田茂城

(超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴陽(yáng)550000)

0 引言

在我國(guó)，電網(wǎng)的設(shè)計(jì)遵循“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的原則。當(dāng)線路檢修或設(shè)備故障時(shí)，為保證供電可靠性，常需要進(jìn)行合環(huán)操作實(shí)現(xiàn)不斷電倒負(fù)荷。目前，調(diào)度都是按照經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行合環(huán)操作，往往會(huì)因?yàn)楹檄h(huán)兩側(cè)的電壓，相位差等造成合環(huán)后饋線中出現(xiàn)較大電磁環(huán)流，影響負(fù)荷的正常工作，嚴(yán)重的甚至引起大面積的停電。因此，抑制電磁環(huán)流成為合環(huán)操作亟待解決的問(wèn)題。

文獻(xiàn)［1-2］中提出了合環(huán)電流的計(jì)算方法，文獻(xiàn)［3］提出了判斷合環(huán)的條件，但都沒(méi)有給出抑制合環(huán)電流的解決措施。文獻(xiàn)［4］通過(guò)分析，仿真驗(yàn)證了合環(huán)電流大小與合環(huán)兩端電壓成正比，并提出了可以通過(guò)調(diào)整變壓器分接頭的方式改變合環(huán)電流的大小，但調(diào)整變壓器分接頭不太靈活，要求高，對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)的頻繁操作也會(huì)影響設(shè)備的使用壽命。

提出一種基于超導(dǎo)儲(chǔ)能(Superconducting Magnetic Energy Storage—SMES)的電磁合環(huán)環(huán)流抑制技術(shù)。SMES是一種高功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠在較短時(shí)間釋放內(nèi)釋放較大功率，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量方面具有重要應(yīng)用，是柔性直流輸電系統(tǒng)重要的組成部分。SMES最初是用來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)，后來(lái)應(yīng)用抑制系統(tǒng)振蕩、改善電能質(zhì)量以及提高供電可靠性方面。SEMS裝置實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行預(yù)充電，然后控制換流器的觸發(fā)脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的有功和無(wú)功交換。利用SMES可獨(dú)立控制系統(tǒng)的有功和無(wú)功，轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)合環(huán)兩側(cè)功率的跟蹤控制，維持兩側(cè)的功率平衡，從而達(dá)倒抑制環(huán)流的目的。

1 電磁合環(huán)分析與控制

1．1 電磁合環(huán)機(jī)理分析

電磁合環(huán)是指不同電壓等級(jí)的的電力網(wǎng)，通過(guò)變壓器的電磁回路并列運(yùn)行構(gòu)成合環(huán)。電磁合環(huán)可以提高供電的可靠性，保證負(fù)荷的不間斷供電，對(duì)于敏感負(fù)荷具有重要的意義。電磁合環(huán)也會(huì)有一定的弊端，破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)高一級(jí)的電壓線路斷開(kāi)時(shí)，其所帶的負(fù)荷會(huì)轉(zhuǎn)移到低一級(jí)的電壓線路，造成過(guò)負(fù)荷。

合環(huán)運(yùn)行時(shí)，由于合環(huán)前兩側(cè)的電壓差，相位差等會(huì)在饋線中產(chǎn)生電磁環(huán)流，如果環(huán)流過(guò)大會(huì)影響負(fù)荷的正常工作，嚴(yán)重的會(huì)引起停電事故。

1．2 基于SMES的電磁合環(huán)環(huán)流抑制技術(shù)

目前我國(guó)對(duì)電磁合環(huán)的研究關(guān)注的更多的是合環(huán)的條件的判斷以及合環(huán)安全性的驗(yàn)證，對(duì)于合環(huán)后系統(tǒng)中存在的功率環(huán)流問(wèn)題研究的比較少，合環(huán)后系統(tǒng)中存在的功率環(huán)流一方面會(huì)產(chǎn)生有功和無(wú)功損耗，另外一方面會(huì)占用變壓器的有限容量，嚴(yán)重的甚至引起大面積的停電，所以有效抑制電磁環(huán)流是提高合環(huán)運(yùn)行可靠性的必要措施。

本文研究的是用SMES解決電磁合環(huán)的環(huán)流抑制問(wèn)題。SMES具有快速、獨(dú)立的有功和無(wú)功調(diào)節(jié)能力，合環(huán)運(yùn)行時(shí)，控制SMES與連接側(cè)的功率交換，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的功率平衡，能夠有效抑制合環(huán)運(yùn)行中的電磁環(huán)流。所以運(yùn)用SEMS來(lái)解決電磁合環(huán)的環(huán)流問(wèn)題，關(guān)鍵在于控制合環(huán)兩側(cè)的功率平衡。

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

2 SMES的工作原理和控制策略

SEMS是通過(guò)超導(dǎo)線圈將電能以電磁能的形式進(jìn)行儲(chǔ)存的一種設(shè)備，包括四個(gè)部分，超導(dǎo)線圈、變換器、控制保護(hù)電路和制冷設(shè)備。按照換流器區(qū)分，SMES可以分為電壓源型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)和電流源型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，兩種結(jié)構(gòu)都是通過(guò)電力電子器件開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，控制變流器交流側(cè)的電流，實(shí)現(xiàn)與交流電網(wǎng)的有功和無(wú)功交換，只是超導(dǎo)線圈在連接方式上有所區(qū)別。電流源型SMES的超導(dǎo)線圈直接連接在變換器的直流側(cè)，而電壓源型SMES超導(dǎo)線圈是通過(guò)斬波電路與變流器直流側(cè)相連。

2．1 SMES的工作原理

SMES是將電能以電磁能的形式儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中，當(dāng)電網(wǎng)需要時(shí)再以電能的形式回饋給電網(wǎng)，其典型的特點(diǎn)是儲(chǔ)能線圈用超導(dǎo)材料制成，可以進(jìn)行反復(fù)的充放電操作，沒(méi)有能量損耗。圖2是SMES的結(jié)構(gòu)原理圖。

文章研究的是電壓源型SMES，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其包括一個(gè)電壓源型變流器和一個(gè)二象限的DC-DC斬波器。其中VSC包括6個(gè)由PWM觸發(fā)的全控型器件，其機(jī)理可以從三個(gè)工作狀態(tài)即充電模式、維持模式、放電模式進(jìn)行分析。SMES結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后如圖4所示，當(dāng) K1閉合 K2斷開(kāi)時(shí)，SMES處于充放電模式;K1斷開(kāi)K2閉合時(shí)，超導(dǎo)線圈短路，形成自回路，SMES處于維持模式。

圖2 SMES的結(jié)構(gòu)原理圖Fig．2 Schematic diagram of SMES

圖3 SMES拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig．3 SMES topology diagram

圖4 SMES簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Simplified structural drawing of SMES

2．2 SMES的控制策略

超導(dǎo)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)于SMES系統(tǒng)，其控制包括外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制，其中外環(huán)控制裝置功率輸出，內(nèi)環(huán)根據(jù)外環(huán)的參考輸出產(chǎn)生換流器的觸發(fā)脈沖，如圖4所示。對(duì)于SMES控制器的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)［5］中提出用神經(jīng)元法設(shè)計(jì)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的魯棒控制器;文獻(xiàn)［6］提出用遺傳算法設(shè)計(jì)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的魯棒控制器;文獻(xiàn)［7-10］提出基于H∞理論設(shè)計(jì)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的非線性魯棒控制器。上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的控制器能夠使系統(tǒng)在收到大干擾后快速恢復(fù)運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)級(jí)的穩(wěn)定性有重要意義。本文研究的用SMES解決電磁合環(huán)問(wèn)題可以用更簡(jiǎn)單的PID控制規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)控制器，能夠根據(jù)特定的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的快速跟蹤和控制。

文中設(shè)計(jì)的控制器對(duì)VSC采用定有功、無(wú)功的功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，dc-dc側(cè)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(jì)算部分為:

參考電流計(jì)算部分為:

在VSC側(cè)，根據(jù)基爾霍夫定律，電流內(nèi)環(huán)為:

式中 ed、eq是VSC的網(wǎng)側(cè)電壓;id*、iq*是參考電流值;Vd、Vq分別是控制的目標(biāo)電壓d/q軸分量;Kpn、Kin(n=1，2)是 PI環(huán)節(jié)的參數(shù)，ωLid和 ωLiq是引入的解耦變量。功率外環(huán)提供內(nèi)環(huán)的參考電流，其控制規(guī)律為:

式中P*是有功指令參考值;Q*是無(wú)功指令參考值;ΔP和ΔQ是功率外環(huán)的PI輸出;Kpn、Kin(n=3，4)是PI環(huán)節(jié)的參數(shù)。

為保證VSC四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)VSC和斬波器的協(xié)調(diào)控制，直流斬波側(cè)采用的是定直流電壓的控制策略，其控制規(guī)律如下:

式中ΔPc是電容功率跟蹤的PI輸出;U*dc是直流側(cè)的參考電壓;Kp5、Ki5是PI環(huán)節(jié)的參數(shù);Pac是VSC交流側(cè)的有功功率;1/2LiL2是儲(chǔ)能電感的能量變化。

3 數(shù)學(xué)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(guò)對(duì)兩部分分別建模，然后綜合得出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

3．1 VSC 數(shù)學(xué)模型

考慮到VSC交流側(cè)均為時(shí)變交流量，將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)下進(jìn)行。由基爾霍夫定律，按照傳輸功率不變的原則，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下VSC結(jié)構(gòu)框圖Fig．6 VSC block diagram in synchronous rotating coordinate system

圖6 中，ed、eq是電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)的 d/q軸分量;Sd、Sq是d/q坐標(biāo)系下的二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù);id、iq分別為VSC交流側(cè)電流的d/q軸分量;Udc是直流側(cè)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(shù)學(xué)模型

SMES有充電、放電，兩種工作模式，直流斬波器根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的通斷控制，實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，所以直流斬波器必須在兩個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)相同。如圖(a)，當(dāng)兩開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)開(kāi)始給超導(dǎo)線圈充電。不考慮開(kāi)關(guān)損耗，充電模式下，超導(dǎo)線圈兩端的電壓為電容兩端電壓，根據(jù)基爾霍夫定律有:

如圖(b)所示，當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，VD1、VD2和超導(dǎo)電感形成通路，電感處在放電模式，超導(dǎo)線圈兩端的電壓為電容兩端電壓的負(fù)值，根據(jù)基爾霍夫定律有:

4 仿真

針對(duì)含有 SMES的控制合環(huán)的供電系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC中搭建了其仿真模型，分別驗(yàn)證了在負(fù)荷不同和變壓器參數(shù)不同的情況下，SMES對(duì)環(huán)流抑制的效果。由于SMES具有四象限的調(diào)節(jié)能力，控制SMES來(lái)調(diào)節(jié)合環(huán)兩側(cè)的功率平衡，必須控制直流側(cè)電壓的恒定來(lái)保證SMES與系統(tǒng)的功率交換。仿真系統(tǒng)參數(shù)具體設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab．1 Key parameters of simulation system

(1)合環(huán)兩側(cè)負(fù)荷不同

將合環(huán)兩側(cè)的變壓器參數(shù)設(shè)置成相同，兩側(cè)負(fù)荷分別設(shè)置成1 Ω、0．001 H 和1 Ω，檢驗(yàn)在負(fù)荷不同的條件下，SMES對(duì)合環(huán)電流的抑制效果。

圖8給出了合環(huán)線路中SMES調(diào)節(jié)前后的電磁環(huán)流結(jié)果。合環(huán)后，線路中出現(xiàn)了較大的電磁環(huán)流，根據(jù)環(huán)流的大小，通過(guò)預(yù)處理，給定控制器一個(gè)功率指令，如圖9、圖10所示，控制器根據(jù)指令值，通過(guò)PI調(diào)節(jié)，快速達(dá)到設(shè)定值，以維持合環(huán)兩側(cè)的功率平衡，此時(shí)聯(lián)絡(luò)線上的環(huán)流明顯減小，效果比較明顯。結(jié)果表明:在合環(huán)兩側(cè)變壓器參數(shù)相同，負(fù)荷不同的情況下，SMES通過(guò)功率調(diào)節(jié)對(duì)抑制電磁環(huán)流具有比較好的效果，能夠達(dá)到控制要求。

圖8 合環(huán)電流(兩側(cè)負(fù)荷不同)Fig．8 Ring closed-loop current(different loads on both sides)

圖9 無(wú)功功率指令跟蹤(兩側(cè)負(fù)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(cè)負(fù)荷不同)Fig．10 Active power command tracking(different loads on both sides)

(2)合環(huán)兩側(cè)變壓器參數(shù)不同

將合環(huán)兩側(cè)的負(fù)荷參數(shù)設(shè)置成一致，接有SMES一側(cè)的變壓器變比設(shè)置成11/3．6，另外一側(cè)設(shè)置為11/2．4，檢驗(yàn)在變壓器參數(shù)不同的條件下，SEMES抑制合環(huán)電流的效果。仿真圖如圖11～圖13所示。

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

圖12 無(wú)功功率指令跟蹤(兩側(cè)變壓器參數(shù)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(cè)變壓器參數(shù)不同)Fig．13 Active power command tracking(different transformer parameters on both sides)

仿真中為了使直流側(cè)電壓穩(wěn)定，功率調(diào)節(jié)設(shè)置在0．3 s啟動(dòng)。圖11給出了合環(huán)電流的變化結(jié)果。0．3 s后，當(dāng)SMES投入工作后，饋線中合環(huán)電流快速衰減，由圖12、圖13，當(dāng)功率跟蹤達(dá)到指定值后，合環(huán)兩側(cè)功率平衡，饋線上的合環(huán)電流降低，穩(wěn)定到一個(gè)較小值。結(jié)果表明:在合環(huán)兩側(cè)負(fù)荷相同，變壓器不同的情況下，SMES通過(guò)功率調(diào)節(jié)對(duì)抑制電磁環(huán)流具有比較好的效果，能夠達(dá)到控制要求。

在兩種情況下，控制SMES與系統(tǒng)功率的交換，都要控制直流側(cè)電壓的恒定。系統(tǒng)投運(yùn)的前0．3 s是用于給電容充電，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定在4 000 V左右，保證SMES投運(yùn)后，穩(wěn)定的按照指令值進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。圖14、圖15是兩種情況下直流側(cè)電壓的控制結(jié)果。

圖14 直流側(cè)電壓(兩側(cè)負(fù)荷不同)Fig．14 DC side voltage(load on both sides is different)

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

5 結(jié)束語(yǔ)

SMES具有轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用;能夠獨(dú)立控制系統(tǒng)的有功和無(wú)功，對(duì)于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。

研究了基于SMES的電磁合環(huán)環(huán)流抑制控制技術(shù)，利用SME快速、獨(dú)立控制有功無(wú)功、四象限運(yùn)行的特點(diǎn)控制合環(huán)兩側(cè)的功率平衡，達(dá)到抑制合環(huán)電流的目的。在PSCAD中搭建了仿真模型，驗(yàn)證了在負(fù)荷和變壓器參數(shù)不同的情況下，SMES對(duì)于抑制電磁環(huán)流的作用。

在負(fù)荷不同的時(shí)，加入SMES進(jìn)行調(diào)節(jié)后，合環(huán)時(shí)的線路環(huán)流減少了80%左右;當(dāng)變壓器兩側(cè)參數(shù)不同時(shí)，加入SMES進(jìn)行調(diào)節(jié)，線路環(huán)流減少了85．7%左右。兩種工況下，加入SMES進(jìn)行調(diào)節(jié)都有比較理想的調(diào)節(jié)效果，能夠很好的抑制環(huán)流。

通過(guò)仿真分析，得出結(jié)論:SMES能夠有效抑制電磁環(huán)流，基于SMES的電磁合環(huán)環(huán)流抑制方案可行。