SMES变流器控制策略的研究

四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究1SMES变流器控制策略的研究专业：电气工程及其自动化学生：林晓冬指导老师：雷勇[摘要]不可再生能源的过度使用造成了资源短缺、环境污染、改变地球环境的基本结构等诸多的危害。在强调可持续发展的今天，那些不可再生资源已经逐渐开始被新能源所取代。所以开发应用于新能源的储能技术，是保证国家电力可持续发展的一项战略性政策。由于超导磁储能系统(SuperconductingMagneticEnergyStorageSystem,SMES)具有储能容量大、转换效率高、快速响应指令的性能，所以它可以和电网之间进行快速高效地功率交换。并且SMES在电力系统中的应用对提高电力系统稳定性，改善电能质量，发展新能源技术中都发挥着重要的作用。首先，文中概述了SMES在电力系统中的研究现状以及应用前景。通过与电流源型变流器进行详细的比较分析，最终选择了电压源型变流器作为基本的研究对象。其次，本文研究了基于坐标变换下的SMES电压源型变流器的数学模型与工作原理，为本文关于SMES控制策略的研究提供了理论依据。又深入研究了空间电压矢量调制方法，并以控制电流为目的研究了变流器及其斩波器的控制策略。其中变流器控制分别从双环PI控制、状态反馈控制两种控制策略进行了研究。斩波器建立了电流环与电压环，它们分别在磁体充电与放电的时候进行切换控制，以实现对电流的控制以及直流侧电压的稳定。然后，在基于电流控制的SMES变流器控制策略的研究基础上，改进并提出了一种以控制磁体与电网功率交换为目的的SMES变流器的控制策略。SMES变流器接收系统发出的功率指令，通过将磁体功率的标幺值转化为占空比进而控制斩波器IGBT管的开断状态，磁体进行相应的充放电，以实现直流侧电压的稳定以及SMES对系统功率指令的快速响应。最终，把本文建立的基于功率控制下的SMES用作抑制风光互补发电系统产生的功率波动。通过变流器与斩波器的协调控制，仿真实现了SMES与电力系统进行大小可控的、快速、双向的功率交换，并对假设的风光互补发电系统产生的功率波动有很好的平抑效果。本文的仿真模型都是通过MATLAB/Simulink进行搭建。仿真结果验证了本文设计的控制策略可以实现SMES与电力系统进行单位功率因数下快速、可控的功率交换。[关键词]超导磁储能系统；电压源型变流器；斩波器；PI控制；功率控制四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究2第一章绪论1.1研究背景与意义电力工业是我国的支柱产业，在国民经济中占据了非常重要的地位。最近，国家标准化体系建设发展规划印发，能源领域提出了要加强特高压及柔性直流输电、智能电网、微电网及分布式电源并网、电动汽车充电基础设施标准修订，研究大规模间歇式电源并网和储能技术等标准[1]；通过国家制定标准化体系建设的规划，可以看出关于微电网、新能源并网是之后电网改造中重点发展的对象，而SMES在电力系统中的应用，恰好在其中有一个非常广阔的应用前景。在2016年9月即将于澳大利亚伍伦贡大学举行的电力系统技术国际会议(POWERCON2016)上，也将以电网现代化的新兴趋势为背景，探讨微电网、智能电网、分布式发电技术在未来发展可持续的能源系统时所面临的问题与解决方案。自从1911年Onnes发现了某些物质在一定温度条件下，电阻降为零的特殊导电性能后[2]，人们认识到将超导材料做成储能装置将会大大降低损耗，但是由于基本理论和材料上的种种困难，一直未得以实现。1969年，Ferrier提出了超导磁储能系统(SuperconductingMagneticEnergyStorageSystem，简称SMES)的构想[3]，他设想利用SMES来平衡法国一天的日负荷变化，最终因造价太高并未实现，但是从此SMES进入了人们的视线，来解决电力需求变化的各种问题。随着我国工业水平的提高，电能质量的要求变得越来越高。SMES不但为电力系统充当了备用电源，而且还提高了电力系统的安全性、灵活性。电力电子技术以及高温超导储能技术的高速发展，为SMES的研究提供了非常大的帮助。关于SMES在电力系统中的应用，国内外已经做了相关的一些研究，但是进行SMES及其并网的基础研究还是非常有必要的，其中还有很多需要完善的地方。SMES构成的装置，由于超导体的电阻为零，利用超导线圈以电磁能的方式储存电能，能量储存时的损耗非常小，SMES装置的利用效率高达90%以上，且响应速度快(最快可达到毫秒级)，可构成大功率、大容量系统[4]。由于其与电网的功率交换非常迅速，随着最近的电力电子技术飞速发展，通过电力电子器件与技术的支持，SMES能同时与系统独立地进行四象限的有功、无功的功率交换。在国外的实验中，已经证实了其快速响应以及独立地于四象限内调节功率的能力。其后人们开始进行其对于提高电能质量的研究例如电压暂降和突然停电等，发现了它对提高电力系统稳定，提升输电能力以及改善电能质量有着非常重要的作用。作为超导储能磁体与电网的能量转换的关键，SMES变流器可以实现储能磁体与电力系统进行有功与无功功率的交换。为了使其高效运行，变流器设计与控制策略是非常关键的。所以SMES并网的研究中，主要就是通过对SMES变流器的控制来提高电力系统运行的稳定与可靠性。将超导储能系统作为一个直流电源与变流器相结合，与普通的直流电源与变流四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究3器的研究有一定的区别，因为超导磁体的参数对变流器的运行有一定的影响。那么通过将超导磁体的特性与变流器组合为SMES，进行协调的控制，具有很强的研究意义与研究价值。1.2超导磁储能系统的概述在电力系统中不断接入新能源，意味着能源的储存技术的使用将对系统稳定和电能质量有着越来越重要的应用。目前存在有一系列的能源储存技术，如超导磁储能(SMES)、压缩空气储能(CAES)、流体电池、飞轮储能系统、抽水蓄能系统、超级电容器等[5]。直流电流通过超导线圈，以电磁场的形式储存能量于超导磁储能系统。超导磁储能系统有各种功率等级，由于它非常短的反应时间，超导磁储能系统最适合用于改善电能质量和电力系统的暂态稳定。表1-1几种常见储能方式的性能比较[6]存储设备密度(Wh/kg)效率(%)反应时间资本成本(¥/kW)寿命(年)优点缺点超级电容器0.1-585-90秒-小时1400-700030-40寿命长，效率高低能量密度，有毒化合物压缩空气储能-50-75小时-日280030容量大，单位容量成本相对较低技术不成熟飞轮储能30-10030-90秒-分钟21k-70k20-30高功率低能量密度抽水蓄能-60-80小时-日980-490040容量大，单位容量成本低影响野生动植物和水位铅酸蓄电池储能24-4560-80分-小时350-25002-10成本低铅需要回收超导磁储能-97-98毫秒-分钟250040高功率现阶段成本较高从表1-1可以看出，SMES具有以下的优点：(1)转换效率高。SMES通过超导磁体以电磁能的形式与电网进行能量交换，转换效率稳定在97%-98%。(2)响应速度快。SMES通过变流器与电网连接，响应速度最快可达到毫秒级。(3)大功率，大容量，低损耗。和常规的电感线圈相比，超导线圈有更高的平均电流密度，可以有很高的能量密度，运行在超导状态下没有直流的焦耳损耗。(4)可持续发展的条件容易满足。建造地点可以任选，维护成本低，对环境的污染很小。四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究41.2.1SMES在电力系统中的主要应用SMES在电力系统中的应用涉及到了电力系统的稳定性、改善电能质量、作为系统的备用的研究等问题。(1)提高电力系统稳定性并抑制电网的低频振荡。电力系统的电压稳定性从时间上来划分，分为了短期电压稳定和中长期电压稳定。其中，中长期电压稳定性与有载调压变压器、发电机的限制、静态负荷特性等作用因素有关。而短期电压是否稳定是与动态负荷和电力电子设备的作用时间等因素有关[7]。而应对短期电压稳定性的问题，必须要有快速响应的控制设备。低频振荡是由于在特定情况下系统提供的负阻尼作用抵消了系统电机、励磁绕组和机械等所产生的正绕组，在欠阻尼的情况下，扰动逐渐被放大，引起系统功率的振荡[8]。而利用SMES与FACTS(柔性交流输电设备)相结合进行控制[9]，可以改善阻尼系统的振荡，从而改进电力系统的稳定性。(2)改善电能质量[10]。电能质量问题中最严重的是电压骤降，SMES通过其快速的响应速度(ms级)，与电力系统进行快速平滑的功率交换，平衡负荷的波动。(3)作为电力系统的备用容量[11]。系统备用容量的大小既是一个安全问题，也是一个经济问题。备用容量过大使利用效率低，备用容量过小会使系统发生故障时不能快速地恢复供电。考虑这些因素后，适当容量的SMES就可以作为备用容量提高系统的安全稳定运行水平。(4)用于微网和新能源发电[11]。微网和新能源发电技术是国家最近主导的能源战略发展方向。但由于新能源中很多是可再生能源，它们具有间歇性、不稳定性以及不可调控性。这些都特性导致了可再生能源的并网与消纳存在一定的困难。所以国家大力推进先进、高效、低成本的可再生能源发电技术。SMES能够平滑快速地调节新能源发电系统的输出功率，即通过控制SMES的输出功率的大小和方向，就可以间接地控制并网功率在一定范围内变化，从而达到调节这些新能源发电的功率输出的目的。1.2.2超导磁储能系统的结构超导磁储能系统，首先于1969年，由法国Ferrier提出，他将SMES作为一种削峰填谷，平衡日负荷曲线的装置。SMES通过利用超导磁体储存电磁能，需要时再将能量通过一系列装置返回电网或负载。超导磁体中储存的能量W由式(1-1)所示：𝑊=12𝐿𝐼2(1-1)式(1-1)中L为磁体的电感值；I为磁体中的电流值。SMES是由超导磁体、功率调节系统即变流器、低温冷却系统、磁体失超保护系统、监四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究5控系统等装置组成[11，12]，具体如图1-1所示。其中与电力系统相连的变压器只是为了选择适当的电压水平而不是必要组成部分。SMES根据其变流器的不同，还可以分为电流源型变流器(Currentsourceconverter，简称CSC)和电压源型变流器(Voltagesourceconverter，简称VSC)。图1-1SMES的构成A.超导磁体超导磁体作为SMES的核心之一，它可以利用功率调节系统中的变流器将储存在磁体内的电磁能转化为电能，从而实现能量的转化。超导磁体按线圈结构大致可以分为三类：螺管磁体、环形磁体和多极磁体。其中多极磁体多应用于需要特殊磁场位形的特殊装置中。按照螺管数量可以分为单螺管型和多螺管型磁体。用于储存能量的多为环形磁体和螺管磁体。单螺管型磁体虽然具有材料利用率高，储能密度大等优点，但是杂散磁场较大；多螺管型磁体可以降低杂散磁场，但是储能效率较低；环形磁体外部杂散磁场较小，适合制作大型磁体。B.低温冷却系统低温冷却系统使超导磁体运行在超导态得到保障。最简单的冷却方式是将磁体直接浸泡在冷却液体里面。低温超导体一般采用液氦(4.2K)冷却，Y系高温超导体用液氮冷却。高温超导材料的优势就在于不需要使用液氦(4.2K)来进行冷却，只需要使用液氮，就可以提供更大的电流密度，不仅减少制冷成本而且还提高了系统的工作效率。C.功率调节系统功率调节系统，控制着超导磁体与电网之间双向的功率流动，是整个SMES功能实现的关键。这里的功率调节系统就是指带有全控型开关器件的PWM变流器。SMES变流器可以在功率的四个象限内快速响应功率的需求，进行有功与无功的功率吞吐。并且通过PWM的控制方式，减小了交流侧的低次谐波含量。目前SMES用功率调节变流器的基本拓扑结构有：电流源型变流器和电压源型变流器两种，结构如图1-2[11]。四川大学本科毕业论文SMES变流器控制策略的研究6图1-2两种变流器的结构拓扑图设电源电压𝑈𝑆̇=𝑈𝑆∠0°，交流侧输出电流𝐼𝑡̇=𝐼𝑡∠𝛿，交流侧电流𝐼𝑡̇的幅值相位