超導儲能系統(tǒng)提高風電場暫態(tài)穩(wěn)定性研究

張靠社，李瓊

（西安理工大學水利水電學院，西安710048）

隨著持續(xù)增長的電能需求，電廠容量和發(fā)電量的需求也越來越大，由于傳統(tǒng)的火電、水電對環(huán)境的不利影響，可再生能源發(fā)電獲得了越來越多的關注。隨著我國《可再生能源法》的實施，風電的裝機容量成倍增加，風電場并網(wǎng)的規(guī)模也越來越大，接入的電壓等級也越來越高[1]，由于清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益[2]，因此風力發(fā)電作為最具有商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電在世界范圍內得到了快速的發(fā)展。然而風電的弊端也同時存在：風電場一般都位于偏遠地區(qū)，遠離負荷中心。另外，由于風的波動性和間歇性特點，風電功率的波動性和間歇性會對局部電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和電能質量產生影響[3-4]。目前，超導儲能系統(tǒng)SMES（Superconducting Magnetic Energy Storage）隨著高溫超導技術的突破和電力電子技術的發(fā)展已經(jīng)在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)中得到初步的應用，其快速的功率吞吐和靈活的四象限調節(jié)能力，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和改善電能質量方面發(fā)揮了極其重要的作用[5-6]。

本文建立了基于電壓型換流器（VSC）的超導儲能模型，提出了應用超導儲能系統(tǒng)提高大型風電場運行特性，最后在PSCAD/EMTDC軟件中進行了數(shù)字仿真，結果驗證了大容量超導儲能系統(tǒng)對風電場運行特性的改善作用。

1 超導儲能裝置模型

儲能裝置中能夠在短時間（幾秒）內向風電場提供有功功率，因而控制器的設計應該能夠用來調節(jié)風電場發(fā)出的有功功率。同時，SMES系統(tǒng)可以提高給工業(yè)用戶供電的穩(wěn)定性[7-8]。

超導儲能系統(tǒng)包括：超導儲能線圈、功率調節(jié)系統(tǒng)（Power Conditioning System，PCS）、控制系統(tǒng)、失超保護系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。超導儲能線圈需要通過一個交直流轉換器和交流電網(wǎng)連接。PCS包括有電流源型換流器（Current Source Converter，CSC）和電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）加斬波器（chopper）兩種，從目前換流器應用來看，電壓源型換流器的發(fā)展比電流型成熟，文獻[9]指出設計大容量的SMES系統(tǒng)還是應采取電壓型換流器與電網(wǎng)相連，本文使用的超導儲能系統(tǒng)拓撲結構見圖1。

圖1 VSC型SMES結構框圖

1）SMES運行原理。圖1中，電壓源型換流器和斬波器通過電容C相連接；Va、Vb和Vc為網(wǎng)側相電壓；Ia、Ib和Ic為網(wǎng)側相電流；S1～S6為開關管的開關信號；P1、P2為二象限斬波器開關管的開關信號；Lsm為超導線圈的電感；Ism為流過超導線圈的電流；L和R分別為濾波器的電感和電阻；VDC為電容兩端的電壓。

依據(jù)圖2可以得到SMES的等效模型如下：

圖2 SMES運行原理

式中，I為SMES交流側電流，Vt為SMES交流側電壓，k為交流側直流側電壓的比值，m為PWM的調制比，r為斬波器的占空比。SMES與交流電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率分別為：

式中，X為變壓器的漏抗，Vt為SMES交流側電壓，VG為SMES接入到電網(wǎng)處的電壓。

由上式可以看出通過控制觸發(fā)角追和SMES交流側電壓的幅值能夠有效的控制SMES與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率。自關斷器件的出現(xiàn)，使得SMES能在四象限獨立控制有功和無功功率[10]。

2）電壓源型換流器。功率控制系統(tǒng)通過控制交流側的電流來控制與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率；斬波器通過調節(jié)超導線圈的電壓輸出電網(wǎng)需要的有功功率；電容C對電壓源型換流器和斬波器的電壓起到支撐作用，實現(xiàn)了超導線圈與電網(wǎng)的解耦，可保護超導線圈不受系統(tǒng)干擾[11]。VSC控制框圖如圖3所示。

圖3 SMES裝置控制策略

Psref和Ps的差值與Qsref和Qs的差值分別經(jīng)過PI調節(jié)器得到Idref和Iqref，Idref和Iqref再與實測的Id和Iq進行比較，差值分別經(jīng)過PI調節(jié)器得到Vd和Vq，進而可以得到PWM控制所需要的PWM信號，由此信號值，經(jīng)軟件可進一步得到PWM脈沖，從而驅動變流器中各個開關，得到特定功率值時所需的交流電流。PI調節(jié)器的參數(shù)設定使用嘗試誤差法。

3）兩相斬波器。SMES系統(tǒng)儲存的能量和有功功率如下：

調節(jié)兩象斬波器的占空比調節(jié)平均電壓去控制超導儲能線圈的充放電，基于此思想，兩象斬波器的控制框圖如圖4示。PL原ref和PL的差值經(jīng)過PI調節(jié)器后產生PWM所需要的調制信號，調制信號再和三角載波信號比較以產生IGBT所需要的觸發(fā)脈沖。

圖4 斬波器控制策略

2 時域仿真

1）平滑風電場輸出功率。基于圖5風電場—無窮大系統(tǒng)的時域仿真在PSCAD/EMTDC環(huán)境下進行。SMES系統(tǒng)集中安裝在風電場出口變壓器低壓母線處。假定風電場在20 s內的短時風速變化如圖6所示，與之對應風電場輸出的有功功率見圖7中的藍線，綠線為投入SMES后的風電場的輸出功率曲線。圖8藍線為未投入SMES風電場輸出的無功功率，綠線為投入SMES后風電場實際輸入到電網(wǎng)的無功功率。圖9為SMES實際輸出得有功功率和無功功率。

圖5 含SMES的風電場仿真系統(tǒng)示意圖

由圖7～9可以看出SMES能夠在風速波動的時候有效平滑風電場輸出的有功功率和無功功率。

圖6 風速信號

圖7 利用SMES平滑風電場輸出的有功功率

圖8 利用SMES平滑風電場輸出的無功功率

圖9 SMES輸出的有功無功無功

2）提高風電場暫態(tài)穩(wěn)定性。為了說明SMES對風電場暫態(tài)穩(wěn)定性的提高在風電場升壓變壓器高壓側2.0 s設置三相短路故障，0.15 s后切除故障，發(fā)電廠母線電壓VBUS的變化如圖10所示，其中藍線和綠線分別表明安裝和未安裝SMES裝置發(fā)電廠母線電壓在故障下的波動情況。

圖10 故障下發(fā)電廠母線電壓

仿真結果表明在一定的范圍內SMES能夠快速的進行無功補償，幫助風電場恢復正常運行，體現(xiàn)了其快速的調節(jié)能力，提高了風電場的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 結語

本文深入研究超導儲能系統(tǒng)運行原理，建立了基于電壓型換流器(VSC)的超導儲能系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，提出了應用超導儲能裝置的有功、無功綜合控制提高并網(wǎng)風電場暫態(tài)穩(wěn)定性的控制策略，在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立了超導儲能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的模型，結果表明超導儲能系統(tǒng)能夠有效地平滑風電場輸出的有功無功功率，并且能夠顯著的提高風電場的暫態(tài)穩(wěn)定性。

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