提高、低频功率振荡的抑制与系统动态稳定性的改善等，2j 。除上述改 善电力系统电力品质之外，还可用作脉冲功率电源和紧急备用电源”。一般说来， 用于抑制低频功率振荡、改善系统动态稳定性的s m e s ，其储能量和容量比较小、 反应速度比较快：但用于调节日负荷变化、降低输电线损耗和提高输电线容量的 s m e s ，储能量和容量则很大，且反应速度相对比较慢。不同规模s m e s 的容量从 几千瓦到几兆瓦，支撑时间从几微秒到数小时。根据电力系统实际运行要求，所有 s m e s 都必须独立控制有功功率和无功功率，并能够控制功率流的方向和大小l 。 综合起来说，s m e s 在改善电力系统电力品质中的作用可以概括为以下几个大 的方面： ( 1 ) 电力系统中，可以对系统的负荷进行削峰填谷，并能平衡电网中的次谐 波振荡大型s m e s 因其具有极大的电能储存能力而被用来平衡电力系统的f 1 高 峰负荷与夜低谷负荷。 ( 2 ) 在发电系统中，可以增大发电机的阻尼，保证发电机出现不应有的振荡 时能够快速抑制当系统受到或大或小扰动时，发电机输出功率会发生振荡，中 华中科技大学博士学位论文 小型s m e s 能够增加发电机阻尼，快速稳定发电机。 ( 3 ) 在输电系统中，提供系统瞬时有功功率支持，降低输电线损耗，提高输 电线容量含大型s m e s 的系统中的发电机可以工作在较大的功角上而同样具有 较大的稳定性，因而可以充分利用输电线的热稳定极限提高输电线的传输能力。 ( 4 ) 在配电系统中，作为用户电力技术的一个部分对大型集中用户进行补 偿，或作为备用电源微小型s m e s 是用户电力技术的重要组成单元，它可以用 作敏感负载、关键负载或智能大厦的不间断电源：结合动态电压恢复器减少进而消 除瞬时过压、欠压以及波形畸变甚至是停电的可能。 ( 5 ) 其它应用 s m e s 还可用作太阳能和风力发电的电能储存环节，因为太阳能和风力发电会 产生脉动功率，给配电带来很多问题，s m e s 则可平滑输出功率，满足配电要求。 1 3 4 超导磁储能的特点 任何一种储能技术在本质上都会具有一些其它储能技术所不具备的典型特点。 例如，相比于其它储能技术来说，s m e s 在充放磁时的效率、动态响应时间、能量 密度、可靠性以及对环境的影响等方面更具特色| 1 0 1 。与传统的储能装置诸如抽水储 能、电池储能等进行比较，可以发现s m e s 具有两个最显著的特点【9 h l ： ( 1 ) 在s m e s 中，几乎没有运动部件( 除冷却系统外) ，而能量又是以流经 一个超导磁体的直流电流产生的磁场的形式储存起来的，只有很少的能量在转换过 程中转换为其它形式消耗掉，所以其效率非常地高； 典型效率比较f 7 , 1 4 1 ：抽水储能 7 0 电池储能7 5 飞轮储能6 0 - 7 5 超导储能 9 0 ( 己考虑低温系统损耗) ( 2 ) 由于s m e s 储存的是电能，不存在能量形式的改变，且仅有的制约只是 连接超导磁体和交流电网的变换器开关器件的开关时间长短和控制策略优劣，因此 s m e s 从电网吸收能量或向电网释放能量的响应速度也非常地快。 响应时间比较：水门控制秒分级 汽门控制秒级 励磁控制秒级 s m e s毫秒级 除此之外，超导磁储能装置还具有以下优点f i o i ： 6 华中科技大学博士学位论文 ( 1 ) 储能量很大：可储存高达5 0 0 0 m w h 的能量用来平衡日高峰负荷和夜低谷负 荷，且几乎可同步跟踪负荷的变化，以保证系统在稳定的输出功率条件下运 行，并能够提高输电线的传输能力； ( 2 ) 可靠性很高：由于除了对超导磁体进行制冷的冷却系统外，其余部分不再有 运动部件，增强了可靠性； ( 3 ) 安装容易：可安装在电力系统任何地点，不必考虑易爆气体、腐蚀材料、有 毒物质的影响； ( 4 ) 寿命长：充放磁循环次数很高，即寿命周期很长( 长达3 0 年，远大于目前的 电池) 。 ( 5 ) 成本低：和具有类似功能的其它储能装置如电池后备系统相比，费用并不高 多少( $ 1 0 0 0 七蹦) 且呈下降趋势。 1 3 5 超导磁储能的应用b o a 5 1 电力品质的优劣对于工业生产和国防装备有着举足轻重的作用。由于数字控制 设备与微处理器的大量应用，使工业生产和国防装备对电力的瞬态扰动更加敏感。 低劣的电力品质将会中断敏感负载、关键负载的运行，因此拥有一个电力品质优良 的电力系统便成为最基本的要求。那么电力品质的低劣到底会产生多大的后果呢? 下面的一组数据可以说明这个问题： 在汽车制造行业，由于电力的突然中断而引发的停产将会导致制造商高达每 小时5 0 万美元的损失； 如果因为电压扰动形成故障而中断一条自动生产线的正常运行，将会使制造 商遭受每天1 万美元的损失； 在造纸行业，如果电压跌落时间达到2 5 0 m s ，造纸机就会中断j 下常的运行， 导致数小时的停工，产生价值高达5 万美元的损失； 在合成光纤制造业，如果电压跌落时间在5 0 2 5 0 m s 之间，将会关闭合成光 纤的回旋器，造成大量的废品，甚至丧失生产能力； 在塑料胶片制造业，为了完成胶片生产的全过程而要使用发泡机，即使存在 瞬时的电力中断，发泡机也会崩溃，直至丧失生产能力。 因此，在类似上述的高附加值产业中，安装诸如s m e s 等高效快速保护装置的 预防措施被认为是行之有效的手段。因为和其它提高电力品质的装置如u p s 等进行 比较，可以发现s m e s 能够显著地小型化，稳定性好，可靠性高，并具有较低的运 行成本和较少的维护保养、对环境的影响也明显降低。 7 华中科技大学博士学位论文 具体说来，超导磁储能s m e s 主要应用在电力系统日负荷变化的调节、输电线 损耗的降低、输电线容量的提高、低频功率振荡的抑制与系统动态稳定性的改善等 方面。在本文的工作中，将只针对s m e s 改善系统动态稳定性和提高用户供电品质 进行研究。 1 4 超导电力磁储能的控制方案 超导电力磁储能s m e s 装置有效可靠的运行在很大程度上将依赖于其控制单元 的控制策略。一个典型的控制单元应该具备三个主要的功能： 监控电力系统和负载的电压电流： 控制功率开关器件的正常开关： 控制超导磁体的直流功率。 相对于其它的储能装置来说，s m e s 最突出的优越性在于它能够高效快速地与 电力系统进行有功功率和无功功率的交换，并且有功功率和无功功率的交换可在4 个象限独立地完成。因此，在s m e s 控制单元的设计和控制策略的选择中，最关键 的问题是要考虑控制策略能否使s m e s 装置与a c 电网很好地相互匹配，并且能够 根据不同的控制目标使s m e s 装置能够最大限度地改善电力系统的总体性能。显而 易见，控制单元与控制策略的优劣是衡量s m e s 装置性能好坏的关键。 根据控制单元设计中对系统信息获取与综合的方法不同，s m e s 的控制策略可 分为以下两个大类。 ( 1 ) 基于系统内外部特征的传统控制方式：包括单环p i d 控制、双环p i d 控 制、局部反馈线性化控制、自适应控制和滑模变结构控制等； 单环p i d 控制 经过多年的发展，p i d 控制已经成为工程设计中最常用最成熟的控制方法。经 典的单环p i d 控制在电压源变换器( v s c ) 的控制中虽然也有应用，但由于只存在 一个电压控制环，其在负荷扰动抑制上存在着很大的不足，即只有当负载电流的扰 动最终对输出电压产生影响后，p i d 控制器才对电压误差信号进行控制。如果是一 般要求的系统，倒是能够设计出相对合适的控制器，但对要求较高的系统，则很难 达到系统要求的稳态精度和动态特性。 双环p i d 控制 由于单环p i d 控制在抵抗负荷扰动方面的固有缺陷，因此在v s c 的实际控制 中，一般都考虑双环p i d 控制。双环p i d 控制是在电压控制环的基础上再增加一个 8 华中科技大学博士学位论文 电流控制环，利用电流控制环可以抑制电流的扰动并简化电压控制环的设计。通常 是将2 个环处理成电压外环和电流内环的结构形式。 电流控制环有三种主要的实现形式：滞环控制器、线性p i 控制器、预测控制 器。这3 种控制器都可分别在- , f l 静止a b c 坐标系和两相旋转砌坐标系中表示，并 通过模拟或数字的方法实现。 局部反馈线性化控制通过对系统非线性因素的精确补偿，将非线性系统转化 为线性系统，再采用线性控制理论进行控制。 自适应控制1 ”，”3 ，“4 i 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 是一种具有一定适应能力的控制方法，它能够 辨识环境参数的变化并自动校正控制策略，使系统达到最优或次优的效果。 自适应控制的最大特点是它含有系统性能指标的闭环反馈，因而具有辨识一决 策- 1 参改的功能，即系统在运行中根据参考输入、控制输入、对象输出和已知干扰来 测量系统性能指标，并与给定性能指标进行比较，根据比较结果作出相应决策，再 通过适应机构来修正系统参数，以保证系统跟踪给定的最优性能指标，使系统处于 最优或次优的工作状态。 自适应控制主要有模型参考自适应控制( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 和 自校正控制( s e l f t t m i n gc o n t r 0 1 ) 两大类。 模型参考自适应控制由内环和外环组成。内环是被控对象和经典控制器构成 的，外环则是参考模型的自适应机构。由于被控对象的参数事先不知道，因此控制 器的参数不可能整定得很合适，即原系统的参数不可能与参考模型完全一致，所以 当参考输入，) 同时加到原系统和参考模型的输入端时，原系统的输出y c t ) 与参考 模型的输出y 。，“，也不可能完全一致，产生的偏差信号吖f ，进入自适应机构形成适 当地调节作用来改变控制器的参数，使原系统的动态响应逐渐与参考模型的动态响 应相一致，完成自适应控制过程。 自校正控制也是由内环和外环组成。内环仍是被控对象和经典控制器构成的， 外环则由参数估计和控制器设计构成。自校正控制就是将参数估计递推算法与控制 器设计算法相结合形成的一个能自动校正控制系统参数的实时计算机控制系统。 滑模变结构控制1 1 2 5 1 滑模变结构控制( s l i d i n gm o d e ) 是一种非线性控制方法，它是利用某种不连 续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模 念”的轨迹运动。从原理上讲，滑模变结构控制的稳定性以及全系统的性能对参数 变化和外部扰动不敏感，因而具有较强的鲁棒性，这是其主要优点。但是对于实际 的变换器，要确定一个理想的滑模切面是很困难的；此外，滑模交结构控制必须以 9 华中科技大学博士学位论文 数字化实现才能形成实用价值，而数字式滑模变结构控制只有在采样频率足够高时 才能达到要求的性能，这些缺点限制了它的进一步应用。 ( 2 ) 基于系统知识的智能控制方式：模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算 法控制和专家系统控制。 与传统的控制方式相比，智能控制方式的最大特点是它可以不依赖于被控对象 的精确数学模型，这对含有不精确或不确定环节而难以建立精确数学模型的系统来 说是极有吸引力的。但是对电力电子变换装置而言，其各种拓扑结构的精确数学模 型都可以很容易地建立，相反，如果采用了智能控制，反倒使控制策略复杂化，得 不偿失，但是若把智能控制作为传统控制方式的补充，却能使控制效果得到很大程 度的提高。能够和传统控制方式相结合的智能控制如下所述： 模糊逻辑控制 模糊逻辑控制隶属于智能控制的范畴，它从宏观思维角度出发，模仿人的模糊 信息处理能力，采用开闭环控制以及定性与定量相结合的多模态控制方法，可很好 地解决复杂的非线性时变，不确定性问题，有望成为综合解决复杂电力系统控制的 有效方法。 神经网络控制 神经网络是以神经元( 一种简单计算一处理单元) 为节点，采用某种拓扑结构 构成的活性网络，模仿人脑神经系统的功能，具有学习、计算、记忆和智能处理的 能力，几乎可以描述所有的非线性系统。 学习机制是神经网络的主要特点之一，其学习规则是修正神经元之间连接强度 的一种算法，执行该算法以使获取的知识结构适应环境变化。神经网络控制主要涉 及反向传播( b p ) 神经网络和反馈( h o p f i e l d ) 神经网络两大类。 b p 神经网络是具有隐含层的多层前馈网络，其神经元活化函数常采用s 函数 的形式，学习过程则包括前向网络计算和反向误差传播两个部分。b p 神经网络利 用s 函数的连续可导性引入最小二乘学习算法，使网络输出与期望输出之误差向后 传播的同时修正连接强度，达到误差均方值最小的效果。 h o p f i e l d 神经网络是由非线性元件构成的反馈网络，由于考虑了输出与输入在 时白j 上的传输延迟，因而是一个动态的过程，这将导致稳定性分析变得较为复杂。 h o p f i e l d 神经网络( 连续型和离散型) 中的每一个神经元都和其它神经元相连接， 形成对称的全互连网络，使算法收敛。实际控制系统中常用离散型h o p f i e l d 神经网 络。 1 5 超导电力磁储能的研究与发展 华中科技大学博士学位论文 超导现象最初由荷兰物理学家hk o n n e s f l 刀发现于1 9 1 1 年。虽然当时也曾有 计划准备在一些项目中采用这项新技术，但由于临界温度、临界磁场和i 临界电流密 度等条件的制约，此后一直没有能够在电力工业中得到成功的实际应用。8 0 年代以 来，由于可用于交流电磁环境中的极细丝复合多芯n b t i 低温超导线材的开发成 功、l a 系列等高温超导体的发现以及高温超导线材的开发成功，尤其是电力电子技 术、计算机控制技术的突飞猛进，超导技术在电力系统中的应用发展很快。可以预 计，在二十一世纪，超导技术将逐步系统地进入电力系统中，形成含有大量超导电 力装置的电力网络，使传统的电力系统向超导电力系统发展1 1 8 1 。 1 5 1 超导体的基本特性 如果温度、磁场和电流密度均达到相应的某一临界低点时，超导体的超导态便 表现出来。通常i 处于超导态的超导体具有三大特性： ( 1 ) 零电阻特性：处于超导态的超导体的电阻为零，该特性在磁储能、限流 器方面具有广泛的用途； ( 2 ) 迈斯纳效应：磁力线不能通过处于超导态的超导体，即完全抗磁性，该 特性在磁悬浮、磁屏蔽方面具有广泛的用途； ( 3 ) 约瑟夫森效应：超导体一绝缘体超导体形成的超导结具有特殊的v 。i 特 性，该特性在微弱电磁测量方面具有广泛的用途。 1 5 2 超导磁储能的研究历史 众所周知，无论是供电设备还是用电设备，在提供和使用电能的时候都不可避 免地处于某种不断的变化中。这些变化可能是周期性的，其周期或许是几秒，或许 是一年；而有些变化则是随机性的，其出现的频度和程度与供用电设备在电力系统 中所处的位置以及用电设备的复杂性高低有关。一般情况下，供电系统有能力通过 以下的措施来解决周期性变化的问题，如改变发电厂的输出功率、安排机组并车或 解列、安装储能装置尤其是超导储能装鼍等1 7 j 。 美国是最先提倡并研究开发采用超导磁体进行储能的国家之一。其实，超导磁 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 ys t o r a g e ) 技术应用于电力系统的思 想早在1 9 6 9 年就已由法国的m f e r r i e r 提出t 7 , 1 9 1 ，他当时的构想是用一个很大的超 导磁储能装置来平衡法国电力系统中的日负荷需求变化，这个构想包括三个主要部 分：一个是超导磁体单元、一个是维持超导磁体处于超低温状态的低温冷却单元、 最后一个是保证直流超导磁体和交流电力系统可靠接口的功率调节单元。这种以解 华中科技大学博士学位论文 决r 负荷需求变化为目的的超导磁储能装置的研究，立即引起了人们的关注，就此 便开始了超导磁储能的理论研究和应用开发。次年，美国的r w b o o m 和ha p e t e r s o n l 2 0 1 等在威斯康星州立大学u o w ( u n i v e r s i t yo f w i s c o n s i n ) 和能源部洛斯一阿 拉莫斯国家实验室l a n l ( l o s a l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 发明了一个由超导线圈 和三相a c d c 格里茨桥组成的超导磁储能装置，进行了最早的概念设计和基础研 发工作| 5 ，2 ”1 ”，同时对格里茨桥在储能装置与电力系统相互影响中的作用进行了详 细的分析研究【2 。“o 。r w b o o m 和h a p e t e r s o n 当时的考虑也是调节日负荷变 化| 5 ”“”o ，即：在电力系统非峰荷期间把超过基荷的多余电能储存在超导磁体 中，再在峰荷期间释放给电力系统，以维持发电机运行在最优功率输出状态。一般 情况下，这种超导磁储能系统应该具有数千兆瓦时的备用能量和数小时的持续时间 1 i i ) l 。根据对当时的电力系统的估计，额定储能量为5 0 0 0 m w h 且额定功率为 1 0 0 0 朋r w 的超导磁储能装置应该是最佳的选择 5 i 。 从上述超导磁储能装置的参数和电力电子器件的发展阶段来看，采用半控功率 器件是更合适的，因此在s m e s 当时的研究中，研究人员一般都采用1 2 脉冲晶闸 管( s c r ) 变换器来构成p c s l ”j ，通过控制2 个串联连接变换器的触发角，可以在 某种程度上减少无功功率需求i 7 1 ，但是这种s c r 变换器不能提供独立的有功功率 和无功功率控制，并且当触发角增加时也会产生大量的无功功率需求使超导磁储能 系统m i r a 级的容量继续增大1 。 1 9 7 2 年，l a n l 开始对s m e s 的经济可行性进行分析。分析结果表明：对 s m e s 的进一步研究是经济的、有效的、易建设的和环境可接受的| 1 ”。在继续设计 和建造2 0 m w h 4 0 0 m w 级( 理论持续时间3 m i n ) 的工程试验模型e t m ( e n g i n e e r i n g t e s tm o d e l ) 的基础上，准备着手进行用于工业与国防的 5 0 0 0 m w h 1 0 0 0 m w 级( 理论持续时间3 0 0 m i n ) 的大型s m e s 的概念设计【jo i 。在 此经济可行性分析之后，大约有2 0 多个针对不同控制目标、具有不同容量的s m e s 项目在全球陆续展开。 1 9 7 3 年，n m o h a n 率先在其博士论文中提出将s m e s 用作电力系统稳定器的 思想1 2 引，随后r t b y e r l y 和j a j u v e s 又对s m e s 在电力系统中的稳定作用进行了 详细的分析研究| 2 。值得指出的是，和日负荷调节的要求不同，用作电力系统稳定 的s m e s 储能量要求不高而容量要求却很大【6 2 1 。这个研究结果一发表，随即就引起 l a n l 和b p a ( b o n n e v i l l ep o w e ra d m i n i s t r a t i o n ) 的注意，认为中小型s m e s 有可 能会满足为抑制太平洋h v a c 系统0 3 5 h z 振荡而必须具备的容量需求。 1 9 7 6 年，l a n l 联合b p a 率先开始设计和建造用于提高输电线稳定性的 3 0 m j 1 0 m w ( 理论持续时间3 s e c ) 超导磁储能装置。起因是从太平洋西北电力系 华中科技大学博士学位论文 统到南加州的一条1 0 0 0 英里长的双回交流5 0 0 k v 和正负直流4 0 0 k v 的输电线出现 了不稳定现象。虽然该输电线的设计热稳定极限接近3 0 0 0 m w ，但是在某种特定的 负荷条件下，当输电线潮流达到大约1 8 0 0 m w 时，系统就开始发生振荡，能量便在 系统的北部和南部来回振荡，振荡功率高达5 0 0 m - w ，振荡频率约为o 3 5 h z 。与此 同时，还发现这种振荡可以通过在接近太平洋西北电力系统的某处注入适当相位的 功率得到抑制1 7 j 。为了解决上述输电线存在问题，h b o e n i g r n i e l s e n 和k s u e k e r 提出并试验了采用2 个内部不对称触发控制的6 脉冲桥构成的1 2 脉冲s c r 变换 器，以期得到独立的有功功率和无功功率控制i 。该系统于1 9 8 1 年完成现场安 装，位于b p a 的t a c o m a w a s h i n g t o n 变电站，运行了大约1 年，进行了上百万个周 期的充放电，是迄今为止参与电力系统实际运行的唯一实例 g j 0 1 。运行结果显示， 系统的电、磁和结构性能指标能够满足要求。但是 lb o e n i g ，r n i e l s e n 和k s u e k e r 的这个方法有一个固有的缺点：系统会产生大量的谐波且不能在较宽范围内 改善功率因数。 8 0 年代初期，美国电力研究院e p r i ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 对超导 磁储能装置应用于电力系统中的技术经济可行性进行了调研川。到了8 0 年代中 期，美国国防音p d o d ( d e p a r t m e n to fd e f e n s e ) 对超导磁储能装置可以向地面防御 系统提供脉冲功率电源的潜在能力也产生了兴趣，并因此着手设计、建造、试验了 个2 2 m w h 4 0 0 m w 的工程试验模型( e t m ) 2 q 。e t m 样机主要完成了以下两个 方面的工作： 展示了s m e s 对商业电网负荷调节和系统稳定的可行性 评估了用相同的s m e s 向地面防御系统供电的可行性 8 0 年代后期，由于大功率可关断晶闸管( g t o ) 被研制出来，因此便开发出了 几种类型用g t o 作开关器件的p c s ，这些系统可以运行在零无功功率下，并采用 p w m 工作模式使4 象限独立控制有功功率和无功功率成为可能【1 1 2 7 o 但采用g t o 最大的问题是如何处理g t o 关断时储存在变压器漏感中的能量所产生的过电压， 因此t i s e ，y m u r a k a m i 和k t s 由i ，以及t i s e ，j s i d l e s ，r k u s t o n 和j w a n g 等先 后用提出的辅助电路来解决了这个问题1 3 。l 。尽管如此，这些系统也没有一个能够显 著地减少无功功率需求和完善地独立控制有功功率和无功功率。 9 0 年代初期，r h l a s s e s t e r 和s g j a l a l i 为e t m ( e n g i n e e r i n g t e s tm o d e l ) 提 出了两型组合式p c s l 2 6 , 3 0 i 。第