超导磁储能装置抑制配电网瞬时电压跌落的研究

邱龙富 邹宇 麦海波 韦军

摘 要：超导磁储能装置（SMES）结合了高温超导体的低耗快速蓄能的性质与电气元件的高速换电技术的优点，是一种新式的极具潜力的四象限调节储能装置，该元件是当前超导电力装置中最具有开发前景和潜力的设备之一。本文介绍了SMES的结构和工作原理，国内外SMES的发展现状，以及SMES在电力系统中的应用。然后研究了SMES抑制配电网瞬时电压跌落的作用，证明SMES是配电网中非常有效的和有用的器件。

关键词：超导磁储能；配电网；瞬时电压跌落

中图分类号：TM755 文献标识码：A

在传统配电网中，当系统中出现故障或者大扰动时，远方同步发电机并不总是能够足够快地响应该扰动以保持系统的有功和无功平衡和稳定，这时也只能依靠切负荷来维持系统的稳定。

如果电力系统能够大规模地储存电能，并灵活地对这些储能设备进行布置，将会推动电力系统运行产生巨大的变革。储能系统的加入有效的弥补了电网的负荷峰谷问题并可以极大的提高电网的供电可靠性。如果系统因为跳闸引起了局部的停电事故，则连接在配电网中的储能设备就可以瞬时恢复供电，因此在某种程度而言，起到了UPS电源的作用，给故障排除和检修争取了时间；同时，储电设备能够增加系统的暂态稳定性，在电网发生较大的故障时，包括三相短路和机组甩负荷等情形下，全电力电子设备的储能装置能够快速的调整电能，为系统中的其它基于机械开关的稳定性设备的调整提供了时机，从而使得电网可以更快的回稳；在未来大量不确定出力的新能源发电接入电网中时，储能设备也是用于平抑功率波动的有效手段。总体而言，发展储能系统对于电网而言是十分关键并且必要的。

但是，如何大规模储存瞬时性的电能依然是电力行业中备受关注但尚未解决的难点。这是由于大规模的储存电力的器件还各有其缺点。多种基于新式储电理论和方法的储能设备还都处在开发阶段，例如超级电容器储能、飞轮储能以及超导磁储能等。虽然这些新型储能装置的实用化还有各种必须解决的问题。但就现在的发展趋势而言，这些储电技术已显示出较高的发展潜力。

综合国内外SMES的相关研究成果报道，可以看出相关的研究工作大多集中在超导磁体的物理特性和有功和无功调节特性，以及如何基于SMES四象限功率调节的特性研究SMES接入电网的协调运行策略等方面。而对SMES应用于电力系统时，电力系统对SMES的相关性能要求，以及SMES与电力系统之间的相互作用等研究还非常欠缺。因此，迫切需要根据电网实际运行情况，研究SMES接入电网后对电网的作用。本文介绍了SMES的基本原理和发展现状，并研究了一个典型的SMES用于抑制配电系统电压暂降的效果，并试图给出相应的建议。

1 超导磁储能的原理与应用

1911年昂尼斯（Kamerlingh onncs）在液氦温度下研究了几种纯金属的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到约4.2K时，水银的电阻从0.125Ω突然下降到零，这种奇异现象称为超导电性。

超导磁储能系统（SMES）是超导电力技术应用领域中一个很重要的方面，同超级电容器储能、压缩空气储能以及蓄电池储能和抽水蓄能等其它各种储电设备相比，超导储能系统很多不可替代的优势：首先，其可长时间近似无损地储存电能，消耗的电能仅为0.1%，超导磁体本身并不损耗电能，转换电能的效率高达95%，磁体本身的充放电次数近乎无限，而蓄电池储能的充放电次数仅有1000～2000次，使用寿命大大降低；其次，超导磁体与电力系统通过换流器连接，全电力电子设备的设计使得其响应速度可以达到毫秒级；再次，其大规模的容量使得其可以适用于大规模的电网系统，甚至是输电网系统；然后，在SMES中基础不存在机械开关设备，因此具有响应快，寿命长的特点，并且在电网的任何节点中均可以布设SMES，具有高度的灵活性。

SMES不僅仅是一个蓄能装置，更是一个可以参与电力系统运行和控制的有功和无功源，在电力系统主要部件发生故障时能为系统提供能量，并为发电设备的起动提供有功和无功，也能在地区性故障后为电网的恢复提供能量。

由于超导储能装置可以对电网的功率进行调节，可以减少功率波动或发电机出力的改变对电力系统的影响，SMES通过变流器的控制，可将SMES作为重要负荷和对供电要求较高的设备的UPS电源，并且可以改善配电网中发生故障或由于输电网受到扰动而导致配网向负荷侧供电的过程中发生的稳定性问题。容量较小的超导磁储能装置可以提高系统的功率因数，提高系统的频率稳定性。将SMES与动态电压恢复器（DVR）结合协调控制，能够降低甚至去除停电（Outage）、电压瞬时跌落（Sag）、谐波、瞬时冲击负荷（Impulse）或瞬时过电压（Swell）等扰动对用电终端的干扰，提高系统的电能质量。

近来1～5MJ容量级别的低温超导SMES已经由美国超导公司和IGC公司研发并推向市场，他们甚至表示能够处理100kJ容量级的高温超导磁储能系统的订单。美国北部的115kV配电网中安装了多个分布式的磁储能系统以增加配电网的暂态稳定性。日本先后开发了多个容量等级的SMES，并且在完成MJ级SMES动态模拟实验的研究基础上，在实际电网中进行了SMES的相关科研工作。

与世界的超导电力技术研究相比，我国的相关研究开展的比较晚，因此对SMES的研究也处于起始阶段，1999年中国科学院电工所研发成功了一台额定参数220V/300A，容量25kJ的低温SMES实验设备。在中科院的相关项目支持下，中科院电工所现在正在进行2.5MJ/1MW大容量SMES的研究工作。除中科院电工所的研究，清华大学、华中科技大学和华北电力大学等相关科研院校都以完成或者进行SMES的研制工作。其中，清华大学进行了20kJ/15kW级SMES磁体的研发项目，并且还将在学校电网系统中安装500kJ的超导磁储能系统，起到UPS电源的作用。华中科技大学电气工程学院则开展了35 kJ/7.5kW容量级别的高温SMES，并在动模实现了抑止系统有功和无功振荡的试验。

2 SMES的系統结构

超导磁储能系统主要的原理是包含一个超导线圈将电磁能储存在其中，如果电网中需要进行调节，就将电能传输至电力系统中。超导磁体中的储能W的计算方法如式（1）所示。

（1）

超导线圈的特点是，对线圈导通直流时，其电阻特性消失，超导体本身不消耗能量，因此相比于一般常规线圈，超导线圈可以传输更多的电能，并且电能会产生磁场，因此超导线圈的能量密度可以达到非常高的值。从上面的表述可知，超导体中存储的是直流电，而电网中使用的是交流电，因此它需要一个直交变换的媒介与电网相连接，从而进行电力系统的四象限功率调节。因此，超导磁储能系统一般包括了带有磁体的超导线圈（SCM）、低温系统（CS）、四象限调节系统（PCS）和控制器四个主要部分。图1是SMES的结构简图。

SMES的这四个主要部分简要描述如下：

①SCM用来存储直流电能；

②PCS是交流部分与SCM的能量交换的中介。通过PCS，交流电能能够转换成直流电能储存在SCM中；相反，储存在SCM中的直流电能能够转换成交流电能，而反馈到交流部分；

③CS是用来冷却SCM，并使其处于工况温度；

④控制器是SMES系统的关键部分，用于根据控制目标实现SMES在电力系统某个方面的应用。

变流器连接超导磁体和电力系统，能量通过其的控制进行转换，使得SMES可以对电网进行四象限的调节。已经有多重不同的变流器结构被提出，目的是为了更高效精确的控制SMES内磁体的充放电。一般而言，不管各种新的变流器控制策略和拓扑如何改进，我们都可以将SMES的变流器结构归类为两种基本的结构。超导磁储能系统具有天然的电流源特性，第一类九是电流源型SMES（CSMES），其变流器称为电流型换流器（Current Source Converter，简称CSC），它的交流侧输出电流幅值和相位是独立可控的，通过改变这两个参数就可以对系统进行四象限调节；而与之相对应的是电压源型SMES（VSMES），其中控制部件包括了电压型变换器（Voltage Source Converter，VSC）和斩波器（Chopper）两个部分，他们共同调节变流器交流侧的输出电压幅值和相位，从而也可以对系统进行四象限调节。这两种设备都具有对系统良好的控制特性，在SMES中均具有较深入的研究，但是从大系统的角度而言，电流型换流器的结构更为简单，控制流程也更为快速，因此，本文选用CSMES进行研究。

3 SMES抑制系统电压暂降

本节中，将SMES接入一个电网的母线侧，用来研究SMES抑制电网的电压暂降的效果。其中，用于模拟系统电压瞬时跌落的仿真系统如图2所示。

图2中，母线端的额定电压为115kV，系统容量为500MVA，系统运行在1.5s处发生了0.75s的三相接地短路故障。图中故障母线端电压有效值Ea的变化过程如图3所示。如图3所示，在系统发生故障的0.75s中，母线电压大小由0.78（标幺值）暂降到0.61，然后又恢复到0.78。仿真结果中，横坐标单位为秒，纵坐标单位为电压标幺值。

在系统有功不足的情况下，SMES既补偿有功功率，又补偿无功功率来抑制系统电压瞬时跌落。图4为SMES抑制系统电压暂降的母线电压对比图。图4中，Vpu对应与加有CSMES的系统母线电压标幺值，Vpu0对应于没有加CSMES的系统母线电压标幺值。

接入了超导磁储能系统的配电网，在电网发生电压暂降期间，通过SMES与电网间的四象限的功率调节，SMES有效抑制了系统的电压瞬时跌落，提高了系统的电能质量。

结语

超导技术将是储能技术发展的助力，也将为电力系统运行提供新的调节手段。日本电网研究机构认为超导储能会成为未来国际电力技术竞争的核心问题之一，美国能源部将储能设备列为是新时期下电网运行中最重要的新技术之一。在超导技术用于电力系统的各种用途中，超导磁储能是非常具有广泛的实用性的，同时其所需要的技术指标和经济指标都较低，且在未来新能源渗透率越来越高的情况下有机会发挥更大的作用，因此有必要深入研究SMES用于电网特别是配电网的相关应用。

本文通过进行SMES对系统电压瞬时跌落抑制的数字仿真，验证了SMES通过无功补偿对系统电压暂降的抑止作用，表明了SMES的良好的未来前景。

参考文献

[1] Hassenzahl W V. Will Superconducting magnetic energy storage be used on electric utility systems[J].IEEE Transactionson Magnetics， 1975， 11（02）： 482-488.

[2]余江，曾建平.SMES及其在电力系统中的应用[J].电力自动化设备，20（03），2000：32-34.

[3] L Chen， Y Liu， AB Arsoy. Detailed modeling of superconducting magnetic energy storage （SMES） system[J].IEEE Transactions on Power Delivery， 2006， 21（02）： 699-710.

[4]王少荣，彭晓涛，唐跃进.电力系统稳定控制用高温超导磁储能装置及实验研究[J].中国电机工程学报，2007，27（22）：44-50.

[5]徐颖，任丽，唐跃进.150kJ/100kW直接冷却高温超导磁储能系统[J].储能科学与技术，2015，04（04）：394-401.

[6]李晋，徐智，刘春梅.基于PSCAD的电流源型超导磁储能装置建模研究[J].陕西电力，2012，40（06）：23-27.

[7]张巍，向铁元.基于PSCAD的电流型超导磁储能对电力系统稳定性的分析研究[C].上海：中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会，2008：1-7.

[8]杨斌，诸嘉慧.高温超导磁储能用斩波器仿真及试验[J].电力自动化设备，2010，30（12）：51-54.