丘 明，諸嘉慧，魏 斌，張宏杰

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“電能存取”環(huán)節(jié)薄弱，使運(yùn)行和管理過(guò)程中的靈活性和有效性受到極大限制；而電能在“發(fā)、輸、供、用”過(guò)程中必須在時(shí)空上達(dá)到“瞬態(tài)平衡”，如果出現(xiàn)局部失衡就會(huì)引起電壓波動(dòng)、頻率振蕩或閃變，造成系統(tǒng)的解列，導(dǎo)致大面積停電事故。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、諧波濾除等裝置的使用，在一定程度上緩解了電網(wǎng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量問(wèn)題，但各自仍存在問(wèn)題。保障電網(wǎng)長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行，就必須在電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)點(diǎn)上建立強(qiáng)有力的“電能存取”儲(chǔ)能單元對(duì)系統(tǒng)給予支撐。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（superconducting magnetic energy storage，SMES）直接存儲(chǔ)電磁能，功率輸送時(shí)無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換，與蓄電池等其它儲(chǔ)能方式相比較，具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105kW/kg）大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的瞬時(shí)大容量能量和功率交換，滿(mǎn)足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)和提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，自20世紀(jì)70年代起一直受到世界各國(guó)政府、能源電力等機(jī)構(gòu)的廣泛重視[1-4]。

如今，世界上30 MJ 低溫SMES已投入高壓輸電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行，5 GW·h的SMES通過(guò)了可行性分析和技術(shù)論證，但液氦系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)要求高，SMES的經(jīng)濟(jì)容量和運(yùn)行成本制約了一般場(chǎng)合的應(yīng)用和推廣；高溫超導(dǎo)鉍系線(xiàn)材采用Ag基體成本高，臨界電流隨磁場(chǎng)增加迅速減小，SMES極限容量受到其高場(chǎng)載流特性和機(jī)械強(qiáng)度的限制，為提高工程電流密度選擇通常采用G-M制冷機(jī)冷卻至20～30 K運(yùn)行[5-6]，該溫區(qū)制冷效率低，磁體穩(wěn)定裕度?。蝗舨捎昧銚]發(fā)液氦制冷技術(shù)，工作在4.2 K，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善，但與低溫SMES相比較其經(jīng)濟(jì)性又受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

采用Ni-W基帶的YBCO涂層導(dǎo)體成本低，隨著IBAD/PLD、RABITS/MOD等工藝的不斷改進(jìn)已有美國(guó)超導(dǎo)、SUPERPOWER、日本住友、藤倉(cāng)等多家公司可以提供單根100～800 m長(zhǎng)、4～5 mm寬、77 K自場(chǎng)載流能力70～250 A的商品化帶材[7-10]；462 m單帶繞制的口徑φ19.1 mm磁體64 K中心場(chǎng)強(qiáng)2.4 T，4.2 K場(chǎng)強(qiáng)中心9.81 T，19 T背場(chǎng)下產(chǎn)生26.8 T磁場(chǎng)；商業(yè)化涂層導(dǎo)體的性能已基本滿(mǎn)足SMES應(yīng)用的要求。

1 涂層導(dǎo)體性能測(cè)試與比較

圖1顯示了超導(dǎo)線(xiàn)材傳輸電流特性測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)減壓降溫獲得65～77 K過(guò)冷液氮環(huán)境，借助旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變導(dǎo)體帶面與背景磁場(chǎng)之間夾角，利用電壓四引線(xiàn)法即可測(cè)量涂層導(dǎo)體在不同磁場(chǎng)下的載流特性。圖2和圖3分別顯示了69 K和77 K溫度下4 mm帶寬YBCO涂層導(dǎo)體臨界電流及其密度隨磁場(chǎng)的變化曲線(xiàn)，可以看出磁場(chǎng)下導(dǎo)體臨界電流減小，帶面與磁場(chǎng)夾角 30°～40°附近出現(xiàn)極小值，極值所對(duì)應(yīng)夾角隨磁場(chǎng)的增加而減小，整體表現(xiàn)出明顯的各向異性和非單調(diào)特征，與鉍系高溫超導(dǎo)帶材相比存在一定差異；在5～8 T磁場(chǎng)下仍保持104A/cm2量級(jí)臨界電流密度。

圖1 高溫超導(dǎo)線(xiàn)材傳輸特性測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Measurement platform for transport characteristic of high-Tc superconducting wire

圖2 YBCO涂層導(dǎo)體臨界電流隨磁場(chǎng)夾角的變化Fig.2 The change of critical current with the angles of magnetic fields for YBCO coated conductor

圖3 涂層導(dǎo)體和鉍系帶材臨界電流密度隨磁場(chǎng)的變化Fig.3 The changes of critical current density with magnetic fields for YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire

磁體繞制、勵(lì)磁和運(yùn)行過(guò)程中涂層導(dǎo)體將經(jīng)受彎曲和拉壓，并受到電磁力的作用。為了考察其機(jī)械特性，通過(guò)力學(xué)測(cè)試得到77 K溫度下涂層導(dǎo)體和鉍系帶材拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。從圖4中可以看出，涂層導(dǎo)體楊氏模量86.767 GPa，屈服強(qiáng)度超過(guò) 350 MPa，明顯高于鉍系帶材的54.118 GPa和330 MPa，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

YBCO涂層導(dǎo)體商品化長(zhǎng)度均勻度已達(dá)到7.9%，高溫、強(qiáng)場(chǎng)載流特性及其成材技術(shù)的發(fā)展，為SMES液氮溫區(qū)高效運(yùn)行、進(jìn)一步提高比容量并在電力系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用提供了可能。2007年，韓國(guó)研究者利用1.2 m長(zhǎng)YBCO涂層導(dǎo)體制作40 mm線(xiàn)圈，并實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)運(yùn)行，中心磁場(chǎng)持續(xù)測(cè)量72 h沒(méi)有變化；而美國(guó)MIT則用10 m長(zhǎng)YBCO涂層導(dǎo)體制作內(nèi)徑100 mm儲(chǔ)能繞組，77 K運(yùn)行電流60 A，儲(chǔ)能量27.5 J。

圖4 YBCO涂層導(dǎo)體和Bi-2223帶材拉伸狀態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Strain-stress curves of YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire at tensile strains

為掌握高溫運(yùn)行SMES技術(shù)，積極推動(dòng)超導(dǎo)電力技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，借鑒歐美SMES研發(fā)經(jīng)驗(yàn)并考慮到Y(jié)BCO涂層導(dǎo)體目前成本，本項(xiàng)目立足千焦特征容量等級(jí)，嘗試構(gòu)造適于高溫區(qū)運(yùn)行Micro-SMES，有針對(duì)性地開(kāi)展了儲(chǔ)能線(xiàn)圈電磁和結(jié)構(gòu)優(yōu)化、繞制工藝、低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其一體化集成研究，并深入探討狀態(tài)監(jiān)測(cè)、失超保護(hù)、功率控制與調(diào)節(jié)方法等前沿技術(shù)，以便從中發(fā)現(xiàn)、分析和解決涂層導(dǎo)體SMES儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)、構(gòu)造、控制和保護(hù)等普適性問(wèn)題。

2 Micro-SMES系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和構(gòu)造

2.1 儲(chǔ)能磁體

儲(chǔ)能磁體是SMES系統(tǒng)核心，其尺寸由儲(chǔ)能量和結(jié)構(gòu)決定。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)忽略位移電流和有源電流區(qū)渦流，采用全場(chǎng)域三維靜磁場(chǎng)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)化為矢量磁位A表示的邊值問(wèn)題，即

式中，μ為材料的磁導(dǎo)率；Γ為磁體外部空氣邊界，滿(mǎn)足第一類(lèi)邊界；J為載流密度。

與常規(guī)磁體不同，超導(dǎo)磁體的運(yùn)行電流由超導(dǎo)體載流特性和磁體勵(lì)磁曲線(xiàn)決定，而勵(lì)磁曲線(xiàn)則取決于繞組的大小和形狀。為了確定磁體所允許的最大運(yùn)行電流Im大小，依據(jù)涂層導(dǎo)體臨界電流與磁場(chǎng)依賴(lài)關(guān)系，應(yīng)用迭代原理優(yōu)化得到式（2）、式（3），即

式中，ε為迭代因子，Imk、Imk+1為第k和k+1次迭代下所允許的最大運(yùn)行電流，OF為收斂判斷式。

圖5所顯示的為兩種典型儲(chǔ)能磁體構(gòu)型，針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)定單個(gè)繞組線(xiàn)圈線(xiàn)長(zhǎng) 200 m，考慮到Y(jié)BCO層導(dǎo)體磁場(chǎng)下臨界電流的各向異性，進(jìn)行磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖6給出了運(yùn)行電流60 A時(shí)內(nèi)部磁場(chǎng)分布，可以看出螺管磁體比環(huán)形磁體具有更高的磁密，但漏磁場(chǎng)大；而環(huán)形磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)能效率低。圖7則給出了螺管磁體內(nèi)部自場(chǎng)方向與導(dǎo)體帶面夾角40°的幾何區(qū)域及其二維剖視圖，圖中1、2點(diǎn)處磁密幅值分別達(dá)到1.53 T和0.109 T，這些區(qū)域的導(dǎo)體由于受到磁場(chǎng)的作用具有較低的臨界電流，限制了磁體的最大載流能力和儲(chǔ)能值。

圖5 螺管和環(huán)形磁體構(gòu)型Fig.5 Toroidal and annular configurations of magnet

圖6 螺管和環(huán)形磁體內(nèi)部磁密分布Fig.6 Flux distributions of toroidal and annular magnets

圖7 約束螺管磁體載流能力的幾何空間及其二維剖視圖Fig.7 Geometrical space and its 2D cross-section in toroidal magnet restricting working current level

為了節(jié)約成本、盡可能地提高儲(chǔ)能磁體容量大小，提出了混合螺管磁體構(gòu)型，采用美國(guó)Superpower公司生產(chǎn)的12 mm和4 mm帶寬兩種規(guī)格涂層導(dǎo)體設(shè)計(jì)并繞制儲(chǔ)能磁體，以改變內(nèi)部磁場(chǎng)分布，使約束電流區(qū)域位于具有高臨界電流的 12 mm寬導(dǎo)體處，獲得性能的優(yōu)化。表1和圖8分別給出了優(yōu)化后的混合和單一螺管磁體的設(shè)計(jì)參數(shù)、性能比較和磁體內(nèi)部場(chǎng)分布，可以看出雖然混合磁體總電感減小至2.5 H，但最大允許運(yùn)行電流增加近1.3倍，導(dǎo)體用線(xiàn)僅為單一螺管磁體的67%，50 K溫度儲(chǔ)能量達(dá)到3.5 kJ，顯示出較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，電感減小有助于減小磁體充電/釋能所需時(shí)間，提高SMES系統(tǒng)響應(yīng)速度。

表1 混合和單一螺管磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)及其性能比較Table 1 Optimized design parameters and performances of hybrid and single toroidal magnets

圖8 混合和單一優(yōu)化螺管磁體內(nèi)部磁密分布Fig.8 Flux distribution of optimized hybrid and single toroidal magnets

2.2 低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)由杜瓦、導(dǎo)熱筒、熱輻射屏、AL600制冷機(jī)等部分組成，如圖9所示。其功能是冷卻涂層導(dǎo)體儲(chǔ)能磁體，使之保持在特定工作溫區(qū)，存在兩種工作模式：①液氮浸泡磁體，液面高度和磁體溫度通過(guò)液面計(jì)和傳感器監(jiān)控，制冷機(jī)冷量通過(guò)柔性連接和導(dǎo)熱筒傳入液氮，使之處于63～70 K過(guò)冷液氮溫區(qū)，通過(guò)控制氦-氮混合氣體壓力加以調(diào)節(jié)，氣壓維持在10 kPa以上以防止液氮固化（如圖10所示）；②傳導(dǎo)冷卻儲(chǔ)能磁體，使之冷卻并保持在40～60 K溫區(qū)。

圖9 Micro-SMES低溫系統(tǒng)布局Fig.9 The layout of cryogenic system for Micro-SMES

圖10 低溫氮相圖Fig.10 Phase diagram for low temperature nitrogen

低溫系統(tǒng)的性能和運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到 SMES最低工作溫度點(diǎn)、效率和可靠性，為此除采用多層絕熱工藝制做杜瓦、并在內(nèi)部設(shè)置熱輻射屏來(lái)減少腔體輻射漏熱外，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了低溫高壓絕緣和變截面氣冷復(fù)合高溫超導(dǎo)電流引線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明，變截面常規(guī)電流引線(xiàn)傳導(dǎo)漏熱可以按平均截面積相等的等截面電流引線(xiàn)來(lái)處理，確定高溫超導(dǎo)引線(xiàn)上端平衡溫度點(diǎn)，并通過(guò)杜瓦漏熱-氮?dú)饬髁壳€(xiàn)與液氮蒸發(fā)率-潛熱函數(shù)關(guān)系獲得自冷引線(xiàn)的液氦蒸發(fā)率值后，基于阮耀鐘分段法就可以計(jì)算出一定截面半徑變化步長(zhǎng)條件下常規(guī)引線(xiàn)的優(yōu)化幾何參數(shù)，如圖 11所示。結(jié)合磁體勵(lì)磁/釋能和閉環(huán)時(shí)能耗、低溫系統(tǒng)漏熱、冷卻機(jī)效率和磁體安全穩(wěn)定裕度等綜合性能分析（圖12），從而獲得涂層導(dǎo)體Micro-SMES的最佳運(yùn)行溫度。

圖11 引線(xiàn)優(yōu)化長(zhǎng)度與室溫端截面關(guān)系曲線(xiàn)Fig.11 Optimized length of current lead with its cross-section in 300 K

圖12 Micro-SMES最佳運(yùn)行溫度確定流程Fig.12 Procedure to optimize the operating temperature for Micro-SMES

2.3 功率變換裝置

功率變換裝置是儲(chǔ)能磁體和電網(wǎng)間能量/功率傳遞的橋梁，考慮到技術(shù)的成熟度，涂層導(dǎo)體Micro-SMES選擇電壓型變流器（VSR），其主電路拓?fù)淙鐖D 13所示，其中 L為濾波器電感，S1～S6為整流/逆變單元的IGBT單元，Cd1為直流母線(xiàn)側(cè)并聯(lián)電容，S7、S8為直流斬波器IGBT單元，VD1和VD2為續(xù)流回路①和②中的續(xù)流二極管。

圖13 變流器主電路拓?fù)鋱DFig.13 Main topological diagram of Micro-SMES converter

VSR功率變換過(guò)程中，基于TMS320F2812 DSP采用SVPWM脈沖觸發(fā)方式和雙環(huán)反饋的控制策略對(duì)整流和逆變單元進(jìn)行控制，通過(guò)斬波器單元中IGBT S7和S8的導(dǎo)通/斷開(kāi)時(shí)間控制超導(dǎo)線(xiàn)圈的充電、續(xù)流和放電過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和電能單位功率因數(shù)的轉(zhuǎn)換。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合時(shí) uq= 0，VSR同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以表征為

式中，Uid、Uiq為三相電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影，iid、iiq為整流器側(cè)電感電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影。可以看出，數(shù)學(xué)模型中存在交叉耦合項(xiàng)，將不利于電流的控制，為此電流調(diào)節(jié)器采用PI控制，忽略 ωeL∑id和 ωeL∑iq，以便實(shí)現(xiàn)dq軸電流內(nèi)環(huán)的解耦控制，dq軸電流可以通過(guò)式（5）求得，解耦控制原理和VSR系統(tǒng)整流控制系統(tǒng)如圖14、圖15所示。逆變運(yùn)行時(shí)，則根據(jù)磁體回饋電網(wǎng)的儲(chǔ)能量得出電網(wǎng)側(cè)三相電流值作為給定的控制目標(biāo)量，如圖16所示。

圖14 VSR電流環(huán)解耦Fig.14 Decoupling control system of VSR currents

Micro-SMES VSR設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)側(cè)穩(wěn)定輸出電壓600 V，其波形如圖17所示，其中q軸電壓為零，d軸電壓為相電壓值。圖18顯示了充電過(guò)程中電網(wǎng)側(cè)A相電流，可以看出三相電流穩(wěn)定，THD比較小，且與電壓同相位，體現(xiàn)出單位功率因數(shù)控制的思想。圖19則顯示了斬波器在整流和逆變狀態(tài)下磁體充電至 30 A和進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)時(shí)的電流變化。為防止儲(chǔ)能磁體開(kāi)環(huán)、補(bǔ)償續(xù)流回路中器件/線(xiàn)路損耗，VSR附加補(bǔ)償用電流源，以確保 VSR快速有效地從三相電網(wǎng)中吸收/回饋能量。

圖15 VSR整流控制系統(tǒng)Fig.15 Rectify control system of VSR

圖16 VSR逆變控制系統(tǒng)Fig.16 Inverter control system of VSR

表2 Micro-SMES VSR設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of Micro-SMES VSR

圖17 直流母線(xiàn)側(cè)電壓波形Fig.17 Voltage waveform of DC bus bar

圖18 磁體勵(lì)磁時(shí)電網(wǎng)側(cè)A相電流波形Fig.18 Phase A current waveform during charging

圖19 磁體充電電流波形Fig.19 Charging current waveform of the magnet

2.4 監(jiān)測(cè)與保護(hù)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電力裝置難免會(huì)遇到諸如系統(tǒng)短路故障等動(dòng)態(tài)過(guò)程，本體將承受短路電流、不平衡電流沖擊以及由此而產(chǎn)生電磁、機(jī)械和熱應(yīng)力的作用，因此為確保電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全、可靠運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控SMES狀態(tài)、施加必要保護(hù)、維護(hù)SMES性能的穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于高溫超導(dǎo)體磁擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于熱擴(kuò)散速率，最小正常態(tài)傳遍區(qū)域（MPZ）小，失超傳播速度緩慢，77 K溫度下僅為0.1～10 mm/s，具體數(shù)值依賴(lài)于冷卻環(huán)境，失超點(diǎn)位置和狀態(tài)的嚴(yán)格判定存在相當(dāng)困難。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和失超判斷通常采用溫升、電壓、壓力、流速、超聲波和橋式電路檢測(cè)等方法，但各自存在一定問(wèn)題，如電壓信號(hào)檢測(cè)法需要根據(jù)預(yù)先得到的繞組不同區(qū)段失超時(shí)磁體端電壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，確定失超點(diǎn)位置，而橋式電路檢測(cè)法則是基于匝間電壓檢測(cè)法的改進(jìn)，兩者都易受到噪聲干擾，產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷；同時(shí)，交流電路外接電阻也將消耗部分能量；為此，我們提出有源功率檢測(cè)法以避免上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)涂層導(dǎo)體 Micro-SMES儲(chǔ)能磁體實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和快速失超檢測(cè)。

如圖20所示，選擇中點(diǎn)使兩側(cè)繞組電感相同，即L1=L2，定義功率P=（v1–v2）i，磁體未發(fā)生失超時(shí)，兩側(cè)繞組沒(méi)有電阻，P值為零；若局部失超則兩側(cè)出現(xiàn)電阻 r1和r2，P=（v1–v2）i2將不再為零，通過(guò)P值大小和變化即可判定失超與否及其發(fā)展趨勢(shì)。由于儲(chǔ)能磁體在杜瓦內(nèi)熱流分布存在空間分布，完全對(duì)稱(chēng)失超可以暫且不予考慮。在具體檢測(cè)電路中，繞組電壓經(jīng)過(guò)校正、隔離后差分運(yùn)算放大，同時(shí)磁體電流采樣，以實(shí)現(xiàn)磁體繞組瞬時(shí)功率比較，信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中利用二階巴特沃思低通濾波器（LPF）排除噪聲干擾，所有數(shù)據(jù)輸出至 DSP進(jìn)行處理和判斷，圖21顯示了實(shí)際流程。

圖20 有源功率檢測(cè)法Fig.20 A partial active power detecting method

圖21 Micro-SMES儲(chǔ)能磁體狀態(tài)檢測(cè)流程Fig.21 Schematic for state detection in Micro-SMES magnet

試驗(yàn)中通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，一旦判斷失超，涂層導(dǎo)體Micro-SMES儲(chǔ)能磁體將主動(dòng)和被動(dòng)保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，大部分能量通過(guò)外部釋能電阻轉(zhuǎn)移出去，而內(nèi)部消耗的部分能量則加速失超速度，以免局部過(guò)熱，燒毀或熔化部分繞組。

3 SMES仿真建模

基于 VSR及其控制策略研究，實(shí)現(xiàn)了 SMES系統(tǒng)建模，通過(guò)仿真較為系統(tǒng)地探討了SMES的可控變阻尼特性，并借此分析了SMES對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率調(diào)節(jié)的方法。圖22顯示了SMES有功和無(wú)功功率調(diào)節(jié)特性的仿真波形，可以看出在 10～27 s的18 s時(shí)間內(nèi)SMES能夠?qū)ν獠抗β蕝⒖贾噶頟和Q進(jìn)行準(zhǔn)確的功率跟蹤，基于有功功率對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增量的影響，SMES可以通過(guò)提供發(fā)電機(jī)可控阻尼力矩來(lái)提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖22 SMES功率調(diào)節(jié)特性Fig.22 Power control characteristics of SMES

圖23 SMES提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)模型Fig.23 SMES application model for improving the transient stability of power system

圖23和圖24分別顯示了含SMES系統(tǒng)仿真模型和其中三相輸電線(xiàn)路發(fā)生對(duì)地短路故障后發(fā)電機(jī)在有/無(wú)配置SMES情況下的暫態(tài)響應(yīng)，圖25則顯示了該故障下SMES輸出功率和超導(dǎo)磁體電流的變化?？梢钥闯鑫磁渲肧MES時(shí)，系統(tǒng)將因缺乏阻尼而發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)；而配置SMES后，通過(guò)SMES與系統(tǒng)適時(shí)有功功率Psm交換，改善了系統(tǒng)阻尼，抑制了機(jī)端功率振蕩，并使機(jī)端電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖24 SMES對(duì)系統(tǒng)三相接地故障時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)Fig.24 Transient response characteristic of SMES for 3 phase ground fault

圖25 SMES輸出功率和磁體電流變化Fig.25 Output power and magnet current of SMES

圖26顯示了含SMES系統(tǒng)仿真模型，該系統(tǒng)突然發(fā)生三相接地故障，造成母線(xiàn)電壓瞬時(shí)跌落。圖27顯示了0.75 s后故障切除有/無(wú)配置SMES母線(xiàn)電壓和輸出有功/無(wú)功功率變化?？梢钥闯?，故障期間SMES向系統(tǒng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的無(wú)功功率補(bǔ)償，有效地抑制了母線(xiàn)電壓的瞬時(shí)跌落；SMES可控變阻尼特性不僅能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，而且可以增大系統(tǒng)的傳輸功率極限。

圖26 SMES抑制母線(xiàn)電壓瞬時(shí)跌落的電力系統(tǒng)模型Fig.26 SMES application model for improving the transient voltage drop of bus bar

4 應(yīng)用可行性分析

自19世紀(jì)80年代，大規(guī)模系統(tǒng)制冷技術(shù)基本成熟，SMES在美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)電力系統(tǒng)中逐步得到應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶(hù)電能質(zhì)量等方面發(fā)揮出極其重要的作用，表3顯示了其中一些應(yīng)用實(shí)例。2003年，美國(guó)電力科學(xué)研究院就技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面研究了各種儲(chǔ)能技術(shù)在維持電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的作用和影響，并與常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了比較，圖28顯示了其中維持電網(wǎng)功角和電壓穩(wěn)定性、提高短時(shí)電能質(zhì)量的部分經(jīng)濟(jì)性結(jié)果，可以看出SMES具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖27 SMES的母線(xiàn)電壓和功率輸出變化Fig.27 Bus bar voltage and output power of SMES

SMES毫秒量級(jí)響應(yīng)、大容量功率/能量傳遞，決定了其在提高電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)地位。而在我國(guó)，電網(wǎng)已基本形成“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的格局，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)并不總是能夠足夠快地響應(yīng)擾動(dòng)以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定，SMES可以在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，抑制同步振蕩和諧振，并在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，提高運(yùn)行的可靠性。

表3 SMES應(yīng)用實(shí)例Table 3 Part projects of SMES applied in power system

續(xù)表

圖28 儲(chǔ)能技術(shù)在維持電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)性比較Fig.28 Economic comparisons of energy storage technologies to maintain dynamic stability of power system

“九五”至“十一五”期間，我國(guó)就先后研制成功25 kJ～1 MJ SMES系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)造、集成和并網(wǎng)應(yīng)用上積累了一定經(jīng)驗(yàn)。2011年，20 K、35 kJ/7 kW 鉍系高溫超導(dǎo)SMES在湖北長(zhǎng)陽(yáng)水電站進(jìn)行了測(cè)試，4.2 K、1MJ/0.5 MW 鉍系高溫超導(dǎo)SMES在甘肅白銀高技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)超導(dǎo)變電站投入試運(yùn)行。圖29顯示了國(guó)際上高溫超導(dǎo)SMES的發(fā)展趨勢(shì)，可以看出 YBCO涂層導(dǎo)體的發(fā)展必將帶來(lái)SMES相關(guān)技術(shù)的變革。

圖29 溫超導(dǎo)SMES發(fā)展趨勢(shì)Fig.29 Development tendency of high-Tc superconducting SMES

5 展 望

2011年，日本藤倉(cāng)公司制備出 816.4 m長(zhǎng)YBCO涂層導(dǎo)體，其臨界載流能力已達(dá)到572 A/cm，我國(guó)同樣也研制出百米長(zhǎng)帶，YBCO涂層導(dǎo)體正朝千米級(jí)、千安級(jí)方向發(fā)展，并在強(qiáng)場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域逐步替代鉍系高溫超導(dǎo)線(xiàn)材。預(yù)計(jì)2020年前后涂層導(dǎo)體超導(dǎo)電工裝備將進(jìn)入實(shí)用化階段，SMES等先進(jìn)電力裝備的應(yīng)用將有效地確保我國(guó)以特高壓電網(wǎng)為骨干的互聯(lián)大電網(wǎng)安全，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，改善區(qū)域供電品質(zhì)和綠色能源電力輸出特性，其市場(chǎng)前景、隨之帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益無(wú)法估量。

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