储能技术知识大全

武漠大学储能装置快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。在目前所提出的各种超导电力装置中，储能装置具有较大的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电子技术的不断进步，开展储能装置的研制工作对各国电力事业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需武漠大学WuhanUniversity储能技术在电力系统中的应用武漠大学WuhanUniversity电网调峰系统备用容量调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿改善电能品质分布式电源和可再生能源的功率平滑装置2026/3/1传统电力系统的特点水电核电用电(随机，不可控)输配电用电(随机，不可控)输配电(稳定、可控)电能难以大规模存储：发一输一用三个环节功率实时平衡现代电力系统的新特点水电核电用电(随机)风电发电用电(随机)(随机)(规模大，特性复杂)随着规模越来越大，出现新的现象和问题：超低频功率振荡；功率振荡的传播特性发电侧输出功率和用电侧负荷都存在随机性：两组独立随机变量>电能难以大规模存储：功率失衡可能成为电网的一种常态电网对大规模的风电接入持非常谨慎的态度!武漠大学电网究竟能接纳多大比例的风电?7可再生能源核心政策：总量目标，全额收购，能接纳多大比例的风电→在高比例风电条件下如何保证电力系统的安全运行建设大基地，融入大电网大型风电场并网技术已成为可再生能源规模利用的瓶颈!LULO/J/1储能技术将在未来电力系统中占有重要地位大规模储能：抽水蓄能：核电安全，电网经济；5%～10%>中小规模储能：蓄电池、飞轮、超导、超级电容器水电核电风电储能储能储能电力系统：“发一输一用”→“发一输一用一储”2026/3/1主要储能技术武汉大学到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电能储能方式，主要可分为：机械储能、化学储能和电磁2026/3/1主要储能技术武汉大学机械储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能化学储能：铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、锂离子电池电磁储能：超导储能、超级电容器储能机械储能一抽水蓄能武汉大学广泛采用的大规模、集中式储能手段。利用自然界里数量最大的液体-水的势能进行储能。需要配备上、下游两个水库。在负荷低谷时段，抽水蓄能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。负荷高峰时，工作在发电机状态，利用储存在上游水库中的发电。一些高坝水电站具有储水容量，可以将其用作抽水蓄能电站进行电力调度。机械储能一抽水蓄能武汉大学发展现状：19世纪90年代于意大利和瑞士得到应用，据统计目前全世界共有超过90GW的抽水蓄能机组投入运行。日、美、西欧等国20世纪60～70年代出现抽水蓄能电站的建设高峰。其中日本是世界上机组水平最高的国家，在技术方面引领世界潮流。我国上世纪90年代开始发展，有广州抽水蓄能1期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机5.7机容量的1.8%。机械储能一抽水蓄能武汉大学机械储能一抽水蓄能技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。建造受地理条件限制，需合适落差的高低水库，远离负荷中抽水和发电中有相当数量的能量被损失，储能密度较差；建设周期长，投资大；机械储能一飞轮储能武汉大学F1ywheelEnergyStorage将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。由高强度合金和复合材料的转子、高速轴承、双馈电机，电力转换器和真空安全罩组成。电能驱动飞轮高速旋转，电能变飞轮动能储存，需要时，飞轮减速，电动机做发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充电和放电。2026/3/12026/3/1机械储能一飞轮储能武汉大学机械储能一飞轮储能储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无污染、应用范围广、适应性强等特点。目前用于调峰、分离发电，太阳能储能、电动汽车、UPS、低轨道卫星、电磁炮、鱼雷。国内相关单位：清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华科大、华北电大、中科院电工所。2009年8月5日，国内最先进和可靠的两台250kVA移动式飞轮发电车落户北京电力公司，执行供电保障和应急供电任务。机械储能一压缩空气储能书馆公众号武汉大学上世纪50年代提出，目的是削峰填谷。两个循环构成其储能过程：一是充气压缩循环；二是排气膨胀循环。压缩时，双馈电机做电动机工作，利用谷荷时的多余电力驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞；峰荷时，双馈电机做发电机工作，储存压缩空气先经过回热器预热，再使用燃料在燃烧室内燃烧，进入膨胀系统中做工(如驱动燃汽轮机)发德国、美国、日本和以色列建成过示范性电站。化学储能一铅酸电池武汉大学WuhanUniversity它是以二氧化碳和海绵状金属铅分别为正、负极活性物质，硫酸溶液为电解质的一种蓄电池，距今140年历史。优点：自放电小，25℃下自放电率小于2%/月；结构紧凑，密封好，抗振动，大电流性能好；工作温度范围宽，-40℃~50℃;价格低廉；制造维护成本低；无记忆效应(浅循环工作时容量目前，世界各地已建立了许多基于铅酸电池的储能系统。例如：德国柏林的蓄电池储能系统，用于调峰和调频。电力图书馆公众号2026/3/12026/3/1化学储能一铅酸电池工程地点建设时间美国加州美国加州德国化学储能一铅酸电池武漠大学后，由于看好中国蓄电池市场巨大潜力以及发达国家对蓄电池行业的限制政策，越来越多国外大型电池制造商选择在中国建厂和生产，目前我国铅酸电池产量占世界的1/3,生产研发技术与国际先进说平差距不明显。保定风帆、哈尔滨光宇，江苏双登、湖北骆驼等，都是主要电池制造企业。化学储能一钠流电池、液流电池、钠食化镍电池钠流电池是一种新型蓄电池。采用熔融液态电极和固体电解质，其中，负极的活性物质是熔融金属钠，正极活性物质是液流电池或称氧化还原液流电池，是正负极活性物质均为液态流体氧化还原电对的一种电池。最早由美国航空航天局(NASA)资助设计，1974年申请了专利。目前主流是全钒电池群雄并起，铁铬电池陷于停顿、多硫化钠/溴电池刚刚兴起。钠/氯化镍电池是一种在钠流电池的基础上发展起来的新型储能电池，具有较高的能量密度和功率密度，具备可过充电、2026/3/12026/3/1国外研究现状武汉大学1983年利用30MJ/10MW的SMES装置在美国西海岸两条并联的500kV高压输电线路上，进行了抑制0.35Hz的低频振荡试验。九十年代初，美国国家强磁场实验室研制了用以提高局域系统的稳定性。目前美国超导公司和IGC公司所开发的1~的微型和小型已经开始进入市场，该公司宣称已可以接受100kJ级的高温超导2026/3/12026/3/1化学储能一锂离子电池武汉大学 优势是储能密度高、储能效率高、循环寿命长等。鉴于上 述优点，近年来得到了快速发展，随着制造技术和制造成本的不断降低，将锂离子电池用于储能非常具有应用前景。目前，单体电池标准循环寿命已经超过1000次，仅从电池单体的角度来看，锂离子电池的比能量和循环寿命已基本满足储能应用需求，但在锂离子电池组应用时，循环寿命只有400~600次，甚至更低，严重制约了锂离子电池储能应用。锂离子电池在电力系统的应用方面，美国走在前面。2009年的储能项目研究规划中，拟开展锂离子电池用于分布式储能的研究和开发。电磁储能一超导储能武漠大学电磁储能一超导储能超导磁储能(SMES)单元是由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供。功率变换/调节系统将单元与交流电力系统想念，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电。通常使用两种功率变流器；另一种是电压源型变流器。电磁储能一超级电容器储能武汉大学超级电容器(SC)是近几十年来，国里外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储能电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数达到十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的越的性能得到各方的总是，目前发展十分迅速。2026/3/12026/3/1武漠大学各种储能技术特点总结武漠大学各种储能技术在其能量密度和功率密度方面均有不同的表现，而同时电力系统也对储能系统不同应用提出了不同的技术要求，很少有一种出储能技术可以完全胜任电力系统中的各种应用，因此，必须兼顾双方需求，选择匹配的储能方式与电力各种储能技术特点总结武漠大学根据各种储能技术的特点，抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源接入等大规模、大容量的应用场合，而超导、飞轮及超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等。武汉大学武汉大学抽水蓄能电站在电网总可承担调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种任务，抽水蓄能电站的建设对优化电源结构、提高电网的安全、稳定、经济运行水平、促进电网节能降耗、改善电能质量和供电可靠性等具有不可替代的作用。特别是随着大核电、大水电和大风电的建设，抽水蓄能电站的作用日趋明显。而当前我国的抽水蓄能电站装机容量比重相对较低，远不能满足电网长期安全稳定运行的需要。武漠大学武漠大学铅酸电池尽管目前仍是世界上产量和用量最大的一种蓄电池，但从长远发展看，他尚不能满足今后电力系统大规模高效储能的要求，而钠硫电池具有的一系列特点是他们成为未来大规模电化学储能的两种方式，特别是液流电池，它有望在未来的1020年内逐步取代铅酸电池。而锂电池在电动汽车的推动下也有望成为后起之秀。各种储能技术特点总结储能类型额定容量特点应用场合机械储能抽水储能地理资源用压缩空气适用于大规模。响应慢，需要地理资源。调峰、调频、系飞轮储能1秒~30分钟噪音大。调峰、频率控制、电磁储能超导储能输配电稳定、抑制振荡高能电容1~10秒比能量低。输电系统稳定、电能质量控制超级电容1~30秒响应快，比功率高。成本高、出能量低。可应用于定制电2026/3/12026/3/12026/3/1各种储能技术特点总结储能类型典型额定功率额定容量特点应用场合电化学储能铅酸电池分钟~小时电能质量、电站备用、黑启动液流电池1~20小时环保性好。但能量密度稍低电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS钠硫电池数小时比能量和比功率较高。高温条件、运行安全问题有待改电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS锂电池分钟~小时比能量高。成组寿命、安全问题有待电能质量、备用电源、UPS武漠大学2超导磁储能技术概述武汉大学SMES快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。在目前所提出的各种超导电力装置中，SMES具有较大的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电子技术的不断进步，开展SMES的研制工作对各国电力事业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需要。武漠大学WuhanUniversitySMES的概述—在电力系统中的应用武漠大学WuhanUniversity电网调峰系统备用容量调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿改善电能品质分散电源的功率平滑装置2026/3/12026/3/1SMES的概述—在电力系统中的应用不同规模的应用场合有所不同，一般中、大型可用于10kV以上电压等级的发电厂、变电站等适合项目规模安装地点应用目的和作用微型SMES以下负载端用户电力技术解决方案，提供敏感和重要负载的电源小型SMES等级负载端；长距离输电线端；和风力发电系统改善稳定性；小波动负载调平；电压波动调节；间断型电源调平输出等级电厂大波动负载调平；电压波动调节；频靠性大型SMES等级合于大型SMES装置的一切其它地点损失；频率调节和功率调节；防止中间连接功率波动；阻尼线路振荡；提高系统稳定性和可靠性WuhanUniversity其中的功率调节系统是由输出直流电流可控的电流型变流器组成；另一类是电压源磁体失补偿SMES装置结构框图磁体失补偿SMES装置结构框图SMES的概述一装置结构馆公众号WuhanUniversity导磁体。华中科技大学研制的35kJ/7.5kW电流源型高温超导SMES系统2026/3/1的概述一装置结构书馆公众号武漠大学的概述一装置结构书馆公众号SMES的磁体系统导冷座磁体支撑杆双级制冷机冷头35kJ/7.5kW高温超导磁体运行时，低温系统的杜瓦真空可保持在0.1～0.2Pa,通过制冷机的冷导冷座磁体支撑杆双级制冷机冷头35kJ/7.5kW高温超导磁体的概述一装置结构书馆公众号SMES的磁体系统35kJ/7.5kW高温超导SMES的磁体磁体参数参数参数储能量磁体结构双饼单螺管额定输出功率导体材料Bi2223/Ag额定工作电流磁体内径中心最大场强磁体外径工作温度磁体高度临界电流<20K自感系数WuhanUniversityWuhanUniversity日本住友公司研制的超导磁体2026/3/1武漠大学WuhanUniversity武漠大学WuhanUniversity低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。超导磁体笼罩于真空杜瓦内部。杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保持高真空环境(真空度达10-1Pa数量级)。采用制冷机直接传导冷却或低温液氮/液氦浸泡工作方式2026/3/1SMES的概述一装置结构馆公众号T题NCHVACUUMVESSELVtSSETOWARMSTRUTSVACUUMDUMP乳LMEINNER[XTEUORAO50CXITVALVEACTLATORoUTERCOLDIOWAIMSTUTSWALLSMES低温容器结构图2026/3/12026/3/1SMES的概述一国外研究现状武汉大学在完成2026/3/12026/3/1武汉大学WuhanUniversity九十年代以来，还建成了12MJSMES,并进行了储能100MJ/电感8H/电流5kA/最强磁场5.4T的SMES设计，并正在研制建造100MJ级SMES。芬兰Tampere大学和美国超导公司合作研制了5kJ的高温超导SMES,并已在不间断电源中试验过。2026/3/12026/3/12026/3/1武漠大学WuhanUniversity1999年中科院电工所研制了一台300A/220V,25kJ的试验装置。在中科院知识创新工程支持下，电工所目前正在开展超导储能系统的研制工作，并计划完成超导储能系统的研制工作，但前还没有看到相关报道。清华大学进行了20kJ/15kW超导储能磁体的研制工作，但未见相关电力系统应用动模实验结果报道，同时该校还准备计划在学校网络中心安装基于500kJ的应急备用电源储能设备。WuhanUniversity3超导磁储能技术的功率控制2026/3/12026/3/1书馆公众号电力电力变压器系统监控系统制冷系统变流器触发电路磁体失超保护超导变流器电力系统书馆公众号电流源型SMES主电路拓扑结构电压源型SMES主电路拓扑结构用于电力系统的其中的功率调节系统是由输出直流电流可控的电流型变流器组成；另一类是电压源其中的功率调节系统是由输出直流电压可控的电压型变流器和斩波器组成。武漠大学3.1电流源型的功率控制2026/3/1图书馆公众号武汉大学图书馆公众号武汉大学usa+Usb+Usc=02026/3/1功率控制-CSC武漠大学WuhanUniversity三态PWM开关矢量的定义Ve)根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型时域数学模型：CSMES功率控制—基于触发模式的PWM开关策略原理调制脉冲触发模式调制脉冲触发模式触发脉冲发生器斜坡函数发生器PS1PS6调制波信号发生器载波信号发生器WcUsaMCSMES功率控制—PWM调制波信号发生器和载波信号发生器工作原理调制波信号发生器载波信号发生器产生幅值为M∈[-1,1]、初始相位滞后变流器各输入相电压相位α+CSMES功率控制一调制脉冲发生器工作原理调制脉冲XbⅡt/sP₁一p₇调制脉冲的产生CSMES功率控制一PWM 产生幅值范围为到360,周期与变流器A相输入电压u相同的锯齿波信号wusa/V0360270CSMES功率控制一WuhanUniversity触发模式选择器工作原理E=Wt-αmod0°≤ε<60°,-360°≤ε<-3001234240°≤ε<300°,-120°≤ε<-60°5300°≤ε<360°,-60°≤ε<-0°600α改变时的触发模式信号2026/3/12026/3/12026/3/1WuhanUniversityCSMES功率控制一PWMWuhanUniversityPS3PS3usct/st/sa=0°,M=0.5,fc=150Hz时变流器的相电压、调制电流和psi-ps6触发脉冲modmod123456触发脉冲PS4LLHPS6HP6LLPs5LLHPs2LHP2LPs3LP3HP3LPs1HLL武漠大学WuhanUniversity武漠大学WuhanUniversity双重傅立叶分析分别为x和x₆第m次谐波分量的幅值2026/3/1武汉大WuhanUniversityCSC输出电流特性基波分量载波谐波分量为调制波和基波频率的比值，为载波和调制波频率的比值，n₁=1,2…0,n2=±I,±2…·0边带谐波分量WuhanUniversityCSMES功率控制一PWMWuhanUniversityCSC输出电流特性特点改进型PWM控制下的电流源型变流器输出的电流中在任何情况下都不再含载波谐波分量，并且在n₂为3的整数倍或n₁+n₂为偶数时，边带谐波也为零。输出电流中基波分量的幅值和相位具有很好的可控性。谐波系数谐波系数HF(a)a=0,M=0.5,fc=500Hz谐波系数谐波系数HF(b)α=0°,M=0.5,fe=1000Hz2026/3/1CSMES功率控制-CSG输出功率控制方法武汉大学WuhanUniversityusa+Usb+Usc=02026/3/12026/3/1功率控制-PsmPsm=uabia+ubcia+ubcbKIsmminQQmin0变流器PsmMSMES的功率控制SMES的功率实时控制WuhanUniversity功率实时控制器CPS2PPPPsMESMQM=g(P,Q)MQps6PI22026/3/12026/3/1SMES的功率控制—SMES□仿真结果1电0.060.080.1(a)变流器交流侧A相电压t/s(b)变流器交流侧A相电流80.8[80.6(c)变流器直流侧电流t/s-1200改变为α=120°、M=0.5,在t=0.12s时M改变为0.7SMES的功率控制—SMES□仿真结果20(c)变流器直流侧电流rVa(a)SMES的有功功率PsMES响应t/s0.40.10.2t/s0.40.10.20.3(c)变流器直流侧电流SMES的阶跃功率响应SMES的波动功率响应fc=2100Hz,Iac=80A时，SMES的功率响应2026/3/122AA0.5[ohm]400[uH]0.5[ohm]400[uH]0.5[ohm0.5[ohm]400[uH]0.5[ohm]400[uH]C5C5PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑CSMES功率控制一电EQ\*jc3\*hps44\o\al(\s\up47(力图书馆公众号),CSM)ES仿真模型WuhanUniversityCSMES仿真模型的控制电路op9aMEQ\*jc3\*hps70\o\al(\s\up2(0),d)csmes功率控制原理框图2026/3/1CSMES功率控制一功率控制仿真武漠大学CSMES仿真模型参数及功率跟踪参数：三相电压源相电压为交流侧等效电感为130uF,仿真时WuhanUniversityCSMES功率控制一仿真结果WuhanUniversityCSMES的功率跟踪2026/3/1WuhanUniversityCSMESWuhanUniversityCSMES功率调节中的输入电压和电流SMES:SMES:Graphs2.02.0电源侧A相输入电流曲线电源侧A相输入电流局部曲线放大图2026/3/1武漠大学3.2电压源型的功率控制2026/3/1VSMES功率控制-VSCWuhanUniversity根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型的时域数学模六脉冲电压源型变流器拓扑结构2026/3/12026/3/1VSMES功率控制-VSCWuhanUniversityVSC的三相静止ABC坐标系模型2026/3/12026/3/1VSMES功率控制-VSCWuhanUniversity三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换变换的定义并遵循功率不变的原则，可以得到从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵为3/2坐标变换2026/3/12026/3/1武漠大学WuhanUniversity武漠大学WuhanUniversity2026/3/1两相旋转2026/3/1两相旋转武漠大学WuhanUniversity武漠大学WuhanUniversity两相坐标系到三相静止坐标系的变换2026/3/1VSMES功率控制-VSCWuhanUniversity 拉氏拉氏换2026/3/1VSMES功率控制-VSCWuhanUniversity2026/3/1VSMES功率控制-VSC武汉大学VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制及变流器交流侧输入电压假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量，即VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制在同步旋转坐标下进行控制的基本思想是：希望得到装置的单位功率因数。为此，输入电流必须跟踪输入电压，在dq坐标系中，通过将输入电压矢量定位在d轴上，控制电流矢量也只含有d轴分量，而不含q轴分量，则可以实现装置的单位功率因数特性。d,q/d,q/β制结βEQ\*jc3\*hps74\o\al(\s\up41(α),a)2026/3/1VSMES功率控制-VSC武汉大学吸收有功吸收感性无功E.=jX+U,XIE.=jX+U,XI,=U,sinδXI₉=E₅-U,cosδVSMES功率控制-WuhanUniversity电压型SMES主电路拓扑结构斩波器的拓扑结构如图所示，这是一个两象限斩波器，其目的是控制电容上的直流电压并向磁体外部或向磁体内部提供所需的超导储能。它由2个可控开关功率器件(如GTO)2026/3/12026/3/1WuhanUniversityVSMES功率控制-VSMESWuhanUniversity开关器件和二极管器件的动作需按照SMES的实时工作状态进行调整，具体调整过程如下：磁体起磁或磁体储能状态，在S7斩波，同时变流器控制直流S7恒通。变流器控制直流电压磁体放磁或释能状态，在这两斩波，同时控制电压Udc恒定。电压型SMES主电路拓扑结构2026/3/12026/3/1WuhanUniversityWuhanUniversityVSMES仿真模型的主电路.一..PSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑VSMES功率控制-WuhanUniversityaP0TransformerG5_1Voltage旦QQMMCAPaVSMES变流器控制框图图中Udr&Uqr组件和ldr&lqrCalculate组件一起实现了前面所简述的双环解耦控制原理，也就是电压/电流双环控制部分。2026/3/12026/3/1WuhanUniversityVSMESWuhanUniversity三相电压源相电压为超导线圈等效电感为10H;网频率为50Hz;电容电压Udc为3000V;交流侧电感L为5mH;仿真时间2026/3/12026/3/1VSMES的功率跟踪PQsmPQsmandPQr2.0M┐0.0-1.5M-400PQsmPQsmandPQr0.5M-02030Psm对Pr的跟踪结果Qsm对Qr的跟踪结果2026/3/1VSMES功率控制力仿真结果WuhanUniversityUdc和IsmesPQsmPQsmandPQr■Psm2.0M--0.5M--1.0M--1.5M-2030r3.5k┐3.0k-0.5k-00.4k-0.2k-020304050lsmes20304050335kJ/7.5kW高温超导及其功率调节特性武漠大学35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率武漠大学WuhanUniversity调节特性—WuhanUniversity备从左至右依次为SMES用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超导磁体。2026/3/12026/3/135kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—武漠大学WuhanUniversity。杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保持高真空环境(真空度采用制冷机直接传导冷却工作方式。运行时，低温系统的杜瓦真空可持在19K~21K。□SMES的变流器结构变流器1变流器2变流器3变流器4WuhanUniversity调节特性—WuhanUniversity电力SMES系统磁体触发脉冲内环控制器PsMQsM采样外环控制器SMES装置的控制框图SMES的控制系统用于根据从系统提取的所需信息，按照系统控制的需要产生触发脉冲序列去控制IGBT,从而控制SMES输出所需的有功和无功功率。它含有外环控制器和内环控制器两个闭合控制回路。外环控制器实时采集电力系统各点电压、电流信号，经过相应的运算并采用选定的控制算法，得出系统此时所需要的功率调节量，并将此信号传递给内环控制器。内环控制器根据外环下达的功率调节参考信号，利用有效的开关调制规则，产生变流装置的触发。35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—WuhanUniversity□SMES的控制系统一内环控制器驱动驱动隔离隔离短接与封短接与封短接与封短接与封MCU2光藕TMS320F2407ADSPTX/RX变流器2驱动隔离变流器1驱动隔离CANbusRS485MCU3光藕as3,Jd信号调理电路同步信号失超保护光藕ua,Ub,uc,ia,ib,ic,MCU4MCU1内环控制器主要由信号调理、保护电路、DSP和微控制器(MicroControlUnit,简称制结构，主要用以控制变流器在变化的直流电流下通过开关调制方法产生实际所需的交流电流，从而使SMES实际输入或输出的有功和无功功率能够对外环控制器输出的功率参考值进行快速跟踪，以及在运行发生故障的情况下，对主电路执行相应的保护控制。功率控制-PsmPsm=uabia+ubcia+ubcbKIsmminQQmin0变流器PsmM武漠大学WuhanUniversity35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率武漠大学WuhanUniversity调节特性—2026/3/1武漠大学WuhanUniversity35kJ/7.5kW高温超导SMES武漠大学WuhanUniversity当控制系统上电或复位时，内环控制器工作于默认的功率跟踪模式，外环控制器在指定内环工作模式的方式下运行，此时外环控制器并不向内环控制器下达功率交换参考值，而内环控制器则通过自身初始化设定的零功率参考值进行功率跟踪，从而使SMES可在不影响电力系统稳态运行的情况下投入运行。2026/3/12026/3/1□SMES的功率控制武漠大学WuhanUniversity35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率武漠大学WuhanUniversity调节特性—2026/3/1武漠大学武漠大学调节特性—□SMES的控制系统一外环控制器外环控制器对内环控制器发出的磁体去磁命令也有两种方式：第一种是先由监控计算机手动发送；第二种是SMES控制插件检测到磁体失超保护信号后，由外环控制器自动发送。两种方式下，外环控制器都必须先向内环控等于零的功率设定值，接着向内环控制器转发磁体去磁命令，然后返回到外环控制器的上电或复位初始工作状态，内环控制器则导通各变流器直流侧和磁体两端并联的晶闸管和电阻，通过续流回路的功率损耗迅速释放磁体中储存的能量。47.80t/ms0.930.75t/mst/ms0.370.00t/ms020004000SMES的磁体去磁过程2026/3/1调节特性—功率调节特性WuhanUniversity4.002.00-03.69PSMES/PSMES/kWQsMEs/QsMEs/kVar4.4526.0720.2741.86usab,7⁹.0-174.633781379938175638365536733691370937273745378137993817t/mst/msQrer=0、Pre由+3kW变换到-3kW时SMES的阶跃功率响应Qrer=0、Pre由+3kW变换到-3Kw时SMES的瞬时响应调节特性的四象限功率调节0.00-2.00-Usbc?2.45/V295829752993301t/mst/ms的阶跃功率响应Pre=0、Qre由-3kVar变换到3kVar时SMES的瞬时响应WuhanUniversity35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率WuhanUniversity4.00PSMES/-4.0040.00-120.00t/mst/ms2000020000PrefQref四象限连续变换时SMES的功率响应2.970.51-0.72-3.1839.4126.11isa,isb,12.81isac/A-0.49-13.79+27.09-40.3958.504.10QsMES4.923.582.250.91-0.42-3.0940.0613.14-0.32-13.78-27.23-40.69178.47Usab₇Usab₇Usbc,0.8158.41t/msPSMESt/ms35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性—功率调节特性WuhanUniversity489249545017PSMESt/ms50.000.00t/ms2026/3/12026/3/1武漠大学4SMES在电力系统应用的仿真及试验研究SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究实验研究GB信号B信号电流信号230/800V6kVADT220/110VT2800/380V21W型高温超导SMESSMES动模实验一次接线方式实验电力系统模型的建立采用了一台25MW的发电机组经变压器升压后通过单回110kV输电线与无穷大系统相连的电力系统作为参考原型。SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究武漠大学WuhanUniversity机端机端电压机端电流流C相机端有功功率实验结果时间楼时闻临；时闻临；L0044D1088016890zm720346046LD4655020240A相8398Y3359A机端有2850A|B相C相端电流端电压机机2026/3/12026/3/1SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究—实验研究20000SMES对发电机三相短路故障的响应特性(Pe=3.5kW、短路时间320ms)SMES抑制电力系统功率振荡的机理WuhanUniversity和实验研究—实验研究8493Y9.517874T64YB相2096A机端电压机端电流机端有功功率闻轴；2M02效04035.15227A21.0AL248A28A机端有物多WL0.0W机端电流端电压机SMES对发电机三相短路故障的功率调节作用(P=4.0kW)2026/3/12026/3/1SMES抑制电力系统功率振荡的机理UniversityWuhanUniversity和实验研究—实验研究2.00PSMESPSMES25.00-Idc:(A)2000002000400060008000100001200020000WuhanUniversity系统仿真模型AA#2CTimed补偿系统电压跌落电路图电力图书馆公众号SMES补偿电压跌落SMES补偿电压跌落系统仿真参数母线端的额定电压为115kV系统运行在1.5s处发生了0.75s的三相接地短VpuVpu2.02.0系统母线电压标幺值实时曲线图Wuhan 系统分析系统在没有接入SMES时，故障前：母线电压E=52.211/-8.068°;P=0,Q₂=0。故障中：母线电压E。=402-16.186°;支路:故障后的系统各支路状态量恢复为故障前各支路状态。系统电路图SMES补偿电压跌落武漠大学系统有功充足时，CSMES参数超导线圈起磁电流lref=8kA;CSMES通过降压变压器并联入系统，变压器二次侧电压为Es=13kV;仿真运行时间为15s,设定故障在11s发生，故障时间持续0.75s.WuhanUniversityWuhanUniversity仿真结果系统母线电压标幺值实时对比图实时功率曲线图超导线圈电流变化图母线电压局部放大对比图2026/3/12026/3/1系统仿真模型ohm]0.2107[H7.935[ohm]0.2107[H]0.0504[H]13.8[K18[KM]ABCControl△7.935基于VSMES提高发电机暂态稳定性的仿真模型2026/3/1武漠大学SMES提高系统暂态稳定性-VSMESWuhanUniversity仿真系统中发电机容量为200该系统用于模拟发电机暂态功角失稳。发电机经Bus1-Bus2母线间的升压变压器，和Bus2-Bus3母线间等效阻抗为15.87+j0.43Ω的传输线，以及Bus3-Bus4母线间等效阻抗为j0.054Ω的传输线和无穷VSMES的支撑电容电压Udc=80kV,超导线圈起磁电通过降压变压器并联入系统，变压器二次侧电压为ES=8kV。仿真运行时间为7s,设定三相对地短路故障在4s发生，故障持续时间0.21s。2026/3/140020000.01.04.02.04.05.06200250200250基于VSMES提高发电机暂态稳定性的机端无功功率电力图书馆公众号02.02.0SMES提高系统暂态稳定性-VSMESWuhanUniversity系统仿真结果200y(MVy(MV,MVar,MVar)0-25-50VSMES实时输出功率V