基于混合高温超导储能系统的电网动态功率补偿策略与试验

诸嘉慧 宝旭峥,2 丘 明 董明会 詹智华 黄宇淇

（1.中国电力科学研究院 北京 100192 2.北京交通大学电气工程学院 北京 100044 3. 福州电业局 福州 350009）

1 引言

高温超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy System，SMES）通过功率变换装置可以实现所存储电磁能与电网之间的瞬时能量交换，提供有功或无功功率，用以抑制电力系统电压或频率波动，提高系统应对大扰动的能力，增强电网稳定性，成为目前储能应用技术发展的一个重要前沿领域。SMES因其具有毫秒级的响应速度，高效的响应性能（充放电效率＞90%）和具备无限次数的充放电循环能力，目前已经在电力和军事上受到了极大的关注[1]。

根据功率变换系统（PCS）的拓扑结构及其控制策略，SMES系统可以分为三类：晶闸管型（Thyristor-Based）SMES，电压源型（VSC-Based）SMES和电流源型（CSC-Based）SMES。其中VSC SMES由于在结构上不仅包含其他两类SMES都具有的AC-DC整流器，而且还增加了DC-DC斩波器，控制方法更复杂。但由于电压型变流技术更成熟，并能够将超导储能磁体与电网隔离，有助于 SMES安全运行，因此电压型SMES受到了广泛关注。欧美、日、韩及我国已经开展了一些高温SMES电力应用技术研究[2]，但在已开展的技术研究中主要采用第1代铋系（BSCCO）高温超导材料，控制方法是针对较易实现的CSC SMES结构[3,4]，动模系统实验仍以单机带负荷为模型，没有考虑实际输电线路对功率波动的影响。而基于第 2代（YBCO）涂层导体材料构造的SMES及其在电力系统的应用研究并不多见，综合应用BSCCO和YBCO两种高温超导带材构造混合SMES及其电力系统应用技术更未见报道。

本文首次开展基于BSCCO和YBCO超导体的高温超导储能系统对电网动态功率波动补偿技术的研究。提出了混合SMES储能单元的优化设计方法，建立了LCL滤波电压型功率变换系统。应用空间矢量（SVPWM）脉冲调制法，设计了 SMES变流器系统功率补偿控制策略，并应用CCS，编程实现控制算法。最后通过搭建一条200km电力系统动模试验输电线路，实现SMES并网运行，获得SMES系统对电网功率波动的响应和补偿特性。动模实验结果验证了SMES对电力系统功率波动具有较好的抑制作用。

2 混合高温超导储能系统设计

2.1 混合SMES储能系统优化设计

基于第一代 BSCCO超导体物理上的本征特性—具有0.5T左右很低的不可逆场；1×104～1×105A/cm2的低载流能力，决定它在高场下临界电流密度会迅速下降，也限制了它只能在20 K温度以下使用，不适合在高磁场中应用。第二代YBCO涂层导体在77K和自场下，其临界电流密度可达到1×106～1×109A/cm2，因此它具有更好的机械强度和更为优异的高磁场下载流性能[5]。

考虑到两种高温超导材料载流能力受外磁场强度的影响和所表现出明显的各向异性，并且高温超导磁体中各部分磁场分布不均，只有局部线圈处在磁场峰值附近，因此在磁体设计过程中，可根据最大磁场影响下的磁体线圈临界电流值，选用不同类型或规格的高温超导带材。本文在两端应用YBCO超导带材绕制线圈，磁体中间应用 BSCCO超导带材制备线圈。一方面可以合理设计高温超导磁体实际运行电流；另一方面，兼顾了磁体扩容和经济性要求。混合高温超导储能磁体结构如图1所示。图2是应用FEM模型优化设计超导磁体单元的计算流程。混合高温超导磁体单元优化设计结果及性能参数见表1。

2.2 VSC-Based SMES功率变换系统设计

2.2.1 SMES功率变换系统数学模型

SMES功率变换系统选用LCL滤波电压型变流器电路拓扑：包括由时间继电器KM1，KM2和电阻Ra构造的软启动器、电感 L1、L2，电容 C1和电阻R1构成的 LCL滤波电路、由 IGBT功率开关器件S1～S6构成的三相功率变流电路和 IGBT器件 S7、S8与二极管VD7、VD8构成的斩波电路，LSMES为超导磁体单元电感，如图3所示。由于工频下斩波器部分可以等效为一个电压源，SMES电压源型变流器主电路可以简化等效为图4。其中，edc为直流侧等效电压源，Rs为等效电压源的内阻，isc为超导磁体电流，idc为变流器直流侧电流，udc为直流母线电容Cdc的端电压。

图1 混合磁体单元结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hybrid SMES magnet

图2 混合磁体优化设计流程图Fig.2 Optimal design flowchart of hybrid SMES magnet

表1 混合超导磁体单元结构和性能参数Tab.1 Configuration and performance parameters of hybrid SMES

分别建立变流器、斩波器在同步旋转坐标系下的数学模型，提出各自响应的控制策略。首先根据基尔霍夫电压定律，对交流侧电压和电流进行分析，用开关函数Sk(k=a,b,c)描述的VSC-SMES变流器数学模型为式中，ud、uq、id、iq为交流侧电压在同步旋转坐标系（d，q）下的电压和电流分量；Sd、Sq为电网电压矢量的开关函数分量；L为滤波电感；R为滤波线路等效电阻。

图3 LCL滤波电压型SMES变流器拓扑结构Fig.3 Topology of the LCL filtered voltage source converter

图4 SMES变流器简化拓扑图Fig.4 Simplified topology of the SMES converter

其次 SMES斩波器设计为“H”型结构，共有两种工作模式：充电模式和放电模式。充电模式阶段有两种工作状态：充电状态和续流状态。此时，S7始终处于开通状态，S8交替开通和关断，构成充电、续流工作状态。放电模式阶段也有两种工作状态：放电状态和续流状态。此时，S8始终处于关断状态，S7交替开通和关断，构成续流、放电工作状态。

在充电模式时，开关管S8导通占空比为d8（0＜d8＜1），二极管 VD7导通占空比为（1-d8），得到磁体充电的状态空间平均模型为

放电模式时，开关管 S7导通占空比为 d7（0＜d7＜1），二极管VD8导通占空比为（1-d7），磁体放电的状态空间平均模型为

综合 VSC-SMES变流器及斩波器的数学模型式（1）～式（3），可得电压源型 SMES变流器整体数学模型为

2.2.2 SMES变流器控制策略

VSC-Based SMES变流器控制系统采用双环控制策略[6,7]：其外环为直流电压环，主要作用是控制直流侧电压；内环为电流环，按直流电压环的输出进行电流控制，实现q轴分量对功率因数和d轴分量对有功电流的控制。针对斩波器充放电模式，应用电压/电流同步（Proportional Integral，PI）法进行闭环控制。根据电网侧功率补偿要求，计算需要补偿的有功电流和无功电流参考值和，控制超导磁体与电网的有功功率和无功功率交换。采用SVPWM 脉冲调制技术实现变流器功率器件开关控制，以便有效提高电压源型变流器的电压利用率和系统动态响应性能。

（1）电压外环控制。直流侧电压外环控制用于提供内环控制所需要的有功和无功电流参考值。为了有效利用SMES储能量，采用基于单位功率因数控制功率变换系统，最大限度实现对系统功率振荡的抑制作用。本文电压外环控制器采用数字PI防饱和控制法，其输出作为有功电流的参考值，无功电流参考值定义为零，参考电流计算见式（5）。

式中，KuP，KuI为电压环PI控制器参数，s为拉氏算子，udc为直流侧采样实际电压，为直流侧电压参考值。

（2）电流内环控制。电流内环采用同步 PI电流控制法，能够进行电流无静差调节，实现网侧电流正弦控制。应用硬件相位锁相，电网侧三相电压（Ua，Ub，Uc）和三相电流（Ia，Ib，Ic）经 dq变换得，

式中，Tabc/dq是三相坐标系到dq坐标系的转换矩阵。与电网需要补偿的有功电流参考值无功电流参考值进行比较，有功电流补偿值Δid和无功电流补偿值q分别为

将式（8）代入同步 PI电流调节器，进行解耦简化，得到dq坐标系下的控制电压指令值为

再经dq反变换，三相补偿电压Ukout（k=a，b，c）如式（10），这些电压指令通过SVPWM方式生成。

式中，Tdq/abc是Tabc/dq的逆矩阵。

（3）斩波器控制。SMES变流器中斩波器的控制策略分为电流环和电压环控制两个部分，磁体在充电模式时，采用电流闭环控制磁体电流的充电速率，磁体电流输出isc小信号方程为

SMES处于放电模式时，采用电压闭环稳定直流侧电压，直流电压udc的小信号方程为

最后，根据直流电压 udc和磁体电流 isc，采用三角波比较方式产生斩波器功率器件所用的 PWM驱动脉冲。

2.2.3 SMES功率控制系统

基于智能功率模块（IPM），应用数字信号处理器TMS320F2812和微控制器C8051F020的双处理器形式，设计了电压型SMES变流器的功率控制电路[8]，实现对并网侧功率的动态监测和实时补偿策略计算。电压源型SMES变流器主要分为功率主电路、DSP控制电路、信号调理及驱动电路和监控终端部分，如图5所示。

图5 基于DSP的SMES变流系统硬件电路Fig.5 Hardware circuit of SMES converter based on DSP

设计控制系统主程序流程，见图6。针对充电、续流、放电和停机等各个控制命令，控制系统首先应用TMS320F2812处理器中的模数转换器ADC，捕获单元CAP1，异步串行通信口SCIA&SCIB等产生所需要的补偿电流值，并输出相应的电压指令值，实现 SMES功率补偿策略。然后由事件管理器 EV根据电压指令值产生变流器功率电路的SVPWM脉冲，最后根据监控系统触发命令，实现SMES充、放电和续流控制。

图6 主程序控制流程图Fig.6 Flowchart of main control program

3 SMES动模试验与分析

3.1 动模试验系统设计

本文在国家电网公司电力系统动模实验室搭建了一个SMES并网试验系统模型，如图7所示。该动模试验系统由 5kV·A发电机、6kVA机端变压器、200km线路阻抗Line1和Line2、100kV·A系统变压器和可控电阻负荷组成。高温超导储能系统由SMES磁体系统、功率变换系统、上位机监控和保护系统等构成。SMES磁体经功率变换系统并联在输电线路母线 Bus1处，监控和保护系统应用电压和电流检测系统，发布控制信号，实现对输电线路和SMES运行状态的实时监控。

图7 高温超导储能系统动模试验系统Fig.7 Dynamic simulation experimental system for SMES

在发电机机端Bus1或线路Line1和Line2的中间位置，通过人为投切负荷或控制三相经过渡电阻短路，实现线路功率暂时跌落和波动故障。SMES监控和保护系统在线检测和采样三相电压和电流信号，根据线路功率故障状态，控制SMES功率变换系统，利用超导磁体单元的充放电和续流功能输出补偿功率，保持线路 Bus2处功率不变，实现对系统功率波动抑制。

3.2 动模试验结果与分析

经过制冷机连续6小时的冷却，混合磁体单元从77 K降温到66 K过冷液氮运行温区。此时SMES磁体最大储能量大约为6kJ@66K。发电机起动至额定功率输出，并网加载 3kW 负荷后，在动模线路Line1处切掉全部负荷160ms，模拟电力系统发生因负荷变化导致的功率波动。

表2是SMES系统进行功率波动补偿时的运行状态控制参数。SMES监控系统检测到系统发生功率跌落故障后，延时100ms顺次触发充电350ms、续流30ms和放电600ms指令给SMES功率变换系统，SMES变流器接受命令后，根据控制参数实现功率补偿算法，补偿系统功率波动。

表2 SMES补偿系统功率波动方式及控制参数Tab.2 Power fluctuation compensation mode and the control parameters using SMES

图8是SMES补偿功率期间线路A相电压和电流、磁体电压和电流波形。从磁体电流ismes可知，超导磁体单元被控制充电350ms到33A，继续续流30ms后，进行持续时间为 600ms的释能放电。超导磁体电压Usmes在充电期间，波形频率与变流器功率器件 S8开关频率 fs8一致，且幅值与直流母线电压Udc相等，磁体电流升流速度接近92A/s；续流期间，磁体电压为零，磁体电流幅值因为续流二极管的固有管压降，会稍有减小；放电期间，磁体电压波形与充电时反相，为负值方波，磁体电压频率则受功率器件S7控制。SMES通过从动模系统吸能和释能补偿功率变化产生的波峰和波谷，实现对电网功率波动的抑制。

SMES补偿前后，动模系统功率波形比较见图9，功率波动率分析见表3。由表3可知，无SMES时，电网因切投负荷造成的功率波动峰峰值为1.72kW，与线路额定功率PN相比发生了37.8%的动态功率波动；当应用SMES后，电网功率波动率在350ms时间内降低到 14.5%，并且功率波动峰峰值仅为 0.44 kW，比电网纯功率波动故障时减小了74.4%，并且由于LCL滤波作用，功率波形中的谐波分量也获得了较大的抑制，波形较为光滑，很好地实现了SMES对电网功率波动的实时补偿。

图8 SMES磁体电压和电流试验波形Fig.8 Voltage and current experimental waveforms of SMES magnet

图9 SMES补偿前后动模系统三相功率试验波形Fig.9 Three-phase electric power experimental waveforms in power system before and after SMES compensation

表3 SMES补偿后电网功率波动率比较Tab.3 Comparasion of electric power fluctuation ratio after SMES compensation

4 结论

（1）混合应用BSCCO和YBCO高温超导材料，优化设计并构建了过冷液氮温区运行、千焦级容量的高温超导储能系统。

（2）基于 SVPWM 脉冲调制法，应用 DSP和MCU的双处理器形式，设计了LCL滤波电压型SMES变流器功率控制系统。

（3）搭建了混合SMES并网功率补偿动模试验系统，试验结果表明，SMES系统可在毫秒时间内将电网功率波动率从 37.8%降低到 14.5%，很好地实现了SMES对电网功率波动的跟踪和实时补偿，验证了SMES系统及设计方案的正确性。

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