移动式直接冷却高温超导磁储能系统m-smes的研制

移动式直接冷却高温超导磁储能系统m-smes的研制

0高温超导系统smes超导磁体能源矩阵（smes）结合了超导磁体高效的储存特性和能源电子的快速响应特性，可以在短时间内实现四个通道的功率调整，提高电气系统的稳定性。美国邦纳维尔电力公司(BPA)在1982年应用一台30MJ/10MW的SMES抑制了太平洋西岸和南加州之间500kV联络线上的低频功率振荡,其功能还包括提供电压支撑和频率控制等。美国超导公司(ASC)和通用电气(GE)公司自2000年起联合推广用于提高电网可靠性的分布式SMES(D-SMES)产品。上述SMES均采用低温超导材料,制冷效率低,运行和维护成本较高。和低温超导SMES相比,高温超导SMES(HT-SMES)将磁体的工作温度从4.2K提高到20K以上,很大程度上提高了磁体冷却效率,降低了系统运行成本。自1999年起,日本新能源开发组织(NEDO)联合东京电力公司和九州电力等联合进行了具有商业利用价值的HT-SMES研发工作,主要用于增强电力系统的稳定性(15kWh/100MW)以及负荷波动补偿和频率控制(500kWh/100MW)。如今HT-SMES已被应用在系统电压支撑和不间断供电等领域,最大容量达到MJ量级。在中小型SMES中,移动式高温超导SMES可以灵活地选择安装地点,在电力系统中有着广阔的应用前景。美国GE公司生产的D-SMES多采用移动式,韩国也在2004年研制了一台3MJ/750kVA的移动式SMES用于提供线路上的短时容量备用。但上述移动式SMES都未采用传导冷却(或称直接冷却)的制冷方式,运行过程中须补充液态冷媒,限制了SMES的移动性。采用直接冷却方式的M-SMES在国内外尚未见报道。2005年,华中科技大学联合浙江大学、西北有色金属研究院及合肥等离子体研究所合作研制了我国第一套直接冷却高温超导磁储能系统(HTcSMES),额定容量为35kJ/7kW,其中高温超导磁体直流临界电流达150A,临界储能容量达85kJ。在HTc-SMES的基础上,本文将该SMES的各组件进行重新设计和改造,集合到一台特别定制的集装箱内,研制了一套移动式直接冷却高温超导磁储能系统(M-SMES)。进行了全面的性能测试和实验室动模实验,还开展了现场试运行试验研究。这也是国内首次开展直接冷却高温超导磁储能系统的现场试验。1直接冷却和高温干燥的自主容量1.1m-smes控制M-SMES系统结构包括高温超导磁体及杜瓦、制冷单元、变流器、监控单元、箱体等主要组件及其它辅助部件,其工作原理框图如图1所示。监控单元实时监测和记录M-SMES以及与之相联系的电力系统的运行状态,根据系统的运行要求和既定的控制策略对变流器发出相应指令。M-SMES的上层控制由2个PI控制器组成,用于调节发电机机端的有功功率输出和机端电压,控制框图如图2所示。变流器控制M-SMES向系统注入有功和无功功率,实现超导磁体直流储能与交流电网之间能量交换。其中,中层控制器根据监控单元下发的功率的指令值Pref和Qref计算调制比M和相位角α:式中:Us为M-SMES接入点处的电压;Id为磁体直流电流。底层控制器根据式(1)计算得到的M和α,产生开关器件的驱动信号。制冷单元实时监测杜瓦内的温度变化情况,将磁体温度控制在工作温区内,并维持杜瓦内的真空以降低与外界的热交换。1.2m-smes的主要防雨设计M-SMES的箱体是一个特制的集装箱,长6m,宽2.4m,高2.6m,外观如图3所示。为方便操作,该箱体三侧开门,两侧开窗,箱体四壁加装了隔热层并配置了空调和排气扇。内部增加了若干槽钢以增加箱体的强度。考虑到M-SMES在应用现场可能是露天放置,故箱体的门、窗、排气扇、空调的室外机以及M-SMES对外电气和循环水接口均专门防雨设计。工作电源、功率输出和测量反馈3类电气接线集中通过金属套管接入箱体内部的配电箱内,再经不同的空气开关或断路器从箱体内部的线槽接至变流器和监控单元。M-SMES的监控单元、变流器、制冷单元和杜瓦顺序排列在箱体内。监控单元、变流器和制冷单元是3个标准的电力柜,底部焊接在箱体的底板上,顶部则焊接在箱体内的加固槽钢上。真空泵经由底座直接焊接在箱体上。杜瓦内部超导磁体的连接件较多,重达近1t,故须重点进行抗震设计:在杜瓦外部,为减小运输过程中的颠簸对磁体造成的冲击,在杜瓦底部加装了减震底座,顶部以吊环悬挂在箱体顶部;通过下部的支撑和上部的固定,很大程度地减小了杜瓦在垂直方向上相对箱体的位移;杜瓦四周以拉簧固定于箱体四壁,防止其在运输过程中发生倾倒;在杜瓦内部,通过在上部增加法兰盘,将原固定于底部支撑上的超导磁体悬挂在杜瓦内,减小了磁体在颠簸中所受到的冲击;同时依靠支架防止水平方向上磁体与杜瓦之间发生碰撞。图4是杜瓦实物图。2m-smes性能试验实验2.1m-smes的率调节实验M-SMES的性能测试主要分为2个方面:磁体的热稳定性测试确保M-SMES在现场运行过程中磁体能够长时间稳定地工作在超导温区;系统的功率调节实验主要是验证M-SMES储能和四象限功率调节的功能。M-SMES的超导磁体从常温开始冷却,经过约17h进入超导态,经过约28h达到热平衡状态,磁体上、中、下部的温度分别为25.6、20.5、23K。制冷过程如图5所示,图中虚线表示磁体上、中、下3部分测得的温度平均值,实线为超导磁体的电阻。由于磁体各部分与制冷机的冷头距离不同,达到超导状态的时间也不相同,所以从曲线上看不到电阻的突变过程。2.2m-smes的控制特性功率调节实验按如下方式进行:由监控单元下发交变的M-SMES有功功率和无功功率输出指令,其中,有功功率为+2kW和-1kW的方波指令,周期为200ms;无功功率为±3kvar的方波指令,周期为320ms。图6给出了监控单元录波曲线。从图中可以看出,M-SMES可以在四象限内进行有功功率和无功功率的解耦控制。图7所示为M-SMES对于阶跃的有功功率指令的响应特性。图示实验过程中,令M-SMES不与系统交换无功,并令其跟踪+5kW和-2.5kW的有功功率指令。从图中可以看出:M-SMES具有快速的功率调节能力,从吸收到释放有功的切换时间在半个周波以内,响应速度能够满足电力系统暂态稳定控制应用的要求。2.3m-smes功率调节的范围由式(1)可知,SMES的输出功率可以由下式表示:式中:Us和Is分别为变流器交流侧电压和电流;M和α分别为变流器的调制比和相位角。将式(2)中两式平方后相加,消去相位角α。可以得到由式(3)可知,M-SMES功率调节的范围与当前时刻的磁体直流电流成正比。忽略变流器、连接变压器和滤波器等功率损耗,在PQ坐标系内可以近似为一个圆心在坐标原点的圆。而直流电流Id可以由下式表示:设定M-SMES以恒定的有功功率2.75kW向系统释放有功,无功功率指令值设为0。实验结果如图8所示,随着超导电感中的储能被持续释放,流经磁体的电流减小。当Id减小到30A时,M-SMES有功输出最大值小于2.75kW。3变流器单元故障对所研制的M-SMES进行了电力系统动态模拟实验,实验系统如图9所示。发电机容量为Sn=5kVA,机端电压Ug=210V,通过升压变压器升至800V,变压器的等值电抗xT=0.13pu。M-SMES的变流器单元的交流侧经110V/210V低损耗变压器接在机端升压变的低压侧。发电机通过双回线接至无穷大母线。线路阻抗实际值为113.8Ω。线路1上断路器K1用于模拟断线故障,在线路2中点处模拟三相对地短路故障。当图9所示系统运行在稳态时,通过断路器K1突然切除线路1,图10给出了有无M-SMES时系统的功率振荡情况:在无M-SMES参与控制时,发电机的机端功率发生较长时间的低频功率振荡,而在有M-SMES参与控制时,由断线故障引起的功率振荡从第一摆开始就已经大幅衰减。短路实验为持续300ms的三相短路故障,故障点位于距离送端54%线路长度处。图11给出了系统响应结果:在有M-SMES参与控制时,功率振荡被快速平息。4现场试验结果对所研制的M-SMES进行了现场试运行测试。试验地点为距离武汉市约500km的湖北省秭归县老虎口水电站。M-SMES从华中科技大学起运,途经市内公路、高速公路、乡村公路和简易土石路等复杂路况以考验其“移动性”。现场试验历时2周,装置全程露天放置,经历雷雨、大风和酷暑天气,装置工作正常,操作人员工作环境良好,表明M-SMES的设计是合理的。老虎口水电站内有一台容量为125kW的卧式水轮发电机,机组采用手动调速机构,励磁采用半控桥自并励励磁系统,有自动励磁调节器。发电机额定电压400V,经升压变压器升至10kV,再通过约1.7km的10kV输电线路接入110kV建东变电站的10kV母线。发电机采用自动准同期装置并网。图12为SMES现场试验的一次接线。现场试验的主要目的之一是验证M-SMES在实际电网中抑制有功功率振荡的能力。由于发电机与电网电气距离较短,难以通过较小的扰动激发功率振荡,所以在10kV线路中背靠背串联接入2台10kV/400V的配电变压器以增大线路阻抗,同时在新增配电变压器的400V侧并联接入电阻性负荷,通过投入/切除该负荷支路造成功率振荡和电压跌落。通过仿真设计,确定投切45kW负荷时既能观察到机端功率的振荡,同时也不会对系统造成过大的扰动。功率振荡试验结果如图13所示。0.1s投入负荷造成瞬时的功率不平衡,在没有M-SMES参与控制情况下,由于该机组缺乏有效阻尼功率振荡的手段,2.5s内振荡基本没有衰减;M-SMES参与控制能够有效抑制发电机机端功率的振荡,除投负荷的一瞬间第一摆幅值相同以外,随后功率振荡幅度都明显减小并快速平息。图14是M-SMES功率输出曲线,正值表示M-SMES向系统注入功率。现场试验的另一目的是验证M-SMES提高电能质量的能力。老虎口水电站位于秭归电网的末端,电压波动比较大。试验接线仍如图15所示,但发电机退出运行,当突然投入45kW负荷时,M-SMES接入点的电压将降低,如图15中的虚线所示,如果投入M-SMES,电压将得到提高。尽管限于M-SMES的装置容量,电压难以回到投入前的稳态