核心提示：　　超導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（清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084）（是把電bsh女漢建，f%ww.Cnki.net導儲能的單橋系統(tǒng)和雙橋系統(tǒng)數(shù)學模型

　　超導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（清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084）（是把電bsh女漢建，f%ww.Cnki.net導儲能的單橋系統(tǒng)和雙橋系統(tǒng)數(shù)學模型，并實現(xiàn)了有功控制和有功無功綜合控制的各種控制策略。在單機無窮大和多機系統(tǒng)上的計算機仿真表明，超導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，如安裝地點等，也進行了比較詳細的研究。

　　712：A隨著超導技術的發(fā)展，尤其是高溫超導的出現(xiàn)，超導在電力系統(tǒng)中應用的前景看妊目前，人們正在研究的裝置包括超導儲能裝置，超導電機，超導輸電線，超導限流器等其中，超導儲能裝置SMES能存儲在磁場中的一種設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。由于線圈由超導材料制成并維持在超導狀態(tài)下，所以，線圈中的能量可以幾乎無損地儲存并在需要時，功率從磁場中放出，轉(zhuǎn)化為交流功率，輸送給交流電網(wǎng)。

　　超導儲能裝置具有如下的特性：1）轉(zhuǎn)換效率高大型低溫超導儲能裝置的充電放電效率約為90%~9%.高溫超導儲能裝置的效率則可高達94%，甚至更高。2）響應速度快。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既可進行有功功率的調(diào)節(jié)，又可進行無功功率的調(diào)節(jié)，還可以同時進行有功無功的獨立控制，具有很高的靈活性由于超導儲能裝置的這些優(yōu)異的特性，其應用范圍非常廣根據(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線圈的技術困難，目前的研究多數(shù)集中在中小容量上本文從超導儲能系統(tǒng)的機理出發(fā)，建立超導儲能的一組數(shù)學模型，通過計算機仿真，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)學模型1.1SMES的基本原理SMES系統(tǒng)主要由超導線圈、換流電路、控制保護電路及制冷設備組成超導儲能單橋系統(tǒng)實際上為純感性負載三相整流逆變橋。對整流逆變橋的控制是通過控制開關器件的導通狀態(tài)實現(xiàn)的超導儲能裝置與交流系統(tǒng)的連接在以上的假設條件下，換流橋的數(shù)學模型（標幺值）可表示為3丌（4）/s=/s1+/s2.（5）超導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故障節(jié)點處發(fā)電機的Ak為正數(shù)時，SMES從系統(tǒng)吸收有功功率；當Ak為負數(shù)時，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)學表達式為2.2有功控制策略2（P-Ape控制）在實際應用中，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)中很容易實現(xiàn)，我們用發(fā)電機發(fā)出的有功偏差APe=P*-Pe作為控制變量，對SMES與系統(tǒng)的有功交換進行控制，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計算機仿真3.1仿真的系統(tǒng)接線在單機無窮大系統(tǒng)和三機系統(tǒng)（）上分別進行仿真仿真的故障為：單機系統(tǒng)：發(fā)電機機端升壓變壓器高壓側(cè)，在0.2S發(fā)生三相短路故障，經(jīng)過一定時間切除故障，然后單回線運行。

　　三機系統(tǒng)：故障A0.2s時，A點發(fā)生三相短路，經(jīng)過一定時間后切除7，8節(jié)點之間的線路。故障B0.2s時，B點發(fā)生三相短路，然后切除6，7節(jié)點之間的線路故障C0.2s時，8號節(jié)點發(fā)生三相短路，然后切除8，9節(jié)點之間的線路3.2單機系統(tǒng)仿真結果是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，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角速0時，觸發(fā)角T在0到n/2之間，SMES吸收的有功Psm為正超導線圈上的直流電流“增大；當Ak<0時，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時發(fā)電機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)電機第一搖擺的最大相對角度Wax，提高暫態(tài)穩(wěn)定性仿真結果見表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APe作為控制變量，控制超導儲能系統(tǒng)，具有和以Ak為控制信號的系統(tǒng)大致相同的效果事實上，由轉(zhuǎn)子運動方程，發(fā)電機電磁功率與其轉(zhuǎn)速有如下關系：ApP=T-dk/dt），其中，Tj為發(fā)電機的慣性時間常數(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，可以得到以下結論：表1故障點為線路中點時，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，效果有進一步地提高，但相比于有功控制，提高不大。

　　3.3多機系統(tǒng)仿真結果仿真系統(tǒng)如所示，對于該三機系統(tǒng)構成的環(huán)網(wǎng)，結構聯(lián)系比較緊密，而故障后系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)，結構發(fā)生很大變化；同時，多機系統(tǒng)中存在多個振蕩模式本文考察超導儲能系統(tǒng)裝設在不同地點，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，多機系統(tǒng)沒有SMES在發(fā)電機2機端、在發(fā)電機3機端裝設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，SMES裝設地點靠近某臺發(fā)電機，則對該發(fā)電機的影響更明顯仿真故障B和C，可以得到類似的結果。表2列出了仿真結果表2不同故障，SMES在不同發(fā)電機節(jié)點上，極限切除時間Tre的比較故障類型沒有SMES在（*節(jié)點在G3節(jié)點同時在G2和G3首先失穩(wěn)的發(fā)電機0.59時發(fā)電機在第一擺沒有失穩(wěn)，但其后等幅甚至增幅振蕩。

　　*Tr*為0.58時，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不論裝設在哪一臺發(fā)電機機端，對提高整個系統(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)電機的參數(shù)等相關b）SMES裝在哪臺發(fā)電機機端，便對提高該臺發(fā)電機的穩(wěn)定性的影響最大c）把SMES裝設在最先失穩(wěn)的發(fā)電機機端，能最有效地提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定十生4結論本文簡要介紹了超導儲能裝置的基本工作原理，建立了超導儲能系統(tǒng)的一組非線性微分方程組數(shù)學模型超導儲能裝置能同時控制它與交流系統(tǒng)交換的有功和無功功率。文中提出了應用超導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無窮大和多機系統(tǒng)上，進行了計算機仿真，研究了超導儲能系統(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。仿真結果表明：超導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一步提高了效果。在多機系統(tǒng)中，SMES裝設在各發(fā)電機機端能夠有效地提高暫態(tài)穩(wěn)定性，且超導儲能裝設在哪一節(jié)點，則對這一節(jié)點上的發(fā)電機的暫態(tài)過程影響最大對整個系統(tǒng)而言，SMES裝設在最先失穩(wěn)的發(fā)電機機端效果最好。