核心提示：　　超導(dǎo)儲能裝置提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究鄭麗，馬居新，李立春（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）（是把電bsh女漢建，f%ww.Cnki.net導(dǎo)儲能的單橋系統(tǒng)和雙橋系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　超導(dǎo)儲能裝置提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究鄭麗，馬居新，李立春（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084）（是把電bsh女漢建，f%ww.Cnki.net導(dǎo)儲能的單橋系統(tǒng)和雙橋系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)了有功控制和有功無功綜合控制的各種控制策略。在單機(jī)無窮大和多機(jī)系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)仿真表明，超導(dǎo)儲能裝置能有效地提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性論文研究了控制方式對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，對影響其效果的多種因素，如安裝地點(diǎn)等，也進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。

　　712：A隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，尤其是高溫超導(dǎo)的出現(xiàn)，超導(dǎo)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的前景看妊目前，人們正在研究的裝置包括超導(dǎo)儲能裝置，超導(dǎo)電機(jī)，超導(dǎo)輸電線，超導(dǎo)限流器等其中，超導(dǎo)儲能裝置SMES能存儲在磁場中的一種設(shè)備它通過整流逆變橋把交流電轉(zhuǎn)化成直流，對巨大的螺線管線圈充電。由于線圈由超導(dǎo)材料制成并維持在超導(dǎo)狀態(tài)下，所以，線圈中的能量可以幾乎無損地儲存并在需要時(shí)，功率從磁場中放出，轉(zhuǎn)化為交流功率，輸送給交流電網(wǎng)。

　　超導(dǎo)儲能裝置具有如下的特性：1）轉(zhuǎn)換效率高大型低溫超導(dǎo)儲能裝置的充電放電效率約為90%~9%.高溫超導(dǎo)儲能裝置的效率則可高達(dá)94%，甚至更高。2）響應(yīng)速度快。SMES從最大充電功率到最大放電功率的轉(zhuǎn)換只需幾十ms3）SMES既可進(jìn)行有功功率的調(diào)節(jié)，又可進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)，還可以同時(shí)進(jìn)行有功無功的獨(dú)立控制，具有很高的靈活性由于超導(dǎo)儲能裝置的這些優(yōu)異的特性，其應(yīng)用范圍非常廣根據(jù)容量的大小，SMES系統(tǒng)可以分為大中小容量。大容量SMES（5 107~1tfMJ）主要用來平衡電網(wǎng)的日高峰和夜低谷負(fù)荷。中小容量的SMES（儲能小于1tfMJ）可以用于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、阻尼同步振蕩以及提高電能質(zhì)量等等由于制造大容量超導(dǎo)線圈的技術(shù)困難，目前的研究多數(shù)集中在中小容量上本文從超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的機(jī)理出發(fā)，建立超導(dǎo)儲能的一組數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)仿真，研究SMES對提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用，并研究其控制規(guī)律1SMES的原理和數(shù)學(xué)模型1.1SMES的基本原理SMES系統(tǒng)主要由超導(dǎo)線圈、換流電路、控制保護(hù)電路及制冷設(shè)備組成超導(dǎo)儲能單橋系統(tǒng)實(shí)際上為純感性負(fù)載三相整流逆變橋。對整流逆變橋的控制是通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)儲能裝置與交流系統(tǒng)的連接在以上的假設(shè)條件下，換流橋的數(shù)學(xué)模型（標(biāo)幺值）可表示為3丌（4）/s=/s1+/s2.（5）超導(dǎo)線圈中的電量可表示為：jrjd/d根據(jù)換流電路基本原理，可以得到如下的基本關(guān)系：丌其中：Vd為直流側(cè)電壓平均值；Psm為SMES吸收的有功；Q-為SMES吸收的無功；V為交流側(cè)相電壓有效值；T，T為觸發(fā)角。由在此策略中，Ak作為控制信號，控制系統(tǒng)使與系統(tǒng)交換的功率與之成比例當(dāng)故障節(jié)點(diǎn)處發(fā)電機(jī)的Ak為正數(shù)時(shí)，SMES從系統(tǒng)吸收有功功率；當(dāng)Ak為負(fù)數(shù)時(shí)，SMES向系統(tǒng)放出有功功率，如所示，它所表示的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為2.2有功控制策略2（P-Ape控制）在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子角速度k的測量比較困難而對功率的測量在電力系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)，我們用發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功偏差A(yù)Pe=P*-Pe作為控制變量，對SMES與系統(tǒng)的有功交換進(jìn)行控制，控制規(guī)律選用PI控制器加慣性環(huán)節(jié)。

　　2.3有功無功綜合控制以通過反三角函數(shù)求出T，T2本文對有功無功綜合控制采用如所示的框圖，其中，有功控制器和無功控制器的傳遞函數(shù)分別為：3計(jì)算機(jī)仿真3.1仿真的系統(tǒng)接線在單機(jī)無窮大系統(tǒng)和三機(jī)系統(tǒng)（）上分別進(jìn)行仿真仿真的故障為：單機(jī)系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)機(jī)端升壓變壓器高壓側(cè)，在0.2S發(fā)生三相短路故障，經(jīng)過一定時(shí)間切除故障，然后單回線運(yùn)行。

　　三機(jī)系統(tǒng)：故障A0.2s時(shí)，A點(diǎn)發(fā)生三相短路，經(jīng)過一定時(shí)間后切除7，8節(jié)點(diǎn)之間的線路。故障B0.2s時(shí)，B點(diǎn)發(fā)生三相短路，然后切除6，7節(jié)點(diǎn)之間的線路故障C0.2s時(shí)，8號節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路，然后切除8，9節(jié)點(diǎn)之間的線路3.2單機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果是PAk控制下，SMES和系統(tǒng)各變量的動態(tài)過程從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對角速0時(shí)，觸發(fā)角T在0到n/2之間，SMES吸收的有功Psm為正超導(dǎo)線圈上的直流電流“增大；當(dāng)Ak<0時(shí)，觸發(fā)角T在n/2到n之間，SMES發(fā)出有功，”減小。比較了SMES有功控制和沒有SMES時(shí)發(fā)電機(jī)角速度和相對角度的動態(tài)過程，可以看出，SMES的有功控制能有效地降低發(fā)電機(jī)第一搖擺的最大相對角度Wax，提高暫態(tài)穩(wěn)定性仿真結(jié)果見表1仿真表明，在控制系統(tǒng)參數(shù)選擇合適的條件下，用功率偏差A(yù)Pe作為控制變量，控制超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，具有和以Ak為控制信號的系統(tǒng)大致相同的效果事實(shí)上，由轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程，發(fā)電機(jī)電磁功率與其轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：ApP=T-dk/dt），其中，Tj為發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)而本文所采用的pAk控制和pAPe控制恰好符合上述關(guān)系因此，只要參數(shù)選擇合適，控制策略2和控制策略1等效。綜合前面的內(nèi)容，可以得到以下結(jié)論：表1故障點(diǎn)為線路中點(diǎn)時(shí)，各種控制下，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有功控制有功無功綜合控制Trec的提高％Pe，max的提高％SMES有功控制，能明顯地提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性阻尼振蕩SMES的有功無功綜合控制，效果有進(jìn)一步地提高，但相比于有功控制，提高不大。

　　3.3多機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真系統(tǒng)如所示，對于該三機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)聯(lián)系比較緊密，而故障后系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)，結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化；同時(shí)，多機(jī)系統(tǒng)中存在多個(gè)振蕩模式本文考察超導(dǎo)儲能系統(tǒng)裝設(shè)在不同地點(diǎn)，在不同的故障情況下，對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。

　　愚4SMESa和系統(tǒng)質(zhì)量的盈態(tài)過IcWcbookmark1比較了故障A，多機(jī)系統(tǒng)沒有SMES在發(fā)電機(jī)2機(jī)端、在發(fā)電機(jī)3機(jī)端裝設(shè)SMES多種情況下系統(tǒng)的動態(tài)過程。SMES的引入能有效地降低相對相角W-W和W-W，提高暫態(tài)穩(wěn)定性；且不論的振蕩均有抑制作用，同時(shí)，SMES裝設(shè)地點(diǎn)靠近某臺發(fā)電機(jī)，則對該發(fā)電機(jī)的影響更明顯仿真故障B和C，可以得到類似的結(jié)果。表2列出了仿真結(jié)果表2不同故障，SMES在不同發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)上，極限切除時(shí)間Tre的比較故障類型沒有SMES在（*節(jié)點(diǎn)在G3節(jié)點(diǎn)同時(shí)在G2和G3首先失穩(wěn)的發(fā)電機(jī)0.59時(shí)發(fā)電機(jī)在第一擺沒有失穩(wěn)，但其后等幅甚至增幅振蕩。

　　*Tr*為0.58時(shí)，可以使系統(tǒng)經(jīng)過振蕩后穩(wěn)定下來*G2首先失穩(wěn)，（*也很容易失穩(wěn)由此可知：a）SMES不論裝設(shè)在哪一臺發(fā)電機(jī)機(jī)端，對提高整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，都有好處，其作用的大小與SMES離故障的電氣距離、發(fā)電機(jī)的參數(shù)等相關(guān)b）SMES裝在哪臺發(fā)電機(jī)機(jī)端，便對提高該臺發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性的影響最大c）把SMES裝設(shè)在最先失穩(wěn)的發(fā)電機(jī)機(jī)端，能最有效地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定十生4結(jié)論本文簡要介紹了超導(dǎo)儲能裝置的基本工作原理，建立了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的一組非線性微分方程組數(shù)學(xué)模型超導(dǎo)儲能裝置能同時(shí)控制它與交流系統(tǒng)交換的有功和無功功率。文中提出了應(yīng)用超導(dǎo)儲能裝置的有功控制和有功無功綜合控制提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的各種控制策略本文分別在單機(jī)無窮大和多機(jī)系統(tǒng)上，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，研究了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的有功控制，有功無功綜合控制對提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用。仿真結(jié)果表明：超導(dǎo)儲能裝置能有效地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；其中，有功控制直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的電功率，能顯著地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；有功無功綜合控制更進(jìn)一步提高了效果。在多機(jī)系統(tǒng)中，SMES裝設(shè)在各發(fā)電機(jī)機(jī)端能夠有效地提高暫態(tài)穩(wěn)定性，且超導(dǎo)儲能裝設(shè)在哪一節(jié)點(diǎn)，則對這一節(jié)點(diǎn)上的發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程影響最大對整個(gè)系統(tǒng)而言，SMES裝設(shè)在最先失穩(wěn)的發(fā)電機(jī)機(jī)端效果最好。