超导磁储能系统发展现状与展望

超导磁储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)技术具有响应时间快、功率密度高、生命周期长等特点,在电网电压质量调节、频率控制、脉冲负载供电等方面具有重要的应用价值,被列为《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》之先进储能技术的主要突破方向。介绍了SMES的系统组成原理和系统先进性,概述了SMES在电力系统、舰船供电等场景的应用,综述了SMES近期有代表性的大型项目和研究状态,并从特性互补、提高性能的角度讨论了2种与氢电池和电化学电池组合使用的SMES混合系统。最后,指出了SMES发展和大规模应用所面临的几点挑战,并给出了相应的应对策略。     

超导储能系统的磁屏蔽

以单螺管线圈为基础的超导磁体储能系统由于具有较大的漏磁场,使其应用范围受到了限制。本文比较了磁屏蔽的几种常规方法,提出了适合超导储能磁体的屏蔽方式－多螺管线圈系统,并将多螺管线圈系统和单螺管系统进行了主要性能上的对比,最后指出了多螺管线圈系统实际应用中还需解决的一些问题。     

超导电力磁储能系统研究进展(一)——超导储能装置

介绍了超导磁储能装置（SMES）的基本原理、系统组成和发展状况,阐述了具有高效、快速响应、能与系统独立进行四象限交换有功和无功功率等特性的SMES在电力系统中应用的重要意义,概述了SMES的应用前景和需要进一步解决的若干问题,并针对我国SMES研究的现状提出了一些建设性意见。     

超导电力磁储能系统研究进展(一)——超导储能装置

交介绍了超导磁储能装置（SMES）的基本原理、系统组成和发展状,阐述了具有高效、快速响应、能与系统独立进行四象限交换有功和无功功率等特性的SMES在电力系统中应的重要意义,概述了SMES的应用前景和需要进一步解决的若干问题。并针对我国SMES研究的现状提出了一些建设性意见。     

超导磁储能系统自抗扰控制策略研究

本文针对电压源型换流器(voltage source converter, VSC)的超导磁储能(superconducting magnetic energy storage, SMES)系统,设计了一款自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)。首先,分别建立了SMES的交流侧VSC、直流侧斩波器数学模型;其次,基于非线性扩张状态观测器和线性误差反馈律设计了SMES的交、直流侧ADRC;然后,通过描述函数法分析了ADRC的稳定性;最后,在MATLAB/Simulink平台中搭建了仿真模型。仿真结果表明,与传统PI控制相比,ADRC具有更好的动态响应性能和抗扰动特性,并针对系统参数的不确定性具有更好的鲁棒性,有效地提高了SMES的运行可靠性。     

超导磁储能系统的自适应单神经元控制

基于自适应单神经元的控制方法是将单个神经元与环境系统相连,利用结合了Hebbian学习和监督学习特点的迭代算法在线修改其连接权值以实现控制目标.将这种控制方法用于超导磁储能(SMES)控制器的设计无需进行系统建模,所得到的控制器结构简单,算法简便,适于工程应用.文章在MATLAB环境下建立了较精确的含SMES的电力系统非线性高阶模型,通过时域仿真考察了基于自适应单神经元的SMES控制器的性能,结果表明该控制器具有令人满意的控制效果和较好的鲁棒性.     

大储能容量超导磁储能系统的拓扑结构及控制策略

随着可再生能源规模化发展,电网对大功率等级储能系统的需求日益增长,因此研究应用于大功率等级场合的超导磁储能(SMES)系统拓扑结构及运行控制策略具有重要的理论意义.提出了一种基于模块化多电平换流器(MMC)的SMES系统拓扑结构,设计了允许多个超导磁体同时接入以成倍数提升系统整体储能容量的新型斩波器.该新型斩波器采用模块化设计,由多个子模块串联构成,可随MMC扩展至多种电压等级和功率等级,且能够均衡各子模块的电容电压和磁体电流.针对新型斩波器的旁路子模块数量难以确定的问题,提出了新型斩波器旁路子模块数量的计算方法.基于线性自抗扰控制设计了MMC双闭环控制器和新型斩波器的直流电压控制器,利用复频域分析法整定了线性自抗扰控制器参数.通过仿真验证了所提拓扑结构和控制策略的正确性和有效性.     

超导磁储能系统的序贯克里金优化方法

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage,SMES)是超导应用研究的热点。SMES利用超导磁体的低损耗和快速响应能力,通过电力电子型变流器与电力系统相连,组合为一种既能为其储存电能又能为其释放电能的多功能电磁系统。SMES的先进功能主要体现于,它能大容量超低损耗的储存电能、改善供电质量、提高系统的稳定性和可靠性。该文以SMES的优化设计(IEEE TEAM Workshop Problem 22)为例,介绍了序贯优化方法和克里金(Kriging)统计近似模型在低维和高维、离散域和连续域优化问题中的应用。优化结果显示,该优化方法能在保证设计精度的前提下,极大降低有限元的计算量。如3参数优化问题中有限元的计算量比直接优化的1/10还要少;而8参数优化问题中有限元的计算量约为直接优化的1/3。从而该方法可广泛应用于电磁装置的优化设计问题。     

超导磁储能系统抑制风力发电功率波动的研究

建立含超导磁储能装置(SMES)的单机无穷大系统的Phillips-Heffron模型,导出含SMES电力系统总的电磁转矩表达式,从理论上分析SMES对增强系统阻尼的作用.并设计了SMES非线性比例积分微分控制器,数字仿真结果验证了SMES阻尼系统功率振荡的特性,同时表明该控制器具有较好的鲁棒性.     

超导磁储能装置的功率控制

以电流源型和电压源型变流器作为研究对象,探讨了可对电流源型变流器和电压源型变流器交流侧电流的幅值和相位进行有效控制的SPWM开关策略。在此基础上,研究了能够按照系统要求对2种超导磁储能装置进行有功和无功功率调节的功率控制方法。仿真结果表明所研究的功率调节方法能够在四象限内进行超导磁储能装置输入输出有功和无功功率的快速解耦控制,仿真同时验证了所研究的功率控制策略的正确性和可行性。     

超导储能技术在可再生能源中的应用与展望

超导储能系统直接将电磁能存储在超导磁体中,无须中间转换环节,具有响应速度快、功率密度高、效率高等优点,在可再生能源领域具有重要的应用价值。总结了超导储能系统在可再生能源领域的研究现状,将其在可再生能源应用的研究归纳为如下几个方面:解决可再生能源的波动性及其引发的频率稳定性问题,解决暂态功率失衡引发的电网稳定性问题,解决可再生能源发电设备的故障穿越问题,以及解决与其他超导电力装置协同控制问题。详细介绍了超导储能系统在这些方面应用的基本原理和实现方法,评估了其技术成熟度和经济性,介绍了其典型应用案例,指出影响其未来发展的核心关键技术,并对其未来的发展进行了展望。     

超导储能技术在电力系统中的应用与展望

对储能技术的类型及在电网中应用进行了介绍,综述了超导储能技术应用于电力系统稳定控制和改善电能质量方面目前所做的研究,提出了超导储能装置在电网中的最优位置安装以及容量的选择,分析了超导储能装置与调速器,发电机励磁等非储能设备之间的协调控制,最后对超导储能技术研究方向作出了展望.     

移动式直接冷却高温超导磁储能系统试验研究

该文介绍了中国自行研制的第一套移动式直接冷却高温超导磁储能系统（moveable conduction—cooledhightemperature superconducting magnetic energy storage system,M．SMES）的工作原理、组件结构、性能实验、动模实验和现场试验。该系统额定值为380V／351017kW,包括高温超导磁体及杜瓦、制冷单元、变流器、监控单元、箱体等主要组件及其它辅助部件,可吊装至集装箱车上移动到所需的位置,通过简单接线即可投入使用。钊‘对该系统分别进行了电力系统动态模拟实验和现场试验。各项试验结果表明：该M．SMES具有四象限功率快速调节能力,具有良好的移动性和抗震性,现场运行性能稳定,能够抑制电力系统功率振荡,稳定系统电压,在电力系统中具有良好的应用前景。     

超导储能在新能源电力系统中的应用与展望

随着清洁、低碳、可再生的新能源接入电网,储能技术的大力推广和发展势在必行.通过对常见储能技术的对比分析,着重介绍了超导磁储能(SMES)和超导飞轮储能两种形式储能技术的原理、构成及各国研究现状.指出超导磁储能与蓄电池储能结合及真空管道+超导磁悬浮列车储能等多元复合型储能系统必将成为近阶段储能技术发展的主要方向.     

高温超导飞轮储能技术发展现状

高温超导块材式的悬浮现象是目前自然界中已发现的唯一可以实现自稳定的磁悬浮方式。利用这种磁悬浮技术的高温超导飞轮储能系统具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、低维护等优点,为解决目前广泛关注的能源问题提供了新途径。本文综述了美国波音公司,日本ISTEC,德国ATZ公司等国内外小组开展的高温超导飞轮储能系统的研制现状,分析了当前技术发展趋势,探讨了亟需解决的关键难点问题,阐述了未来在军民两方面的发展前景。预计未来五年内高温超导飞轮储能技术将首先在电力调节、不间断电源等领域实现商业应用。     

级联型换流器在超导储能系统中的应用

超导储能用大功率换流器的选择直接影响了超导储能系统的工作性能。比较了近年来常用的大功率换流电路的特点,阐述了采用级联型电路作为超导储能用大功率换流器的思路,并给出了级联型模块化的超导储能电路拓扑结构。提出了超导储能装置低延迟电压补偿算法及谐波提取算法,并进行了原理仿真,结果表明超导储能系统采用级联型换流器能够有效地进行有源滤波和电压补偿工作,使电压暂降得到快速补偿,并基本上消除了系统谐波。     

用于超导储能系统的多电平电流调节器

电压型超导储能系统中的直流变换器用于实现对超导磁体的快速充放电。传统的直流变换器存在软开关难以实现、直流母线电压难以平衡的问题。为解决这一问题,提出一种用于超导储能的多电平电流调节器,它实现了高频变压器原边器件的零电压开关和副边器件的零电流开关,并能实现电压侧各直流母线电压的自动平衡。采用改变晶闸管移相角,进而控制超导磁体上的平均电压大小的方法来调节超导磁体充放电功率。在实现方法上,采用了基于数字信号处理器（DSP）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的综合控制方法。实验结果证明了这种多电平电流调节器的良好性能。     

超导储能装置变流器控制策略的分析

随着高温超导材料的发现以及电力电子技术的快速发展，超导储能（SMES）装置在电力系统中的应用越来越广泛，超导储能装置的核心问题是对变流器的控制，为此详细地介绍了超导储能装置中变流器控制策略的原理及特点，并对各种控制策略进行了分析。     

超导储能蓄电池混合储能在风力发电中的应用

风力发电输出功率的波动性导致其直接并网会对电网带来不良影响,需要电力储能装置来提高并网性能,而常用的单一电池储能由于受到充放电次数的限制而易损坏。在建立用于平滑风电功率波动的超导储能和电池储能的混合储能模型基础上,设计超导储能用于平抑高频尖峰功率,电池储能用于平抑低频波动功率,并给出了两种储能装置的功率和容量确定方法。算例的仿真结果表明该方法同单一电池储能相比,可以有效地平抑风场并网的功率波动并减小电池的功率等级,减少电池的充放电次数和放电深度,从而延长了电池使用寿命。