超导储能系统提高风电场暂态稳定性研究

张靠社，李琼

（西安理工大学水利水电学院，西安710048）

随着持续增长的电能需求，电厂容量和发电量的需求也越来越大，由于传统的火电、水电对环境的不利影响，可再生能源发电获得了越来越多的关注。随着我国《可再生能源法》的实施，风电的装机容量成倍增加，风电场并网的规模也越来越大，接入的电压等级也越来越高[1]，由于清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益[2]，因此风力发电作为最具有商业化发展前景的可再生能源发电在世界范围内得到了快速的发展。然而风电的弊端也同时存在：风电场一般都位于偏远地区，远离负荷中心。另外，由于风的波动性和间歇性特点，风电功率的波动性和间歇性会对局部电网电压的稳定性和电能质量产生影响[3-4]。目前，超导储能系统SMES（Superconducting Magnetic Energy Storage）随着高温超导技术的突破和电力电子技术的发展已经在美国、日本、欧洲一些国家的电力系统中得到初步的应用，其快速的功率吞吐和灵活的四象限调节能力，在维持电网稳定、提高输电能力和改善电能质量方面发挥了极其重要的作用[5-6]。

本文建立了基于电压型换流器（VSC）的超导储能模型，提出了应用超导储能系统提高大型风电场运行特性，最后在PSCAD/EMTDC软件中进行了数字仿真，结果验证了大容量超导储能系统对风电场运行特性的改善作用。

1 超导储能装置模型

储能装置中能够在短时间（几秒）内向风电场提供有功功率，因而控制器的设计应该能够用来调节风电场发出的有功功率。同时，SMES系统可以提高给工业用户供电的稳定性[7-8]。

超导储能系统包括：超导储能线圈、功率调节系统（Power Conditioning System，PCS）、控制系统、失超保护系统和冷却系统。超导储能线圈需要通过一个交直流转换器和交流电网连接。PCS包括有电流源型换流器（Current Source Converter，CSC）和电压源型换流器（Voltage Source Converter，VSC）加斩波器（chopper）两种，从目前换流器应用来看，电压源型换流器的发展比电流型成熟，文献[9]指出设计大容量的SMES系统还是应采取电压型换流器与电网相连，本文使用的超导储能系统拓扑结构见图1。

图1 VSC型SMES结构框图

1）SMES运行原理。图1中，电压源型换流器和斩波器通过电容C相连接；Va、Vb和Vc为网侧相电压；Ia、Ib和Ic为网侧相电流；S1～S6为开关管的开关信号；P1、P2为二象限斩波器开关管的开关信号；Lsm为超导线圈的电感；Ism为流过超导线圈的电流；L和R分别为滤波器的电感和电阻；VDC为电容两端的电压。

依据图2可以得到SMES的等效模型如下：

图2 SMES运行原理

式中，I为SMES交流侧电流，Vt为SMES交流侧电压，k为交流侧直流侧电压的比值，m为PWM的调制比，r为斩波器的占空比。SMES与交流电网交换的有功功率和无功功率分别为：

式中，X为变压器的漏抗，Vt为SMES交流侧电压，VG为SMES接入到电网处的电压。

由上式可以看出通过控制触发角追和SMES交流侧电压的幅值能够有效的控制SMES与电网交换的有功功率和无功功率。自关断器件的出现，使得SMES能在四象限独立控制有功和无功功率[10]。

2）电压源型换流器。功率控制系统通过控制交流侧的电流来控制与电网交换的有功功率和无功功率；斩波器通过调节超导线圈的电压输出电网需要的有功功率；电容C对电压源型换流器和斩波器的电压起到支撑作用，实现了超导线圈与电网的解耦，可保护超导线圈不受系统干扰[11]。VSC控制框图如图3所示。

图3 SMES装置控制策略

Psref和Ps的差值与Qsref和Qs的差值分别经过PI调节器得到Idref和Iqref，Idref和Iqref再与实测的Id和Iq进行比较，差值分别经过PI调节器得到Vd和Vq，进而可以得到PWM控制所需要的PWM信号，由此信号值，经软件可进一步得到PWM脉冲，从而驱动变流器中各个开关，得到特定功率值时所需的交流电流。PI调节器的参数设定使用尝试误差法。

3）两相斩波器。SMES系统储存的能量和有功功率如下：

调节两象斩波器的占空比调节平均电压去控制超导储能线圈的充放电，基于此思想，两象斩波器的控制框图如图4示。PL原ref和PL的差值经过PI调节器后产生PWM所需要的调制信号，调制信号再和三角载波信号比较以产生IGBT所需要的触发脉冲。

图4 斩波器控制策略

2 时域仿真

1）平滑风电场输出功率。基于图5风电场—无穷大系统的时域仿真在PSCAD/EMTDC环境下进行。SMES系统集中安装在风电场出口变压器低压母线处。假定风电场在20 s内的短时风速变化如图6所示，与之对应风电场输出的有功功率见图7中的蓝线，绿线为投入SMES后的风电场的输出功率曲线。图8蓝线为未投入SMES风电场输出的无功功率，绿线为投入SMES后风电场实际输入到电网的无功功率。图9为SMES实际输出得有功功率和无功功率。

图5 含SMES的风电场仿真系统示意图

由图7～9可以看出SMES能够在风速波动的时候有效平滑风电场输出的有功功率和无功功率。

图6 风速信号

图7 利用SMES平滑风电场输出的有功功率

图8 利用SMES平滑风电场输出的无功功率

图9 SMES输出的有功无功无功

2）提高风电场暂态稳定性。为了说明SMES对风电场暂态稳定性的提高在风电场升压变压器高压侧2.0 s设置三相短路故障，0.15 s后切除故障，发电厂母线电压VBUS的变化如图10所示，其中蓝线和绿线分别表明安装和未安装SMES装置发电厂母线电压在故障下的波动情况。

图10 故障下发电厂母线电压

仿真结果表明在一定的范围内SMES能够快速的进行无功补偿，帮助风电场恢复正常运行，体现了其快速的调节能力，提高了风电场的暂态稳定性。

3 结语

本文深入研究超导储能系统运行原理，建立了基于电压型换流器(VSC)的超导储能系统模型，实现了有功功率和无功功率的解耦控制，提出了应用超导储能装置的有功、无功综合控制提高并网风电场暂态稳定性的控制策略，在电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC中建立了超导储能系统及其控制系统的模型，结果表明超导储能系统能够有效地平滑风电场输出的有功无功功率，并且能够显著的提高风电场的暂态稳定性。

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