超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置抑制配電網(wǎng)瞬時(shí)電壓跌落的研究

1、.超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置抑制配電網(wǎng)瞬時(shí)電壓跌落的研究 摘 要：超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置結(jié)合了高溫超導(dǎo)體的低耗快速蓄能的性質(zhì)與電氣元件的高速換電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是一種新式的極具潛力的四象限調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置，該元件是當(dāng)前超導(dǎo)電力裝置中最具有開(kāi)發(fā)前景和潛力的設(shè)備之一。本文介紹了SMES的結(jié)構(gòu)和工作原理，國(guó)內(nèi)外SMES的發(fā)展現(xiàn)狀，以及SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后研究了SMES抑制配電網(wǎng)瞬時(shí)電壓跌落的作用，證明SMES是配電網(wǎng)中非常有效的和有用的器件。 中國(guó)論文網(wǎng) 關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；配電網(wǎng)；瞬時(shí)電壓跌落 中圖分類(lèi)號(hào)：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)方同步發(fā)電機(jī)并不總是能夠足夠快地

2、響應(yīng)該擾動(dòng)以保持系統(tǒng)的有功和無(wú)功平衡和穩(wěn)定，這時(shí)也只能依靠切負(fù)荷來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 如果電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模地儲(chǔ)存電能，并靈活地對(duì)這些儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行布置，將會(huì)推動(dòng)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大的變革。儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入有效的彌補(bǔ)了電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷問(wèn)題并可以極大的提高電網(wǎng)的供電可靠性。如果系統(tǒng)因?yàn)樘l引起了局部的停電事故，則連接在配電網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備就可以瞬時(shí)恢復(fù)供電，因此在某種程度而言，起到了UPS電源的作用，給故障排除和檢修爭(zhēng)取了時(shí)間；同時(shí)，儲(chǔ)電設(shè)備能夠增加系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，在電網(wǎng)發(fā)生較大的故障時(shí)，包括三相短路和機(jī)組甩負(fù)荷等情形下，全電力電子設(shè)備的儲(chǔ)能裝置能夠快速的調(diào)整電能，為系統(tǒng)中的其它基于機(jī)械開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性設(shè)備

3、的調(diào)整提供了時(shí)機(jī)，從而使得電網(wǎng)可以更快的回穩(wěn)；在未來(lái)大量不確定出力的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)中時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備也是用于平抑功率波動(dòng)的有效手段?？傮w而言，發(fā)展儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)而言是十分關(guān)鍵并且必要的。 但是，如何大規(guī)模儲(chǔ)存瞬時(shí)性的電能依然是電力行業(yè)中備受關(guān)注但尚未解決的難點(diǎn)。這是由于大規(guī)模的儲(chǔ)存電力的器件還各有其缺點(diǎn)。多種基于新式儲(chǔ)電理論和方法的儲(chǔ)能設(shè)備還都處在開(kāi)發(fā)階段，例如超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能以及超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等。雖然這些新型儲(chǔ)能裝置的實(shí)用化還有各種必須解決的問(wèn)題。但就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)而言，這些儲(chǔ)電技術(shù)已顯示出較高的發(fā)展?jié)摿Α?綜合國(guó)內(nèi)外SMES的相關(guān)研究成果報(bào)道，可以看出相關(guān)的研究工作大多集中在超導(dǎo)磁體

4、的物理特性和有功和無(wú)功調(diào)節(jié)特性，以及如何基于SMES四象限功率調(diào)節(jié)的特性研究SMES接入電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略等方面。而對(duì)SMES應(yīng)用于電力系統(tǒng)時(shí)，電力系統(tǒng)對(duì)SMES的相關(guān)性能要求，以及SMES與電力系統(tǒng)之間的相互作用等研究還非常欠缺。因此，迫切需要根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，研究SMES接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)的作用。本文介紹了SMES的基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀，并研究了一個(gè)典型的SMES用于抑制配電系統(tǒng)電壓暫降的效果，并試圖給出相應(yīng)的建議。 1 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的原理與應(yīng)用 1911年昂尼斯在液氦溫度下研究了幾種純金屬的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到約4.2K時(shí)，水銀的電阻從0.125突然下降到零，這種奇異現(xiàn)象稱(chēng)

5、為超導(dǎo)電性。 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)是超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)很重要的方面，同超級(jí)電容器儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及蓄電池儲(chǔ)能和抽水蓄能等其它各種儲(chǔ)電設(shè)備相比，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)很多不可替代的優(yōu)勢(shì)：首先，其可長(zhǎng)時(shí)間近似無(wú)損地儲(chǔ)存電能，消耗的電能僅為0.1%，超導(dǎo)磁體本身并不損耗電能，轉(zhuǎn)換電能的效率高達(dá)95%，磁體本身的充放電次數(shù)近乎無(wú)限，而蓄電池儲(chǔ)能的充放電次數(shù)僅有10002000次，使用壽命大大降低；其次，超導(dǎo)磁體與電力系統(tǒng)通過(guò)換流器連接，全電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)使得其響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級(jí)；再次，其大規(guī)模的容量使得其可以適用于大規(guī)模的電網(wǎng)系統(tǒng)，甚至是輸電網(wǎng)系統(tǒng)；然后，在SMES中基礎(chǔ)不存在機(jī)械開(kāi)關(guān)設(shè)備，因此具有

6、響應(yīng)快，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，并且在電網(wǎng)的任何節(jié)點(diǎn)中均可以布設(shè)SMES，具有高度的靈活性。 SMES不僅僅是一個(gè)蓄能裝置，更是一個(gè)可以參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制的有功和無(wú)功源，在電力系統(tǒng)主要部件發(fā)生故障時(shí)能為系統(tǒng)提供能量，并為發(fā)電設(shè)備的起動(dòng)提供有功和無(wú)功，也能在地區(qū)性故障后為電網(wǎng)的恢復(fù)提供能量。 由于超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置可以對(duì)電網(wǎng)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以減少功率波動(dòng)或發(fā)電機(jī)出力的改變對(duì)電力系統(tǒng)的影響，SMES通過(guò)變流器的控制，可將SMES作為重要負(fù)荷和對(duì)供電要求較高的設(shè)備的UPS電源，并且可以改善配電網(wǎng)中發(fā)生故障或由于輸電網(wǎng)受到擾動(dòng)而導(dǎo)致配網(wǎng)向負(fù)荷側(cè)供電的過(guò)程中發(fā)生的穩(wěn)定性問(wèn)題。容量較小的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置可以提高系統(tǒng)的

7、功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。將SMES與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器結(jié)合協(xié)調(diào)控制，能夠降低甚至去除停電、電壓瞬時(shí)跌落、諧波、瞬時(shí)沖擊負(fù)荷或瞬時(shí)過(guò)電壓等擾動(dòng)對(duì)用電終端的干擾，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。 近來(lái)15MJ容量級(jí)別的低溫超導(dǎo)SMES已經(jīng)由美國(guó)超導(dǎo)公司和IGC公司研發(fā)并推向市場(chǎng)，他們甚至表示能夠處理100kJ容量級(jí)的高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的訂單。美國(guó)北部的115kV配電網(wǎng)中安裝了多個(gè)分布式的磁儲(chǔ)能系統(tǒng)以增加配電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。日本先后開(kāi)發(fā)了多個(gè)容量等級(jí)的SMES，并且在完成MJ級(jí)SMES動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的研究基礎(chǔ)上，在實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行了SMES的相關(guān)科研工作。 與世界的超導(dǎo)電力技術(shù)研究相比，我國(guó)的相關(guān)研究開(kāi)展的比較

8、晚，因此對(duì)SMES的研究也處于起始階段，1999年中國(guó)科學(xué)院電工所研發(fā)成功了一臺(tái)額定參數(shù)220V/300A，容量25kJ的低溫SMES實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在中科院的相關(guān)項(xiàng)目支持下，中科院電工所現(xiàn)在正在進(jìn)行2.5MJ/1MW大容量SMES的研究工作。除中科院電工所的研究，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)和華北電力大學(xué)等相關(guān)科研院校都以完成或者進(jìn)行SMES的研制工作。其中，清華大學(xué)進(jìn)行了20kJ/15kW級(jí)SMES磁體的研發(fā)項(xiàng)目，并且還將在學(xué)校電網(wǎng)系統(tǒng)中安裝500kJ的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，起到UPS電源的作用。華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)院則開(kāi)展了35 kJ/7.5kW容量級(jí)別的高溫SMES，并在動(dòng)模實(shí)現(xiàn)了抑止系統(tǒng)有功和無(wú)功振

9、蕩的試驗(yàn)。 2 SMES的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)主要的原理是包含一個(gè)超導(dǎo)線圈將電磁能儲(chǔ)存在其中，如果電網(wǎng)中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，就將電能傳輸至電力系統(tǒng)中。超導(dǎo)磁體中的儲(chǔ)能W的計(jì)算方法如式所示。 超導(dǎo)線圈的特點(diǎn)是，對(duì)線圈導(dǎo)通直流時(shí)，其電阻特性消失，超導(dǎo)體本身不消耗能量，因此相比于一般常規(guī)線圈，超導(dǎo)線圈可以傳輸更多的電能，并且電能會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此超導(dǎo)線圈的能量密度可以達(dá)到非常高的值。從上面的表述可知，超導(dǎo)體中存儲(chǔ)的是直流電，而電網(wǎng)中使用的是交流電，因此它需要一個(gè)直交變換的媒介與電網(wǎng)相連接，從而進(jìn)行電力系統(tǒng)的四象限功率調(diào)節(jié)。因此，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括了帶有磁體的超導(dǎo)線圈、低溫系統(tǒng)、四象限調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制器

10、四個(gè)主要部分。圖1是SMES的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 SMES的這四個(gè)主要部分簡(jiǎn)要描述如下： SCM用來(lái)存儲(chǔ)直流電能； PCS是交流部分與SCM的能量交換的中介。通過(guò)PCS，交流電能能夠轉(zhuǎn)換成直流電能儲(chǔ)存在SCM中；相反，儲(chǔ)存在SCM中的直流電能能夠轉(zhuǎn)換成交流電能，而反饋到交流部分； CS是用來(lái)冷卻SCM，并使其處于工況溫度； 控制器是SMES系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，用于根據(jù)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)SMES在電力系統(tǒng)某個(gè)方面的應(yīng)用。 變流器連接超導(dǎo)磁體和電力系統(tǒng)，能量通過(guò)其的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得SMES可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行四象限的調(diào)節(jié)。已經(jīng)有多重不同的變流器結(jié)構(gòu)被提出，目的是為了更高效精確的控制SMES內(nèi)磁體的充放電。一般而言，不管

11、各種新的變流器控制策略和拓?fù)淙绾胃倪M(jìn)，我們都可以將SMES的變流器結(jié)構(gòu)歸類(lèi)為兩種基本的結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)具有天然的電流源特性，第一類(lèi)九是電流源型SMES，其變流器稱(chēng)為電流型換流器，它的交流側(cè)輸出電流幅值和相位是獨(dú)立可控的，通過(guò)改變這兩個(gè)參數(shù)就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行四象限調(diào)節(jié)；而與之相對(duì)應(yīng)的是電壓源型SMES，其中控制部件包括了電壓型變換器和斬波器兩個(gè)部分，他們共同調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)的輸出電壓幅值和相位，從而也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行四象限調(diào)節(jié)。這兩種設(shè)備都具有對(duì)系統(tǒng)良好的控制特性，在SMES中均具有較深入的研究，但是從大系統(tǒng)的角度而言，電流型換流器的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制流程也更為快速，因此，本文選用CSMES進(jìn)行

12、研究。 3 SMES抑制系統(tǒng)電壓暫降 本節(jié)中，將SMES接入一個(gè)電網(wǎng)的母線側(cè)，用來(lái)研究SMES抑制電網(wǎng)的電壓暫降的效果。其中，用于模擬系統(tǒng)電壓瞬時(shí)跌落的仿真系統(tǒng)如圖2所示。 圖2中，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處發(fā)生了0.75s的三相接地短路故障。圖中故障母線端電壓有效值Ea的變化過(guò)程如圖3所示。如圖3所示，在系統(tǒng)發(fā)生故障的0.75s中，母線電壓大小由0.78暫降到0.61，然后又恢復(fù)到0.78。仿真結(jié)果中，橫坐標(biāo)單位為秒，縱坐標(biāo)單位為電壓標(biāo)幺值。 在系統(tǒng)有功不足的情況下，SMES既補(bǔ)償有功功率，又補(bǔ)償無(wú)功功率來(lái)抑制系統(tǒng)電壓瞬時(shí)跌落。圖4為SMES抑

13、制系統(tǒng)電壓暫降的母線電壓對(duì)比圖。圖4中，Vpu對(duì)應(yīng)與加有CSMES的系統(tǒng)母線電壓標(biāo)幺值，Vpu0對(duì)應(yīng)于沒(méi)有加CSMES的系統(tǒng)母線電壓標(biāo)幺值。 接入了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的配電網(wǎng)，在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降期間，通過(guò)SMES與電網(wǎng)間的四象限的功率調(diào)節(jié)，SMES有效抑制了系統(tǒng)的電壓瞬時(shí)跌落，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。 結(jié)語(yǔ) 超導(dǎo)技術(shù)將是儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的助力，也將為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供新的調(diào)節(jié)手段。日本電網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為超導(dǎo)儲(chǔ)能會(huì)成為未來(lái)國(guó)際電力技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心問(wèn)題之一，美國(guó)能源部將儲(chǔ)能設(shè)備列為是新時(shí)期下電網(wǎng)運(yùn)行中最重要的新技術(shù)之一。在超導(dǎo)技術(shù)用于電力系統(tǒng)的各種用途中，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是非常具有廣泛的實(shí)用性的，同時(shí)其所需要的技術(shù)指標(biāo)

14、和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較低，且在未來(lái)新能源滲透率越來(lái)越高的情況下有機(jī)會(huì)發(fā)揮更大的作用，因此有必要深入研究SMES用于電網(wǎng)特別是配電網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用。 本文通過(guò)進(jìn)行SMES對(duì)系統(tǒng)電壓瞬時(shí)跌落抑制的數(shù)字仿真，驗(yàn)證了SMES通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)電壓暫降的抑止作用，表明了SMES的良好的未來(lái)前景。 參考文獻(xiàn) 1 Hassenzahl W V. Will Superconducting magnetic energy storage be used on electric utility systemsJ.IEEE Transactionson Magnetics， 1975， 11： 482-488. 2余江，曾建平.SMES及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電力自動(dòng)化設(shè)備，20，2000：32-34. 3 L Chen， Y Liu， AB Arsoy. Detailed modeling of superconducting magnetic energy storage systemJ.IEEE Transactions on Power Delivery， 2006， 21：99-710. 4王少榮，彭曉濤，唐躍進(jìn).電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制用高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置及實(shí)驗(yàn)研究J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27：44-50. 5徐穎，任麗，唐