150 kJ/100 kW直接冷卻高溫超導磁儲能系統(tǒng)

徐 穎，任 麗，唐躍進，李敬東，石 晶，劉 洋，廖于翔，鄧嘉翕，王少榮， 施蕭寒，左文平，王 壯

（強電磁工程與新技術國家重點實驗室，華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

隨著風能、太陽能等可再生清潔能源的快速發(fā)展，儲能技術越來越多地引起大家的關注。超導磁儲能技術利用超導體將電能儲存起來，在需要時將 能量返回給電網或其它負載[1-2]。與其它儲能裝置相比，超導磁儲能系統(tǒng)具有儲能密度高、響應速度快、工作壽命長、環(huán)境友好等特點，在分布式電源接入、保護工業(yè)供電可靠性等應用領域有著很好的發(fā)展前景[3-5]。2011～2014年，在湖北省電力公司的支持下，華中科技大學成功研制了150 kJ/100 kW高溫超導SMES試驗樣機，該樣機磁體采用了兩種超導帶材（Bi2223和YBCO帶材）繞制，這是我國第二臺直接冷卻高溫超導SMES樣機，本文將介紹這臺SMES樣機的總體結構和基本試驗運行情況。

1 SMES的系統(tǒng)組成

150 kJ/100 kW直接冷卻高溫超導磁儲能系統(tǒng)主要由超導磁體、低溫系統(tǒng)、功率調節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成，為了滿足電力系統(tǒng)不同節(jié)點對儲能的需求，設計了滿足儲能系統(tǒng)可移動性要求的車載系統(tǒng)，采用了兩個標準集裝箱，一個集裝箱放置超導磁體系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)，另一個集裝箱放置功率調節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，圖1為150 kJ/100 kW直接冷卻高溫超導磁儲能系統(tǒng)的外觀圖。

圖1 150 k J/100 k W直接冷卻高溫超導磁儲能系統(tǒng)外觀Fig.1 150 k J/100 k W conduction-cooled high Tc SMES

1.1 超導磁體

150 kJ/100 kW儲能磁體由高溫超導線材Bi2223/Ag和YBCO繞制，采用單螺管結構。磁體由12個BSCCO雙餅線圈和6個YBCO雙餅線圈組成單螺管結構[6]。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，目前商業(yè)化的鉍系超導帶材臨界電流高，77 K下可以達到180～200 A，缺點是臨界電流隨磁場增大衰減快，釔系超導帶材臨界電流相比鉍系超導帶材低，但對磁場的敏感度低，適合在高磁場下使用，通過對單螺管磁體磁場分布的計算，磁場中部磁場最大，兩端磁場小，為了充分發(fā)揮兩種帶材的優(yōu)勢，將12個鉍系雙餅線圈分為2組，分別放置在磁體兩端，6個釔系雙餅線圈放置在磁體中間。鉍系雙餅與釔系雙餅相對位置如圖2所示。

圖2 鉍系雙餅與釔系雙餅相對位置圖Fig.2 The relative position of the Bi-double pancakes and Y-double pancakes

磁體的電流引線是由高溫超導棒材-銅導線組成的二元電流引線。BSCCO帶材型號為日本住友公司的Type HT-CA，YBCO帶材型號為美國超導公司的Amperium Copper 4.8，線材的具體參數見表1。雙餅匝數為400匝，磁體高度為210.9 mm，外半徑為198 mm，自感9.7 H，工作溫度20 K，單根帶材長度400 m，磁體共用帶材18根，繞組內導線總長7200 m，表2為磁體詳細參數。

1.2 低溫系統(tǒng)

150 kJ/100 kW SMES低溫系統(tǒng)采用傳導冷卻技術，利用兩臺制冷機和導冷結構將磁體溫度降低至設計值，相比于其它制冷方式，傳導冷卻技術操作簡單、維護方便、成本低、對操作人員要求不高，適合于大范圍的推廣應用[7-8]。

表1 兩種高溫超導帶材技術指標Table 1 Specifications of the two HTS tapes

表2 磁體參數Table 2 Specifications of the magnet

超導磁體的兩端設厚度20 mm不銹鋼連接法蘭，用14根φ12 mm不銹鋼螺桿緊固磁體。雙餅磁體之間加入厚1 mm的高傳導導冷板，磁體兩端部設導冷端板。導冷端板和各個導冷板外側通過14根φ12 mm無氧銅高傳導導冷桿和導冷銅柱連接成整體。兩導冷端板的內側由8根φ12 mm無氧銅高傳導導冷桿相互連接。對導冷板、導冷端板進行切割設計降低渦流損耗。通過導冷端板上的23根導冷桿和GM制冷機實現(xiàn)軟連接。圖3為磁體組裝前的實物圖。

圖3 高溫超導磁體組裝前的實物圖Fig.3 The physical picture of the HTS magnet

兩臺制冷機分別為Cryomech公司生產的單級制冷機和住友公司生產的二級制冷機。單級制冷機用來冷卻磁體，冷頭通過銅編織帶與磁體相連。二級制冷機的兩級冷頭用相同的方式與電流引線和輻射屏相連，用來冷卻電流引線和輻射屏。磁體采用吊裝結構，利用4根不銹鋼桿將磁體吊裝在杜瓦上蓋板，磁體吊裝的立體圖如圖4所示。

圖4 磁體吊裝立體圖Fig.4 The stereo diagram of the magnet

1.3 功率調節(jié)系統(tǒng)

功率調節(jié)系統(tǒng)擔負著將超導磁體的能量與電網進行交換的任務，使超導磁體能量與電網進行雙向的功率交換，利用高速動作的電力電子開關組成的變流器能夠完成這項任務，本項目選擇電壓源型功率調節(jié)系統(tǒng)作為超導磁儲能系統(tǒng)的接口，含2個并聯(lián)的VSC變流器模塊，如圖5所示，2個VSC模塊均采用三相三線六開關拓撲，磁體側采用DC/DC斬波器結構，二者通過共同的直流母線進行連接。采用這種多模塊變流器通過恰當的控制可以實現(xiàn)各個模塊均流運行[9-11]，從而降低了每個模塊的電氣參數，如電壓或電流，因而開關器件的電應力減小、故障率減小、壽命提高，從元器件級提高系統(tǒng)的可靠性；模塊的標準化、規(guī)范化，可避免重復設計，易于實現(xiàn)變流器的擴容和維護；變流器系統(tǒng)模塊化可提高系統(tǒng)的靈活性，減小變流器系統(tǒng)的體積、重量以及成本。但模塊化的變流器系統(tǒng)如果要達到期望的效果，必須要解決模塊間的均流控制和不同模塊即插即用的控制問題，否則多模塊不但不能達到預定效果，還可能劣化系統(tǒng)性能，甚至損壞設備。本工作中變流器兩個并聯(lián)模塊采用分散邏輯控制，即兩個模塊都需要和系統(tǒng)層控制器進行通信，使系統(tǒng)層控制器實時獲知當前并聯(lián)運行的模塊數目，并根據模塊數目將總功率指令在模塊之間均分并發(fā)送給各個模塊，控制不同的模塊通過功率閉環(huán)跟蹤對應的功率指令。

圖5 變流器拓撲結構圖Fig.5 The topology structure of the converter

圖6為VSC電流內環(huán)控制結構圖，從圖中可以看出，變流器的有功和無功電流采用相同的控制結構，控制參數通常相同?？刂破魇紫葘㈦娏髦噶钪蹬c實際反饋值做差，作為PI控制器輸入，隨后利用該PI控制器輸出、電網側電壓d-q變換結構及解耦項生成VSC交流側電壓指令，用作參考信號來生成PWM觸發(fā)脈沖，電流環(huán)參數計算公式見式(1)

式中，Kip、Kii分別為電流環(huán)PI控制器比例系數和積分系數，KPWM為三相橋等效放大倍數，ξi為所選擇電流環(huán)阻尼比。

圖6 VSC電流內環(huán)控制結構圖Fig.6 The control structure of the current inner loop

變流器各個VSC模塊的控制采用基于同步旋轉d-q坐標系閉環(huán)控制方法以及空間矢量調制算法，根據對應的功率指令實現(xiàn)對有功無功的獨立解耦控制。斬波的控制則以維持直流母線恒定為控制 目標，對直流母線電壓進行PI閉環(huán)控制，實現(xiàn)能量在超導磁體與電網之間的雙向流動。交流系統(tǒng)電壓10.5 kV；三繞組變壓器參數：SN=125kV·A ，X1-2=0.03，X1-3=0.03，X2-3=0.04，電壓變比為10.5 kV/300 V/300 V，Δ/Yn/Yn接法；兩個串聯(lián)濾波電感為1.5 mH，0.01 ?（電阻包含了濾波電感，變流器損耗等綜合效應）；變流器主電路詳細參數見表3。

表3 SMES用變流器參數Table 3 Specifications of the converter

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

150 kJ/100 kW SMES監(jiān)控系統(tǒng)設計要求如下：①能夠實時監(jiān)控超導磁體和變流器狀態(tài)，并能夠根據磁體失超保護裝置反饋信息進行相應控制和警報；②實時測量150 kJ/100 kW高溫超導磁儲能系統(tǒng)并入系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并能夠根據給定的控制規(guī)律完成系統(tǒng)級控制器功能；③具有完善的通信接口和人機界面，通信接口包括隔離的RS485、RS422、光纖接口和網絡接口，人機界面能夠顯示系統(tǒng)運行電壓、電流、功率、故障等信息，具備緊急停機接口；④能夠長時間穩(wěn)定可靠運行；⑤監(jiān)控系統(tǒng)滿足較長時間車載運輸要求。監(jiān)控系統(tǒng)檢測的狀態(tài)變量包括電力系統(tǒng)狀態(tài)和變流器狀態(tài)兩部分。其中，電力系統(tǒng)狀態(tài)包括母線電壓、線路電流、SMES支路注入電流及據此計算生成的發(fā)電機有功功率、發(fā)電機無功功率、SMES并網有功功率和并網無功功率。變流器狀態(tài)包括兩個VSC模塊交流電壓、交流電流及據此計算的各模塊注入電力系統(tǒng)的有功功率、無功功率、直流母線電壓、直流電流。電力系統(tǒng)狀態(tài)可通過錄波終端記錄，而變流器狀態(tài)僅用于本地實時顯示。整個SMES監(jiān)控系統(tǒng)實時控制周期為10 ms，錄波及FFT計算采樣點為每周波64點，具有很好的實時性和準確性。

2 SMES系統(tǒng)試驗

為了檢驗150 kJ/100 kW SMES樣機的各項性能，我們對樣機進行了3種實驗，分別為磁體降溫實驗、通流實驗、功率交換實驗和動模實驗。在實驗過程中，通過數據采集系統(tǒng)監(jiān)測磁體每個雙餅及雙餅與雙餅間的接頭電阻的電壓，通過2個低溫霍爾探頭測量磁體中部及端部的磁場，通過10個溫度探頭記錄磁體在運行過程中的溫度特性。

2.1 磁體冷卻

圖7為磁體降溫過程中溫度變化，選取了磁體上部、中部和下部3個溫度探頭的數據。從圖7中可以看出，磁體經過大約35 h后進入熱平衡狀態(tài)，穩(wěn)定后的磁體上部、中部和下部溫度分別為16.5 K、17.7 K和17.4 K。由于磁體上部靠近制冷機冷頭，所以溫度最低，我們在磁體上下端部加裝有較厚的導冷銅板，所以磁體下部溫度要比磁體中部低，磁體中部導冷效果差，溫度最高，整個磁體局部最大溫差約為1 K。

圖7 降溫過程中磁體的溫度變化Fig.7 The temperature variation of magnet during cooling process

2.2 磁體通流實驗

利用直流電源（EA電源）給磁體通直流電流來檢測磁體的通流能力。磁體電流從0 A經過一段時間上升到180 A。在此過程中數據采集系統(tǒng)記錄下各電流下磁體中心磁場的數值。實驗測得的磁體的I-Bo曲線如圖8所示，其中I為磁體電流，Bo為磁體中心磁場，當磁體電流為180 A時，磁 體中心最大磁場為4.7 T，磁體的最大儲能量達到157 kJ。通流過程中磁體的電壓和電流曲線如圖9所示。

圖8 儲能磁體的I-B o曲線Fig.8 Current-magnetic field curves for the SMES coil

圖9 磁體通流時電流和電壓曲線Fig.9 Current and voltage curves for the SMES coil

為了研究該磁體的臨界電流特性，利用直流電源手動控制升流速度，在磁體電流為10 A、30 A、50 A、100 A等電流值停留，待感生電壓消失后觀察磁體的電阻性電壓，磁體在20 K溫區(qū)工作時，最大安全運行電流的平均電壓判據為0.1 μV/cm[12]，磁體所用超導帶材為7200 m，根據0.1 μV/cm的判據，磁體安全運行電流所對應的磁體阻性電壓閾值應為72 mV，圖10給出了測得的磁體V-I曲線，從圖中可以看出，磁體電流在100 A以下時，磁體電壓變化較為緩慢，在超過100 A后，磁體電壓隨電流上升速度加快，在180 A左右磁體電流超過72 mV，這說明該150 kJ高溫超導磁體的最大安全運行電流值為180 A。

圖10 150 k J/100 k W SMES磁體的V-I曲線Fig.10 V-I characteristics of the 150 k J/100 k W SMES magnet

除了利用直流恒流源測試磁體的通流能力，還將磁體連接到變流器上進行開環(huán)功率調節(jié)實驗。首先設置變流器充磁的升流速率為1 A/s，達到電流設定值后，進入穩(wěn)流階段，然后手動操作發(fā)出功率交換指令，功率交換指令值和功率交換切換周期、交換次數均可預先進行設置。圖11為有功功率交換過程中SMES與電網交換功率波形，圖12給出了SMES在與電網功率交換時的電壓電流波形，根據設定要求，磁體電流在170 s內從零上升到變流器給定的標準值170 A后轉入“充磁完成”熱備用狀態(tài)。然后進行+100 kW和-80 kW的功率交換（SMES吸收功率為正，發(fā)出功率為負），每個功率指令維持10 ms，經過3個功率交換周期后進入續(xù)流階段。由交換功率波形可以看到SMES最大吸收功率略大于最大100 kW，而發(fā)出的最小功率略小于80 kW，這是因為功率測量點在接入變壓器一側，上述功率波形包含了接入變壓器負載損耗。有功調節(jié)過程中，無功基本保持為零不變。在功率調節(jié)系統(tǒng)發(fā)出放磁指令后，磁體電流通過斬波器給直流母線電容充電釋放能量。當電流降到很小時，停機將剩余能量釋放給釋能電阻。

圖13則給出了磁體在變流器設置不同功率交換指令下，在穩(wěn)流-功率交換-續(xù)流三個階段，磁體上部的溫度變化曲線，從圖中可以看出隨著功率交換指令的增大，溫度變化的趨勢越來越明顯，但停止功率交換進入續(xù)流階段后，磁體溫度變化趨勢趨于平緩并慢慢下降。上述對磁體的一系列實驗表明磁體在升流、穩(wěn)流、功率交換等過程中具有良好的穩(wěn)定性，可滿足瞬態(tài)功率補償的要求。

圖11 SMES與電網功率交換波形圖Fig.11 Power exchange wave forms when SMES exchange power with the grid

圖12 磁體通過功率調節(jié)系統(tǒng)勵磁的波形圖Fig.12 SMES coil excitation through power conditioning system

圖13 不同功率交換指令下對應的磁體上部溫度變化曲線Fig.13 Temperature variation curve of magnet upper end with different power exchange reference

2.3 SMES動模實驗

SMES可以與電網進行較大的瞬時功率交換，作為功率型的儲能裝置，潛在的應用場合很多，根據電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室已有的條件，進行了SMES抑制電力系統(tǒng)因發(fā)電機機端短路故障造成功率振蕩的動模實驗。實驗電路圖如圖14所示，發(fā)電機組勵磁方式為微機它勵，原動機輸入可控。輸電線路使用76XL和75XL兩個集中元件模擬，電抗分別為17.5 ?和5.32 ?，并在二者連接點D11點處設有接地開關，可以模擬接地短路故障。實驗室中的無窮大電力系統(tǒng)是由一臺升壓變壓器和一臺調壓器串聯(lián)組成，總阻抗為10，變壓器阻抗實際上相當于原型系統(tǒng)的一段輸電線路，加上22.82的模擬輸電線路得到總模擬線路阻抗為32.82，與模擬系統(tǒng)對應的原型系統(tǒng)線路阻抗為136（變換比mz=4.14）。按每千米線路阻抗0.4計算可得實際線路長度約為340 km。

圖14 SMES動模實驗系統(tǒng)接線圖Fig.14 Experiment circuit of simulated power system

故障前發(fā)電機有功出力為3.2 kW，無功出力0.9kVar；試驗平臺短路點D11發(fā)生三相接地故障，故障持續(xù)時間300 ms，之后故障被切除，圖15給出了SMES不投入時發(fā)電機功率振蕩波形圖，約定功率流向SMES為正，因此發(fā)電機出力為負值。由于短路期間發(fā)電機電流超過了監(jiān)控系統(tǒng)能夠采樣的最大值，此時監(jiān)控系統(tǒng)電流采樣AD發(fā)生了飽和，電流波形被削平，使得發(fā)電機功率波動第一擺峰值比實際值要小，從發(fā)電機控制臺得出的功率波動第一擺峰值為9.26 kW，振蕩持續(xù)接近5 s。

SMES監(jiān)控系統(tǒng)記錄SMES投入后發(fā)電機功率振蕩波形如圖16所示，功率參數圖中白線為發(fā)電機有功出力，黃線為高通濾波器的輸出，綠線為SMES實際出力。SMES控制規(guī)律為發(fā)電機電磁功率經高通濾波器得到同相位的ΔPe，經比例積分控制產生變流器功率交換指令，由圖16可以看出：①SMES能夠快速檢測故障切除時刻并能迅速投入；②SMES的投入使得發(fā)電機功率振蕩迅速平息，系統(tǒng)第一擺振蕩幅值明顯減小，由接近10 kW減小到了不足6 kW，振蕩平息時間減小到了2 s左右。

圖15 SMES不投入時發(fā)電機功率振蕩波形圖Fig.15 Power oscillator of the generator without SMES

圖16 SMES投入發(fā)電機功率振蕩波形圖Fig.16 Power oscillator of the generator with SMES

圖17和圖18分別給出了試驗過程中SMES磁體電壓電流波形和對應的磁體溫度變化趨勢?？梢钥吹剑涸赟MES與系統(tǒng)功率交換期間，電流經過了多次變化，磁體上部和下部溫度上升約1.5 K，磁體中部溫度上升約2 K，功率交換結束后磁體溫度經過一段時間回到初始值，沒有熱失控跡象。

3 結 論

本套SMES磁體采用兩種高溫超導帶材繞制，充分發(fā)揮了釔系和鉍系兩種高溫超導帶材的性能優(yōu)勢，采用制冷機直接冷卻技術不需要使用液氦、液氮等低溫液體浸泡，使得其在使用條件上具有更大的靈活性和廣泛性；合理設計傳導冷卻結構，利用兩臺制冷機成功將磁體冷卻到17 K左右，進一步優(yōu)化了磁體電學性能。采用較為成熟的電壓源型變流器將超導磁體與電力系統(tǒng)相連，變流器系統(tǒng)響應速度快，電流雜散紋波小，有效地減小了磁體的交流損耗。研發(fā)了基于LabVIEW軟件的磁體監(jiān)控與保護系統(tǒng)，實時監(jiān)測磁體各部分溫度、電壓電流信號，實時監(jiān)測磁體運行過程中的各種狀態(tài)變量，同時將檢測信號傳送到磁體保護系統(tǒng)，通過對磁體狀態(tài)量的分析判斷，對HTS-SMES磁體進行保護。

圖17 SMES電壓電流波形Fig.17 Voltage and current of the SMES

圖18 磁體溫度變化趨勢Fig.18 Temperature variation of the magnet

實驗結果表明，所研制超導磁體的安全運行電流達到180 A，儲能量達到157 kJ，與電網成功進行了+100 kW/-80 kW的功率交換，并且動模實驗也證明該SMES有效抑制了發(fā)電機的功率振蕩幅值和時間。

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