超导储能装置提高电力系统暂态稳定性的研究

核心提示：　　超导储能装置提高电力系统暂态稳定性的研究郑丽，马居新，李立春（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）（是把电bsh女汉建，f%ww.Cnki.net导储能的单桥系统和双桥系统数学模型

　　超导储能装置提高电力系统暂态稳定性的研究郑丽，马居新，李立春（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）（是把电bsh女汉建，f%ww.Cnki.net导储能的单桥系统和双桥系统数学模型，并实现了有功控制和有功无功综合控制的各种控制策略。在单机无穷大和多机系统上的计算机仿真表明，超导储能装置能有效地提高电力系统的暂态稳定性论文研究了控制方式对暂态稳定性的影响，对影响其效果的多种因素，如安装地点等，也进行了比较详细的研究。

　　712：A随着超导技术的发展，尤其是高温超导的出现，超导在电力系统中应用的前景看妊目前，人们正在研究的装置包括超导储能装置，超导电机，超导输电线，超导限流器等其中，超导储能装置SMES能存储在磁场中的一种设备它通过整流逆变桥把交流电转化成直流，对巨大的螺线管线圈充电。由于线圈由超导材料制成并维持在超导状态下，所以，线圈中的能量可以几乎无损地储存并在需要时，功率从磁场中放出，转化为交流功率，输送给交流电网。

　　超导储能装置具有如下的特性：1）转换效率高大型低温超导储能装置的充电放电效率约为90%~9%.高温超导储能装置的效率则可高达94%，甚至更高。2）响应速度快。SMES从最大充电功率到最大放电功率的转换只需几十ms3）SMES既可进行有功功率的调节，又可进行无功功率的调节，还可以同时进行有功无功的独立控制，具有很高的灵活性由于超导储能装置的这些优异的特性，其应用范围非常广根据容量的大小，SMES系统可以分为大中小容量。大容量SMES（5 107~1tfMJ）主要用来平衡电网的日高峰和夜低谷负荷。中小容量的SMES（储能小于1tfMJ）可以用于提高电力系统的稳定性、阻尼同步振荡以及提高电能质量等等由于制造大容量超导线圈的技术困难，目前的研究多数集中在中小容量上本文从超导储能系统的机理出发，建立超导储能的一组数学模型，通过计算机仿真，研究SMES对提高系统暂态稳定性的作用，并研究其控制规律1SMES的原理和数学模型1.1SMES的基本原理SMES系统主要由超导线圈、换流电路、控制保护电路及制冷设备组成超导储能单桥系统实际上为纯感性负载三相整流逆变桥。对整流逆变桥的控制是通过控制开关器件的导通状态实现的超导储能装置与交流系统的连接在以上的假设条件下，换流桥的数学模型（标幺值）可表示为3丌（4）/s=/s1+/s2.（5）超导线圈中的电量可表示为：jrjd/d根据换流电路基本原理，可以得到如下的基本关系：丌其中：Vd为直流侧电压平均值；Psm为SMES吸收的有功；Q-为SMES吸收的无功；V为交流侧相电压有效值；T，T为触发角。由在此策略中，Ak作为控制信号，控制系统使与系统交换的功率与之成比例当故障节点处发电机的Ak为正数时，SMES从系统吸收有功功率；当Ak为负数时，SMES向系统放出有功功率，如所示，它所表示的控制系统的数学表达式为2.2有功控制策略2（P-Ape控制）在实际应用中，转子角速度k的测量比较困难而对功率的测量在电力系统中很容易实现，我们用发电机发出的有功偏差APe=P*-Pe作为控制变量，对SMES与系统的有功交换进行控制，控制规律选用PI控制器加惯性环节。

　　2.3有功无功综合控制以通过反三角函数求出T，T2本文对有功无功综合控制采用如所示的框图，其中，有功控制器和无功控制器的传递函数分别为：3计算机仿真3.1仿真的系统接线在单机无穷大系统和三机系统（）上分别进行仿真仿真的故障为：单机系统：发电机机端升压变压器高压侧，在0.2S发生三相短路故障，经过一定时间切除故障，然后单回线运行。

　　三机系统：故障A0.2s时，A点发生三相短路，经过一定时间后切除7，8节点之间的线路。故障B0.2s时，B点发生三相短路，然后切除6，7节点之间的线路故障C0.2s时，8号节点发生三相短路，然后切除8，9节点之间的线路3.2单机系统仿真结果是PAk控制下，SMES和系统各变量的动态过程从图中可以看出，当发电机转子相对角速0时，触发角T在0到n/2之间，SMES吸收的有功Psm为正超导线圈上的直流电流“增大；当Ak<0时，触发角T在n/2到n之间，SMES发出有功，”减小。比较了SMES有功控制和没有SMES时发电机角速度和相对角度的动态过程，可以看出，SMES的有功控制能有效地降低发电机第一摇摆的最大相对角度Wax，提高暂态稳定性仿真结果见表1仿真表明，在控制系统参数选择合适的条件下，用功率偏差APe作为控制变量，控制超导储能系统，具有和以Ak为控制信号的系统大致相同的效果事实上，由转子运动方程，发电机电磁功率与其转速有如下关系：ApP=T-dk/dt），其中，Tj为发电机的惯性时间常数而本文所采用的pAk控制和pAPe控制恰好符合上述关系因此，只要参数选择合适，控制策略2和控制策略1等效。综合前面的内容，可以得到以下结论：表1故障点为线路中点时，各种控制下，系统的暂态稳定性有功控制有功无功综合控制Trec的提高％Pe，max的提高％SMES有功控制，能明显地提高系统暂态稳定性阻尼振荡SMES的有功无功综合控制，效果有进一步地提高，但相比于有功控制，提高不大。

　　3.3多机系统仿真结果仿真系统如所示，对于该三机系统构成的环网，结构联系比较紧密，而故障后系统变为开环，结构发生很大变化；同时，多机系统中存在多个振荡模式本文考察超导储能系统装设在不同地点，在不同的故障情况下，对系统暂态稳定性的影响。

　　愚4SMESa和系统质量的盈态过IcWcbookmark1比较了故障A，多机系统没有SMES在发电机2机端、在发电机3机端装设SMES多种情况下系统的动态过程。SMES的引入能有效地降低相对相角W-W和W-W，提高暂态稳定性；且不论的振荡均有抑制作用，同时，SMES装设地点靠近某台发电机，则对该发电机的影响更明显仿真故障B和C，可以得到类似的结果。表2列出了仿真结果表2不同故障，SMES在不同发电机节点上，极限切除时间Tre的比较故障类型没有SMES在（*节点在G3节点同时在G2和G3首先失稳的发电机0.59时发电机在第一摆没有失稳，但其后等幅甚至增幅振荡。

　　*Tr*为0.58时，可以使系统经过振荡后稳定下来*G2首先失稳，（*也很容易失稳由此可知：a）SMES不论装设在哪一台发电机机端，对提高整个系统的暂态稳定性，都有好处，其作用的大小与SMES离故障的电气距离、发电机的参数等相关b）SMES装在哪台发电机机端，便对提高该台发电机的稳定性的影响最大c）把SMES装设在最先失稳的发电机机端，能最有效地提高系统的暂态稳定十生4结论本文简要介绍了超导储能装置的基本工作原理，建立了超导储能系统的一组非线性微分方程组数学模型超导储能装置能同时控制它与交流系统交换的有功和无功功率。文中提出了应用超导储能装置的有功控制和有功无功综合控制提高电力系统暂态稳定性的各种控制策略本文分别在单机无穷大和多机系统上，进行了计算机仿真，研究了超导储能系统的有功控制，有功无功综合控制对提高电力系统暂态稳定性的作用。仿真结果表明：超导储能装置能有效地提高系统的暂态稳定性；其中，有功控制直接调节发电机输出的电功率，能显著地提高系统的暂态稳定性；有功无功综合控制更进一步提高了效果。在多机系统中，SMES装设在各发电机机端能够有效地提高暂态稳定性，且超导储能装设在哪一节点，则对这一节点上的发电机的暂态过程影响最大对整个系统而言，SMES装设在最先失稳的发电机机端效果最好。