基于PI控制器的超導儲能系統功率調節研究

張智鑫 包 敏 張惠敏 何海文 劉 軼

（吉首大學信息科學與工程學院，湖南 吉首 416000）

0 引言

超導儲能系統（SMES）是一種大型超導線圈，它可以通過直流電流產生磁場的形式無限期地儲存能量。主要應用包括儲能、提高系統穩定性、日負荷均衡和電壓穩定（暫態和動態）、靜態無功補償、電流諧波抑制。工業和商業的負荷需求通常很高，在這些行業，負荷需求會不時變化。因此，SMES系統由于其可靠性得到了廣泛的應用[1]。

高溫超導體發現之前以及之后的很長時間，SMES的研發都主要集中于低溫SMES。美國、日本等國家先后開發出示范系統，目前，0.1～10 MW的系統已經在電能質量調節領域實現了小規模商業化運行。隨著高溫超導帶材的商業化生產，高溫SMES逐漸成為研究焦點。1993年，美國學者提出了高溫SMES的概念設計。1997年，美國超導公司研制成功一臺采用Bi-2223帶材5 kJ高溫SMES，這是世界第1臺具有一定規模的高溫SMES。受此激勵，此后幾百到幾北焦耳的高溫SMES如雨后春筍一樣在世界各主要超導研究國家和地區相繼被建造。早期主要采用Bi系帶材，后來ReBco帶材成為主流。Mgb2發現后，由于具有良好的磁場性和機械性能，也很快就有學者將之用于SMES磁體的建造[2]。

SMES的PCS作為實現其在電力系統應用的重要接口，其控制通常分為底層控制和上層控制。PCS的底層控制主要指變流器的PWM控制，隨著可控型電力電子器件的發展，變流器的開關控制已由早期的相位調制技術轉變為PWM技術，文獻[3]分別研究了正弦PWM（SPWM）和優化PWM技術在CSC中的應用。VSC的PWM技術除了上述PWM方法外，還發展出了基于空間矢量的SVPWM技術，文獻[4]基于旋轉空間矢量算法進行了VSMES控制技術研究。無論是VSC型PCS還是CSC型PCS，其上層控制都用于實現SMES的四象限功率雙向流動。目前其控制方法主要有直接電流控制、相位調節控制、dq坐標系下的解耦控制以及直接功率控制[5]。其中直接電流控制有電流滯環控制、預測電流控制，dq坐標系下的解耦控制有直接反饋解耦控制、逆系統、反饋線性化等。

1 超導磁儲能系統

SMES模型是一種以磁場形式儲存能量的模型。電流是由線圈中的直流電流產生的。由于電流儲存的能量在自然界中循環，它可以在毫秒到數小時的時間內被瞬間吸收或儲存。圖1中的SMES裝置包括一個大的SC線圈，該線圈的溫度適用于低溫系統，由氦等惰性氣體組成的低溫恒溫器或液體容器維持。開關用于旁路并將能量損失最小化，特別是當線圈處于備用狀態時，開關還可以通過另一種方式，如在失去任何使用連接時，繞過SC線圈電流[6]。

SC線圈的大小將決定SC線圈中存儲或供應的最大能量或最大功率。這些標準的評級取決于中小企業的應用類型。SC設備運行的溫度就像是成本和服務要求之間的取舍。由于與經濟相關的問題，目前主要采用低溫超導模型，它的運行成本非常低，而且有可能實現高效率。

圖1 基本超導線圈單元

SMES裝置能夠在不影響效率的情況下儲存高達4500兆瓦時的能量，其效率高達95%，并且無論是在充電還是放電模式下，其響應速度都非常快，僅需幾毫秒。由于這個原因，SMES被認為是負荷和相應需求波動的理想裝置，它也避免了大量的機組跳閘，并帶走了多余的能量。這保證了我們減少旋轉儲備的需求。

SMES裝置能夠在不影響效率的情況下儲存高達4500兆瓦時的能量，其效率高達95%，并且無論是在充電還是放電模式下，其響應速度都非常快，僅需幾毫秒[7]。由于這個原因，SMES被認為是負荷和相應需求波動的理想裝置，它也避免了大量的機組跳閘，并帶走了多余的能量。

2 SMES功率調節

2.1 工作原理

該系統基于負載源SMES線圈能量平衡原理運行[8]。電源電流取決于另外兩個電流，負載電流和補償電流。

其中，Isup為電源電流，Icomp為逆變器電流，Iload為負載電流。補償電流是雙向斬波器占空比、VSC的M.I和SC線圈電流Isc的函數。

其中，Isc是SMES的線圈電流，D是斬波器的占空比，M是VSC的調制系數。

在負載補償的情況下，供電后的剩余能量負責SC線圈的充電。據說能量是在這種情況下儲存的。在這種情況下，Psupply>Pload和PSMES=Psupply-Pload通常發生在輕載條件下，也避免了費蘭蒂效應。

無論何時有重負載需求或系統處于峰值負載狀態，負載中的不足能量由SMES提供，此時線圈將釋放存儲的能量。負載平衡是通過這種方式實現的。然而，電容器電壓將保持恒定，但在參考值上下波動。這里，Psupply

系統中，電壓的承受值Vcapacitor，電流的承受值Isupply被設定。當SC線圈充電時，電容器上的電壓由公式（3）確定。

式中，Vcap是直流連接電壓 （伏特），C是電容量（法拉德），Isc是Iinductor，上升到某個值。

如果SC線圈正在放電，則直流鏈路上的電壓將增大到：

Iinductor會減少到：

相應地，在逆變側，通過調整滯環調節器的優化值Vcapacitor來相應地控制源電流值。電流上升時，即Isupply向上限上升。

Vcapacitor將上升到。

相應地，如達到了上限值，Isup開始向較低的頻帶遞減；可以通過下式得到Isup（t+t'）。

直流電壓將降低到：

充電和放電期間的功率流如圖2所示。現在它還可以控制最大負荷需求[9]。當負載功率小于電源功率時，線圈被稱為充電；負載補償時，負載功率大于電源功率時，線圈放電。在SMES的幫助下實現能量平衡，電容器電壓在整個充放電循環中保持恒定。

圖2 PCS在負載補償下的功能

3 控制器建模

3.1 VSC構建的PCS

圖3顯示了VSC構建的PC的圖示[10]。基于VSC的PCS由一個6脈沖滯回帶雙向VSC和IGBT開關組成，IGBT開關具有反并聯二極管，使充電和放電都可行；一個雙向DC/DC轉換器，具有簡單的IGBT（無二極管反并聯），二極管SC線圈和DC鏈路，用于級聯或解耦VSC和斬波器確保其兩端的電壓始終恒定。實際上，這臺PC機被用作連接SC線圈和電源的接口。為了產生VSC的脈沖，在每個相位比較基準電流和實際補償電流，產生的誤差通過繼電器傳遞，繼電器設置一個頻帶，并相應地將產生的脈沖提供給IGBT開關。VSC在充電模式下充當Ac-Dc轉換器，在放電模式下充當逆變器。在充電期間，甚至在放電期間，直流鏈路始終保持轉換器的輸出恒定，直流鏈路上的電壓也是恒定的[11]。

圖3 電壓源轉換器構建的功率調節系統

在PCS里面使用的2個四電平DC-DC轉換器由簡單的IGBT和簡單的二極管組成。IGBT沒有反并聯二極管。在充電模式下，SC線圈將通過兩個IGBT充電，在放電模式下，SC線圈通過二極管放電。脈沖的產生方式是：充電時為正脈沖（接通狀態），放電時為負脈沖（開關處于斷開狀態）。因此，在這個斬波器有助于調節充放電循環。斬波器的占空比D決定了充電和放電模式，這是通過線圈知道的。

3.2 DC/DC斬波電路

DC-DC變換器最重要的功能是調節SMES的充放電周期，達到能量平衡。在充電時，它充當電容器和SC線圈之間的接口，在兩個極限之間波動的斬波器輸出將對SC線圈充電，使功率從電容器流向SC線圈。放電時，它會將極性相反的電容器連接到原電容器上，以保證電流反向。電路圖如圖4所示[12]。

如圖4所示，當兩個開關被觸發時，電流通過VSC、DC鏈路、斬波器和正電壓從電源流向SC線圈。即線圈充電的過程。當兩個開關中一個被觸發器關閉，電流從SC線圈通過斬波器、直流鏈路和VSC流向負載時，SC線圈為-Vsc，保證放電。斬波器的占空比決定SMES的充放電。如果D等于0.5，則Vscavg和通過SMES PCS的電流都為0，并且設備處于空閑狀態。在整個循環中傳遞的功率為0。當D>0.5時，電壓為正，SC線圈將進行充電過程，電流明顯地通過基于VSC的PCS從電源流向SC線圈，來自電源的額外能量被轉移到線圈。如果D<0.5，則認為線圈處于放電狀態，因為電壓為負，負載所需的缺陷能量由線圈中的儲能提供。最后，充放電循環取決于斬波器的占空比D。

3.3 功率控制

在電網電壓Us和輸入電抗一定的情況下，通過控制 VSC交流側 d、q軸的電壓urd3和urq3，能夠對變流器交流側的d、q軸電流進行準確控制。由電網和SMES之間的擬交換功率確定VSMES交流側 d、q軸輸出電流isdr、isqr，再根據式（11） 計算urd3和urq3控制分量。

其中，和分別為SMES和電網之間擬交換的有功和無功功率。

根據前面所述的VSC交流側電流解耦控制原理可知，通過在所確定的urd3和urq3控制分量基礎上疊加電流狀態反饋和電網電壓的前饋補償，即可實現圖5所示SMES的功率控制。

圖4 二象限電壓雙向DC/DC變換器

圖5 SMES的功率控制原理圖

圖5中，外環控制器用于保持SMES與電網交換的功率跟蹤功率指令值。它主要依據SMES的功率交換指令值Pr、Qr與實際值Psm、Qsm之間的誤差 PI調節后確定用于內環控制器輸入的VSC交流側電流的d、q 軸電流控制分量isdr、isqr。

電流內環控制器則根據外環控制器的d、q軸指令電流和VSC交流側等效電感和阻抗形成用于控制VSC交流側電流d、q軸分量的urd3、urd3，然后該控制量分別與引入的urd1、urd2和urq1、urq2控制分量相加，形成用于VSC進行SPWM的調制波信號的d、q軸電壓分量urd和urq。正弦調制信號的幅值M和相位α由式（12）確定[14-15]：

4 結論

SMES儲能密度大，充放電速度快且沒有環境污染，是非常理想的儲能元件。快速準確的四象限功率調節是實現SMES在電力系統應用的關鍵。本文從實現對SMES電網側電流幅值和相位的能控性出發，探討了VSC的SPWM開關策略，在此基礎上進一步研究并提出了用于實現SMES的功率控制策略。