《储能技术综述》PPT课件.ppt

储能技术综述 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要 储能技术在电力系统中的应用 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 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 化学储能和电磁储能等 主要储能技术 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 主要储能技术 机械储能 抽水蓄能 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 抽水蓄能 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 7GW 占全国装机容量的1 8 机械储能 抽水蓄能 优点 技术上成熟可靠 容量可以做的很大 受水库库容限制 缺点 建造受地理条件限制 需合适落差的高低水库 远离负荷中心 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 飞轮储能 FlywheelEnergyStorage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 机械储能 飞轮储能 特点 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 风力发电 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 压缩空气储能 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 发电 德国 美国 日本和以色列建成过示范性电站 化学储能 铅酸电池 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 浅循环工作时容量损失 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BEWAG的8 8MW 8 5MWh的蓄电池储能系统 用于调峰和调频 化学储能 铅酸电池 化学储能 铅酸电池 中国加入WTO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 钠流电池 液流电池 钠 氯化镍电池 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 正极活性物质是硫和多硫化钠熔盐 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 无自放电 运行维护简单等优势 化学储能 锂离子电池 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 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SMES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换系统将储能线圈和与交流电力系统相连 一种是电流源型变流器 另一种是电压源型变流器 电磁储能 超级电容器储能 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 具备较高的比功率 且对环境无污染 综上 SC是一种高效 实用 环保的能量存储装置 它优越的性能得到各方的总是 目前发展十分迅速 各种储能技术特点总结 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应用 各种储能技术特点总结 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 各种储能技术特点总结 抽水蓄能电站在电网中可承担调峰填谷 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 各种储能技术特点总结 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10 20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 各种储能技术特点总结 超导技术及应用 1超导技术导言 超导体 superconductor 超导体是指当某种导体在一定温度下 可使电阻为零的导体 零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性 也称为超导现象 使超导体电阻为零的温度 叫超导临界温度 1 1超导的发现 1 超导技术导言 荷兰物理学家昂纳斯 HeikeKamerlinghOnnes 低温物理学家1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根 1926年2月21日卒于荷兰的莱顿 因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖 1908年7月10日 卡末林 昂纳斯和他的同事在精心准备之后 集体攻关 终于使氦液化 这次卡末林 昂纳斯共获得了60cc的液氦 达到了4 3K的低温 他们又经过多次实验 第二年达到1 38 1 04K 它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 永久气体 氦气液化成功 1 超导技术导言 1 1超导的发现 1 超导技术导言 1 1超导的发现 低温冷却介质地成功获取 使昂纳斯研究各种金属导体在低温状态下特性成为了可能 昂纳斯试着利用液态氦对汞进行冷却 终于使汞的温度冷却到接近绝对零度 当他将电流通过汞线 测量汞线的电阻随温度变化时 一个奇异的现象出现了 当温度降到4 2K时 电阻突然消失了 1911年12月28日昂纳斯宣布了这一发现 但此时他还没有看出这一现象的普遍意义 仅仅当成是有关水银的特殊现象 1 超导技术导言 1 1超导的发现 不久 昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入 超导态 如锡和铅 其中 锡的转变温度为3 8K 铅的转变温度为6K 由于这两种金属的易加工特性 就可以在无电阻状态下进行种种电子学试验 此后 人们对金属元素进行试验 发现铍 钛 锌 镓 锆 铝 锘等24种元素以及是超导体 从此 超导体的研究进入了一个崭新的阶段 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 零电阻 迈斯纳效应 临界磁场 临界电流 临界温度 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 实现超导必须具备一定的条件 如温度 磁场 电流都必须足够的低 超导态的三大临界条件 临界温度 临界电流和临界磁场 三者密切相关 相互制约 临界温度 T 临界温度 Tc 超导体电阻突然变为零的温度 1 2超导物理特性 1 超导技术导言 1 超导技术导言 1 2超导电性 超导体内部电流永远不会消失 昂尼斯发现超导电性以后 继续进行实验 测量低温下电阻是否完全消失 昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中 瓶外放一磁铁 然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体 最后把瓶外的磁铁突然撤除 铅圈内便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去 这就是昂尼斯持久电流实验 许多人都重复做这个实验 其中电流持续时间最长的一次是从 年 月 日到 年 月 日 而且在这两年半时间内持续电流没有减弱的迹象 液氦的供应中断实验才停止 持续电流说明超导体的电阻可以认为是零 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 超导体零电阻观察与测量 一超导环置一磁场中 然后冷却使之转变成超导态 快速撤去磁场 产生感应电流 T Tc在超导环上加磁场 b T Tc圆环转变为超导态 c 突然撤去外电场 超导环中产生持续电流 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性 1933年迈斯纳研究超导态的磁性时发现 超导体一旦进入超导状态 超导体内部的磁通量将全部被排出超导体外部 磁感应强度恒为零 且不论对导体是先降温后加磁场 还是先加磁场后降温 只要进入超导状态 超导体就把全部磁通量排出体外 N N 降温 加场 注 S表示超导态N表示正常态 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 德国物理学家迈纳斯 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁 当温度低于锡的转变温度时 小磁铁会离开锡盘飘然升起 升至一定距离后 便悬空不动了 这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体 在锡盘感应出持续电流的磁场 与磁铁之间产生了排斥力 磁体越远离锡盘 斥力越小 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时 就悬浮不动了 1 超导技术导言 迈斯纳效应 超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象 磁悬浮现象在工程技术中有许多重要的应用 如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等 1 2超导物理特性 1 超导技术导言 为了寻找较高临界温度的超导材料 在50年代早期 科学家们将注意力转向了合金和化合物 1952年 发现了临界温度为17K的硅化钒 不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金 1960年 昆兹勒发现了铌锡合金在8 8万高斯磁场中仍具有超导性 它正是第 类超导体 以后 又陆续发现了若干铌系列合金超导体 1973年 发现了铌锗合金 其临界温度可达23 2K 这一发现又激起了科学家们寻找高温超导体的热情 第 类超导体发现后 美国和英国的一些公司又花了近10年时间开发可靠的超导产品 之后 人们进入了在多元素化体系中寻找高临界温度超导体的竞赛 1 5超导材料 超导特性发现于1911年 4 2K临界温度提高很慢 75年后达23 2K 1988年 110K 2年 100度 1 超导技术导言 1 5超导材料 著名高温超导物理学家 1 超导技术导言 1 5超导材料 高温超导体的发现 1986年4月 正当提高金属 合金有机材料的临界温度都遇到困难的时候 瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发现多相氧化物或称为陶瓷材料超导 激起人们对新陶瓷材料的高度热情 在不到一年时间内 中国 日本 美国等竞相努力 使陶瓷超导体的临界温度提高到300K以上 1987年初 中国的赵忠贤获得SrLaCuO的超导临界温度为48 6K 2超导磁储能技术概述 SMES的概述 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 SMES的概述 在电力系统中的应用 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 SMES的概述 在电力系统中的应用 不同规模的SMES应用场合有所不同 一般中 大型SMES可用于10kV以上电压等级的发电厂 变电站等适合SMES安装的一切地点 SMES的概述 装置结构 右图是SMES装置的具体结构原理图 该结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出来的 如图所示 SMES装置一般由超导线圈 低温容器 制冷装置 功率变换装置 失超保护系统和监测控制系统几个主要部分组成 SMES的概述 装置结构 35kJ 7 5kW高温超导磁储能装置 左图中 SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统 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 SMES的概述 装置结构 35kJ 7 5kW高温超导磁体 SMES的磁体系统 运行时 低温系统的杜瓦真空可保持在0 1 0 2Pa 通过制冷机的冷却 磁体表面温度以及电流引线温度保持在19K 21K SMES的概述 装置结构 SMES的磁体系统35kJ 7 5kW高温超导SMES的磁体磁体参数 SMES的概述 装置结构 SMES的制冷系统 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 液氦浸泡工作方式提供低温环境 SMES的概述 装置结构 SMES的低温容器 SMES低温容器结构图 SMES的概述 国外研究现状 日本 先后研制了多个kJ级和MJ级的SMES 在完成SMES动模实验研究的基础上 正在电力系统上开展了MJ级SMES的试验研究 SMES的概述 国外研究现状 德国 1997年建造完成了一个由6个超导线圈组成的2MJ的环形SMES装置 现正在进行150kJ的高温超导SMES的研究工作 SMES的概述 国外研究现状 SMES的概述 国内研究现状 1999年中科院电工所研制了一台300A 220V 25kJ的SMES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2 5MJ 1MW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SMES作为应急备用电源储能设备 3超导磁储能技术的功率控制 SMES的功率控制问题 用于电力系统的SMES的拓扑结构不外乎两大类 一类是电流源型SMES 简称CSMES 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 另一类是电压源型SMES 简称VSMES 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 SMES的功率控制问题 3 1电流源型SMES的功率控制 CSMES功率控制问题 CSMES功率控制 CSC的数学模型 根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型SMES的时域数学模型 CSMES功率控制 PWM开关策略 基于触发模式的PWM开关策略原理 CSMES功率控制 PWM开关策略 调制波信号发生器和载波信号发生器工作原理 CSMES功率控制 PWM开关策略 调制脉冲发生器工作原理 调制脉冲发生器 CSMES功率控制 PWM开关策略 斜坡函数发生器工作原理 CSMES功率控制 PWM开关策略 触发模式选择器工作原理 CSMES功率控制 PWM开关策略 触发脉冲发生器工作原理 CSMES功率控制 PWM开关策略 CSC输出电流特性 变流器A相调制电流 CSMES功率控制 PWM开关策略 CSC输出电流特性 CSMES功率控制 PWM开关策略 CSC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 CSMES功率控制 CSC的输出功率 CSC输出功率控制方法 SMES的功率控制 SMES的功率实时控制 SMES功率实时控制器 SMES的功率控制 SMES的功率实时控制 仿真结果1 fc 2100Hz Idc 80A时 和M在t 0 08s处由 0 M 0 5改变为 120 M 0 5 在t 0 12s时M改变为0 7 SMES的功率控制 SMES的功率实时控制 仿真结果2 fc 2100Hz Idc 80A时 SMES的功率响应 CSMES功率控制 CSMES输出功率 CSMES输出功率控制框图 CSMES功率控制 CSMES仿真模型 PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑 CSMES仿真模型的主电路 CSMES功率控制 CSMES仿真模型 CSMES仿真模型的控制电路 csmes功率控制原理框图 CSMES功率控制 功率控制仿真 参数 三相电压源相电压为14000V 变流器交流侧等效电感400uH 滤波电容为130uF 仿真时间为20s CSMES仿真模型参数及功率跟踪 Psm Qsm Id运行结果 CSMES功率控制 仿真结果 CSMES的功率跟踪 Psm对Pr Qsm对Qr的跟踪结果 CSMES功率控制 仿真结果 CSMES功率调节中的输入电压和电流 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 3 2电压源型SMES的功率控制 VSMES功率控制 VSC的数学模型 六脉冲电压源型变流器拓扑结构 根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型SMES的时域数学模型 VSMES功率控制 VSC的数学模型 VSC的三相静止ABC坐标系模型 VSMES功率控制 VSC的数学模型 根据PARK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 三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换 VSMES功率控制 VSC的数学模型 三相静止ABC坐标 两相静止 0坐标 两相旋转dq0坐标 三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换 VSMES功率控制 VSC的数学模型 三相静止坐标系ABC分量 两相静止坐标系的 0分量 两相旋转坐标系的dq0分量 两相坐标系到三相静止坐标系的变换 VSMES功率控制 VSC的数学模型 VSC的ABC坐标系模型到dq0旋转坐标系模型的转换 拉氏变换 拉氏反变换 VSMES功率控制 VSC的数学模型 VSC的dq0旋转坐标系模型的原理框图 同步旋转坐标系下VSC结构框图 VSMES功率控制 VSC的数学模型 VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制 d q轴电流除受控制量urd和urq的影响外 还受耦合电压wLid和wLiq 以及变流器交流侧输入电压usd和usq的影响 假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量 即 VSMES功率控制 VSC的数学模型 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VSC控制的基本思想是 希望使装置的功率因数可控 为此 输入电流必须跟踪输入电压则可以实现装置的功率因数可控 解耦双闭环控制结构原理图 VSMES功率控制 VSC的输出功率 单相等效电路图 VSC单相等效电路向量图 VSMES功率控制 VSMES的斩波器 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 和2个大功率二极管组成 VSMES斩波器结构 VSMES功率控制 VSMES的斩波器 VSMES斩波器的工作原理及其控制 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 在这两种工作状态中 S8恒通 S7斩波 同时配合变流器控制直流电压Udc恒定 磁体电流续流状态 S8恒断 S7恒通 变流器控制直流电压Udc恒定 磁体放磁或释能状态 在这两种工作状态中 S8恒断 S7斩波 同时控制电压Udc恒定 VSMES功率控制 VSMES仿真模型 PSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑 VSMES仿真模型的主电路 VSMES功率控制 VSMES仿真模型 VSMES仿真模型的控制电路 图中Udr Uqr组件和Idr IqrCalculate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 VSMES变流器控制框图 VSMES功率控制 功率控制仿真 参数 三相电压源相电压为800V 直流电容为10mF 超导线圈等效电感为10H 超导线圈额定电流为500A 储能1 25MJ 电网频率为50Hz 电容电压Udc为3000V 交流侧电感L为5mH 仿真时间为20s VSMES仿真模型参数 Qref指令 Pref指令 VSMES功率控制 仿真结果 VSMES的功率跟踪 Psm对Pr的跟踪结果 Qsm对Qr的跟踪结果 VSMES功率控制 仿真结果 VSMES功率调节中的Udc和Ismes 超级电容器 UC SC 当VSC的直流侧电压维持恒定时 在正确的脉宽调制技术控制下 VSC可以被看作是一个基波电压幅值和相位可控的三相电压源 通过其输出的调制电压和VSC电网侧电压共同作用于图中等效连接阻抗Xs 产生相位和幅值可控的三相电流ia ib和ic 从而实现对VSC输入输出功率的准确控制 同时 由于VSC输入输出功率将导致其直流侧电容Cdc两端电压的变化 因此需要通过对DC DC变换器的有效控制实现UC对Udc恒定电压的补偿控制 超级电容器储能系统主电路 当对UC进行储能时 DC DC变换器工作于降压模式 目的是将从电网中吸收的能量储存在UC中 同时避免VSC直流侧母线电压Udc因输入功率所导致的电压上升 使其维持恒定 当UC释能时 变换器器工作于升压模式 目的是补偿因VSC向电网输出有功功率所导致的直流母线电压Udc下降 使UC能够通过VSC向电网输送功率 当VSC与系统之间无功率交换时 UC通过降压或升压模式补偿VSC直流侧母线电压Udc因开关损耗引起的电压变化 基于非隔离型Buck Boost电路的DC DC变换器 超级电容器 UC SC 超级电容器 UC SC UC储能系统的四象限功率跟踪仿真结果 335kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 35kJ 7 5kW高温超导SMES装置 左图中 SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统 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 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的冷却系统 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工作方式 运行时 低温系统的杜瓦真空可保持在0 1 0 2Pa 通过制冷机的冷却 磁体表面温度以及电流引线温度保持在19K 21K 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 高温超导线圈 变流器1 变流器2 变流器3 变流器4 直流母线 三相交流母线 SCR1 SCR2 SCR3 SCR4 R1 R2 R3 R4 SCR S11 S14 S24 S21 S34 S31 S44 S41 S16 S13 S12 S15 S26 S23 S22 S25 S36 S33 S32 S35 S46 S43 S42 S45 La La La La La La La La Cf Cf Cf Cf DC DC A B C Ias Isb Idc Ld Idc1 Idc1 Idc2 Idc2 Idc3 Idc3 Idc4 Idc4 Y AC电源 DT Isc SMES的变流器结构 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 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 SMES装置 SMES的控制系统 内环控制器 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MCU 等部分组成 采用以DSP为核心的主从控制结构 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SMES运行发生故障的情况下 对主电路执行相应的保护控制 CSMES功率控制 CSMES输出功率 CSMES输出功率控制框图 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 外环控制器 外环控制器由监控系统的监控计算机和测量控制单元构成 用于对内环控制器的工作方式以及SMES和电力系统功率交换大小进行控制 内环控制器用于实现外环控制器对SMES在磁体起磁 功率跟踪 非功率跟踪和去磁四种工作方式的切换 从而使SMES在外环控制器的作用下 能够在电力系统中灵活地投切 SMES和电力系统的交换功率控制则用于实现SMES在电力系统中的具体应用 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 外环控制器 SMES的投入 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 SMES的起磁 当监控计算机发出磁体起磁命令后 外环控制器立刻通过通信接口向内环控制器发出磁体起磁命令 内环控制器接收此命令后随即切换至磁体起磁控制方式 通过调节最终使磁体电流维持在设定值 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 外环控制器 SMES的功率控制 当监控计算机发出允许交换功率命令后 外环控制器立即转换至对SMES和电力系统进行适当功率交换的控制模式 同时将该命令转发给内环控制器 使内环控制器也转入功率跟踪控制模式 并做好接受来自外环控制器的功率参考值的准备 外环控制器在每次控制周期到来时 先执行按SMES具体应用要求所设计的控制算法以确定交换功率的参考值 然后将此参考值通过通信接口发送给内环控制器 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 外环控制器 SMES的禁止功率交换控制 当监控计算机发出不允许交换功率命令时 外环控制器先向内环控制器发送Pref和Qref等于零的功率参考值 以使SMES不再和系统交换功率 接着再向内环控制器转发不允许功率交换命令 使内环控制器返回到上电或复位初始工作状态 然后外环控制器也退出对SMES交换功率大小的控制 并且不再向内环控制器输出交换功率参考值 在此种操作下 由于磁体的存储的磁能并未释放 因此其剩余能量还可以被随后的操作所利用 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 SMES装置 SMES的控制系统 外环控制器 SMES的去磁控制 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制器发送Pref和Qref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 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 t ms Idc A QSMES kVar PSMES kW SMES的磁体起磁过程 SMES的起磁 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的起磁 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的去磁 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的四象限功率调节 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 t ms Idc A Qref 0 Pref由 3kW变换到 3kW时SMES的阶跃功率响应 QSMES kVar PSMES kW Qref 0 Pref由 3kW变换到 3Kw时SMES的瞬时响应 t ms isa isb isc A usab usbc Usca V QSMES kVar PSMES kW 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的四象限功率调节 20000 t ms Pref 0 Qref由 3kVar变换到3kVar时SMES的阶跃功率响应 Pref 0 Qref由 3kVar变换到3kVar时SMES的瞬时响应 t ms PSMES kW QSMES kVar isa isb isc A usab usbc Usca V 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的四象限功率调节 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 t ms isa isb isc A Idc A PSMES QSMES Pref Qref四象限连续变换时SMES的功率响应 usab usbc usca V PSMES kW QSMES kVar 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的四象限功率调节 SMES对正阶跃有功和负阶跃无功指令的暂态响应 SMES对正阶跃有功和无功指令的暂态响应 PSMES QSMES t ms isa isb isac A usab usbc usca V PSMES QSMES t ms usab usbc usca V isa isb isac A 35kJ 7 5kW高温超导SMES及其功率调节特性 功率调节特性 SMES的四象限功率调节 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 抑制功率振荡的机理 含SMES电力系统传递函数框图 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 KE称为同步转矩系数 DE称为阻尼转矩系数 无SMES时的系统功率振荡机理分析 对特征根分析得如下结论 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 无SMES时的系统功率振荡机理分析 将看作坐标系中的复转矩 即为复转矩的横 纵坐标 由上面分析可以看出 当系统发生功率振荡时 复转矩应该位于第一象限或第四象限靠近轴部分 此时特征根实部为绝对值较小得正数或负数 系统表现为缓慢衰减或增幅的功率振荡 SMES抑制功率振荡的目的就是把此复转矩调整到第一象限中靠近轴的位置 这时特征根实部为绝对值较大的负数 振荡可以被快速抑制 从而使系统恢复稳定 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 有SMES时的系统功率振荡机理分析 SMES投入阻尼控制时的电磁转矩 第二项为SMES通过Kp提供的直接电磁转矩 第三项为SMES通过Kq和Kv提供的间接电磁转矩 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 有SMES时的系统功率振荡机理分析 取发电机的转速变化量作为SMES阻尼控制的输入 SMES的功率调节特性可用一阶惯性环节表示 外环控制器采用比例控制环节作为阻尼控制器 当忽略由SMES提供的间接电磁转矩 SMES对低频振荡的阻尼作用相当于在原来的转矩上叠加了一个第一象限的转矩 从而表现出SMES对功率振荡的阻尼作用 系统发生低频振荡时 由于低频振荡的振荡频率在0 2 2 5Hz之间 使得 s的变化范围大概在1 26 15 7之间 且这么大的 s变化范围将会造成间接电磁转矩的不确定性 因此 在不忽略SMES提供的间接电磁转矩 将很难从理论上证明SMES对低频振荡的抑制作用 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 有SMES时的系统功率振荡机理分析 SMES的作用相当于向系统提供了一个起旋转作用的转矩 当系统参数确定时 可通过调整控制器的参数 使旋转的角度略小于90 当系统发生功率振荡时 通过阻尼控制可以把原来在一 四象限接近 轴的电磁转矩调整到 0 轴附近 从而可以达到很好的抑制功率振荡的效果 而系统没有发生振荡时 则可以将阻尼控制封锁 以免将原来处于第一象限的电磁转矩拉到了别的象限 使原来稳定的系统失去稳定 选用SMES并联于系统处的且测量上容易实现的有功变化量作为SMES阻尼控制的输入 G j s 为SMES阻尼控制器的传递函数 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 抑制功率振荡的机理 SMES的阻尼功率振荡控制器 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 实验研究 动模实验系统 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 实验结果 未使用SMES时 系统对故障的响应特性 短路时间390ms 使用SMES时 系统对故障的响应特性 短路时间320ms SMES对发电机三相短路故障的功率调节作用 Pe 3 5kW 机端电压 A相 B相 C相 机端电流 A相 B相 C相 机端有功功率 机端电压 A相 B相 C相 机端电流 A相 B相 C相 机端有功功率 SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 实验研究 实验结果 PSMES kW QSMES kVar Idc A SMES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和实验研究 实验研究 实验结果 使用SMES时 系统对故障的响应特性 短路时间360ms SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究 实验研究 实验结果 PSMES kW QSMES kVar Idc A 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 t ms SMES对发电机三相短路故障的响应特性 Pe 4 0kW 短路时间360ms SMES补偿电压跌落 CSMES 系统仿真模型 CSMES补偿系统电压跌落电路图 SMES 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 系统母线电压标幺值实时曲线图 SMES补偿电压跌落 系统分析 系统电路图 SMES补偿电压跌落 系统有功充足时 CSMES参数超导线圈起磁电流Iref 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 SMES补偿电压跌落 CSMES 系统母线电压标幺值实时对比图 仿真结果 CSMES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 SMES提高系统暂态稳定性 VSMES 基于VSMES提高发电机暂态稳定性的仿真模型 系统仿真模型 SMES提高系统暂态稳定性 VSMES 系统仿真参数 VSMES的支撑电容电压Udc 80kV 超导线圈起磁电流Ism ref 2kA VSMES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 仿真系统中发电机容量为200MVA 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 43 的传输线 以及Bus3 Bus4母线间等效阻抗为j0 054 的传输线和无穷大系统连接 SMES提高系统暂态稳定性 VSMES 系统仿真结果 基于VSMES提高发电机暂态稳定性的机端有功功率 基于VSMES提高发电机暂态稳定性机端电压 基于VSMES提高发电机暂态稳定性的机端无功功率 VSMES实时输出功率 SMES提高系统暂态稳定性 VSMES 系统仿真结果 VSMES的超导磁体电流的变化过程 VSMES实时输出功率 VSC直流侧电容电压的变化过程 CSMES抑制联络线低频功率振荡 系统仿真模型 基于CSMES抑止联络线功率振荡的仿真模型 系统参数四台发电机的线电压有效值均为11 547KV 第一区域电网的Bus7母线接有容抗为8 3572的并联电容补偿装置 和967 j100MVA的负荷 第二区域电网的Bus9母线接有容抗为14 6521的并联电容补偿装置 和1767 j100MVA的负荷 系统运行第5s在Bus7母线发生0 1s的三相接地短路故障 CSMES抑制联络线低频功率振荡 CSMES参数超导线圈起磁电流Ismes ref 13000A 变压器二次侧电压Es 30KV 起磁功率Pref 300MW 仿真运行时间25s CSMES抑制联络线低频功率振荡 接入CSMES和未接入CSMES时联络线有功功率对比 CSMES抑制联络线低频功率振荡 接入CSMES和未接入CSMES时联络线无功功率对比 CSMES抑制联络线低频功率振荡 接入CSMES和未接入CSMES时发电机1 与2 间功角差变化过程对比 接入CSMES和未接入CSMES时发电机3 与4 间功角差变化过程对比 CSMES抑制联络线低频功率振荡 接入CSMES和未接入CSMES时发电机2 与3 间功角差变化过程对比 接入CSMES和未接入CSMES时发电机1 与4 间功角差变化过程对比 接入CSMES和未接入CSMES时发电机1 与3 间功角差变化过程对比 CSMES抑制联络线低频功率振荡 CSMES输出的有功功率 无功功率及超导磁体电流 CSMES抑制联络线低频功率振荡 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 SMES的数学模型 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 SMES和电力系统的接口方程 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 反馈线性化 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 反馈线性化 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 线性最优控制规律设计 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 线性最优控制规律设计 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 SMES线性最优控制器 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 仿真结果1 SMES控制器的设计 基于反馈线性化的SMES最优控制器 仿真结果2