超導磁儲能裝置抑制配電網瞬時電壓跌落的研究

邱龍富 鄒宇 麥海波 韋軍

摘 要：超導磁儲能裝置（SMES）結合了高溫超導體的低耗快速蓄能的性質與電氣元件的高速換電技術的優點，是一種新式的極具潛力的四象限調節儲能裝置，該元件是當前超導電力裝置中最具有開發前景和潛力的設備之一。本文介紹了SMES的結構和工作原理，國內外SMES的發展現狀，以及SMES在電力系統中的應用。然后研究了SMES抑制配電網瞬時電壓跌落的作用，證明SMES是配電網中非常有效的和有用的器件。

關鍵詞：超導磁儲能；配電網；瞬時電壓跌落

中圖分類號：TM755 文獻標識碼：A

在傳統配電網中，當系統中出現故障或者大擾動時，遠方同步發電機并不總是能夠足夠快地響應該擾動以保持系統的有功和無功平衡和穩定，這時也只能依靠切負荷來維持系統的穩定。

如果電力系統能夠大規模地儲存電能，并靈活地對這些儲能設備進行布置，將會推動電力系統運行產生巨大的變革。儲能系統的加入有效的彌補了電網的負荷峰谷問題并可以極大的提高電網的供電可靠性。如果系統因為跳閘引起了局部的停電事故，則連接在配電網中的儲能設備就可以瞬時恢復供電，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，儲電設備能夠增加系統的暫態穩定性，在電網發生較大的故障時，包括三相短路和機組甩負荷等情形下，全電力電子設備的儲能裝置能夠快速的調整電能，為系統中的其它基于機械開關的穩定性設備的調整提供了時機，從而使得電網可以更快的回穩；在未來大量不確定出力的新能源發電接入電網中時，儲能設備也是用于平抑功率波動的有效手段。總體而言，發展儲能系統對于電網而言是十分關鍵并且必要的。

但是，如何大規模儲存瞬時性的電能依然是電力行業中備受關注但尚未解決的難點。這是由于大規模的儲存電力的器件還各有其缺點。多種基于新式儲電理論和方法的儲能設備還都處在開發階段，例如超級電容器儲能、飛輪儲能以及超導磁儲能等。雖然這些新型儲能裝置的實用化還有各種必須解決的問題。但就現在的發展趨勢而言，這些儲電技術已顯示出較高的發展潛力。

綜合國內外SMES的相關研究成果報道，可以看出相關的研究工作大多集中在超導磁體的物理特性和有功和無功調節特性，以及如何基于SMES四象限功率調節的特性研究SMES接入電網的協調運行策略等方面。而對SMES應用于電力系統時，電力系統對SMES的相關性能要求，以及SMES與電力系統之間的相互作用等研究還非常欠缺。因此，迫切需要根據電網實際運行情況，研究SMES接入電網后對電網的作用。本文介紹了SMES的基本原理和發展現狀，并研究了一個典型的SMES用于抑制配電系統電壓暫降的效果，并試圖給出相應的建議。

1 超導磁儲能的原理與應用

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系時發現，當溫度下降到約4.2K時，水銀的電阻從0.125Ω突然下降到零，這種奇異現象稱為超導電性。

超導磁儲能系統（SMES）是超導電力技術應用領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備相比，超導儲能系統很多不可替代的優勢：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%，超導磁體本身并不損耗電能，轉換電能的效率高達95%，磁體本身的充放電次數近乎無限，而蓄電池儲能的充放電次數僅有1000～2000次，使用壽命大大降低；其次，超導磁體與電力系統通過換流器連接，全電力電子設備的設計使得其響應速度可以達到毫秒級；再次，其大規模的容量使得其可以適用于大規模的電網系統，甚至是輸電網系統；然后，在SMES中基礎不存在機械開關設備，因此具有響應快，壽命長的特點，并且在電網的任何節點中均可以布設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運行和控制的有功和無功源，在電力系統主要部件發生故障時能為系統提供能量，并為發電設備的起動提供有功和無功，也能在地區性故障后為電網的恢復提供能量。

由于超導儲能裝置可以對電網的功率進行調節，可以減少功率波動或發電機出力的改變對電力系統的影響，SMES通過變流器的控制，可將SMES作為重要負荷和對供電要求較高的設備的UPS電源，并且可以改善配電網中發生故障或由于輸電網受到擾動而導致配網向負荷側供電的過程中發生的穩定性問題。容量較小的超導磁儲能裝置可以提高系統的功率因數，提高系統的頻率穩定性。將SMES與動態電壓恢復器（DVR）結合協調控制，能夠降低甚至去除停電（Outage）、電壓瞬時跌落（Sag）、諧波、瞬時沖擊負荷（Impulse）或瞬時過電壓（Swell）等擾動對用電終端的干擾，提高系統的電能質量。

近來1～5MJ容量級別的低溫超導SMES已經由美國超導公司和IGC公司研發并推向市場，他們甚至表示能夠處理100kJ容量級的高溫超導磁儲能系統的訂單。美國北部的115kV配電網中安裝了多個分布式的磁儲能系統以增加配電網的暫態穩定性。日本先后開發了多個容量等級的SMES，并且在完成MJ級SMES動態模擬實驗的研究基礎上，在實際電網中進行了SMES的相關科研工作。

與世界的超導電力技術研究相比，我國的相關研究開展的比較晚，因此對SMES的研究也處于起始階段，1999年中國科學院電工所研發成功了一臺額定參數220V/300A，容量25kJ的低溫SMES實驗設備。在中科院的相關項目支持下，中科院電工所現在正在進行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、華中科技大學和華北電力大學等相關科研院校都以完成或者進行SMES的研制工作。其中，清華大學進行了20kJ/15kW級SMES磁體的研發項目，并且還將在學校電網系統中安裝500kJ的超導磁儲能系統，起到UPS電源的作用。華中科技大學電氣工程學院則開展了35 kJ/7.5kW容量級別的高溫SMES，并在動模實現了抑止系統有功和無功振蕩的試驗。

2 SMES的系統結構

超導磁儲能系統主要的原理是包含一個超導線圈將電磁能儲存在其中，如果電網中需要進行調節，就將電能傳輸至電力系統中。超導磁體中的儲能W的計算方法如式（1）所示。

（1）

超導線圈的特點是，對線圈導通直流時，其電阻特性消失，超導體本身不消耗能量，因此相比于一般常規線圈，超導線圈可以傳輸更多的電能，并且電能會產生磁場，因此超導線圈的能量密度可以達到非常高的值。從上面的表述可知，超導體中存儲的是直流電，而電網中使用的是交流電，因此它需要一個直交變換的媒介與電網相連接，從而進行電力系統的四象限功率調節。因此，超導磁儲能系統一般包括了帶有磁體的超導線圈（SCM）、低溫系統（CS）、四象限調節系統（PCS）和控制器四個主要部分。圖1是SMES的結構簡圖。

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系統的關鍵部分，用于根據控制目標實現SMES在電力系統某個方面的應用。

變流器連接超導磁體和電力系統，能量通過其的控制進行轉換，使得SMES可以對電網進行四象限的調節。已經有多重不同的變流器結構被提出，目的是為了更高效精確的控制SMES內磁體的充放電。一般而言，不管各種新的變流器控制策略和拓撲如何改進，我們都可以將SMES的變流器結構歸類為兩種基本的結構。超導磁儲能系統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），它的交流側輸出電流幅值和相位是獨立可控的，通過改變這兩個參數就可以對系統進行四象限調節；而與之相對應的是電壓源型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，他們共同調節變流器交流側的輸出電壓幅值和相位，從而也可以對系統進行四象限調節。這兩種設備都具有對系統良好的控制特性，在SMES中均具有較深入的研究，但是從大系統的角度而言，電流型換流器的結構更為簡單，控制流程也更為快速，因此，本文選用CSMES進行研究。

3 SMES抑制系統電壓暫降

本節中，將SMES接入一個電網的母線側，用來研究SMES抑制電網的電壓暫降的效果。其中，用于模擬系統電壓瞬時跌落的仿真系統如圖2所示。

圖2中，母線端的額定電壓為115kV，系統容量為500MVA，系統運行在1.5s處發生了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，在系統發生故障的0.75s中，母線電壓大小由0.78（標幺值）暫降到0.61，然后又恢復到0.78。仿真結果中，橫坐標單位為秒，縱坐標單位為電壓標幺值。

在系統有功不足的情況下，SMES既補償有功功率，又補償無功功率來抑制系統電壓瞬時跌落。圖4為SMES抑制系統電壓暫降的母線電壓對比圖。圖4中，Vpu對應與加有CSMES的系統母線電壓標幺值，Vpu0對應于沒有加CSMES的系統母線電壓標幺值。

接入了超導磁儲能系統的配電網，在電網發生電壓暫降期間，通過SMES與電網間的四象限的功率調節，SMES有效抑制了系統的電壓瞬時跌落，提高了系統的電能質量。

結語

超導技術將是儲能技術發展的助力，也將為電力系統運行提供新的調節手段。日本電網研究機構認為超導儲能會成為未來國際電力技術競爭的核心問題之一，美國能源部將儲能設備列為是新時期下電網運行中最重要的新技術之一。在超導技術用于電力系統的各種用途中，超導磁儲能是非常具有廣泛的實用性的，同時其所需要的技術指標和經濟指標都較低，且在未來新能源滲透率越來越高的情況下有機會發揮更大的作用，因此有必要深入研究SMES用于電網特別是配電網的相關應用。

本文通過進行SMES對系統電壓瞬時跌落抑制的數字仿真，驗證了SMES通過無功補償對系統電壓暫降的抑止作用，表明了SMES的良好的未來前景。

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