徐 穎，任 麗，唐躍進(jìn)，李敬東，石 晶，劉 洋，廖于翔，鄧嘉翕，王少榮， 施蕭寒，左文平，王 壯

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生清潔能源的快速發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)越來(lái)越多地引起大家的關(guān)注。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)利用超導(dǎo)體將電能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)將 能量返回給電網(wǎng)或其它負(fù)載[1-2]。與其它儲(chǔ)能裝置相比，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度高、響應(yīng)速度快、工作壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在分布式電源接入、保護(hù)工業(yè)供電可靠性等應(yīng)用領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景[3-5]。2011～2014年，在湖北省電力公司的支持下，華中科技大學(xué)成功研制了150 kJ/100 kW高溫超導(dǎo)SMES試驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)磁體采用了兩種超導(dǎo)帶材（Bi2223和YBCO帶材）繞制，這是我國(guó)第二臺(tái)直接冷卻高溫超導(dǎo)SMES樣機(jī)，本文將介紹這臺(tái)SMES樣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和基本試驗(yàn)運(yùn)行情況。

1 SMES的系統(tǒng)組成

150 kJ/100 kW直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由超導(dǎo)磁體、低溫系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成，為了滿足電力系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)能的需求，設(shè)計(jì)了滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)可移動(dòng)性要求的車載系統(tǒng)，采用了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，一個(gè)集裝箱放置超導(dǎo)磁體系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)，另一個(gè)集裝箱放置功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，圖1為150 kJ/100 kW直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的外觀圖。

圖1 150 k J/100 k W直接冷卻高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)外觀Fig.1 150 k J/100 k W conduction-cooled high Tc SMES

1.1 超導(dǎo)磁體

150 kJ/100 kW儲(chǔ)能磁體由高溫超導(dǎo)線材Bi2223/Ag和YBCO繞制，采用單螺管結(jié)構(gòu)。磁體由12個(gè)BSCCO雙餅線圈和6個(gè)YBCO雙餅線圈組成單螺管結(jié)構(gòu)[6]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前商業(yè)化的鉍系超導(dǎo)帶材臨界電流高，77 K下可以達(dá)到180～200 A，缺點(diǎn)是臨界電流隨磁場(chǎng)增大衰減快，釔系超導(dǎo)帶材臨界電流相比鉍系超導(dǎo)帶材低，但對(duì)磁場(chǎng)的敏感度低，適合在高磁場(chǎng)下使用，通過(guò)對(duì)單螺管磁體磁場(chǎng)分布的計(jì)算，磁場(chǎng)中部磁場(chǎng)最大，兩端磁場(chǎng)小，為了充分發(fā)揮兩種帶材的優(yōu)勢(shì)，將12個(gè)鉍系雙餅線圈分為2組，分別放置在磁體兩端，6個(gè)釔系雙餅線圈放置在磁體中間。鉍系雙餅與釔系雙餅相對(duì)位置如圖2所示。

圖2 鉍系雙餅與釔系雙餅相對(duì)位置圖Fig.2 The relative position of the Bi-double pancakes and Y-double pancakes

磁體的電流引線是由高溫超導(dǎo)棒材-銅導(dǎo)線組成的二元電流引線。BSCCO帶材型號(hào)為日本住友公司的Type HT-CA，YBCO帶材型號(hào)為美國(guó)超導(dǎo)公司的Amperium Copper 4.8，線材的具體參數(shù)見(jiàn)表1。雙餅匝數(shù)為400匝，磁體高度為210.9 mm，外半徑為198 mm，自感9.7 H，工作溫度20 K，單根帶材長(zhǎng)度400 m，磁體共用帶材18根，繞組內(nèi)導(dǎo)線總長(zhǎng)7200 m，表2為磁體詳細(xì)參數(shù)。

1.2 低溫系統(tǒng)

150 kJ/100 kW SMES低溫系統(tǒng)采用傳導(dǎo)冷卻技術(shù)，利用兩臺(tái)制冷機(jī)和導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)將磁體溫度降低至設(shè)計(jì)值，相比于其它制冷方式，傳導(dǎo)冷卻技術(shù)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低、對(duì)操作人員要求不高，適合于大范圍的推廣應(yīng)用[7-8]。

表1 兩種高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)指標(biāo)Table 1 Specifications of the two HTS tapes

表2 磁體參數(shù)Table 2 Specifications of the magnet

超導(dǎo)磁體的兩端設(shè)厚度20 mm不銹鋼連接法蘭，用14根φ12 mm不銹鋼螺桿緊固磁體。雙餅磁體之間加入厚1 mm的高傳導(dǎo)導(dǎo)冷板，磁體兩端部設(shè)導(dǎo)冷端板。導(dǎo)冷端板和各個(gè)導(dǎo)冷板外側(cè)通過(guò)14根φ12 mm無(wú)氧銅高傳導(dǎo)導(dǎo)冷桿和導(dǎo)冷銅柱連接成整體。兩導(dǎo)冷端板的內(nèi)側(cè)由8根φ12 mm無(wú)氧銅高傳導(dǎo)導(dǎo)冷桿相互連接。對(duì)導(dǎo)冷板、導(dǎo)冷端板進(jìn)行切割設(shè)計(jì)降低渦流損耗。通過(guò)導(dǎo)冷端板上的23根導(dǎo)冷桿和GM制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)軟連接。圖3為磁體組裝前的實(shí)物圖。

圖3 高溫超導(dǎo)磁體組裝前的實(shí)物圖Fig.3 The physical picture of the HTS magnet

兩臺(tái)制冷機(jī)分別為Cryomech公司生產(chǎn)的單級(jí)制冷機(jī)和住友公司生產(chǎn)的二級(jí)制冷機(jī)。單級(jí)制冷機(jī)用來(lái)冷卻磁體，冷頭通過(guò)銅編織帶與磁體相連。二級(jí)制冷機(jī)的兩級(jí)冷頭用相同的方式與電流引線和輻射屏相連，用來(lái)冷卻電流引線和輻射屏。磁體采用吊裝結(jié)構(gòu)，利用4根不銹鋼桿將磁體吊裝在杜瓦上蓋板，磁體吊裝的立體圖如圖4所示。

圖4 磁體吊裝立體圖Fig.4 The stereo diagram of the magnet

1.3 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將超導(dǎo)磁體的能量與電網(wǎng)進(jìn)行交換的任務(wù)，使超導(dǎo)磁體能量與電網(wǎng)進(jìn)行雙向的功率交換，利用高速動(dòng)作的電力電子開(kāi)關(guān)組成的變流器能夠完成這項(xiàng)任務(wù)，本項(xiàng)目選擇電壓源型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的接口，含2個(gè)并聯(lián)的VSC變流器模塊，如圖5所示，2個(gè)VSC模塊均采用三相三線六開(kāi)關(guān)拓?fù)?，磁體側(cè)采用DC/DC斬波器結(jié)構(gòu)，二者通過(guò)共同的直流母線進(jìn)行連接。采用這種多模塊變流器通過(guò)恰當(dāng)?shù)目刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)各個(gè)模塊均流運(yùn)行[9-11]，從而降低了每個(gè)模塊的電氣參數(shù)，如電壓或電流，因而開(kāi)關(guān)器件的電應(yīng)力減小、故障率減小、壽命提高，從元器件級(jí)提高系統(tǒng)的可靠性；模塊的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，可避免重復(fù)設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)變流器的擴(kuò)容和維護(hù)；變流器系統(tǒng)模塊化可提高系統(tǒng)的靈活性，減小變流器系統(tǒng)的體積、重量以及成本。但模塊化的變流器系統(tǒng)如果要達(dá)到期望的效果，必須要解決模塊間的均流控制和不同模塊即插即用的控制問(wèn)題，否則多模塊不但不能達(dá)到預(yù)定效果，還可能劣化系統(tǒng)性能，甚至損壞設(shè)備。本工作中變流器兩個(gè)并聯(lián)模塊采用分散邏輯控制，即兩個(gè)模塊都需要和系統(tǒng)層控制器進(jìn)行通信，使系統(tǒng)層控制器實(shí)時(shí)獲知當(dāng)前并聯(lián)運(yùn)行的模塊數(shù)目，并根據(jù)模塊數(shù)目將總功率指令在模塊之間均分并發(fā)送給各個(gè)模塊，控制不同的模塊通過(guò)功率閉環(huán)跟蹤對(duì)應(yīng)的功率指令。

圖5 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 The topology structure of the converter

圖6為VSC電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，變流器的有功和無(wú)功電流采用相同的控制結(jié)構(gòu)，控制參數(shù)通常相同?？刂破魇紫葘㈦娏髦噶钪蹬c實(shí)際反饋值做差，作為PI控制器輸入，隨后利用該P(yáng)I控制器輸出、電網(wǎng)側(cè)電壓d-q變換結(jié)構(gòu)及解耦項(xiàng)生成VSC交流側(cè)電壓指令，用作參考信號(hào)來(lái)生成PWM觸發(fā)脈沖，電流環(huán)參數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式(1)

式中，Kip、Kii分別為電流環(huán)PI控制器比例系數(shù)和積分系數(shù)，KPWM為三相橋等效放大倍數(shù)，ξi為所選擇電流環(huán)阻尼比。

圖6 VSC電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The control structure of the current inner loop

變流器各個(gè)VSC模塊的控制采用基于同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系閉環(huán)控制方法以及空間矢量調(diào)制算法，根據(jù)對(duì)應(yīng)的功率指令實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無(wú)功的獨(dú)立解耦控制。斬波的控制則以維持直流母線恒定為控制 目標(biāo)，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行PI閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)能量在超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)之間的雙向流動(dòng)。交流系統(tǒng)電壓10.5 kV；三繞組變壓器參數(shù)：SN=125kV·A ，X1-2=0.03，X1-3=0.03，X2-3=0.04，電壓變比為10.5 kV/300 V/300 V，Δ/Yn/Yn接法；兩個(gè)串聯(lián)濾波電感為1.5 mH，0.01 ?（電阻包含了濾波電感，變流器損耗等綜合效應(yīng)）；變流器主電路詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 SMES用變流器參數(shù)Table 3 Specifications of the converter

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

150 kJ/100 kW SMES監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：①能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控超導(dǎo)磁體和變流器狀態(tài)，并能夠根據(jù)磁體失超保護(hù)裝置反饋信息進(jìn)行相應(yīng)控制和警報(bào)；②實(shí)時(shí)測(cè)量150 kJ/100 kW高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)并入系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠根據(jù)給定的控制規(guī)律完成系統(tǒng)級(jí)控制器功能；③具有完善的通信接口和人機(jī)界面，通信接口包括隔離的RS485、RS422、光纖接口和網(wǎng)絡(luò)接口，人機(jī)界面能夠顯示系統(tǒng)運(yùn)行電壓、電流、功率、故障等信息，具備緊急停機(jī)接口；④能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行；⑤監(jiān)控系統(tǒng)滿足較長(zhǎng)時(shí)間車載運(yùn)輸要求。監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)的狀態(tài)變量包括電力系統(tǒng)狀態(tài)和變流器狀態(tài)兩部分。其中，電力系統(tǒng)狀態(tài)包括母線電壓、線路電流、SMES支路注入電流及據(jù)此計(jì)算生成的發(fā)電機(jī)有功功率、發(fā)電機(jī)無(wú)功功率、SMES并網(wǎng)有功功率和并網(wǎng)無(wú)功功率。變流器狀態(tài)包括兩個(gè)VSC模塊交流電壓、交流電流及據(jù)此計(jì)算的各模塊注入電力系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率、直流母線電壓、直流電流。電力系統(tǒng)狀態(tài)可通過(guò)錄波終端記錄，而變流器狀態(tài)僅用于本地實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)SMES監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制周期為10 ms，錄波及FFT計(jì)算采樣點(diǎn)為每周波64點(diǎn)，具有很好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2 SMES系統(tǒng)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)150 kJ/100 kW SMES樣機(jī)的各項(xiàng)性能，我們對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了3種實(shí)驗(yàn)，分別為磁體降溫實(shí)驗(yàn)、通流實(shí)驗(yàn)、功率交換實(shí)驗(yàn)和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)磁體每個(gè)雙餅及雙餅與雙餅間的接頭電阻的電壓，通過(guò)2個(gè)低溫霍爾探頭測(cè)量磁體中部及端部的磁場(chǎng)，通過(guò)10個(gè)溫度探頭記錄磁體在運(yùn)行過(guò)程中的溫度特性。

2.1 磁體冷卻

圖7為磁體降溫過(guò)程中溫度變化，選取了磁體上部、中部和下部3個(gè)溫度探頭的數(shù)據(jù)。從圖7中可以看出，磁體經(jīng)過(guò)大約35 h后進(jìn)入熱平衡狀態(tài)，穩(wěn)定后的磁體上部、中部和下部溫度分別為16.5 K、17.7 K和17.4 K。由于磁體上部靠近制冷機(jī)冷頭，所以溫度最低，我們?cè)诖朋w上下端部加裝有較厚的導(dǎo)冷銅板，所以磁體下部溫度要比磁體中部低，磁體中部導(dǎo)冷效果差，溫度最高，整個(gè)磁體局部最大溫差約為1 K。

圖7 降溫過(guò)程中磁體的溫度變化Fig.7 The temperature variation of magnet during cooling process

2.2 磁體通流實(shí)驗(yàn)

利用直流電源（EA電源）給磁體通直流電流來(lái)檢測(cè)磁體的通流能力。磁體電流從0 A經(jīng)過(guò)一段時(shí)間上升到180 A。在此過(guò)程中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下各電流下磁體中心磁場(chǎng)的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的磁體的I-Bo曲線如圖8所示，其中I為磁體電流，Bo為磁體中心磁場(chǎng)，當(dāng)磁體電流為180 A時(shí)，磁 體中心最大磁場(chǎng)為4.7 T，磁體的最大儲(chǔ)能量達(dá)到157 kJ。通流過(guò)程中磁體的電壓和電流曲線如圖9所示。

圖8 儲(chǔ)能磁體的I-B o曲線Fig.8 Current-magnetic field curves for the SMES coil

圖9 磁體通流時(shí)電流和電壓曲線Fig.9 Current and voltage curves for the SMES coil

為了研究該磁體的臨界電流特性，利用直流電源手動(dòng)控制升流速度，在磁體電流為10 A、30 A、50 A、100 A等電流值停留，待感生電壓消失后觀察磁體的電阻性電壓，磁體在20 K溫區(qū)工作時(shí)，最大安全運(yùn)行電流的平均電壓判據(jù)為0.1 μV/cm[12]，磁體所用超導(dǎo)帶材為7200 m，根據(jù)0.1 μV/cm的判據(jù)，磁體安全運(yùn)行電流所對(duì)應(yīng)的磁體阻性電壓閾值應(yīng)為72 mV，圖10給出了測(cè)得的磁體V-I曲線，從圖中可以看出，磁體電流在100 A以下時(shí)，磁體電壓變化較為緩慢，在超過(guò)100 A后，磁體電壓隨電流上升速度加快，在180 A左右磁體電流超過(guò)72 mV，這說(shuō)明該150 kJ高溫超導(dǎo)磁體的最大安全運(yùn)行電流值為180 A。

圖10 150 k J/100 k W SMES磁體的V-I曲線Fig.10 V-I characteristics of the 150 k J/100 k W SMES magnet

除了利用直流恒流源測(cè)試磁體的通流能力，還將磁體連接到變流器上進(jìn)行開(kāi)環(huán)功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。首先設(shè)置變流器充磁的升流速率為1 A/s，達(dá)到電流設(shè)定值后，進(jìn)入穩(wěn)流階段，然后手動(dòng)操作發(fā)出功率交換指令，功率交換指令值和功率交換切換周期、交換次數(shù)均可預(yù)先進(jìn)行設(shè)置。圖11為有功功率交換過(guò)程中SMES與電網(wǎng)交換功率波形，圖12給出了SMES在與電網(wǎng)功率交換時(shí)的電壓電流波形，根據(jù)設(shè)定要求，磁體電流在170 s內(nèi)從零上升到變流器給定的標(biāo)準(zhǔn)值170 A后轉(zhuǎn)入“充磁完成”熱備用狀態(tài)。然后進(jìn)行+100 kW和-80 kW的功率交換（SMES吸收功率為正，發(fā)出功率為負(fù)），每個(gè)功率指令維持10 ms，經(jīng)過(guò)3個(gè)功率交換周期后進(jìn)入續(xù)流階段。由交換功率波形可以看到SMES最大吸收功率略大于最大100 kW，而發(fā)出的最小功率略小于80 kW，這是因?yàn)楣β蕼y(cè)量點(diǎn)在接入變壓器一側(cè)，上述功率波形包含了接入變壓器負(fù)載損耗。有功調(diào)節(jié)過(guò)程中，無(wú)功基本保持為零不變。在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出放磁指令后，磁體電流通過(guò)斬波器給直流母線電容充電釋放能量。當(dāng)電流降到很小時(shí)，停機(jī)將剩余能量釋放給釋能電阻。

圖13則給出了磁體在變流器設(shè)置不同功率交換指令下，在穩(wěn)流-功率交換-續(xù)流三個(gè)階段，磁體上部的溫度變化曲線，從圖中可以看出隨著功率交換指令的增大，溫度變化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，但停止功率交換進(jìn)入續(xù)流階段后，磁體溫度變化趨勢(shì)趨于平緩并慢慢下降。上述對(duì)磁體的一系列實(shí)驗(yàn)表明磁體在升流、穩(wěn)流、功率交換等過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性，可滿足瞬態(tài)功率補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

圖11 SMES與電網(wǎng)功率交換波形圖Fig.11 Power exchange wave forms when SMES exchange power with the grid

圖12 磁體通過(guò)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)勵(lì)磁的波形圖Fig.12 SMES coil excitation through power conditioning system

圖13 不同功率交換指令下對(duì)應(yīng)的磁體上部溫度變化曲線Fig.13 Temperature variation curve of magnet upper end with different power exchange reference

2.3 SMES動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

SMES可以與電網(wǎng)進(jìn)行較大的瞬時(shí)功率交換，作為功率型的儲(chǔ)能裝置，潛在的應(yīng)用場(chǎng)合很多，根據(jù)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室已有的條件，進(jìn)行了SMES抑制電力系統(tǒng)因發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障造成功率振蕩的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖14所示，發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式為微機(jī)它勵(lì)，原動(dòng)機(jī)輸入可控。輸電線路使用76XL和75XL兩個(gè)集中元件模擬，電抗分別為17.5 ?和5.32 ?，并在二者連接點(diǎn)D11點(diǎn)處設(shè)有接地開(kāi)關(guān)，可以模擬接地短路故障。實(shí)驗(yàn)室中的無(wú)窮大電力系統(tǒng)是由一臺(tái)升壓變壓器和一臺(tái)調(diào)壓器串聯(lián)組成，總阻抗為10，變壓器阻抗實(shí)際上相當(dāng)于原型系統(tǒng)的一段輸電線路，加上22.82的模擬輸電線路得到總模擬線路阻抗為32.82，與模擬系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的原型系統(tǒng)線路阻抗為136（變換比mz=4.14）。按每千米線路阻抗0.4計(jì)算可得實(shí)際線路長(zhǎng)度約為340 km。

圖14 SMES動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線圖Fig.14 Experiment circuit of simulated power system

故障前發(fā)電機(jī)有功出力為3.2 kW，無(wú)功出力0.9kVar；試驗(yàn)平臺(tái)短路點(diǎn)D11發(fā)生三相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間300 ms，之后故障被切除，圖15給出了SMES不投入時(shí)發(fā)電機(jī)功率振蕩波形圖，約定功率流向SMES為正，因此發(fā)電機(jī)出力為負(fù)值。由于短路期間發(fā)電機(jī)電流超過(guò)了監(jiān)控系統(tǒng)能夠采樣的最大值，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電流采樣AD發(fā)生了飽和，電流波形被削平，使得發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)第一擺峰值比實(shí)際值要小，從發(fā)電機(jī)控制臺(tái)得出的功率波動(dòng)第一擺峰值為9.26 kW，振蕩持續(xù)接近5 s。

SMES監(jiān)控系統(tǒng)記錄SMES投入后發(fā)電機(jī)功率振蕩波形如圖16所示，功率參數(shù)圖中白線為發(fā)電機(jī)有功出力，黃線為高通濾波器的輸出，綠線為SMES實(shí)際出力。SMES控制規(guī)律為發(fā)電機(jī)電磁功率經(jīng)高通濾波器得到同相位的ΔPe，經(jīng)比例積分控制產(chǎn)生變流器功率交換指令，由圖16可以看出：①SMES能夠快速檢測(cè)故障切除時(shí)刻并能迅速投入；②SMES的投入使得發(fā)電機(jī)功率振蕩迅速平息，系統(tǒng)第一擺振蕩幅值明顯減小，由接近10 kW減小到了不足6 kW，振蕩平息時(shí)間減小到了2 s左右。

圖15 SMES不投入時(shí)發(fā)電機(jī)功率振蕩波形圖Fig.15 Power oscillator of the generator without SMES

圖16 SMES投入發(fā)電機(jī)功率振蕩波形圖Fig.16 Power oscillator of the generator with SMES

圖17和圖18分別給出了試驗(yàn)過(guò)程中SMES磁體電壓電流波形和對(duì)應(yīng)的磁體溫度變化趨勢(shì)。可以看到：在SMES與系統(tǒng)功率交換期間，電流經(jīng)過(guò)了多次變化，磁體上部和下部溫度上升約1.5 K，磁體中部溫度上升約2 K，功率交換結(jié)束后磁體溫度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間回到初始值，沒(méi)有熱失控跡象。

3 結(jié) 論

本套SMES磁體采用兩種高溫超導(dǎo)帶材繞制，充分發(fā)揮了釔系和鉍系兩種高溫超導(dǎo)帶材的性能優(yōu)勢(shì)，采用制冷機(jī)直接冷卻技術(shù)不需要使用液氦、液氮等低溫液體浸泡，使得其在使用條件上具有更大的靈活性和廣泛性；合理設(shè)計(jì)傳導(dǎo)冷卻結(jié)構(gòu)，利用兩臺(tái)制冷機(jī)成功將磁體冷卻到17 K左右，進(jìn)一步優(yōu)化了磁體電學(xué)性能。采用較為成熟的電壓源型變流器將超導(dǎo)磁體與電力系統(tǒng)相連，變流器系統(tǒng)響應(yīng)速度快，電流雜散紋波小，有效地減小了磁體的交流損耗。研發(fā)了基于LabVIEW軟件的磁體監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁體各部分溫度、電壓電流信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁體運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)變量，同時(shí)將檢測(cè)信號(hào)傳送到磁體保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)磁體狀態(tài)量的分析判斷，對(duì)HTS-SMES磁體進(jìn)行保護(hù)。

圖17 SMES電壓電流波形Fig.17 Voltage and current of the SMES

圖18 磁體溫度變化趨勢(shì)Fig.18 Temperature variation of the magnet

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制超導(dǎo)磁體的安全運(yùn)行電流達(dá)到180 A，儲(chǔ)能量達(dá)到157 kJ，與電網(wǎng)成功進(jìn)行了+100 kW/-80 kW的功率交換，并且動(dòng)模實(shí)驗(yàn)也證明該SMES有效抑制了發(fā)電機(jī)的功率振蕩幅值和時(shí)間。

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