1、儲能技術(shù)綜述,儲能裝置快速的功率調(diào)節(jié)能力使其突破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴?yán)^電保護(hù)和自動裝置的被動致穩(wěn)框架，徹底改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中缺乏快速補(bǔ)償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動致穩(wěn)新思想。,在目前所提出的各種超導(dǎo)電力裝置中，儲能裝置具有較大的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展儲能裝置的研制工作對各國電力事業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義，而且也是各國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要 。,儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,電網(wǎng)調(diào)峰 系統(tǒng)備用容量 調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的過負(fù)荷沖擊 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 靜止無功補(bǔ)償 改善電能品質(zhì) 分布式電源和可再生能源的功率平滑裝置,到目前為止，人們已經(jīng)探索和開發(fā)了多種形式的電

2、能儲能方式，主要可分為：機(jī)械儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能等。,主要儲能技術(shù),機(jī)械儲能：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能 化學(xué)儲能：鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、 鋰離子電池 電磁儲能：超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能,主要儲能技術(shù),機(jī)械儲能抽水蓄能,廣泛采用的大規(guī)模、集中式儲能手段。 利用自然界里數(shù)量最大的液體水的勢能進(jìn)行儲能。需要配備上、下游兩個水庫。 在負(fù)荷低谷時段，抽水蓄能設(shè)備工作在電動機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。 負(fù)荷高峰時，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的發(fā)電。 一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進(jìn)行電力調(diào)度。,機(jī)械儲能抽水蓄能,發(fā)展現(xiàn)狀： 19世紀(jì)

3、90年代于意大利和瑞士得到應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全世界 共有超過90GW的抽水蓄能機(jī)組投入運(yùn)行。 日、美、西歐等國20世紀(jì)6070年代出現(xiàn)抽水蓄能電站的 建設(shè)高峰。其中日本是世界上機(jī)組水平最高的國家，在技術(shù)方面 引領(lǐng)世界潮流。 我國上世紀(jì)90年代開始發(fā)展，有廣州抽水蓄能1期，十三陵， 浙江天荒坪等抽水蓄能電站。資料統(tǒng)計(jì)，已裝機(jī)5.7GW，占全國裝 機(jī)容量的1.8%。,機(jī)械儲能抽水蓄能,優(yōu)點(diǎn)： 技術(shù)上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫庫容限制。 缺點(diǎn)： 建造受地理?xiàng)l件限制，需合適落差的高低水庫，遠(yuǎn)離負(fù)荷中 心； 抽水和發(fā)電中有相當(dāng)數(shù)量的能量被損失，儲能密度較差； 建設(shè)周期長，投資大；,機(jī)械儲能飛輪儲能

4、,Flywheel Energy Storage 將能量以動能形式儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。由高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料的轉(zhuǎn)子、高速軸承、雙饋電機(jī)，電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩組成。 電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能變飛輪動能儲存，需要時，飛輪減速，電動機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪的加速和減速實(shí)現(xiàn)了充電和放電。,機(jī)械儲能飛輪儲能,特點(diǎn)： 儲能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無污染、應(yīng) 用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。 目前用于調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電，太陽能儲能、電動汽車、UPS、低 軌道衛(wèi)星、電磁炮、魚雷。 國內(nèi)相關(guān)單位：清華大學(xué)工程物理系飛輪儲能實(shí)驗(yàn)室、華科 大、華北電大、中科院電工所。2009年8月5日，國內(nèi)最先進(jìn)和可 靠的

5、兩臺250kVA移動式飛輪發(fā)電車落戶北京電力公司，執(zhí)行供電 保障和應(yīng)急供電任務(wù)。,機(jī)械儲能壓縮空氣儲能,上世紀(jì)50年代提出，目的是削峰填谷。 兩個循環(huán)構(gòu)成其儲能過程：一是充氣壓縮循環(huán)；二是排氣膨脹循環(huán)。 壓縮時，雙饋電機(jī)做電動機(jī)工作，利用谷荷時的多余電力驅(qū)動壓縮機(jī)，將高壓空氣壓入地下儲氣洞；峰荷時，雙饋電機(jī)做發(fā)電機(jī)工作，儲存壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱，再使用燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，進(jìn)入膨脹系統(tǒng)中做工（如驅(qū)動燃汽輪機(jī)）發(fā)電。 德國、美國、日本和以色列建成過示范性電站。,化學(xué)儲能鉛酸電池,它是以二氧化碳和海綿狀金屬鉛分別為正、負(fù)極活性物質(zhì)，硫酸溶液為電解質(zhì)的一種蓄電池，距今140年歷史。 優(yōu)點(diǎn)： 自放電

6、小，25下自放電率小于2%/月；結(jié)構(gòu)緊湊，密封好，抗振動，大電流性能好；工作溫度范圍寬，-4050； 價(jià)格低廉；制造維護(hù)成本低；無記憶效應(yīng)（淺循環(huán)工作時容量損失）。 目前，世界各地已建立了許多基于鉛酸電池的儲能系統(tǒng)。例如：德國柏林BEWAG的8.8MW/8.5MWh的蓄電池儲能系統(tǒng)，用于調(diào)峰和調(diào)頻。,化學(xué)儲能鉛酸電池,化學(xué)儲能鉛酸電池,中國加入WTO后，由于看好中國蓄電池市場巨大潛力以及發(fā)達(dá)國家對蓄電池行業(yè)的限制政策，越來越多國外大型電池制造商選擇在中國建廠和生產(chǎn)，目前我國鉛酸電池產(chǎn)量占世界的1/3，生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)與國際先進(jìn)說平差距不明顯。保定風(fēng)帆、哈爾濱光宇，江蘇雙登、湖北駱駝等，都是主要電池

7、制造企業(yè)。,化學(xué)儲能鈉流電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池,鈉流電池是一種新型蓄電池。采用熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)，其中，負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽。 液流電池或稱氧化還原液流電池，是正負(fù)極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。最早由美國航空航天局（NASA）資助設(shè)計(jì)，1974年申請了專利。目前主流是全釩電池群雄并起，鐵鉻電池陷于停頓、多硫化鈉/溴電池剛剛興起。 鈉/氯化鎳電池是一種在鈉流電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型儲能電池，具有較高的能量密度和功率密度，具備可過充電、無自放電，運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)勢。,化學(xué)儲能鋰離子電池,優(yōu)勢是儲能密度高、儲能效率高、循環(huán)壽命長等

8、。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展，隨著制造技術(shù)和制造成本的不斷降低，將鋰離子電池用于儲能非常具有應(yīng)用前景。 目前，單體電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命已經(jīng)超過1000次，僅從電池單體的角度來看，鋰離子電池的比能量和循環(huán)壽命已基本滿足儲能應(yīng)用需求，但在鋰離子電池組應(yīng)用時，循環(huán)壽命只有400600次，甚至更低，嚴(yán)重制約了鋰離子電池儲能應(yīng)用。 鋰離子電池在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面，美國走在前面。2009年的儲能項(xiàng)目研究規(guī)劃中，擬開展鋰離子電池用于分布式儲能的研究和開發(fā)。,電磁儲能超導(dǎo)儲能,超導(dǎo)磁儲能（SMES）單元是由一個置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SM

9、ES單元與交流電力系統(tǒng)想念，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進(jìn)行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲能線圈和與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器；另一種是電壓源型變流器。,電磁儲能超級電容器儲能,超級電容器（SC）是近幾十年來，國里外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲能電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達(dá)到法拉級別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到十萬次以上，且不用維護(hù)；與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對環(huán)境無污染。 綜上，SC是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲裝置，

10、它優(yōu)越的性能得到各方的總是，目前發(fā)展十分迅速。,各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),各種儲能技術(shù)在其能量密度和功率密度方面均有不同的表現(xiàn)，而同時電力系統(tǒng)也對儲能系統(tǒng)不同應(yīng)用提出了不同的技術(shù)要求，很少有一種出儲能技術(shù)可以完全勝任電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用，因此，必須兼顧雙方需求，選擇匹配的儲能方式與電力應(yīng)用。,各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),根據(jù)各種儲能技術(shù)的特點(diǎn)，抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學(xué)電池儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源接入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合，而超導(dǎo)、飛輪及超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。,

11、各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),抽水蓄能電站在電網(wǎng)中可承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種任務(wù)，抽水蓄能電站的建設(shè)對優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、提高電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、促進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能降耗、改善電能質(zhì)量和供電可靠性等具有不可替代的作用。特別是隨著大核電、大水電和大風(fēng)電的建設(shè)，抽水蓄能電站的作用日趨明顯。而當(dāng)前我國的抽水蓄能電站裝機(jī)容量比重相對較低，遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。,各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),鉛酸電池盡管目前仍是世界上產(chǎn)量和用量最大的一種蓄電池，但從長遠(yuǎn)發(fā)展看，他尚不能滿足今后電力系統(tǒng)大規(guī)模高效儲能的要求，而鈉硫電池具有的一系列特點(diǎn)是他們成為未來大規(guī)模電化學(xué)儲能的兩種方式，特別

12、是液流電池，它有望在未來的1020年內(nèi)逐步取代鉛酸電池。而鋰電池在電動汽車的推動下也有望成為后起之秀。,各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),各種儲能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié),超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用,1 超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,超導(dǎo)體（superconductor）,超導(dǎo)體是指當(dāng)某種導(dǎo)體在一定溫度下，可使電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個重要特性，也稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。,1.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,荷蘭物理學(xué)家昂納斯(Heike Kamerlingh Onnes),低溫物理學(xué)家 1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象象1913

13、年獲諾貝爾物理學(xué)獎,1908年7月10日,卡末林-昂納斯和他的同事在精心準(zhǔn)備之后，集體攻關(guān)，終于使氦液化。這次卡末林-昂納斯共獲得了60cc的液氦，達(dá)到了4.3K的低溫。他們又經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，第二年達(dá)到1.38-1.04K。它標(biāo)志著所有物質(zhì)都可以存在于氣液固狀態(tài)。,“永久氣體”氦氣液化成功,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),低溫冷卻介質(zhì)地成功獲取，使昂納斯研究各種金屬導(dǎo)體在低溫狀態(tài)下特性成為了可能。 昂納斯試著利用液態(tài)氦對汞進(jìn)行冷卻，終于使汞的溫度冷卻到接近絕對 零度。當(dāng)他將電流通過汞線，測量汞線 的電阻隨溫度變化時，一個奇異的現(xiàn)象出現(xiàn)了：當(dāng)溫度降到4.

14、2K時，電阻突然消失了。 1911年12月28日昂納斯宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),不久，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)了其他幾種金屬也可進(jìn)入“超導(dǎo)態(tài)”，如錫和鉛。其中，錫的轉(zhuǎn)變 溫度為3.8K，鉛的轉(zhuǎn)變溫度為6K。由于這兩種金屬的易加工特性，就可以在無電阻狀 態(tài)下進(jìn)行種種電子學(xué)試驗(yàn)。此后，人們對金屬元素進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈹、鈦、鋅、鎵、 鋯、鋁、锘等24種元素以及是超導(dǎo)體。從此，超導(dǎo)體的研究進(jìn)入了一個嶄新的階段。,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)物理特性,零電阻,邁斯納效應(yīng),臨界磁場,臨界電流,臨界溫度,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,

15、1.2 超導(dǎo)物理特性,實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)必須具備一定的條件，如溫度 、磁場、電流都必須足夠的低。超導(dǎo)態(tài)的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，三者密切相關(guān)，相互制約。,臨界溫度(T),臨界溫度(Tc): 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟取?1.2 超導(dǎo)物理特性,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)電性,超導(dǎo)體內(nèi)部電流永遠(yuǎn)不會消失,昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以后，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量低溫下電阻是否完全消失。昂尼斯把一個鉛制圓圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁鐵，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使鉛冷卻成為超導(dǎo)體，最后把瓶外的磁鐵突然撤除，鉛圈內(nèi)便會產(chǎn)生感應(yīng)電流并且此電流將持續(xù)流動下去，這就是昂尼斯持久電流實(shí)驗(yàn)。許多人都重

16、復(fù)做這個實(shí)驗(yàn)，其中電流持續(xù)時間最長的一次是從年月日到年月日，而且在這兩年半時間內(nèi)持續(xù)電流沒有減弱的跡象，液氦的供應(yīng)中斷實(shí)驗(yàn)才停止。持續(xù)電流說明超導(dǎo)體的電阻可以認(rèn)為是零。,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)物理特性,超導(dǎo)體零電阻觀察與測量： 一超導(dǎo)環(huán)置一磁場中，然后冷卻使之轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)，快速撤去磁場。產(chǎn)生感應(yīng)電流。,TTc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場 (b) TTc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài) (c) 突然撤去外電場，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)物理特性,邁斯納效應(yīng),邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納研究超導(dǎo)態(tài)的磁性時發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通量將全部被排出超導(dǎo)體外部，磁

17、感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。,N,N,降溫,加場,注：S表示超導(dǎo)態(tài) N表示正常態(tài),1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)物理特性,邁斯納效應(yīng),德國物理學(xué)家邁納斯,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.2 超導(dǎo)物理特性,邁斯納效應(yīng),觀察邁斯納效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn) 在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。,1.超導(dǎo)技

18、術(shù)導(dǎo)言,邁斯納效應(yīng),超導(dǎo)體的完全抗磁性會產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象，磁懸浮現(xiàn)象在工程技術(shù)中有許多重要的應(yīng)用，如用來制造磁懸浮列車和超導(dǎo)無摩擦軸承等。,1.2 超導(dǎo)物理特性,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,為了尋找較高臨界溫度的超導(dǎo)材料，在50年代早期，科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向了合 金和化合物。 1952年，發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17K的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18K 的鈮錫合金。 1960年，昆茲勒發(fā)現(xiàn)了鈮錫合金在 8.8萬高斯磁場中仍具有超導(dǎo)性。它正是第 類超導(dǎo)體。以后，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了若干鈮系列合金超導(dǎo)體。 1973年，發(fā)現(xiàn)了鈮鍺合金，其臨界溫度可達(dá) 23.2K，這一發(fā)現(xiàn)又激起了科學(xué)家們 尋找高溫超導(dǎo)體的熱情。 第類超導(dǎo)體

19、發(fā)現(xiàn)后，美國和英國的一些公司又花了近10年時間開發(fā)可靠的超導(dǎo)產(chǎn)品。 之后，人們進(jìn)入 了在多元素化體系中尋找高臨界溫度超導(dǎo)體的競賽。,1.5 超導(dǎo)材料,超導(dǎo)特性發(fā)現(xiàn)于1911年：4.2K 臨界溫度提高很慢：75年后達(dá)23.2K.1988年：110K（2年：100度）,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.5 超導(dǎo)材料,著名高溫超導(dǎo)物理學(xué)家,1.超導(dǎo)技術(shù)導(dǎo)言,1.5 超導(dǎo)材料,高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn),1986年4月，正當(dāng)提高金屬、合金有機(jī)材料的臨界溫度都遇到困難的時候，瑞士學(xué)者繆勒和西德學(xué)者柏努茲發(fā)現(xiàn)多相氧化物或稱為陶瓷材料超導(dǎo)，激起人們對新陶瓷材料的高度熱情，在不到一年時間內(nèi)，中國、日本，美國等競相努力，使陶瓷超導(dǎo)體

20、的臨界溫度提高到300K以上。 1987年初，中國的趙忠賢獲得SrLaCuO的超導(dǎo)臨界溫度為48.6K。,2 超導(dǎo)磁儲能技術(shù)概述,SMES的概述,SMES快速的功率調(diào)節(jié)能力使其突破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴?yán)^電保護(hù)和自動裝置的被動致穩(wěn)框架，徹底改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中缺乏快速補(bǔ)償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動致穩(wěn)新思想。,在目前所提出的各種超導(dǎo)電力裝置中，SMES具有較大的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展SMES的研制工作對各國電力事業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義，而且也是各國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要 。,SMES的概述在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,電網(wǎng)調(diào)峰 系統(tǒng)備用容量 調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的過負(fù)

21、荷沖擊 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 靜止無功補(bǔ)償 改善電能品質(zhì) 分散電源的功率平滑裝置,SMES的概述在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,不同規(guī)模的SMES應(yīng)用場合有所不同，一般中、大型SMES可用于10kV以上電壓等級的發(fā)電廠、變電站等適合SMES安裝的一切地點(diǎn)。,SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),右圖是SMES裝置的具體結(jié)構(gòu)原理圖，該結(jié)構(gòu)是由美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室首先提出來的。如圖所示，SMES裝置一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、功率變換裝置、失超保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)幾個主要部分組成。,SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)磁儲能裝置,左圖中，SMES各組成設(shè)備從左至右依次為SMES的監(jiān)測控制系統(tǒng)、SM

22、ES用于功率調(diào)節(jié)的電流型變流器、提供超導(dǎo)運(yùn)行環(huán)境的低溫制冷系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)磁體。,SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)磁體,SMES的磁體系統(tǒng),運(yùn)行時，低溫系統(tǒng)的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa，通過制冷機(jī)的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K21K。,SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),SMES的磁體系統(tǒng) 35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES的磁體磁體參數(shù),SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),SMES的制冷系統(tǒng),低溫系統(tǒng)使用直筒立式真空杜瓦結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體籠罩于真空杜瓦內(nèi)部。杜瓦內(nèi)部的超導(dǎo)磁體外圍安裝輻射屏，其內(nèi)部保持高真空環(huán)境（真空度達(dá)10-1Pa數(shù)量級）。 采用制冷機(jī)直接傳導(dǎo)冷卻或低溫液氮

23、/液氦浸泡工作方式提供低溫環(huán)境。,SMES的概述裝置結(jié)構(gòu),SMES的低溫容器,SMES低溫容器結(jié)構(gòu)圖,SMES的概述國外研究現(xiàn)狀,日本,先后研制了多個kJ級和MJ級的SMES。在完成SMES動模實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，正在電力系統(tǒng)上開展了MJ級SMES的試驗(yàn)研究。,SMES的概述國外研究現(xiàn)狀,德國,1997年建造完成了一個由6個超導(dǎo)線圈組成的2MJ的環(huán)形SMES裝置。現(xiàn)正在進(jìn)行150kJ的高溫超導(dǎo)SMES的研究工作。,SMES的概述國外研究現(xiàn)狀,SMES的概述國內(nèi)研究現(xiàn)狀,1999年中科院電工所研制了一臺300A/220V，25kJ的 SMES試驗(yàn)裝置。在中科院知識創(chuàng)新工程支持下，電工所 目前正在開

24、展超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研制工作，并計(jì)劃完成 2.5MJ/1MW超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研制工作，但前還沒有看到 相關(guān)報(bào)道。 清華大學(xué)進(jìn)行了20kJ/15kW超導(dǎo)儲能磁體的研制工作， 但未見相關(guān)電力系統(tǒng)應(yīng)用動模實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道，同時該校 還準(zhǔn)備計(jì)劃在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心安裝基于500kJ的SMES作為 應(yīng)急備用電源儲能設(shè)備。,3 超導(dǎo)磁儲能技術(shù)的功率控制,SMES的功率控制問題,用于電力系統(tǒng)的SMES的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不外乎兩大類。一類是電流源型SMES，簡稱CSMES，其中的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由輸出直流電流可控的電流型變流器組成；另一類是電壓源型SMES，簡稱VSMES，其中的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由輸出直流電壓可控的電壓型變流器和斬波器組

25、成。,SMES的功率控制問題,3.1 電流源型SMES的功率控制,CSMES功率控制問題,CSMES功率控制 CSC的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)基爾夫定律可以建立六脈沖電流源型SMES的時域數(shù)學(xué)模型：,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,基于觸發(fā)模式的PWM開關(guān)策略原理,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,調(diào)制波信號發(fā)生器和載波信號發(fā)生器工作原理,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,調(diào)制脈沖發(fā)生器工作原理,調(diào)制脈沖 發(fā)生器,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,斜坡函數(shù)發(fā)生器工作原理,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,觸發(fā)模式選擇器工作原理,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,觸發(fā)脈沖發(fā)生器工作原理,CSMES功率控

26、制PWM開關(guān)策略,CSC輸出電流特性,變流器A相調(diào)制電流,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,CSC輸出電流特性,CSMES功率控制PWM開關(guān)策略,CSC輸出電流特性,特點(diǎn),改進(jìn)型PWM控制下的電流源型變流器輸出的電流中在任何情況下都不再含載波諧波分量，并且在n2為3的整數(shù)倍或n1+n2為偶數(shù)時，邊帶諧波也為零。,輸出電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的輸出功率,CSC輸出功率控制方法,SMES的功率控制SMES的功率實(shí)時控制,SMES功率實(shí)時控制器,SMES的功率控制SMES的功率實(shí)時控制,仿真結(jié)果1,fc2100Hz，Idc80A時， 和M在t=0.08

27、s處由=0、M=0.5 改變?yōu)?120、M=0.5，在t=0.12s時M改變?yōu)?.7,SMES的功率控制SMES的功率實(shí)時控制,仿真結(jié)果2,fc2100Hz，Idc80A時， SMES的功率響應(yīng),CSMES功率控制 CSMES輸出功率,CSMES輸出功率控制框圖,CSMES功率控制 CSMES仿真模型,PSCAD中的六脈沖CSMES的主拓?fù)?CSMES仿真模型的主電路,CSMES功率控制 CSMES仿真模型,CSMES仿真模型的控制電路,csmes功率控制原理框圖,CSMES功率控制 功率控制仿真,參數(shù)：三相電壓源相電壓為14000V；變流器交流側(cè)等效電感400uH，濾波電容為130uF，仿真

28、時間為20s。,CSMES仿真模型參數(shù)及功率跟蹤,Psm,Qsm,Id運(yùn)行結(jié)果,CSMES功率控制 仿真結(jié)果,CSMES的功率跟蹤,Psm對Pr, Qsm對Qr的跟蹤結(jié)果,CSMES功率控制 仿真結(jié)果,CSMES功率調(diào)節(jié)中的輸入電壓和電流,電源側(cè)A相輸入電流曲線,電源側(cè)A相輸入電流局部曲線放大圖,3.2 電壓源型SMES的功率控制,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,六脈沖電壓源型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),根據(jù)基爾霍夫定律可以建立六脈沖電壓源型SMES的時域數(shù)學(xué)模型：,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,VSC的三相靜止ABC坐標(biāo)系模型,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)PARK變換的定義并

29、遵循功率不變的原則，可以得到從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣為,3/2坐標(biāo)變換,三相靜止ABC坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,三相靜止ABC坐標(biāo),兩 相 靜 止0 坐 標(biāo),兩 相 旋 轉(zhuǎn)dq0 坐 標(biāo),三相靜止ABC坐標(biāo)系到兩相坐標(biāo)系的變換,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC 分量,兩相靜止坐標(biāo)系的0 分量,兩相旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系的dq0 分量,兩相坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,VSC的ABC坐標(biāo)系模型到dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的轉(zhuǎn)換,拉氏變換,拉氏反變換,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,VSC的d

30、q0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型的原理框圖,同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下VSC結(jié)構(gòu)框圖,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,VSC的dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型中的dq電流獨(dú)立控制,d、q軸電流除受控制量 urd和urq的影響外，還受耦合電壓wLid和wLiq、以及變流器交流側(cè)輸入電壓 usd和usq的影響,假設(shè)變換器輸出的電壓矢量中包括三個分量，即,VSMES功率控制 VSC的數(shù)學(xué)模型,VSC的dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型中的dq電流獨(dú)立控制,在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下進(jìn)行VSC控制的基本思想是：希望使裝置的功率因數(shù)可控。為此，輸入電流必須跟蹤輸入電壓則可以實(shí)現(xiàn)裝置的功率因數(shù)可控。,解耦雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖,VSMES功率控制 VSC的輸出

31、功率,單相等效電路圖,VSC單相等效電路向量圖,VSMES功率控制 VSMES的斬波器,斬波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，這是一個兩象限斬波器，其目的是控制電容上的直流電壓并向磁體外部或向磁體內(nèi)部提供所需的超導(dǎo)儲能。它由2個可控開關(guān)功率器件(如GTO）和2個大功率二極管組成。,VSMES斬波器結(jié)構(gòu),VSMES功率控制 VSMES的斬波器,VSMES斬波器的工作原理及其控制,開關(guān)器件和二極管器件的動作需按照SMES的實(shí)時工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整過程如下： 磁體起磁或磁體儲能狀態(tài)，在 這兩種工作狀態(tài)中，S8恒通， S7斬波，同時配合變流器控制 直流電壓Udc恒定。 磁體電流續(xù)流狀態(tài)，S8恒斷、 S7恒通

32、。變流器控制直流電壓 Udc恒定。 磁體放磁或釋能狀態(tài)，在這兩 種工作狀態(tài)中，S8恒斷、S7 斬波，同時控制電壓Udc恒定。,VSMES功率控制 VSMES仿真模型,PSCAD中的六脈沖VSMES的主拓?fù)?VSMES仿真模型的主電路,VSMES功率控制 VSMES仿真模型,VSMES仿真模型的控制電路,圖中Udr&Uqr組件和Idr&Iqr Calculate組件一起實(shí)現(xiàn)了前面所簡述的雙環(huán)解耦控制原理，也就是電壓/電流雙環(huán)控制部分。,VSMES變流器控制框圖,VSMES功率控制 功率控制仿真,參數(shù)： 三相電壓源相電壓為800V；直流電容為10mF，超導(dǎo)線圈等效電感為10H；超導(dǎo)線圈額定電流為5

33、00A(儲能1.25MJ)；電網(wǎng)頻率為50Hz；電容電壓Udc為3000V；交流側(cè)電感L為5mH；仿真時間為20s。,VSMES仿真模型參數(shù),Qref指令,Pref指令,VSMES功率控制 仿真結(jié)果,VSMES的功率跟蹤,Psm對Pr的跟蹤結(jié)果,Qsm對Qr的跟蹤結(jié)果,VSMES功率控制 仿真結(jié)果,VSMES功率調(diào)節(jié)中的 Udc和Ismes,超級電容器（UC/SC）,當(dāng)VSC的直流側(cè)電壓維持恒定時，在正確的脈寬調(diào)制技術(shù)控制下，VSC可以被看作是一個基波電壓幅值和相位可控的三相電壓源。通過其輸出的調(diào)制電壓和VSC電網(wǎng)側(cè)電壓共同作用于圖中等效連接阻抗Xs，產(chǎn)生相位和幅值可控的三相電流ia、ib和i

34、c，從而實(shí)現(xiàn)對VSC輸入輸出功率的準(zhǔn)確控制。同時，由于VSC輸入輸出功率將導(dǎo)致其直流側(cè)電容Cdc兩端電壓的變化，因此需要通過對DC/DC變換器的有效控制實(shí)現(xiàn)UC對Udc恒定電壓的補(bǔ)償控制,超級電容器儲能系統(tǒng)主電路,當(dāng)對UC進(jìn)行儲能時， DC/DC變換器工作于降壓模式，目的是將從電網(wǎng)中吸收的能量儲存在UC中，同時避免VSC直流側(cè)母線電壓Udc因輸入功率所導(dǎo)致的電壓上升，使其維持恒定；當(dāng)UC釋能時，變換器器工作于升壓模式，目的是補(bǔ)償因VSC向電網(wǎng)輸出有功功率所導(dǎo)致的直流母線電壓Udc下降，使UC能夠通過VSC向電網(wǎng)輸送功率。當(dāng)VSC與系統(tǒng)之間無功率交換時，UC通過降壓或升壓模式補(bǔ)償VSC直流側(cè)母線

35、電壓Udc因開關(guān)損耗引起的電壓變化。,基于非隔離型Buck-Boost電路的DC/DC變換器,超級電容器（UC/SC）,超級電容器（UC/SC）,UC儲能系統(tǒng)的四象限功率跟蹤仿真結(jié)果,3 35kJ/7.5kW 高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES裝置,左圖中，SMES各組成設(shè)備從左至右依次為SMES的監(jiān)測控制系統(tǒng)、SMES用于功率調(diào)節(jié)的電流型變流器、提供超導(dǎo)運(yùn)行環(huán)境的低溫制冷系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)磁體。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的冷卻系統(tǒng),低溫系統(tǒng)使用直

36、筒立式真空杜瓦結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體籠罩于真空杜瓦內(nèi)部。杜瓦內(nèi)部的超導(dǎo)磁體外圍安裝輻射屏，其內(nèi)部保持高真空環(huán)境（真空度達(dá)10-1Pa數(shù)量級）。 采用制冷機(jī)直接傳導(dǎo)冷卻工作方式。 運(yùn)行時，低溫系統(tǒng)的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa，通過制冷機(jī)的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K21K。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,高溫超導(dǎo)線圈,變流器1,變流器2,變流器3,變流器4,直流母線,三相交流母線,SCR1,SCR2,SCR3,SCR4,R1,R2,R3,R4,SCR,S11,S14,S24,S21,S34,S31,S44,S41,S16,S13,S12,S15

37、,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 電源,DT,Isc,SMES的變流器結(jié)構(gòu),35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng),SMES的控制系統(tǒng)用于根據(jù)從系統(tǒng)提取的所需信息，按照系統(tǒng)控制的需要產(chǎn)生觸發(fā)脈沖序列去控制IGBT，從而控制SMES輸出所需的有功和無功功率。它含有外環(huán)控制

38、器和內(nèi)環(huán)控制器兩個閉合控制回路。,外環(huán)控制器實(shí)時采集電力系統(tǒng)各點(diǎn)電壓、電流信 號，經(jīng)過相應(yīng)的運(yùn)算并采用選定的控制算法，得出 系 統(tǒng)此時所需要的功率調(diào)節(jié)量，并將此信號傳遞 給內(nèi)環(huán)控制器。,內(nèi)環(huán)控制器根據(jù)外環(huán)下達(dá)的功率調(diào)節(jié)參考信號，利 用有效的開關(guān)調(diào)制規(guī)則，產(chǎn)生變流裝置的觸發(fā)。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制器,內(nèi)環(huán)控制器主要由信號調(diào)理、保護(hù)電路、DSP和微控制器（Micro Control Unit，簡稱MCU）等部分組成，采用以DSP為核心的主從控制結(jié)構(gòu)，主要用以控制變流器在變化的直流電流下通過開關(guān)調(diào)制方法產(chǎn)生實(shí)際所需的交流電流，從

39、而使SMES實(shí)際輸入或輸出的有功和無功功率能夠?qū)ν猸h(huán)控制器輸出的功率參考值進(jìn)行快速跟蹤，以及在SMES運(yùn)行發(fā)生故障的情況下，對主電路執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)控制。,CSMES功率控制 CSMES輸出功率,CSMES輸出功率控制框圖,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng)外環(huán)控制器,外環(huán)控制器由監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)和測量控制單元構(gòu)成，用于對內(nèi)環(huán)控制器的工作方式以及SMES和電力系統(tǒng)功率交換大小進(jìn)行控制。內(nèi)環(huán)控制器用于實(shí)現(xiàn)外環(huán)控制器對SMES在磁體起磁、功率跟蹤、非功率跟蹤和去磁四種工作方式的切換，從而使SMES在外環(huán)控制器的作用下，能夠在電力系統(tǒng)中靈活地投切。

40、SMES和電力系統(tǒng)的交換功率控制則用于實(shí)現(xiàn)SMES在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng)外環(huán)控制器,SMES的投入,當(dāng)控制系統(tǒng)上電或復(fù)位時，內(nèi)環(huán)控制器工作于默認(rèn)的功率跟蹤模式，外環(huán)控制器在指定內(nèi)環(huán)工作模式的方式下運(yùn)行，此時外環(huán)控制器并不向內(nèi)環(huán)控制器下達(dá)功率交換參考值，而內(nèi)環(huán)控制器則通過自身初始化設(shè)定的零功率參考值進(jìn)行功率跟蹤，從而使SMES可在不影響電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的情況下投入運(yùn)行。,SMES的起磁,當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出磁體起磁命令后，外環(huán)控制器立刻通過通信接口向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)出磁體起磁命令，內(nèi)環(huán)控制器接收此命令后隨即切換至磁體

41、起磁控制方式，通過調(diào)節(jié)最終使磁體電流維持在設(shè)定值。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng)外環(huán)控制器,SMES的功率控制,當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出允許交換功率命令后，外環(huán)控制器立即轉(zhuǎn)換至對SMES和電力系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)功率交換的控制模式，同時將該命令轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)環(huán)控制器，使內(nèi)環(huán)控制器也轉(zhuǎn)入功率跟蹤控制模式，并做好接受來自外環(huán)控制器的功率參考值的準(zhǔn)備。外環(huán)控制器在每次控制周期到來時，先執(zhí)行按SMES具體應(yīng)用要求所設(shè)計(jì)的控制算法以確定交換功率的參考值，然后將此參考值通過通信接口發(fā)送給內(nèi)環(huán)控制器。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SME

42、S的控制系統(tǒng)外環(huán)控制器,SMES的禁止功率交換控制,當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出不允許交換功率命令時，外環(huán)控制器先向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)送Pref和Qref等于零的功率參考值，以使SMES不再和系統(tǒng)交換功率，接著再向內(nèi)環(huán)控制器轉(zhuǎn)發(fā)不允許功率交換命令，使內(nèi)環(huán)控制器返回到上電或復(fù)位初始工作狀態(tài)，然后外環(huán)控制器也退出對SMES交換功率大小的控制，并且不再向內(nèi)環(huán)控制器輸出交換功率參考值。在此種操作下，由于磁體的存儲的磁能并未釋放，因此其剩余能量還可以被隨后的操作所利用。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性SMES裝置,SMES的控制系統(tǒng)外環(huán)控制器,SMES的去磁控制,外環(huán)控制器對內(nèi)環(huán)控制器發(fā)出的磁體去磁

43、命令也有兩種方式：第一種是先由監(jiān)控計(jì)算機(jī)手動發(fā)送；第二種是SMES控制插件檢測到磁體失超保護(hù)信號后，由外環(huán)控制器自動發(fā)送。兩種方式下，外環(huán)控制器都必須先向內(nèi)環(huán)控制器發(fā)送Pref和Qref等于零的功率設(shè)定值，接著向內(nèi)環(huán)控制器轉(zhuǎn)發(fā)磁體去磁命令，然后返回到外環(huán)控制器的上電或復(fù)位初始工作狀態(tài)，內(nèi)環(huán)控制器則導(dǎo)通各變流器直流側(cè)和磁體兩端并聯(lián)的晶閘管和電阻，通過續(xù)流回路的功率損耗迅速釋放磁體中儲存的能量。,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,Idc/A,

44、QSMES/kVar,PSMES/kW,SMES的磁體起磁過程,SMES的起磁,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的起磁,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的去磁,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的四象限功率調(diào)節(jié),0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,Idc/A,Qref=0、Pref由+3kW變換到-3kW時SMES的階躍功率響應(yīng),QSMES/kVar,PSMES/kW,Qref=0、

45、Pref由+3kW變換到-3Kw時SMES的瞬時響應(yīng),t/ms,isa, isb, isc /A,usab, usbc, Usca /V,QSMES/kVar,PSMES/kW,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的四象限功率調(diào)節(jié),20000,t/ms,Pref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時SMES的階躍功率響應(yīng),Pref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時SMES的瞬時響應(yīng),t/ms,PSMES/kW,QSMES/kVar,isa, isb, isc /A,usab, usbc, Usca /V,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SM

46、ES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的四象限功率調(diào)節(jié),0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,isa, isb, isc/A,Idc/A,PSMES,QSMES,Pref, Qref四象限連續(xù)變換時SMES的功率響應(yīng),usab, usbc, usca/V,PSMES/kW,QSMES/kVar,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的四象限功率調(diào)節(jié),SMES對正階躍有功和負(fù)階躍無功指令的暫態(tài)響應(yīng),SMES對正階躍有功和無功指令的暫態(tài)響應(yīng),PSMES,QSMES,t/m

47、s,isa, isb, isac/A,usab,usbc, usca/V,PSMES,QSMES,t/ms,usab,usbc, usca/V,isa, isb, isac/A,35kJ/7.5kW高溫超導(dǎo)SMES及其功率調(diào)節(jié)特性功率調(diào)節(jié)特性,SMES的四象限功率調(diào)節(jié),4 SMES在電力系統(tǒng)應(yīng)用的仿真及試驗(yàn)研究,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,含SMES電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,KE稱為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，DE稱為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。,無SMES時的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析,對特征根分析得如下結(jié)論,SMES抑制電力系統(tǒng)

48、功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,無SMES時的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析,將 看作 坐標(biāo)系中的復(fù)轉(zhuǎn)矩， 、 即為復(fù)轉(zhuǎn)矩的橫、縱坐標(biāo)，由上面分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時，復(fù)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該位于第一象限或第四象限靠近 軸部分，此時特征根實(shí)部為絕對值較小得正數(shù)或負(fù)數(shù)，系統(tǒng)表現(xiàn)為緩慢衰減或增幅的功率振蕩。SMES抑制功率振蕩的目的就是把此復(fù)轉(zhuǎn)矩調(diào)整到第一象限中靠近 軸的位置，這時特征根實(shí)部為絕對值較大的負(fù)數(shù)，振蕩可以被快速抑制，從而使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,有SMES時的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析,SMES投入阻尼控制時的電磁轉(zhuǎn)矩,第二項(xiàng)為SMES

49、通過Kp提供的直接電磁轉(zhuǎn)矩，第三項(xiàng)為SMES通過Kq和Kv提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩。,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,有SMES時的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析,取發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化量 作為SMES阻尼控制的輸入, SMES的功率調(diào)節(jié)特性可用一階慣性環(huán)節(jié) 表示,外環(huán)控制器采用比例控制環(huán)節(jié) 作為阻尼控制器,當(dāng)忽略由SMES提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩，SMES對低頻振蕩的阻尼作用相當(dāng)于在原來的轉(zhuǎn)矩上疊加了一個第一象限的轉(zhuǎn)矩，從而表現(xiàn)出SMES對功率振蕩的阻尼作用。 系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時，由于低頻振蕩的振蕩頻率在0.22.5Hz之間，使得s的變化范圍大概在1.2615.7之間，且這么大的s變化

50、范圍將會造成間接電磁轉(zhuǎn)矩的不確定性。因此，在不忽略SMES提供的間接電磁轉(zhuǎn)矩，將很難從理論上證明SMES對低頻振蕩的抑制作用。,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,有SMES時的系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析,SMES的作用相當(dāng)于向系統(tǒng)提供了一個起旋轉(zhuǎn)作用的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定時，可通過調(diào)整控制器的參數(shù)，使旋轉(zhuǎn)的角度略小于90。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率振蕩時，通過阻尼控制可以把原來在一、四象限接近 軸的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整到0 軸附近，從而可以達(dá)到很好的抑制功率振蕩的效果。而系統(tǒng)沒有發(fā)生振蕩時，則可以將阻尼控制封鎖，以免將原來處于第一象限的電磁轉(zhuǎn)矩拉到了別的象限，使原來穩(wěn)定的系統(tǒng)失去穩(wěn)定。,選

51、用SMES并聯(lián)于系統(tǒng)處的且測量上容易實(shí)現(xiàn)的有功變化量 作為SMES阻尼控制的輸入,G(js)為SMES阻尼控制器的傳遞函數(shù),SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究抑制功率振蕩的機(jī)理,SMES的阻尼功率振蕩控制器,，,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究,動模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)電力系統(tǒng)模型的建立采用了一臺25MW的發(fā)電機(jī)組經(jīng)變壓器升壓后通過單回110kV輸電線與無窮大系統(tǒng)相連的電力系統(tǒng)作為參考原型。,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,未使用SMES時,系統(tǒng)對故障的響應(yīng)特性 (短路時間390ms),使用SMES時,系統(tǒng)對故障的響應(yīng)特性(短路時間320

52、ms),SMES對發(fā)電機(jī)三相短路故障的功率調(diào)節(jié)作用（Pe=3.5kW）,機(jī) 端 電 壓,A相,B相,C相,機(jī) 端 電 流,A相,B相,C相,機(jī)端有 功功率,機(jī) 端 電 壓,A相,B相,C相,機(jī) 端 電 流,A相,B相,C相,機(jī)端有 功功率,SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,PSMES（kW）,QSMES（kVar）,Idc（A),SMES對發(fā)電機(jī)三相短路故障的響應(yīng)特性(Pe=3.5kW 、短路時間320ms),SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使用SMES時,系統(tǒng)對故障的響應(yīng)特性(短路時間360ms),SMES抑制電力系統(tǒng)功率振蕩的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,PSMES（kW）,QSMES（kVar）,Idc（A),0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,SMES對發(fā)電機(jī)三相短路故障的響應(yīng)特性(Pe=4.0kW 、短路時間360ms),SMES補(bǔ)償電壓跌落-CSMES,系統(tǒng)仿真模型,CSMES補(bǔ)償系統(tǒng)電壓跌落電路圖,SMES,SMES補(bǔ)償電壓跌落,系統(tǒng)仿真參數(shù) 母線端的額定電壓為115kV 系統(tǒng)容量為500MVA 系統(tǒng)運(yùn)行在1.5s