超導(dǎo)磁儲能裝置抑制配電網(wǎng)瞬時電壓跌落的研究

邱龍富 鄒宇 麥海波 韋軍

摘 要：超導(dǎo)磁儲能裝置（SMES）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)儲能裝置，該元件是當(dāng)前超導(dǎo)電力裝置中最具有開發(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。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁儲能；配電網(wǎng)；瞬時電壓跌落

中圖分類號：TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動時，遠(yuǎn)方同步發(fā)電機(jī)并不總是能夠足夠快地響應(yīng)該擾動以保持系統(tǒng)的有功和無功平衡和穩(wěn)定，這時也只能依靠切負(fù)荷來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

如果電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模地儲存電能，并靈活地對這些儲能設(shè)備進(jìn)行布置，將會推動電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大的變革。儲能系統(tǒng)的加入有效的彌補(bǔ)了電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷問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)中的儲能設(shè)備就可以瞬時恢復(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取了時間；同時，儲電設(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，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)械開關(guān)的穩(wěn)定性設(shè)備的調(diào)整提供了時機(jī)，從而使得電網(wǎng)可以更快的回穩(wěn)；在未來大量不確定出力的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)中時，儲能設(shè)備也是用于平抑功率波動的有效手段。總體而言，發(fā)展儲能系統(tǒng)對于電網(wǎng)而言是十分關(guān)鍵并且必要的。

但是，如何大規(guī)模儲存瞬時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)模的儲存電力的器件還各有其缺點(diǎn)。多種基于新式儲電理論和方法的儲能設(shè)備還都處在開發(fā)階段，例如超級電容器儲能、飛輪儲能以及超導(dǎo)磁儲能等。雖然這些新型儲能裝置的實(shí)用化還有各種必須解決的問題。但就現(xiàn)在的發(fā)展趨勢而言，這些儲電技術(shù)已顯示出較高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

綜合國內(nèi)外SMES的相關(guān)研究成果報道，可以看出相關(guān)的研究工作大多集中在超導(dǎo)磁體的物理特性和有功和無功調(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SMES應(yīng)用于電力系統(tǒng)時，電力系統(tǒng)對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)磁儲能的原理與應(yīng)用

1911年昂尼斯（Kamerlingh onncs）在液氦溫度下研究了幾種純金屬的電阻與溫度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到約4.2K時，水銀的電阻從0.125Ω突然下降到零，這種奇異現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（SMES）是超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中一個很重要的方面，同超級電容器儲能、壓縮空氣儲能以及蓄電池儲能和抽水蓄能等其它各種儲電設(shè)備相比，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)很多不可替代的優(yōu)勢：首先，其可長時間近似無損地儲存電能，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)近乎無限，而蓄電池儲能的充放電次數(shù)僅有1000～2000次，使用壽命大大降低；其次，超導(dǎo)磁體與電力系統(tǒng)通過換流器連接，全電力電子設(shè)備的設(shè)計使得其響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級；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)械開關(guān)設(shè)備，因此具有響應(yīng)快，壽命長的特點(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不僅僅是一個蓄能裝置，更是一個可以參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制的有功和無功源，在電力系統(tǒng)主要部件發(fā)生故障時能為系統(tǒng)提供能量，并為發(fā)電設(shè)備的起動提供有功和無功，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)儲能裝置可以對電網(wǎng)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以減少功率波動或發(fā)電機(jī)出力的改變對電力系統(tǒng)的影響，SMES通過變流器的控制，可將SMES作為重要負(fù)荷和對供電要求較高的設(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)受到擾動而導(dǎo)致配網(wǎng)向負(fù)荷側(cè)供電的過程中發(fā)生的穩(wěn)定性問題。容量較小的超導(dǎo)磁儲能裝置可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。將SMES與動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）結(jié)合協(xié)調(diào)控制，能夠降低甚至去除停電（Outage）、電壓瞬時跌落（Sag）、諧波、瞬時沖擊負(fù)荷（Impulse）或瞬時過電壓（Swell）等擾動對用電終端的干擾，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

近來1～5MJ容量級別的低溫超導(dǎo)SMES已經(jīng)由美國超導(dǎo)公司和IGC公司研發(fā)并推向市場，他們甚至表示能夠處理100kJ容量級的高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的訂單。美國北部的115kV配電網(wǎng)中安裝了多個分布式的磁儲能系統(tǒng)以增加配電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。日本先后開發(fā)了多個容量等級的SMES，并且在完成MJ級SMES動態(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，我國的相關(guān)研究開展的比較晚，因此對SMES的研究也處于起始階段，1999年中國科學(xué)院電工所研發(fā)成功了一臺額定參數(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SMES磁體的研發(fā)項目，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)院則開展了35 kJ/7.5kW容量級別的高溫SMES，并在動模實(shí)現(xiàn)了抑止系統(tǒng)有功和無功振蕩的試驗(yàn)。

2 SMES的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)主要的原理是包含一個超導(dǎo)線圈將電磁能儲存在其中，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)磁體中的儲能W的計算方法如式（1）所示。

（1）

超導(dǎo)線圈的特點(diǎn)是，對線圈導(dǎo)通直流時，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，并且電能會產(chǎn)生磁場，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)體中存儲的是直流電，而電網(wǎng)中使用的是交流電，因此它需要一個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)磁儲能系統(tǒng)一般包括了帶有磁體的超導(dǎo)線圈（SCM）、低溫系統(tǒng)（CS）、四象限調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS）和控制器四個主要部分。圖1是SMES的結(jié)構(gòu)簡圖。

SMES的這四個主要部分簡要描述如下：

①SCM用來存儲直流電能；

②PCS是交流部分與SCM的能量交換的中介。通過PCS，交流電能能夠轉(zhuǎn)換成直流電能儲存在SCM中；相反，儲存在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；

③CS是用來冷卻SCM，并使其處于工況溫度；

④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)，能量通過其的控制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得SMES可以對電網(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)歸類為兩種基本的結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)具有天然的電流源特性，第一類九是電流源型SMES（CSMES），其變流器稱為電流型換流器（Current Source Converter，簡稱CSC），它的交流側(cè)輸出電流幅值和相位是獨(dú)立可控的，通過改變這兩個參數(shù)就可以對系統(tǒng)進(jìn)行四象限調(diào)節(jié)；而與之相對應(yīng)的是電壓源型SMES（VSMES），其中控制部件包括了電壓型變換器（Voltage Source Converter，VSC）和斬波器（Chopper）兩個部分，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，從而也可以對系統(tǒng)進(jìn)行四象限調(diào)節(jié)。這兩種設(shè)備都具有對系統(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)更為簡單，控制流程也更為快速，因此，本文選用CSMES進(jìn)行研究。

3 SMES抑制系統(tǒng)電壓暫降

本節(jié)中，將SMES接入一個電網(wǎng)的母線側(cè)，用來研究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（標(biāo)幺值）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)償無功功率來抑制系統(tǒng)電壓瞬時跌落。圖4為SMES抑制系統(tǒng)電壓暫降的母線電壓對比圖。圖4中，Vpu對應(yīng)與加有CSMES的系統(tǒng)母線電壓標(biāo)幺值，Vpu0對應(yīng)于沒有加CSMES的系統(tǒng)母線電壓標(biāo)幺值。

接入了超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的配電網(wǎng)，在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降期間，通過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)的電壓瞬時跌落，提高了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

結(jié)語

超導(dǎo)技術(shù)將是儲能技術(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)儲能會成為未來國際電力技術(shù)競爭的核心問題之一，美國能源部將儲能設(shè)備列為是新時期下電網(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)磁儲能是非常具有廣泛的實(shí)用性的，同時其所需要的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都較低，且在未來新能源滲透率越來越高的情況下有機(jī)會發(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。

本文通過進(jìn)行SMES對系統(tǒng)電壓瞬時跌落抑制的數(shù)字仿真，驗(yàn)證了SMES通過無功補(bǔ)償對系統(tǒng)電壓暫降的抑止作用，表明了SMES的良好的未來前景。

參考文獻(xiàn)

[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及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，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)磁儲能裝置及實(shí)驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（22）：44-50.

[5]徐穎，任麗，唐躍進(jìn).150kJ/100kW直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2015，04（04）：394-401.

[6]李晉，徐智，劉春梅.基于PSCAD的電流源型超導(dǎo)磁儲能裝置建模研究[J].陜西電力，2012，40（06）：23-27.

[7]張巍，向鐵元.基于PSCAD的電流型超導(dǎo)磁儲能對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析研究[C].上海：中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學(xué)術(shù)年會，2008：1-7.

[8]楊斌，諸嘉慧.高溫超導(dǎo)磁儲能用斬波器仿真及試驗(yàn)[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（12）：51-54.