超导技术及其应用.ppt

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超导技术及应用,单位：

武汉大学电气工程学院办公室：

大电网安全研究所2311室主讲人：

彭晓涛杨军,课程内容,超导技术导言超导电力系统及其设备超导磁悬浮技术超导磁储能技术,第2讲超导磁储能技术,SMES的概述,SMES快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。

在目前所提出的各种超导电力装置中，SMES具有较大的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电子技术的不断进步，开展SMES的研制工作对各国电力事业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需要。

SMES的概述在电力系统中的应用,电网调峰系统备用容量调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿改善电能品质分散电源的功率平滑装置,SMES的概述在电力系统中的应用,不同规模的SMES应用场合有所不同，一般中、大型SMES可用于10kV以上电压等级的发电厂、变电站等适合SMES安装的一切地点。

SMES的概述功率调节系统拓扑结构,用于电力系统的SMES的拓扑结构不外乎两大类。

一类是电流源型SMES，简称CSMES，其中的功率调节系统是由输出直流电流可控的电流型变流器组成；另一类是电压源型SMES，简称VSMES，其中的功率调节系统是由输出直流电压可控的电压型变流器和斩波器组成。

SMES的概述装置结构,右图是SMES装置的具体结构原理图，该结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出来的。

如图所示，SMES装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、功率变换装置、失超保护系统和监测控制系统几个主要部分组成。

SMES的概述装置结构,35kJ/7.5kW高温超导磁储能装置,左图中，SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统、SMES用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超导磁体。

SMES的概述装置结构,监控系统结构,SMES的概述装置结构,35kJ/7.5kW高温超导磁体,SMES的磁体系统,运行时，低温系统的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa，通过制冷机的冷却，磁体表面温度以及电流引线温度保持在19K21K。

SMES的概述装置结构,SMES的磁体系统35kJ/7.5kW高温超导SMES的磁体磁体参数,SMES的概述装置结构,SMES的磁体系统,日本住友公司研制的超导磁体,SMES的概述装置结构,SMES的低温容器,SMES低温容器结构图,SMES的概述装置结构,SMES的制冷系统,低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。

超导磁体笼罩于真空杜瓦内部。

杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保持高真空环境（真空度达10-1Pa数量级）。

采用制冷机直接传导冷却工作方式，低温环境由两台大冷量GM制冷机提供。

其中一台为单级制冷机，冷头的制冷量为30W/20K，用于冷却超导磁体。

另一台为双级制冷机，一级冷头的制冷量为40W/80K，用于冷却二元电流引线中的高温超导电流引线；二级冷头的制冷量为10W/20K，用于冷却辐射屏和二元电流引线的铜引线。

SMES的概述国外研究现状,日本,先后研制了多个kJ级和MJ级的SMES。

在完成SMES动模实验研究的基础上，正在电力系统上开展了MJ级SMES的试验研究。

SMES的概述国外研究现状,德国,1997年建造完成了一个由6个超导线圈组成的2MJ的环形SMES装置。

现正在进行150kJ的高温超导SMES的研究工作。

SMES的概述国外研究现状,SMES的概述国内研究现状,1999年中科院电工所研制了一台300A/220V，25kJ的SMES试验装置。

在中科院知识创新工程支持下，电工所目前正在开展超导储能系统的研制工作，并计划完成2.5MJ/1MW超导储能系统的研制工作，但前还没有看到相关报道。

清华大学进行了20kJ/15kW超导储能磁体的研制工作，但未见相关电力系统应用动模实验结果报道，同时该校还准备计划在学校网络中心安装基于500kJ的SMES作为应急备用电源储能设备。

1电压型SMES的功率控制,VSMES功率控制VSC的数学模型,六脉冲电压源型变流器拓扑结构,根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型SMES的时域数学模型：

VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的三相静止ABC坐标系模型,VSMES功率控制VSC的数学模型,根据PARK变换的定义并遵循功率不变的原则，可以得到从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵为,3/2坐标变换,三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,三相静止ABC坐标,两相静止0坐标,两相旋转dq0坐标,三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,三相静止坐标系ABC分量,两相静止坐标系的0分量,两相旋转坐标系的dq0分量,两相坐标系到三相静止坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的ABC坐标系模型到dq0旋转坐标系模型的转换,拉氏变换,拉氏反变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型的原理框图,同步旋转坐标系下VSC结构框图,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制,d、q轴电流除受控制量urd和urq的影响外，还受耦合电压wLid和wLiq、以及变流器交流侧输入电压usd和usq的影响,假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量，即,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制,在同步旋转坐标下进行VSC控制的基本思想是：

希望得到装置的单位功率因数。

为此，输入电流必须跟踪输入电压，在dq坐标系中，通过将输入电压矢量定位在d轴上，控制电流矢量也只含有d轴分量，而不含q轴分量，则可以实现装置的单位功率因数特性。

解耦双闭环控制结构原理图,VSMES功率控制VSC的输出功率,单相等效电路图,VSC单相等效电路向量图,VSMES功率控制VSMES的斩波器,斩波器的拓扑结构如图所示，这是一个两象限斩波器，其目的是控制电容上的直流电压并向磁体外部或向磁体内部提供所需的超导储能。

它由2个可控开关功率器件（如GTO）和2个大功率二极管组成。

VSMES斩波器结构,VSMES功率控制VSMES的斩波器,VSMES斩波器的工作原理及其控制,开关器件和二极管器件的动作需按照SMES的实时工作状态进行调整，具体调整过程如下：

磁体起磁或磁体储能状态，在这两种工作状态中，G8恒通，G7斩波，同时变流器控制直流电压Udc恒定。

磁体电流续流状态，G8恒断、G7恒通。

变流器控制直流电压Udc恒定。

磁体放磁或释能状态，在这两种工作状态中，G8恒断、G7斩波，同时控制电压Udc恒定。

VSMES功率控制VSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑,VSMES仿真模型的主电路,VSMES功率控制VSMES仿真模型,VSMES仿真模型的控制电路,图中Udr&Uqr组件和Idr&IqrCalculate组件一起实现了前面所简述的双环解耦控制原理，也就是电压/电流双环控制部分。

VSMES变流器控制框图,VSMES功率控制功率控制仿真,参数：

三相电压源相电压为800V；直流电容为10mF，超导线圈等效电感为10H；超导线圈额定电流为500A（储能1.25MJ）；电网频率为50Hz；电容电压Udc为3000V；交流侧电感L为5mH；仿真时间为20s。

VSMES仿真模型参数,Qref指令,Pref指令,VSMES功率控制仿真结果,VSMES的功率跟踪,Psm对Pr的跟踪结果,Qsm对Qr的跟踪结果,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的Udc和Ismes,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的Udc和Ismes,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的输入电压和电流,电源侧三相电压曲线,电源侧三相电流曲线,电源侧三相电流局部曲线放大图,电源侧三相电压局部曲线放大图,2电流型SMES的功率控制,CSMES功率控制CSC的数学模型,根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型SMES的时域数学模型：

CSMES功率控制PWM开关策略,基于触发模式的PWM开关策略原理,CSMES功率控制PWM开关策略,调制波信号发生器和载波信号发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,调制脉冲发生器工作原理,调制脉冲发生器,CSMES功率控制PWM开关策略,斜坡函数发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,触发模式选择器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,触发脉冲发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,CSC输出电流特性,特点,改进型PWM控制下的电流源型变流器输出的电流中在任何情况下都不再含载波谐波分量，并且在n2为3的整数倍或n1+n2为偶数时，边带谐波也为零。

输出电流中基波分量的幅值和相位具有很好的可控性。

CSMES功率控制CSC的输出功率,CSC输出功率控制方法,CSMES功率控制CSMES输出功率,CSMES输出功率控制框图,CSMES功率控制CSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑,CSMES仿真模型的主电路,CSMES功率控制CSMES仿真模型,CSMES仿真模型的控制电路,CSMES的PWM控制框图,CSMES功率控制CSMES仿真模型,CSMES仿真模型的控制电路,csmes功率控制原理框图,CSMES功率控制功率控制仿真,参数：

三相电压源相电压为14000V；变流器交流侧等效电感400uH，滤波电容为130uF，仿真时间为20s。

CSMES仿真模型参数及功率跟踪,Psm,Qsm,Id运行结果,CSMES功率控制仿真结果,CSMES的功率跟踪,Psm对Pr,Qsm对Qr的跟踪结果,CSMES功率控制仿真结果,CSMES功率调节中的输入电压和电流,电源侧A相输入电流曲线,电源侧A相输入电流局部曲线放大图,3基于嵌入式SMES监测控制系统,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的主要功能,监测功能,控制功能,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统结构,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式基于RS485串行通信的数据交换,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式基于DRAM的数据交换,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的主要特点,由于软件和硬件采用模块化设计思想，因此所研制监控系统的各插件在软件和硬件方面具有很好的通用性。

具有良好的监控功能扩展能力。

只要按照所制定的数据交换接口定义和所要实现的监测功能对插件的硬件和软件进行设计，就可以方便地实现监控系统的其它功能扩展。

同时使监控系统在软件和硬件平台上具有良好的开放性，使其胜任其它FACTS装置的监测控制功能。

具有稳定的工作可靠性。

任何构成插件的故障都只会影响监控系统某一特定监控功能，但其它监控功能仍然可以正常工作。

由于采用插件式结构，因此便于工作人员对故障插件进行离线维护调试。

具有较强的灵活工作方式。

即可以分别用于SMES的状态监测、状态录波以及对SMES在电力系统实现特定用途的控制，还可以将上述三种功能进行任意组合使用。

435kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,35kJ/7.5kW高温超导SMES装置,左图中，SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统、SMES用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超导磁体。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的磁体系统,35kJ/7.5kW高温超导磁体,现场安装中的高温超导磁体,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的磁体系统,35kJ/7.5kW高温超导磁体参数,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的冷却系统,低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。

超导磁体笼罩于真空杜瓦内部。

杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏，其内部保持高真空环境（真空度达10-1Pa数量级）。

采用制冷机直接传导冷却工作方式，低温环境由两台大冷量GM制冷机提供。

其中一台为单级制冷机，冷头的制冷量为30W/20K，用于冷却超导磁体。

另一台为双级制冷机，一级冷头的制冷量为40W/80K，用于冷却二元电流引线中的高温超导电流引线；二级冷头的制冷量为10W/20K，用于冷却辐射屏和二元电流引线的铜引线。

运行时，低温系统的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa，通过制冷机的冷却，磁体表面温度以及电流引线温度保持在19K21K。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,高温超导线圈,变流器1,变流器2,变流器3,变流器4,直流母线,三相交流母线,SCR1,SCR2,SCR3,SCR4,R1,R2,R3,R4,SCR,S11,S14,S24,S21,S34,S31,S44,S41,S16,S13,S12,S15,S26,S23,S22,S25,S36,S33,S32,S35,S46,S43,S42,S45,La,La,La,La,La,La,La,La,Cf,Cf,Cf,Cf,DC+,DC-,A,B,C,Ias,Isb,Idc,Ld,Idc1,Idc1,Idc2,Idc2,Idc3,Idc3,Idc4,Idc4,Y,AC电源,DT,Isc,SMES的变流器结构,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的变流器主要技术参数,变流器由四个六脉冲IGBT电流型变流器直接并联构成。

通过低损耗变压器与电力系统连接。

设计容量为50kVA，实际运行为10kVA。

当超导磁体工作在最大电流200A时，变流器总损耗为1800W；当工作在额定电流时，变流器总损耗为750W。

变流器的开关调制策略采用载波相移SPWM调制技术。

各并联变流器的开关频率为1050Hz，整个变流器的总开关频率等效为41050Hz=4200Hz。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统,SMES的控制系统用于根据从系统提取的所需信息，按照系统控制的需要产生触发脉冲序列去控制IGBT，从而控制SMES输出所需的有功和无功功率。

它含有外环控制器和内环控制器两个闭合控制回路。

外环控制器实时采集电力系统各点电压、电流信号，经过相应的运算并采用选定的控制算法，得出系统此时所需要的功率调节量，并将此信号传递给内环控制器。

内环控制器根据外环下达的功率调节参考信号，利用有效的开关调制规则，产生变流装置的触发。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统内环控制器,内环控制器主要由信号调理、保护电路、DSP和微控制器（MicroControlUnit，简称MCU）等部分组成，采用以DSP为核心的主从控制结构，主要用以控制变流器在变化的直流电流下通过开关调制方法产生实际所需的交流电流，从而使SMES实际输入或输出的有功和无功功率能够对外环控制器输出的功率参考值进行快速跟踪，以及在SMES运行发生故障的情况下，对主电路执行相应的保护控制。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统外环控制器,外环控制器由监控系统的监控计算机和测量控制单元的多路数据采集插件、总线控制插件、SMES控制插件以及同步信号插件构成，用于对内环控制器的工作方式以及SMES和电力系统功率交换大小进行控制。

内环控制器用于实现外环控制器对SMES在磁体起磁、功率跟踪、非功率跟踪和去磁四种工作方式的切换，从而使SMES在外环控制器的作用下，能够在电力系统中灵活地投切。

SMES和电力系统的交换功率控制则用于实现SMES在电力系统中的具体应用。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统外环控制器,SMES的投入,当控制系统上电或复位时，内环控制器工作于默认的功率跟踪模式，外环控制器在指定内环工作模式的方式下运行，此时外环控制器并不向内环控制器下达功率交换参考值，而内环控制器则通过自身初始化设定的零功率参考值进行功率跟踪，从而使SMES可在不影响电力系统稳态运行的情况下投入运行。

SMES的起磁,当监控计算机发出磁体起磁命令后，外环控制器立刻通过串行通信接口向内环控制器发出磁体起磁命令，内环控制器接收此命令后随即切换至磁体起磁控制方式，通过调节最终使磁体电流维持在设定值。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统外环控制器,SMES的功率控制,当监控计算机发出允许交换功率命令后，外环控制器立即转换至对SMES和电力系统进行适当功率交换的控制模式，同时将该命令转发给内环控制器，使内环控制器也转入功率跟踪控制模式，并做好接受来自外环控制器的功率参考值的准备。

而外环控制器在此控制方式下设计了闭环和开环两种工作模式：

开环工作模式就是在每次控制周期到来时向内环控制器输出预先由手动设置的功率参考值Pref和Qref；闭环工作模式就是在每次控制周期到来时，先执行按SMES具体应用要求所设计的控制算法以确定交换功率的参考值，然后将此参考值通过串口发送给内环控制器。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统外环控制器,SMES的禁止功率交换控制,当监控计算机发出不允许交换功率命令时，外环控制器先向内环控制器发送Pref和Qref等于零的功率参考值，以使SMES不再和系统交换功率，接着再向内环控制器转发不允许功率交换命令，使内环控制器返回到上电或复位初始工作状态，然后外环控制器也退出对SMES交换功率大小的控制，并且不再向内环控制器输出交换功率参考值。

在此种操作下，由于磁体的存储的磁能并未释放，因此其剩余能量还可以被随后的操作所利用。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的控制系统外环控制器,SMES的去磁控制,外环控制器对内环控制器发出的磁体去磁命令也有两种方式：

第一种是先由监控计算机手动发送；第二种是SMES控制插件检测到磁体失超保护信号后，由外环控制器自动发送。

两种方式下，外环控制器都必须先向内环控制器发送Pref和Qref等于零的功率设定值，接着向内环控制器转发磁体去磁命令，然后返回到外环控制器的上电或复位初始工作状态，内环控制器则导通各变流器直流侧和磁体两端并联的晶闸管和电阻，通过续流回路的功率损耗迅速释放磁体中储存的能量。

35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,Idc/A,QSMES/kVar,PSMES/kW,SMES的磁体起磁过程,SMES的起磁,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的起磁,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的去磁,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,Idc/A,Qref=0、Pref由+3kW变换到-3kW时SMES的阶跃功率响应,QSMES/kVar,PSMES/kW,Qref=0、Pref由+3kW变换到-3Kw时SMES的瞬时响应,t/ms,isa,isb,isc/A,usab,usbc,Usca/V,QSMES/kVar,PSMES/kW,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,20000,t/ms,Pref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的阶跃功率响应,Pref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的瞬时响应,t/ms,PSMES/kW,QSMES/kVar,isa,isb,isc/A,usab,usbc,Usca/V,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,20000,t/ms,Pref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的阶跃功率响应,Pref=0、Qref由-3kVar变换到3kVar时SMES的瞬时响应,t/ms,PSMES/kW,QSMES/kVar,isa,isb,isc/A,usab,usbc,Usca/V,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,0,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,t/ms,isa,isb,isc/A,Idc/A,PSMES,QSMES,Pref,Qref四象限连续变换时SMES的功率响应,usab,usbc,usca/V,PSMES/kW,QSMES/kVar,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,SMES对正阶跃有功和负阶跃无功指令的暂态响应,SMES对正阶跃有功和无功指令的暂态响应,PSMES,QSMES,t/ms,isa,isb,isac/A,usab,usbc,usca/V,PSMES,QSMES,t/ms,usab,usbc,usca/V,isa,isb,isac/A,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性功率调节特性,SMES的四象限功率调节,5SMES控制器的设计,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,SMES的数学模型,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,SMES和电力系统的接口方程,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,反馈线性化,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,反馈线性化,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,线性最优控制规律设计,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,线性最优控制规律设计,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,SMES线性最优控制器,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,仿真结果1,SMES控制器的设计基于反馈线性化的SMES最优控制器,仿真结果2,6SMES抑制电力系统功率振荡的机理和实验研究,背景介绍：

低频振荡简介,定义电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡。

此时输电线上功率也会发生相应振荡。

由于振荡频率很低，通常在0.12.5Hz之间，故称为低频振荡（也称功率振荡、机电振荡）形成的原因最普遍的观点：

电力系统受小扰动时，发电机转子间阻尼不足而引起的持续低频功率振荡。

发电机的电磁惯性引起低频振荡；励磁调节器参数不当引起低频振荡；电力系统的非线性奇异现象引起低频振荡；不适当的控制方式导致低频振荡,背景介绍：

低频振荡简介,低频振荡分类局部模式，也称作本地模式（LocalModes），单台发电机对机群的振荡，其典型的振荡频率在0.72.0Hz之间。

全局模式，也称区间模式（InterareaModes），主要表现为系统一个区域的发电机群相对于另一区域发电机群的摇摆，振荡频率大约在0.10.7Hz之间。

低频振荡对系统的影响区间模式的低频振荡制约电网间的功率传输能力在扰动发生时极容易导致系统失稳,背景介绍：

低频振荡简介,低频振荡事故举例1996年8月10日美国WSCC（WesternSystemCo