基于超導儲能裝置的電磁合環環流抑制技術研究

田茂城

(超高壓輸電公司貴陽局，貴陽550000)

0 引言

在我國，電網的設計遵循“閉環設計，開環運行”的原則。當線路檢修或設備故障時，為保證供電可靠性，常需要進行合環操作實現不斷電倒負荷。目前，調度都是按照經驗法進行合環操作，往往會因為合環兩側的電壓，相位差等造成合環后饋線中出現較大電磁環流，影響負荷的正常工作，嚴重的甚至引起大面積的停電。因此，抑制電磁環流成為合環操作亟待解決的問題。

文獻［1-2］中提出了合環電流的計算方法，文獻［3］提出了判斷合環的條件，但都沒有給出抑制合環電流的解決措施。文獻［4］通過分析，仿真驗證了合環電流大小與合環兩端電壓成正比，并提出了可以通過調整變壓器分接頭的方式改變合環電流的大小，但調整變壓器分接頭不太靈活，要求高，對機械開關的頻繁操作也會影響設備的使用壽命。

提出一種基于超導儲能(Superconducting Magnetic Energy Storage—SMES)的電磁合環環流抑制技術。SMES是一種高功率型儲能系統，能夠在較短時間釋放內釋放較大功率，在提高電力系統穩定性和改善電能質量方面具有重要應用，是柔性直流輸電系統重要的組成部分。SMES最初是用來進行電力系統的負荷調節，后來應用抑制系統振蕩、改善電能質量以及提高供電可靠性方面。SEMS裝置實質是通過對儲能裝置進行預充電，然后控制換流器的觸發脈沖，進而實現與系統的有功和無功交換。利用SMES可獨立控制系統的有功和無功，轉換效率高、響應速度快、控制靈活的優點，實現對合環兩側功率的跟蹤控制，維持兩側的功率平衡，從而達倒抑制環流的目的。

1 電磁合環分析與控制

1．1 電磁合環機理分析

電磁合環是指不同電壓等級的的電力網，通過變壓器的電磁回路并列運行構成合環。電磁合環可以提高供電的可靠性，保證負荷的不間斷供電，對于敏感負荷具有重要的意義。電磁合環也會有一定的弊端，破壞電力系統的穩定性，當高一級的電壓線路斷開時，其所帶的負荷會轉移到低一級的電壓線路，造成過負荷。

合環運行時，由于合環前兩側的電壓差，相位差等會在饋線中產生電磁環流，如果環流過大會影響負荷的正常工作，嚴重的會引起停電事故。

1．2 基于SMES的電磁合環環流抑制技術

目前我國對電磁合環的研究關注的更多的是合環的條件的判斷以及合環安全性的驗證，對于合環后系統中存在的功率環流問題研究的比較少，合環后系統中存在的功率環流一方面會產生有功和無功損耗，另外一方面會占用變壓器的有限容量，嚴重的甚至引起大面積的停電，所以有效抑制電磁環流是提高合環運行可靠性的必要措施。

本文研究的是用SMES解決電磁合環的環流抑制問題。SMES具有快速、獨立的有功和無功調節能力，合環運行時，控制SMES與連接側的功率交換，實現兩側的功率平衡，能夠有效抑制合環運行中的電磁環流。所以運用SEMS來解決電磁合環的環流問題，關鍵在于控制合環兩側的功率平衡。

圖1 含有SMES的供電系統Fig．1 Power supply system with SMES

2 SMES的工作原理和控制策略

SEMS是通過超導線圈將電能以電磁能的形式進行儲存的一種設備，包括四個部分，超導線圈、變換器、控制保護電路和制冷設備。按照換流器區分，SMES可以分為電壓源型超導儲能系統和電流源型超導儲能系統，兩種結構都是通過電力電子器件開關的關斷，控制變流器交流側的電流，實現與交流電網的有功和無功交換，只是超導線圈在連接方式上有所區別。電流源型SMES的超導線圈直接連接在變換器的直流側，而電壓源型SMES超導線圈是通過斬波電路與變流器直流側相連。

2．1 SMES的工作原理

SMES是將電能以電磁能的形式儲存在超導線圈中，當電網需要時再以電能的形式回饋給電網，其典型的特點是儲能線圈用超導材料制成，可以進行反復的充放電操作，沒有能量損耗。圖2是SMES的結構原理圖。

文章研究的是電壓源型SMES，其結構圖如圖3所示，其包括一個電壓源型變流器和一個二象限的DC-DC斬波器。其中VSC包括6個由PWM觸發的全控型器件，其機理可以從三個工作狀態即充電模式、維持模式、放電模式進行分析。SMES結構簡化后如圖4所示，當 K1閉合 K2斷開時，SMES處于充放電模式;K1斷開K2閉合時，超導線圈短路，形成自回路，SMES處于維持模式。

圖2 SMES的結構原理圖Fig．2 Schematic diagram of SMES

圖3 SMES拓撲結構圖Fig．3 SMES topology diagram

圖4 SMES簡化結構圖Fig．4 Simplified structural drawing of SMES

2．2 SMES的控制策略

超導儲能控制系統的關鍵問題是控制器的設計，對于SMES系統，其控制包括外環和內環控制，其中外環控制裝置功率輸出，內環根據外環的參考輸出產生換流器的觸發脈沖，如圖4所示。對于SMES控制器的設計，文獻［5］中提出用神經元法設計超導儲能裝置的魯棒控制器;文獻［6］提出用遺傳算法設計超導儲能裝置的魯棒控制器;文獻［7-10］提出基于H∞理論設計超導儲能裝置的非線性魯棒控制器。上述文獻設計的控制器能夠使系統在收到大干擾后快速恢復運行，對系統級的穩定性有重要意義。本文研究的用SMES解決電磁合環問題可以用更簡單的PID控制規律來設計控制器，能夠根據特定的功能，實現對有功和無功的快速跟蹤和控制。

文中設計的控制器對VSC采用定有功、無功的功率外環和電流內環的雙閉環控制策略，dc-dc側采用定直流電壓控制，具體的控制框圖如圖5所示。

圖5 SMES控制框圖Fig．5 SMES control block diagram

其中功率計算部分為:

參考電流計算部分為:

在VSC側，根據基爾霍夫定律，電流內環為:

式中 ed、eq是VSC的網側電壓;id*、iq*是參考電流值;Vd、Vq分別是控制的目標電壓d/q軸分量;Kpn、Kin(n=1，2)是 PI環節的參數，ωLid和 ωLiq是引入的解耦變量。功率外環提供內環的參考電流，其控制規律為:

式中P*是有功指令參考值;Q*是無功指令參考值;ΔP和ΔQ是功率外環的PI輸出;Kpn、Kin(n=3，4)是PI環節的參數。

為保證VSC四象限運行，實現VSC和斬波器的協調控制，直流斬波側采用的是定直流電壓的控制策略，其控制規律如下:

式中ΔPc是電容功率跟蹤的PI輸出;U*dc是直流側的參考電壓;Kp5、Ki5是PI環節的參數;Pac是VSC交流側的有功功率;1/2LiL2是儲能電感的能量變化。

3 數學模型

電壓源型SMES控制部分包括VSC和直流斬波器兩部分，通過對兩部分分別建模，然后綜合得出控制系統的數學模型。

3．1 VSC 數學模型

考慮到VSC交流側均為時變交流量，將控制系統的設計轉化在同步旋轉坐標系(d，q)下進行。由基爾霍夫定律，按照傳輸功率不變的原則，系統的結構圖如圖6所示。

圖6 同步旋轉坐標系下VSC結構框圖Fig．6 VSC block diagram in synchronous rotating coordinate system

圖6 中，ed、eq是電網電動勢的 d/q軸分量;Sd、Sq是d/q坐標系下的二值邏輯開關函數;id、iq分別為VSC交流側電流的d/q軸分量;Udc是直流側的母線電壓;iL是流入斬波器的電流。由圖6，可得:

3．2 直流斬波器數學模型

SMES有充電、放電，兩種工作模式，直流斬波器根據實際需求，通過對開關的通斷控制，實現電流的雙向流動，所以直流斬波器必須在兩個象限工作。

圖7 直流斬波器充放電模式Fig．7 DC chopper charging and discharging mode

如圖7，VT1和 VT2兩個開關管的工作狀態相同。如圖(a)，當兩開關管同時導通時開始給超導線圈充電。不考慮開關損耗，充電模式下，超導線圈兩端的電壓為電容兩端電壓，根據基爾霍夫定律有:

如圖(b)所示，當VT1和VT2同時關斷時，VD1、VD2和超導電感形成通路，電感處在放電模式，超導線圈兩端的電壓為電容兩端電壓的負值，根據基爾霍夫定律有:

4 仿真

針對含有 SMES的控制合環的供電系統，在PSCAD/EMTDC中搭建了其仿真模型，分別驗證了在負荷不同和變壓器參數不同的情況下，SMES對環流抑制的效果。由于SMES具有四象限的調節能力，控制SMES來調節合環兩側的功率平衡，必須控制直流側電壓的恒定來保證SMES與系統的功率交換。仿真系統參數具體設置見表1。

表1 仿真系統關鍵參數Tab．1 Key parameters of simulation system

(1)合環兩側負荷不同

將合環兩側的變壓器參數設置成相同，兩側負荷分別設置成1 Ω、0．001 H 和1 Ω，檢驗在負荷不同的條件下，SMES對合環電流的抑制效果。

圖8給出了合環線路中SMES調節前后的電磁環流結果。合環后，線路中出現了較大的電磁環流，根據環流的大小，通過預處理，給定控制器一個功率指令，如圖9、圖10所示，控制器根據指令值，通過PI調節，快速達到設定值，以維持合環兩側的功率平衡，此時聯絡線上的環流明顯減小，效果比較明顯。結果表明:在合環兩側變壓器參數相同，負荷不同的情況下，SMES通過功率調節對抑制電磁環流具有比較好的效果，能夠達到控制要求。

圖8 合環電流(兩側負荷不同)Fig．8 Ring closed-loop current(different loads on both sides)

圖9 無功功率指令跟蹤(兩側負荷不同)Fig．9 Reactive power command tracking(varying loads on both sides)

圖10 有功功率指令跟蹤(兩側負荷不同)Fig．10 Active power command tracking(different loads on both sides)

(2)合環兩側變壓器參數不同

將合環兩側的負荷參數設置成一致，接有SMES一側的變壓器變比設置成11/3．6，另外一側設置為11/2．4，檢驗在變壓器參數不同的條件下，SEMES抑制合環電流的效果。仿真圖如圖11～圖13所示。

圖11 合環電流(兩側變壓器參數不同)Fig．11 Closed-loop current(different transformer parameters on both sides)

圖12 無功功率指令跟蹤(兩側變壓器參數不同)Fig．12 Reactive power command tracking(different transformer parameters on both sides)

圖13 有功功率指令跟蹤(兩側變壓器參數不同)Fig．13 Active power command tracking(different transformer parameters on both sides)

仿真中為了使直流側電壓穩定，功率調節設置在0．3 s啟動。圖11給出了合環電流的變化結果。0．3 s后，當SMES投入工作后，饋線中合環電流快速衰減，由圖12、圖13，當功率跟蹤達到指定值后，合環兩側功率平衡，饋線上的合環電流降低，穩定到一個較小值。結果表明:在合環兩側負荷相同，變壓器不同的情況下，SMES通過功率調節對抑制電磁環流具有比較好的效果，能夠達到控制要求。

在兩種情況下，控制SMES與系統功率的交換，都要控制直流側電壓的恒定。系統投運的前0．3 s是用于給電容充電，使得直流側電壓穩定在4 000 V左右，保證SMES投運后，穩定的按照指令值進行功率調節。圖14、圖15是兩種情況下直流側電壓的控制結果。

圖14 直流側電壓(兩側負荷不同)Fig．14 DC side voltage(load on both sides is different)

圖15 直流側電壓(兩側變壓器參數不同)Fig．15 DC side voltage(different transformer parameters on both sides)

5 結束語

SMES具有轉換效率高、響應速度快、控制靈活的優點，在電力系統中得到了廣泛的應用;能夠獨立控制系統的有功和無功，對于提高電力系統穩定性具有重要意義。

研究了基于SMES的電磁合環環流抑制控制技術，利用SME快速、獨立控制有功無功、四象限運行的特點控制合環兩側的功率平衡，達到抑制合環電流的目的。在PSCAD中搭建了仿真模型，驗證了在負荷和變壓器參數不同的情況下，SMES對于抑制電磁環流的作用。

在負荷不同的時，加入SMES進行調節后，合環時的線路環流減少了80%左右;當變壓器兩側參數不同時，加入SMES進行調節，線路環流減少了85．7%左右。兩種工況下，加入SMES進行調節都有比較理想的調節效果，能夠很好的抑制環流。

通過仿真分析，得出結論:SMES能夠有效抑制電磁環流，基于SMES的電磁合環環流抑制方案可行。