儲能技術綜述儲能技術綜述

儲能裝置快速的功率調節能力使其突破了傳統電力系統主要依賴繼電保護和自動裝置的被動致穩框架，徹底改變傳統電力系統中缺乏快速補償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動致穩新思想。

在目前所提出的各種超導電力裝置中，儲能裝置具有較大的技術可行性和經濟價值，因此隨著高溫超導和電力電子技術的不斷進步，開展儲能裝置的研制工作對各國電力事業具有深遠的意義，而且也是各國經濟戰略發展的需要。

儲能裝置快速的功率調節能力使其突破了傳統電力系統主要依賴繼儲能技術在電力系統中的應用電網調峰系統備用容量調節電網中的過負荷沖擊提高電力系統穩定性靜止無功補償改善電能品質分布式電源和可再生能源的功率平滑裝置儲能技術在電力系統中的應用電網調峰到目前為止，人們已經探索和開發了多種形式的電能儲能方式，主要可分為：機械儲能、化學儲能和電磁儲能等。主要儲能技術到目前為止，人們已經探索和開發了多種形式的電能儲機械儲能：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能化學儲能：鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、鋰離子電池電磁儲能：超導儲能、超級電容器儲能主要儲能技術機械儲能：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能主要儲能技術機械儲能－抽水蓄能廣泛采用的大規模、集中式儲能手段。利用自然界里數量最大的液體－水的勢能進行儲能。需要配備上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段，抽水蓄能設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。

負荷高峰時，工作在發電機狀態，利用儲存在上游水庫中的發電。一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進行電力調度。機械儲能－抽水蓄能廣泛采用的大規模、集中式儲能機械儲能－抽水蓄能發展現狀：19世紀90年代于意大利和瑞士得到應用，據統計目前全世界共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行。

日、美、西歐等國20世紀60～70年代出現抽水蓄能電站的建設高峰。其中日本是世界上機組水平最高的國家，在技術方面引領世界潮流。我國上世紀90年代開始發展，有廣州抽水蓄能1期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能電站。資料統計，已裝機5.7GW，占全國裝機容量的1.8%。機械儲能－抽水蓄能發展現狀：機械儲能－抽水蓄能優點：技術上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫庫容限制。缺點：建造受地理條件限制，需合適落差的高低水庫，遠離負荷中心；抽水和發電中有相當數量的能量被損失，儲能密度較差；建設周期長，投資大；機械儲能－抽水蓄能優點：機械儲能－飛輪儲能FlywheelEnergyStorage將能量以動能形式儲存在高速旋轉的飛輪中。由高強度合金和復合材料的轉子、高速軸承、雙饋電機，電力轉換器和真空安全罩組成。電能驅動飛輪高速旋轉，電能變飛輪動能儲存，需要時，飛輪減速，電動機做發電機運行，飛輪的加速和減速實現了充電和放電。機械儲能－飛輪儲能FlywheelEnerg機械儲能－飛輪儲能特點：儲能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無污染、應用范圍廣、適應性強等特點。目前用于調峰、風力發電，太陽能儲能、電動汽車、UPS、低軌道衛星、電磁炮、魚雷。國內相關單位：清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華科大、華北電大、中科院電工所。2009年8月5日，國內最先進和可靠的兩臺250kVA移動式飛輪發電車落戶北京電力公司，執行供電保障和應急供電任務。機械儲能－飛輪儲能特點：機械儲能－壓縮空氣儲能上世紀50年代提出，目的是削峰填谷。兩個循環構成其儲能過程：一是充氣壓縮循環；二是排氣膨脹循環。壓縮時，雙饋電機做電動機工作，利用谷荷時的多余電力驅動壓縮機，將高壓空氣壓入地下儲氣洞；峰荷時，雙饋電機做發電機工作，儲存壓縮空氣先經過回熱器預熱，再使用燃料在燃燒室內燃燒，進入膨脹系統中做工（如驅動燃汽輪機）發電。德國、美國、日本和以色列建成過示范性電站。機械儲能－壓縮空氣儲能上世紀50年代提出，目的化學儲能－鉛酸電池它是以二氧化碳和海綿狀金屬鉛分別為正、負極活性物質，硫酸溶液為電解質的一種蓄電池，距今140年歷史。

優點：

自放電小，25℃下自放電率小于2%/月；結構緊湊，密封好，抗振動，大電流性能好；工作溫度范圍寬，-40℃～50℃；價格低廉；制造維護成本低；無記憶效應（淺循環工作時容量損失）。目前，世界各地已建立了許多基于鉛酸電池的儲能系統。例如：德國柏林BEWAG的8.8MW/8.5MWh的蓄電池儲能系統，用于調峰和調頻?；瘜W儲能－鉛酸電池它是以二氧化碳和海綿狀金屬鉛化學儲能－鉛酸電池工程地點建設時間額定容量(MWh)額定功率(MW)Crescent美國加州19870.50.5Prepa波多黎各19941420Vernon美國加州19954.53Herne-Sodingen德國Late1990s1.21.2化學儲能－鉛酸電池工程地點建設時間額定容量額定功率Cresc化學儲能－鉛酸電池中國加入WTO后，由于看好中國蓄電池市場巨大潛力以及發達國家對蓄電池行業的限制政策，越來越多國外大型電池制造商選擇在中國建廠和生產，目前我國鉛酸電池產量占世界的1/3，生產研發技術與國際先進說平差距不明顯。保定風帆、哈爾濱光宇，江蘇雙登、湖北駱駝等，都是主要電池制造企業。

化學儲能－鉛酸電池中國加入WTO后，由于看好中化學儲能－鈉流電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池鈉流電池是一種新型蓄電池。采用熔融液態電極和固體電解質，其中，負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽。液流電池或稱氧化還原液流電池，是正負極活性物質均為液態流體氧化還原電對的一種電池。最早由美國航空航天局（NASA）資助設計，1974年申請了專利。目前主流是全釩電池群雄并起，鐵鉻電池陷于停頓、多硫化鈉/溴電池剛剛興起。鈉/氯化鎳電池是一種在鈉流電池的基礎上發展起來的新型儲能電池，具有較高的能量密度和功率密度，具備可過充電、無自放電，運行維護簡單等優勢?；瘜W儲能－鈉流電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池鈉化學儲能－鋰離子電池優勢是儲能密度高、儲能效率高、循環壽命長等。鑒于上述優點，近年來得到了快速發展，隨著制造技術和制造成本的不斷降低，將鋰離子電池用于儲能非常具有應用前景。目前，單體電池標準循環壽命已經超過1000次，僅從電池單體的角度來看，鋰離子電池的比能量和循環壽命已基本滿足儲能應用需求，但在鋰離子電池組應用時，循環壽命只有400～600次，甚至更低，嚴重制約了鋰離子電池儲能應用。鋰離子電池在電力系統的應用方面，美國走在前面。2009年的儲能項目研究規劃中，擬開展鋰離子電池用于分布式儲能的研究和開發。化學儲能－鋰離子電池優勢是儲能密度高、儲能效率電磁儲能－超導儲能超導磁儲能（SMES）單元是由一個置于低溫環境的超導線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設備提供。功率變換/調節系統將SMES單元與交流電力系統想念，并且可以根據電力系統的需要對儲能線圈進行充放電。通常使用兩種功率變換系統將儲能線圈和與交流電力系統相連：一種是電流源型變流器；另一種是電壓源型變流器。電磁儲能－超導儲能超導磁儲能（SMES）單元是電磁儲能－超級電容器儲能超級電容器（SC）是近幾十年來，國里外發展起來的一種介于常規電容器與化學電池二者之間的新型儲能元件。它具備傳統電容那樣的放電功率，也具備化學電池儲能電荷的能力。與傳統電容相比，具備達到法拉級別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環次數達到十萬次以上，且不用維護；與化學電池相比，具備較高的比功率，且對環境無污染。綜上，SC是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置，它優越的性能得到各方的總是，目前發展十分迅速。電磁儲能－超級電容器儲能超級電容器（SC）是近各種儲能技術特點總結各種儲能技術在其能量密度和功率密度方面均有不同的表現，而同時電力系統也對儲能系統不同應用提出了不同的技術要求，很少有一種出儲能技術可以完全勝任電力系統中的各種應用，因此，必須兼顧雙方需求，選擇匹配的儲能方式與電力應用。各種儲能技術特點總結各種儲能技術在其能量密度和功各種儲能技術特點總結根據各種儲能技術的特點，抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統調峰、大型應急電源、可再生能源接入等大規模、大容量的應用場合，而超導、飛輪及超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振蕩、提高系統穩定性等。各種儲能技術特點總結根據各種儲能技術的特點，抽水各種儲能技術特點總結抽水蓄能電站在電網中可承擔調峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等多種任務，抽水蓄能電站的建設對優化電源結構、提高電網的安全、穩定、經濟運行水平、促進電網節能降耗、改善電能質量和供電可靠性等具有不可替代的作用。特別是隨著大核電、大水電和大風電的建設，抽水蓄能電站的作用日趨明顯。而當前我國的抽水蓄能電站裝機容量比重相對較低，遠不能滿足電網長期安全穩定運行的需要。各種儲能技術特點總結抽水蓄能電站在電網中可承擔調各種儲能技術特點總結鉛酸電池盡管目前仍是世界上產量和用量最大的一種蓄電池，但從長遠發展看，他尚不能滿足今后電力系統大規模高效儲能的要求，而鈉硫電池具有的一系列特點是他們成為未來大規模電化學儲能的兩種方式，特別是液流電池，它有望在未來的10~20年內逐步取代鉛酸電池。而鋰電池在電動汽車的推動下也有望成為后起之秀。各種儲能技術特點總結鉛酸電池盡管目前仍是世界上產各種儲能技術特點總結儲能類型典型額定功率額定容量特點應用場合機械儲能抽水儲能100~2000MW4~10小時適用于大規模，技術成熟。響應慢，需要地理資源日負荷調節，頻率控制和系統備用壓縮空氣10~300MW1~20小時適用于大規模。響應慢，需要地理資源。調峰、調頻、系統備用、風電儲備飛輪儲能5Kw~10MW1秒~30分鐘比功率較大。成本高，噪音大。調峰、頻率控制、UPS和電能質量電磁儲能超導儲能10Kw~50MW2秒~5分響應快，比功率高。成本高，維護困難。輸配電穩定、抑制振蕩高能電容1~10MW1~10秒響應快，比功率高。比能量低。輸電系統穩定、電能質量控制超級電容10kW~1MW1~30秒響應快，比功率高。成本高、出能量低?？蓱糜诙ㄖ齐娏癋ACTS各種儲能技術特點總結儲能類型典型額定功率額定容量特點應用場合各種儲能技術特點總結儲能類型典型額定功率額定容量特點應用場合電化學儲能鉛酸電池kW~50MW分鐘~小時技術成熟，成本低。壽命短，環保問題。電能質量、電站備用、黑啟動液流電池5kW~100MW1~20小時壽命長，可深放，適于組合，效率高，環保性好。但能量密度稍低電能質量、備用電源、調峰填谷、能量管理、可再生儲能、EPS鈉硫電池100kW~100MW數小時比能量和比功率較高。高溫條件、運行安全問題有待改進。電能質量、備用電源、調峰填谷、能量管理、可再生儲能、EPS鋰電池kW~MW分鐘~小時比能量高。成組壽命、安全問題有待改進。電能質量、備用電源、UPS各種儲能技術特點總結儲能類型典型額定功率額定容量特點應用場合超導技術及應用超導技術及應用1超導技術導言1超導技術導言超導體（superconductor）超導體是指當某種導體在一定溫度下，可使電阻為零的導體。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性，也稱為超導現象。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。超導體（superconductor）超導體是1.1超導的發現1.超導技術導言荷蘭物理學家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

低溫物理學家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓．因制成液氦和發現超導現象象1913年獲諾貝爾物理學獎．1.1超導的發現1.超導技術導言荷蘭物理學家昂納斯

(He

1908年7月10日,卡末林-昂納斯和他的同事在精心準備之后，集體攻關，終于使氦液化。這次卡末林-昂納斯共獲得了60cc的液氦，達到了4.3K的低溫。他們又經過多次實驗，第二年達到1.38-1.04K。它標志著所有物質都可以存在于氣液固狀態?！坝谰脷怏w”氦氣液化成功1.超導技術導言1.1超導的發現1908年7月10日,卡末林-昂納斯和他的同事1.超導技術導言1.1超導的發現

低溫冷卻介質地成功獲取，使昂納斯研究各種金屬導體在低溫狀態下特性成為了可能。昂納斯試著利用液態氦對汞進行冷卻，終于使汞的溫度冷卻到接近絕對零度。當他將電流通過汞線，測量汞線的電阻隨溫度變化時，一個奇異的現象出現了：當溫度降到4.2K時，電阻突然消失了。1911年12月28日昂納斯宣布了這一發現。但此時他還沒有看出這一現象的普遍意義，僅僅當成是有關水銀的特殊現象。

1.超導技術導言1.1超導的發現低溫4.004.204.400.1500.1000.0500.000***：臨界溫度4.20K附近汞的電阻突降為零在4.004.204.401.超導技術導言1.1超導的發現

不久，昂尼斯又發現了其他幾種金屬也可進入“超導態”，如錫和鉛。其中，錫的轉變溫度為3.8K，鉛的轉變溫度為6K。由于這兩種金屬的易加工特性，就可以在無電阻狀態下進行種種電子學試驗。此后，人們對金屬元素進行試驗，發現鈹、鈦、鋅、鎵、鋯、鋁、锘等24種元素以及是超導體。從此，超導體的研究進入了一個嶄新的階段。1.超導技術導言1.1超導的發現不久，昂1.超導技術導言1.2超導物理特性

零電阻

邁斯納效應

臨界磁場

臨界電流

臨界溫度1.超導技術導言1.2超導物理特性零電阻邁斯納效應1.超導技術導言1.2超導物理特性實現超導必須具備一定的條件，如溫度、磁場、電流都必須足夠的低。超導態的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場，三者密切相關，相互制約。

1.超導技術導言1.2超導物理特性實現超導必須臨界溫度(T℃)臨界溫度(Tc):超導體電阻突然變為零的溫度。1.2超導物理特性1.超導技術導言臨界溫度(T℃)臨界溫度(Tc):超導體電阻突然變為零1.超導技術導言1.2超導電性超導體內部電流永遠不會消失昂尼斯發現超導電性以后，繼續進行實驗，測量低溫下電阻是否完全消失。昂尼斯把一個鉛制圓圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁鐵，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使鉛冷卻成為超導體，最后把瓶外的磁鐵突然撤除，鉛圈內便會產生感應電流并且此電流將持續流動下去，這就是昂尼斯持久電流實驗。許多人都重復做這個實驗，其中電流持續時間最長的一次是從１９５４年３月１６日到１９５６年９月５日，而且在這兩年半時間內持續電流沒有減弱的跡象，液氦的供應中斷實驗才停止。持續電流說明超導體的電阻可以認為是零。1.超導技術導言1.2超導電性超導體內部電流永遠不會消失1.超導技術導言1.2超導物理特性超導體零電阻觀察與測量：一超導環置一磁場中，然后冷卻使之轉變成超導態，快速撤去磁場。產生感應電流。T>Tc在超導環上加磁場

(b)T<Tc圓環轉變為超導態(c)突然撤去外電場，超導環中產生持續電流

1.超導技術導言1.2超導物理特性超導體零電阻觀察與測量：1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應

邁斯納效應又叫完全抗磁性，1933年邁斯納研究超導態的磁性時發現，超導體一旦進入超導狀態，超導體內部的磁通量將全部被排出超導體外部，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態，超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：S表示超導態N表示正常態1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應邁1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應德國物理學家邁納斯1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應德國物理學家邁1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應觀察邁斯納效應的磁懸浮試驗

在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續電流的磁場，與磁鐵之間產生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。1.超導技術導言1.2超導物理特性邁斯納效應觀察邁斯納效應1.超導技術導言邁斯納效應超導體的完全抗磁性會產生磁懸浮現象，磁懸浮現象在工程技術中有許多重要的應用，如用來制造磁懸浮列車和超導無摩擦軸承等。

1.2超導物理特性1.超導技術導言邁斯納效應超導體的完全抗磁性會產生磁1.超導技術導言為了尋找較高臨界溫度的超導材料，在50年代早期，科學家們將注意力轉向了合金和化合物。1952年，發現了臨界溫度為17K的硅化釩，不久又發現了臨界溫度為18K的鈮錫合金。1960年，昆茲勒發現了鈮錫合金在8.8萬高斯磁場中仍具有超導性。它正是第Ⅱ類超導體。以后，又陸續發現了若干鈮系列合金超導體。1973年，發現了鈮鍺合金，其臨界溫度可達23.2K，這一發現又激起了科學家們尋找高溫超導體的熱情。第Ⅱ類超導體發現后，美國和英國的一些公司又花了近10年時間開發可靠的超導產品。之后，人們進入了在多元素化體系中尋找高臨界溫度超導體的競賽。1.5超導材料1.超導技術導言為了尋找較高臨界溫度的超導材超導特性發現于1911年：4.2K

臨界溫度提高很慢：75年后達23.2K.

1988年：110K（2年：100度）

1.超導技術導言1.5超導材料著名高溫超導物理學家超導特性發現于1911年：4.2K1.超導技術導言1.5超1.超導技術導言1.5超導材料高溫超導體的發現1986年4月，正當提高金屬、合金有機材料的臨界溫度都遇到困難的時候，瑞士學者繆勒和西德學者柏努茲發現多相氧化物或稱為陶瓷材料超導，激起人們對新陶瓷材料的高度熱情，在不到一年時間內，中國、日本，美國等競相努力，使陶瓷超導體的臨界溫度提高到300K以上。1987年初，中國的趙忠賢獲得SrLaCuO的超導臨界溫度為48.6K。

1.超導技術導言1.5超導材料高溫超導體的發現2超導磁儲能技術概述2超導磁儲能技術概述SMES的概述

SMES快速的功率調節能力使其突破了傳統電力系統主要依賴繼電保護和自動裝置的被動致穩框架，徹底改變傳統電力系統中缺乏快速補償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動致穩新思想。在目前所提出的各種超導電力裝置中，SMES具有較大的技術可行性和經濟價值，因此隨著高溫超導和電力電子技術的不斷進步，開展SMES的研制工作對各國電力事業具有深遠的意義，而且也是各國經濟戰略發展的需要。

SMES的概述SMES快速的功率調節能力使其突破了傳統電力SMES的概述—在電力系統中的應用電網調峰系統備用容量調節電網中的過負荷沖擊提高電力系統穩定性靜止無功補償改善電能品質分散電源的功率平滑裝置SMES的概述—在電力系統中的應用電網調峰SMES的概述—在電力系統中的應用不同規模的SMES應用場合有所不同，一般中、大型SMES可用于10kV以上電壓等級的發電廠、變電站等適合SMES安裝的一切地點。SMES的概述—在電力系統中的應用不同規模的SMES應用場合SMES的概述－裝置結構右圖是SMES裝置的具體結構原理圖，該結構是由美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先提出來的。如圖所示，SMES裝置一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、功率變換裝置、失超保護系統和監測控制系統幾個主要部分組成。SMES的概述－裝置結構右圖是SMES裝置的具體結構SMES的概述－裝置結構35kJ/7.5kW高溫超導磁儲能裝置左圖中，SMES各組成設備從左至右依次為SMES的監測控制系統、SMES用于功率調節的電流型變流器、提供超導運行環境的低溫制冷系統和高溫超導磁體。SMES的概述－裝置結構35kJ/7.5kW高溫超導磁儲能裝SMES的概述－裝置結構35kJ/7.5kW高溫超導磁體SMES的磁體系統運行時，低溫系統的杜瓦真空可保持在0.1～0.2Pa，通過制冷機的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K～21K。SMES的概述－裝置結構35kJ/7.5kW高溫超導磁體SMSMES的概述－裝置結構SMES的磁體系統

35kJ/7.5kW高溫超導SMES的磁體磁體參數名目參數名目參數儲能量磁體35kJ結構雙餅單螺管額定輸出功率7.5kW導體材料Bi2223/Ag額定工作電流100A磁體內徑150mm中心最大場強3.2T磁體外徑270mm工作溫度20K磁體高度352mm臨界電流<20K>120A自感系數7.8HSMES的概述－裝置結構SMES的磁體系統名目參數名目參數儲SMES的概述－裝置結構SMES的制冷系統低溫系統使用直筒立式真空杜瓦結構。超導磁體籠罩于真空杜瓦內部。杜瓦內部的超導磁體外圍安裝輻射屏，其內部保持高真空環境（真空度達10-1Pa數量級）。采用制冷機直接傳導冷卻或低溫液氮/液氦浸泡工作方式提供低溫環境。SMES的概述－裝置結構SMES的制冷系統低溫系統使SMES的概述－裝置結構SMES的低溫容器SMES低溫容器結構圖

SMES的概述－裝置結構SMES的低溫容器SMES低溫容器結SMES的概述—國外研究現狀

1983年利用30MJ/10MW的SMES裝置在美國西海岸兩條并聯的500kV高壓輸電線路上，進行了抑制0.35Hz的低頻振蕩試驗。九十年代初，美國國家強磁場實驗室研制了一臺用于演示儲能調峰的1MWhSMES。2000年美國威斯康星北部的115kV電網中配置了分布式SMES用以提高局域系統的穩定性。目前美國超導公司和IGC公司所開發的1～5MJ的微型和小型SMES已經開始進入市場，該公司宣稱已可以接受100kJ級的高溫超導SMES的訂貨。美國SMES的概述—國外研究現狀1983年利用3日本

先后研制了多個kJ級和MJ級的SMES。在完成SMES動模實驗研究的基礎上，正在電力系統上開展了MJ級SMES的試驗研究。SMES的概述—國外研究現狀德國

1997年建造完成了一個由6個超導線圈組成的2MJ的環形SMES裝置。現正在進行150kJ的高溫超導SMES的研究工作。日本先后研制了多個kJ級和MJ級的SMES。在完成SSMES的概述—國外研究現狀韓國開發了1MJ的SMES用于提高供電品質。芬蘭

芬蘭Tampere大學和美國超導公司合作研制了5kJ的高溫超導SMES，并已在不間斷電源中試驗過。俄羅斯

九十年代以來，還建成了12MJSMES，并進行了儲能100MJ/電感8H/電流5kA/最強磁場5.4T的SMES設計，并正在研制建造100MJ級SMES。

SMES的概述—國外研究現狀韓國開發了1MJ的SMES用于提SMES的概述—國內研究現狀1999年中科院電工所研制了一臺300A/220V，25kJ的SMES試驗裝置。在中科院知識創新工程支持下，電工所目前正在開展超導儲能系統的研制工作，并計劃完成2.5MJ/1MW超導儲能系統的研制工作，但前還沒有看到相關報道。清華大學進行了20kJ/15kW超導儲能磁體的研制工作，但未見相關電力系統應用動模實驗結果報道，同時該校還準備計劃在學校網絡中心安裝基于500kJ的SMES作為應急備用電源儲能設備。SMES的概述—國內研究現狀1999年中科院電工所研制了一臺3超導磁儲能技術的功率控制3超導磁儲能技術的功率控制SMES的功率控制問題SMES的功率控制問題

用于電力系統的SMES的拓撲結構不外乎兩大類。一類是電流源型SMES，簡稱CSMES，其中的功率調節系統是由輸出直流電流可控的電流型變流器組成；另一類是電壓源型SMES，簡稱VSMES，其中的功率調節系統是由輸出直流電壓可控的電壓型變流器和斬波器組成。SMES的功率控制問題用于電力系統的SMES的拓撲結構不外乎兩大類3.1

電流源型SMES的功率控制3.1電流源型SMES的功率控制CSMES功率控制問題

電流源型SMES主電路拓撲結構

L

L

S1

S6

S3

S2

S4

S5

超導磁體

L

CSMES功率控制問題電流源型SMES主電路拓撲結構LCSMES功率控制－CSC的數學模型根據基爾夫定律可以建立六脈沖電流源型SMES的時域數學模型：CSMES功率控制－CSC的數學模型根據基爾夫定律可以建立CSMES功率控制－PWM開關策略基于觸發模式的PWM開關策略原理CSMES功率控制－PWM開關策略基于觸發模式的PWM開關策CSMES功率控制－PWM開關策略調制波信號發生器和載波信號發生器工作原理調制波信號發生器產生幅值為M∈[－1,1]、初始相位滯后變流器各輸入相電壓相位α＋30°的三相正弦信號sma、smb和smc

載波信號發生器產生幅值變化區間為[-1,1]且兩個斜邊在時間軸上投影寬度相等的周期性三角波wc

1-1smasmbsmcwcCSMES功率控制－PWM開關策略調制波信號發生器和載波信號CSMES功率控制－PWM開關策略調制脈沖發生器工作原理調制脈沖發生器1smasmbwcHxaHLx’aHLxbHLx’bHLxcHx’cLHp1HLp2HLp3HLp4HLp5HLp6Hp7t/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/st/sLLLp1－p7調制脈沖的產生smc-1CSMES功率控制－PWM開關策略調制脈沖發生器工作原理調制CSMES功率控制－PWM開關策略斜坡函數發生器工作原理斜坡函數發生器產生幅值范圍為到360，周期與變流器A相輸入電壓usa相同的鋸齒波信號wt

Wt/deg.27018090010050-50-1000usa/V360CSMES功率控制－PWM開關策略斜坡函數發生器工作原理斜坡CSMES功率控制－PWM開關策略觸發模式選擇器工作原理6543210t/smod-300-2001002003000α,ε/deg.αε-100t/swt/deg.270180900t/s10050-50-1000usa/Vt/sα改變時的觸發模式信號360觸發模式選擇器ε=wt-α

CSMES功率控制－PWM開關策略觸發模式選擇器工作原理65CSMES功率控制－PWM開關策略觸發脈沖發生器工作原理觸發脈沖發生器CSMES功率控制－PWM開關策略觸發脈沖發生器工作原理觸發CSMES功率控制－PWM開關策略CSC輸出電流特性變流器A相調制電流Xk(t)、分別為xa和xb第次諧波分量的幅值

、分別為xa和xb第次諧波分量的初始相位

雙重傅立葉分析CSMES功率控制－PWM開關策略CSC輸出電流特性變流CSMES功率控制－PWM開關策略基波分量載波諧波分量邊帶諧波分量為調制波和基波頻率的比值，

為載波和調制波頻率的比值，

當

時,

CSC輸出電流特性CSMES功率控制－PWM開關策略基波分量載波諧波分量邊帶諧CSMES功率控制－PWM開關策略CSC輸出電流特性特點改進型PWM控制下的電流源型變流器輸出的電流中在任何情況下都不再含載波諧波分量，并且在n2為3的整數倍或n1+n2為偶數時，邊帶諧波也為零。

輸出電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－PWM開關策略CSC輸出電流特性特點CSMES功率控制－CSC的輸出功率CSC輸出功率控制方法CSMES功率控制－CSC的輸出功率CSC輸出功率控制SMES的功率控制—SMES的功率實時控制SMES功率實時控制器SMES的功率控制—SMES的功率實時控制SMES功率實時控SMES的功率控制—SMES的功率實時控制仿真結果1fc＝2100Hz，Idc＝80A時，α和M在t=0.08s處由α=0°、M=0.5改變為α=120°、M=0.5，在t=0.12s時M改變為0.7SMES的功率控制—SMES的功率實時控制仿真結果1fc＝2SMES的功率控制—SMES的功率實時控制仿真結果2fc＝2100Hz，Idc＝80A時，SMES的功率響應SMES的功率控制—SMES的功率實時控制仿真結果2fc＝2CSMES功率控制－CSMES輸出功率CSMES輸出功率控制框圖CSMES功率控制－CSMES輸出功率CSMES輸出功CSMES功率控制－CSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖CSMES的主拓撲

CSMES仿真模型的主電路CSMES功率控制－CSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖CSMES功率控制－CSMES仿真模型CSMES仿真模型的控制電路csmes功率控制原理框圖CSMES功率控制－CSMES仿真模型CSMES仿真模型的CSMES功率控制－功率控制仿真參數：三相電壓源相電壓為14000V；變流器交流側等效電感400uH，濾波電容為130uF，仿真時間為20s。CSMES仿真模型參數及功率跟蹤Psm,Qsm,Id運行結果CSMES功率控制－功率控制仿真參數：三相電壓源相電壓為1CSMES功率控制－仿真結果CSMES的功率跟蹤Psm對Pr,Qsm對Qr的跟蹤結果

CSMES功率控制－仿真結果CSMES的功率跟蹤Psm對PCSMES功率控制－仿真結果CSMES功率調節中的輸入電壓和電流

電源側A相輸入電流曲線電源側A相輸入電流局部曲線放大圖CSMES功率控制－仿真結果CSMES功率調節中的輸入電壓3.2

電壓源型SMES的功率控制3.2電壓源型SMES的功率控制VSMES功率控制－VSC的數學模型六脈沖電壓源型變流器拓撲結構根據基爾霍夫定律可以建立六脈沖電壓源型SMES的時域數學模型：VSMES功率控制－VSC的數學模型六脈沖電壓源型變流器拓VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的三相靜止ABC坐標系模型VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的三相靜止ABCVSMES功率控制－VSC的數學模型

根據PARK變換的定義并遵循功率不變的原則，可以得到從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣為3/2坐標變換三相靜止ABC坐標系到兩相坐標系的變換VSMES功率控制－VSC的數學模型根據PVSMES功率控制－VSC的數學模型三相靜止ABC坐標兩相靜止αβ0坐標兩相旋轉dq0坐標三相靜止ABC坐標系到兩相坐標系的變換VSMES功率控制－VSC的數學模型三相靜止ABC坐標兩兩VSMES功率控制－VSC的數學模型三相靜止坐標系ABC分量兩相靜止坐標系的αβ0分量兩相旋轉坐標系的dq0分量兩相坐標系到三相靜止坐標系的變換VSMES功率控制－VSC的數學模型三相靜止坐標系ABC兩VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的ABC坐標系模型到dq0旋轉坐標系模型的轉換拉氏變換拉氏反變換VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的ABC坐標系模VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標系模型的原理框圖同步旋轉坐標系下VSC結構框圖

VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標系模型中的dq電流獨立控制d、q軸電流除受控制量urd和urq的影響外，還受耦合電壓wLid和wLiq、以及變流器交流側輸入電壓usd和usq的影響假設變換器輸出的電壓矢量中包括三個分量，即VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標系模型中的dq電流獨立控制

在同步旋轉坐標下進行VSC控制的基本思想是：希望使裝置的功率因數可控。為此，輸入電流必須跟蹤輸入電壓則可以實現裝置的功率因數可控。解耦雙閉環控制結構原理圖VSMES功率控制－VSC的數學模型VSC的dq0旋轉坐標VSMES功率控制－VSC的輸出功率單相等效電路圖VSC單相等效電路向量圖VSMES功率控制－VSC的輸出功率單相等效電路圖VSC單VSMES功率控制－VSMES的斬波器

電壓型SMES主電路拓撲結構

S7

L

C

S5

S3

S1

S6

S4

S2

超導磁體

D1

D2

S8

L

L

L

L

斬波器的拓撲結構如圖所示，這是一個兩象限斬波器，其目的是控制電容上的直流電壓并向磁體外部或向磁體內部提供所需的超導儲能。它由2個可控開關功率器件(如GTO）和2個大功率二極管組成。VSMES斬波器結構VSMES功率控制－VSMES的斬波器電壓型SMES主電VSMES功率控制－VSMES的斬波器

電壓型SMES主電路拓撲結構

S7

L

C

S5

S3

S1

S6

S4

S2

超導磁體

D1

D2

S8

L

L

L

L

VSMES斬波器的工作原理及其控制開關器件和二極管器件的動作需按照SMES的實時工作狀態進行調整，具體調整過程如下：磁體起磁或磁體儲能狀態，在這兩種工作狀態中，S8恒通，S7斬波，同時配合變流器控制直流電壓Udc恒定。磁體電流續流狀態，S8恒斷、S7恒通。變流器控制直流電壓Udc恒定。磁體放磁或釋能狀態，在這兩種工作狀態中，S8恒斷、S7斬波，同時控制電壓Udc恒定。VSMES功率控制－VSMES的斬波器電壓型SMES主電VSMES功率控制－VSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖VSMES的主拓撲

VSMES仿真模型的主電路VSMES功率控制－VSMES仿真模型PSCAD中的六脈沖VSMES功率控制－VSMES仿真模型VSMES仿真模型的控制電路

圖中Udr&Uqr組件和Idr&IqrCalculate組件一起實現了前面所簡述的雙環解耦控制原理，也就是電壓/電流雙環控制部分。

VSMES變流器控制框圖VSMES功率控制－VSMES仿真模型VSMES仿真模型的VSMES功率控制－功率控制仿真參數：三相電壓源相電壓為800V；直流電容為10mF，超導線圈等效電感為10H；超導線圈額定電流為500A(儲能1.25MJ)；電網頻率為50Hz；電容電壓Udc為3000V；交流側電感L為5mH；仿真時間為20s。VSMES仿真模型參數

Qref指令Pref指令VSMES功率控制－功率控制仿真參數：VSMES仿真模型參VSMES功率控制－仿真結果VSMES的功率跟蹤Psm對Pr的跟蹤結果

Qsm對Qr的跟蹤結果

VSMES功率控制－仿真結果VSMES的功率跟蹤Psm對PVSMES功率控制－仿真結果VSMES功率調節中的Udc和Ismes

VSMES功率控制－仿真結果VSMES功率調節中的超級電容器（UC/SC）當VSC的直流側電壓維持恒定時，在正確的脈寬調制技術控制下，VSC可以被看作是一個基波電壓幅值和相位可控的三相電壓源。通過其輸出的調制電壓和VSC電網側電壓共同作用于圖中等效連接阻抗Xs，產生相位和幅值可控的三相電流ia、ib和ic，從而實現對VSC輸入輸出功率的準確控制。同時，由于VSC輸入輸出功率將導致其直流側電容Cdc兩端電壓的變化，因此需要通過對DC/DC變換器的有效控制實現UC對Udc恒定電壓的補償控制

超級電容器儲能系統主電路超級電容器（UC/SC）當VSC的直流側電壓維持當對UC進行儲能時，DC/DC變換器工作于降壓模式，目的是將從電網中吸收的能量儲存在UC中，同時避免VSC直流側母線電壓Udc因輸入功率所導致的電壓上升，使其維持恒定；當UC釋能時，變換器器工作于升壓模式，目的是補償因VSC向電網輸出有功功率所導致的直流母線電壓Udc下降，使UC能夠通過VSC向電網輸送功率。當VSC與系統之間無功率交換時，UC通過降壓或升壓模式補償VSC直流側母線電壓Udc因開關損耗引起的電壓變化?；诜歉綦x型Buck-Boost電路的DC/DC變換器

超級電容器（UC/SC）當對UC進行儲能時，DC/DC變換器工作于降超級電容器（UC/SC）UC儲能系統的四象限功率跟蹤仿真結果超級電容器（UC/SC）UC儲能系統的四象限功率跟蹤仿真結果335kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性335kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置35kJ/7.5kW高溫超導SMES裝置左圖中，SMES各組成設備從左至右依次為SMES的監測控制系統、SMES用于功率調節的電流型變流器、提供超導運行環境的低溫制冷系統和高溫超導磁體。35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置SMES的冷卻系統

低溫系統使用直筒立式真空杜瓦結構。超導磁體籠罩于真空杜瓦內部。杜瓦內部的超導磁體外圍安裝輻射屏，其內部保持高真空環境（真空度達10-1Pa數量級）。采用制冷機直接傳導冷卻工作方式。運行時，低溫系統的杜瓦真空可保持在0.1~0.2Pa，通過制冷機的冷卻，磁體表面溫度以及電流引線溫度保持在19K~21K。35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置高溫超導線圈變流器1變流器2變流器3變流器4直流母線三相交流母線SCR1SCR2SCR3SCR4R1R2R3R4SCRS11S14S24S21S34S31S44S41S16S13S12S15S26S23S22S25S36S33S32S35S46S43S42S45LaLaLaLaLaLaLaLaCfCfCfCfDC+DC-ABCIasIsbIdcLdIdc1Idc1Idc2Idc2Idc3Idc3Idc4Idc4Y△AC電源DTIscSMES的變流器結構35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置SMES的控制系統觸發脈沖pSM外環控制器采樣SMES磁體qSM電力系統v、i內環控制器

SMES裝置的控制框圖SMES的控制系統用于根據從系統提取的所需信息，按照系統控制的需要產生觸發脈沖序列去控制IGBT，從而控制SMES輸出所需的有功和無功功率。它含有外環控制器和內環控制器兩個閉合控制回路。外環控制器實時采集電力系統各點電壓、電流信號，經過相應的運算并采用選定的控制算法，得出系統此時所需要的功率調節量，并將此信號傳遞給內環控制器。內環控制器根據外環下達的功率調節參考信號，利用有效的開關調制規則，產生變流裝置的觸發。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置SMES的控制系統－內環控制器MCU1驅動隔離短接與封鎖光藕MCU2驅動隔離短接與封鎖光藕MCU3驅動隔離短接與封鎖光藕MCU4驅動隔離短接與封鎖光藕失超保護電壓同步信號TMS320F2407ADSPA/DCANbusTX/RXRS485保護電路ua,ub,uc,ia,ib,ic,udc,idc,idc1,idc2,idc3,idc4信號調理變流器1變流器2變流器3變流器4

SMES裝置的內環控制器原理框圖內環控制器主要由信號調理、保護電路、DSP和微控制器（MicroControlUnit，簡稱MCU）等部分組成，采用以DSP為核心的主從控制結構，主要用以控制變流器在變化的直流電流下通過開關調制方法產生實際所需的交流電流，從而使SMES實際輸入或輸出的有功和無功功率能夠對外環控制器輸出的功率參考值進行快速跟蹤，以及在SMES運行發生故障的情況下，對主電路執行相應的保護控制。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMECSMES功率控制－CSMES輸出功率CSMES輸出功率控制框圖CSMES功率控制－CSMES輸出功率CSMES輸出功35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置

SMES的控制系統－外環控制器外環控制器由監控系統的監控計算機和測量控制單元構成，用于對內環控制器的工作方式以及SMES和電力系統功率交換大小進行控制。內環控制器用于實現外環控制器對SMES在磁體起磁、功率跟蹤、非功率跟蹤和去磁四種工作方式的切換，從而使SMES在外環控制器的作用下，能夠在電力系統中靈活地投切。SMES和電力系統的交換功率控制則用于實現SMES在電力系統中的具體應用。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置

SMES的控制系統－外環控制器SMES的投入當控制系統上電或復位時，內環控制器工作于默認的功率跟蹤模式，外環控制器在指定內環工作模式的方式下運行，此時外環控制器并不向內環控制器下達功率交換參考值，而內環控制器則通過自身初始化設定的零功率參考值進行功率跟蹤，從而使SMES可在不影響電力系統穩態運行的情況下投入運行。

SMES的起磁當監控計算機發出磁體起磁命令后，外環控制器立刻通過通信接口向內環控制器發出磁體起磁命令，內環控制器接收此命令后隨即切換至磁體起磁控制方式，通過調節最終使磁體電流維持在設定值。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置

SMES的控制系統－外環控制器SMES的功率控制當監控計算機發出允許交換功率命令后，外環控制器立即轉換至對SMES和電力系統進行適當功率交換的控制模式，同時將該命令轉發給內環控制器，使內環控制器也轉入功率跟蹤控制模式，并做好接受來自外環控制器的功率參考值的準備。外環控制器在每次控制周期到來時，先執行按SMES具體應用要求所設計的控制算法以確定交換功率的參考值，然后將此參考值通過通信接口發送給內環控制器。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置

SMES的控制系統－外環控制器SMES的禁止功率交換控制當監控計算機發出不允許交換功率命令時，外環控制器先向內環控制器發送Pref和Qref等于零的功率參考值，以使SMES不再和系統交換功率，接著再向內環控制器轉發不允許功率交換命令，使內環控制器返回到上電或復位初始工作狀態，然后外環控制器也退出對SMES交換功率大小的控制，并且不再向內環控制器輸出交換功率參考值。在此種操作下，由于磁體的存儲的磁能并未釋放，因此其剩余能量還可以被隨后的操作所利用。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SMES裝置

SMES的控制系統－外環控制器SMES的去磁控制

外環控制器對內環控制器發出的磁體去磁命令也有兩種方式：第一種是先由監控計算機手動發送；第二種是SMES控制插件檢測到磁體失超保護信號后，由外環控制器自動發送。兩種方式下，外環控制器都必須先向內環控制器發送Pref和Qref等于零的功率設定值，接著向內環控制器轉發磁體去磁命令，然后返回到外環控制器的上電或復位初始工作狀態，內環控制器則導通各變流器直流側和磁體兩端并聯的晶閘管和電阻，通過續流回路的功率損耗迅速釋放磁體中儲存的能量。

35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—SME35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQSMES/kVarPSMES/kWSMES的磁體起磁過程SMES的起磁35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的起磁35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的去磁35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的四象限功率調節02000400060008000100001200014000160001800020000t/msIdc/AQref=0、Pref由+3kW變換到-3kW時SMES的階躍功率響應QSMES/kVarPSMES/kWQref=0、Pref由+3kW變換到-3Kw時SMES的瞬時響應t/msisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/VQSMES/kVarPSMES/kW35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的四象限功率調節20000t/msPref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時SMES的階躍功率響應Pref=0、Qref由-3kVar變換到3kVar時SMES的瞬時響應020004000600080001000012000140001600018000Idc/AQSMES/kVarPSMES/kWt/msPSMES/kWQSMES/kVarisa,isb,isc/Ausab,usbc,Usca/V35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的四象限功率調節02000400060008000100001200014000160001800020000t/msisa,isb,isc/AIdc/APSMESQSMESPref,Qref四象限連續變換時SMES的功率響應usab,usbc,usca/VPSMES/kWQSMES/kVar35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的四象限功率調節SMES對正階躍有功和負階躍無功指令的暫態響應SMES對正階躍有功和無功指令的暫態響應PSMESQSMESt/msisa,isb,isac/Ausab,usbc,usca/VPSMESQSMESt/msusab,usbc,usca/Visa,isb,isac/A35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調節特性SMES的四象限功率調節35kJ/7.5kW高溫超導SMES及其功率調節特性—功率調4SMES在電力系統應用的仿真及試驗研究4SMES在電力系統應用的仿真及試驗研究SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理含SMES電力系統傳遞函數框圖SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理KE稱為同步轉矩系數，DE稱為阻尼轉矩系數。

代入求解特征根無SMES時的系統功率振蕩機理分析對特征根分析得如下結論

當且時，系統穩定

當且時，系統發生振蕩失步

當且時，系統發生等幅振蕩

當且時，系統的狀態不確定

當，或者且，或者且時，系統發生非振蕩失步

SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理無SMES時的系統功率振蕩機理分析將看作坐標系中的復轉矩，、即為復轉矩的橫、縱坐標，由上面分析可以看出，當系統發生功率振蕩時，復轉矩應該位于第一象限或第四象限靠近軸部分，此時特征根實部為絕對值較小得正數或負數，系統表現為緩慢衰減或增幅的功率振蕩。SMES抑制功率振蕩的目的就是把此復轉矩調整到第一象限中靠近軸的位置，這時特征根實部為絕對值較大的負數，振蕩可以被快速抑制，從而使系統恢復穩定。SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理有SMES時的系統功率振蕩機理分析SMES投入阻尼控制時的電磁轉矩

第二項為SMES通過Kp提供的直接電磁轉矩，第三項為SMES通過Kq和Kv提供的間接電磁轉矩。SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理有SMES時的系統功率振蕩機理分析取發電機的轉速變化量作為SMES阻尼控制的輸入,

SMES的功率調節特性可用一階慣性環節表示,外環控制器采用比例控制環節作為阻尼控制器當忽略由SMES提供的間接電磁轉矩，SMES對低頻振蕩的阻尼作用相當于在原來的轉矩上疊加了一個第一象限的轉矩，從而表現出SMES對功率振蕩的阻尼作用。系統發生低頻振蕩時，由于低頻振蕩的振蕩頻率在0.2~2.5Hz之間，使得ωs的變化范圍大概在1.26~15.7之間，且這么大的ωs變化范圍將會造成間接電磁轉矩的不確定性。因此，在不忽略SMES提供的間接電磁轉矩，將很難從理論上證明SMES對低頻振蕩的抑制作用。SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理有SMES時的系統功率振蕩機理分析SMES的作用相當于向系統提供了一個起旋轉作用的轉矩，當系統參數確定時，可通過調整控制器的參數，使旋轉的角度略小于90°。當系統發生功率振蕩時，通過阻尼控制可以把原來在一、四象限接近△δ軸的電磁轉矩調整到ω0△ω軸附近，從而可以達到很好的抑制功率振蕩的效果。而系統沒有發生振蕩時，則可以將阻尼控制封鎖，以免將原來處于第一象限的電磁轉矩拉到了別的象限，使原來穩定的系統失去穩定。選用SMES并聯于系統處的且測量上容易實現的有功變化量作為SMES阻尼控制的輸入

G(jωs)為SMES阻尼控制器的傳遞函數

SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的機理SMES的阻尼功率振蕩控制器

，

數字式PI調節器死區大小設計為Pe0最大值的±1~±2%控制器主要參數限幅大小設計為Pe0最大值和SMES有功調節最大值之間的最小值

SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—抑制功率振蕩的SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究動模實驗系統SMES動模實驗一次接線方式GZL1=5.2ΩZL2=16.8ΩTA01QF53QF13DX35kJ/6.5kW電流型高溫超導SMESK5TU電流信號電壓信號DT220/110V10kVAT1230/800V6kVAT2800/380V100kVAYΔ01#G21W54QF5kVA實驗電力系統模型的建立采用了一臺25MW的發電機組經變壓器升壓后通過單回110kV輸電線與無窮大系統相連的電力系統作為參考原型。SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究動模實SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結果未使用SMES時,系統對故障的響應特性(短路時間390ms)使用SMES時,系統對故障的響應特性(短路時間320ms)SMES對發電機三相短路故障的功率調節作用（Pe=3.5kW）機端電壓A相B相C相機端電流A相B相C相機端有功功率機端電壓A相B相C相機端電流A相B相C相機端有功功率SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結果PSMES（kW）QSMES（kVar）Idc（A)SMES對發電機三相短路故障的響應特性(Pe=3.5kW、短路時間320ms)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msSMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結果使用SMES時,系統對故障的響應特性(短路時間360ms)SMES對發電機三相短路故障的功率調節作用（Pe=4.0kW）未使用SMES時,系統對故障的響應特性(短路時間380ms)機端電壓A相B相C相機端電流A相B相C相機端有功功率機端電壓A相B相C相機端電流A相B相C相機端有功功率SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結果PSMES（kW）QSMES（kVar）Idc（A)02000400060008000100001200014000160001800020000t/msSMES對發電機三相短路故障的響應特性(Pe=4.0kW、短路時間360ms)SMES抑制電力系統功率振蕩的機理和實驗研究—實驗研究實驗結SMES補償電壓跌落-CSMES系統仿真模型CSMES補償系統電壓跌落電路圖SMESSMES補償電壓跌落-CSMES系統仿真模型CSMES補償系SMES補償電壓跌落系統仿真參數 母線端的額定電壓為115kV 系統容量為500MVA 系統運行在1.5s處發生了0.75s的三相接地短路故障系統母線電壓標幺值實時曲線圖SMES補償電壓跌落系統仿真參數系統母線電壓標幺值實時曲線圖SMES補償電壓跌落系統分析

系統電路圖SMES補償電壓跌落系統分析系統電路圖SMES補償電壓跌落系統有功充足時，CSMES參數

超導線圈起磁電流Iref=8kA； CSMES通過降壓變壓器并聯入系統，變壓器二次側電壓為ES=13kV； 仿真運行時間為15s，設定故障在11s發生，故障時間持續0.75s。SMES補償電壓跌落系統有功充足時，CSMES參數SMES補償電壓跌落--CSMES系統母線電壓標幺值實時對比圖仿真結果CSMES實時功率曲線圖超導線圈電流變化圖母線電壓局部放大對比圖SMES補償電壓跌落--CSMES系統母線電壓標幺值實時對比SMES提高系統暫態穩定性－VSMES

基于VSMES提高發電機暫態穩定性的仿真模型

系統仿真模型SMES提高系統暫態穩定性－VSMES基于VSMES提高發SMES提高系統暫態穩定性－VSMES

系統仿真參數VSMES的支撐電容電壓Udc=80kV，超導線圈起磁電流Ism_ref=2kA。VSMES通過降壓變壓器并聯入系統，變壓器二次側電壓為ES=8kV。仿真運行時間為7s，設定三相對地短路故障在4s發生，故障持續時間0.21s。仿真系統中發電機容量為200MVA。該系統用于模擬發電機暫態功角失穩。發電機經Bus1－Bus2母線間的升壓變壓器，和Bus2－Bus3母線間等效阻抗為15.87＋j0.43Ω的傳輸線，以及Bus3－Bus4母線間等效阻抗為j0.054Ω的傳輸線和無窮大系統連接。SMES提高系統暫態穩定性－VSMES系統仿真參數SMES提高系統暫態穩定性－VSMES

系統仿真結果

基于VSMES提高發電機暫態穩定性的機端有功功率

基于VSMES提高發電機暫態穩定性機端電壓

基于VSMES提高發電機暫態穩定性的機端無功功率

VSMES實時輸出功率

SMES提高系統暫態穩定性－VSMES系統仿真結果SMES提高系統暫態穩定性－VSMES

系統仿真結果

VSMES的超導磁體電流的變化過程

VSMES實時輸出功率

VSC直流側電容電壓的變化過程

SMES提高系統暫態穩定性－VSMES系統仿真結果CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩系統仿真模型基于CSMES抑止聯絡線功率振蕩的仿真模型CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩系統仿真模型基于CSMES抑系統參數四臺發電機的線電壓有效值均為11.547KV； 第一區域電網的Bus7母線接有容抗為8.3572的并聯電容補償裝置，和967+j100MVA的負荷；第二區域電網的Bus9母線接有容抗為14.6521的并聯電容補償裝置，和1767+j100MVA的負荷；系統運行第5s在Bus7母線發生0.1s的三相接地短路故障。CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩系統參數CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩CSMES參數超導線圈起磁電流Ismes_ref=13000A；

變壓器二次側電壓Es=30KV；

起磁功率Pref

=300MW；

仿真運行時間25s。CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩CSMES參數CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩接入CSMES和未接入CSMES時聯絡線有功功率對比CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩接入CSMES和未接入CSMES時聯絡線有功功率對比CSME接入CSMES和未接入CSMES時聯絡線無功功率對比CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩接入CSMES和未接入CSMES時聯絡線無功功率對比CSME接入CSMES和未接入CSMES時發電機1#與2#間功角差變化過程對比接入CSMES和未接入CSMES時發電機3#與4#間功角差變化過程對比CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩接入CSMES和未接入CSMES時發電機1#與2#間功角差變接入CSMES和未接入CSMES時發電機2#與3#間功角差變化過程對比接入CSMES和未接入CSMES時發電機1#與4#間功角差變化過程對比接入CSMES和未接入CSMES時發電機1#與3#間功角差變化過程對比CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩接入CSMES和未接入CSMES時發電機2#與3#間功角差變CSMES輸出的有功功率、無功功率及超導磁體電流CSMES抑制聯絡線低頻功率振蕩CSMES輸出的有功功率、無功功率及超導磁體電流CSMES抑SMES控制器的設計—基于反饋線