超導儲能系統提高風電場暫態穩定性研究

張靠社，李瓊

（西安理工大學水利水電學院，西安710048）

隨著持續增長的電能需求，電廠容量和發電量的需求也越來越大，由于傳統的火電、水電對環境的不利影響，可再生能源發電獲得了越來越多的關注。隨著我國《可再生能源法》的實施，風電的裝機容量成倍增加，風電場并網的規模也越來越大，接入的電壓等級也越來越高[1]，由于清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經濟效益和社會效益[2]，因此風力發電作為最具有商業化發展前景的可再生能源發電在世界范圍內得到了快速的發展。然而風電的弊端也同時存在：風電場一般都位于偏遠地區，遠離負荷中心。另外，由于風的波動性和間歇性特點，風電功率的波動性和間歇性會對局部電網電壓的穩定性和電能質量產生影響[3-4]。目前，超導儲能系統SMES（Superconducting Magnetic Energy Storage）隨著高溫超導技術的突破和電力電子技術的發展已經在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統中得到初步的應用，其快速的功率吞吐和靈活的四象限調節能力，在維持電網穩定、提高輸電能力和改善電能質量方面發揮了極其重要的作用[5-6]。

本文建立了基于電壓型換流器（VSC）的超導儲能模型，提出了應用超導儲能系統提高大型風電場運行特性，最后在PSCAD/EMTDC軟件中進行了數字仿真，結果驗證了大容量超導儲能系統對風電場運行特性的改善作用。

1 超導儲能裝置模型

儲能裝置中能夠在短時間（幾秒）內向風電場提供有功功率，因而控制器的設計應該能夠用來調節風電場發出的有功功率。同時，SMES系統可以提高給工業用戶供電的穩定性[7-8]。

超導儲能系統包括：超導儲能線圈、功率調節系統（Power Conditioning System，PCS）、控制系統、失超保護系統和冷卻系統。超導儲能線圈需要通過一個交直流轉換器和交流電網連接。PCS包括有電流源型換流器（Current Source Converter，CSC）和電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）加斬波器（chopper）兩種，從目前換流器應用來看，電壓源型換流器的發展比電流型成熟，文獻[9]指出設計大容量的SMES系統還是應采取電壓型換流器與電網相連，本文使用的超導儲能系統拓撲結構見圖1。

圖1 VSC型SMES結構框圖

1）SMES運行原理。圖1中，電壓源型換流器和斬波器通過電容C相連接；Va、Vb和Vc為網側相電壓；Ia、Ib和Ic為網側相電流；S1～S6為開關管的開關信號；P1、P2為二象限斬波器開關管的開關信號；Lsm為超導線圈的電感；Ism為流過超導線圈的電流；L和R分別為濾波器的電感和電阻；VDC為電容兩端的電壓。

依據圖2可以得到SMES的等效模型如下：

圖2 SMES運行原理

式中，I為SMES交流側電流，Vt為SMES交流側電壓，k為交流側直流側電壓的比值，m為PWM的調制比，r為斬波器的占空比。SMES與交流電網交換的有功功率和無功功率分別為：

式中，X為變壓器的漏抗，Vt為SMES交流側電壓，VG為SMES接入到電網處的電壓。

由上式可以看出通過控制觸發角追和SMES交流側電壓的幅值能夠有效的控制SMES與電網交換的有功功率和無功功率。自關斷器件的出現，使得SMES能在四象限獨立控制有功和無功功率[10]。

2）電壓源型換流器。功率控制系統通過控制交流側的電流來控制與電網交換的有功功率和無功功率；斬波器通過調節超導線圈的電壓輸出電網需要的有功功率；電容C對電壓源型換流器和斬波器的電壓起到支撐作用，實現了超導線圈與電網的解耦，可保護超導線圈不受系統干擾[11]。VSC控制框圖如圖3所示。

圖3 SMES裝置控制策略

Psref和Ps的差值與Qsref和Qs的差值分別經過PI調節器得到Idref和Iqref，Idref和Iqref再與實測的Id和Iq進行比較，差值分別經過PI調節器得到Vd和Vq，進而可以得到PWM控制所需要的PWM信號，由此信號值，經軟件可進一步得到PWM脈沖，從而驅動變流器中各個開關，得到特定功率值時所需的交流電流。PI調節器的參數設定使用嘗試誤差法。

3）兩相斬波器。SMES系統儲存的能量和有功功率如下：

調節兩象斬波器的占空比調節平均電壓去控制超導儲能線圈的充放電，基于此思想，兩象斬波器的控制框圖如圖4示。PL原ref和PL的差值經過PI調節器后產生PWM所需要的調制信號，調制信號再和三角載波信號比較以產生IGBT所需要的觸發脈沖。

圖4 斬波器控制策略

2 時域仿真

1）平滑風電場輸出功率?；趫D5風電場—無窮大系統的時域仿真在PSCAD/EMTDC環境下進行。SMES系統集中安裝在風電場出口變壓器低壓母線處。假定風電場在20 s內的短時風速變化如圖6所示，與之對應風電場輸出的有功功率見圖7中的藍線，綠線為投入SMES后的風電場的輸出功率曲線。圖8藍線為未投入SMES風電場輸出的無功功率，綠線為投入SMES后風電場實際輸入到電網的無功功率。圖9為SMES實際輸出得有功功率和無功功率。

圖5 含SMES的風電場仿真系統示意圖

由圖7～9可以看出SMES能夠在風速波動的時候有效平滑風電場輸出的有功功率和無功功率。

圖6 風速信號

圖7 利用SMES平滑風電場輸出的有功功率

圖8 利用SMES平滑風電場輸出的無功功率

圖9 SMES輸出的有功無功無功

2）提高風電場暫態穩定性。為了說明SMES對風電場暫態穩定性的提高在風電場升壓變壓器高壓側2.0 s設置三相短路故障，0.15 s后切除故障，發電廠母線電壓VBUS的變化如圖10所示，其中藍線和綠線分別表明安裝和未安裝SMES裝置發電廠母線電壓在故障下的波動情況。

圖10 故障下發電廠母線電壓

仿真結果表明在一定的范圍內SMES能夠快速的進行無功補償，幫助風電場恢復正常運行，體現了其快速的調節能力，提高了風電場的暫態穩定性。

3 結語

本文深入研究超導儲能系統運行原理，建立了基于電壓型換流器(VSC)的超導儲能系統模型，實現了有功功率和無功功率的解耦控制，提出了應用超導儲能裝置的有功、無功綜合控制提高并網風電場暫態穩定性的控制策略，在電力系統仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立了超導儲能系統及其控制系統的模型，結果表明超導儲能系統能夠有效地平滑風電場輸出的有功無功功率，并且能夠顯著的提高風電場的暫態穩定性。

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