基于粒子群優(yōu)化的SMES-FCL組合裝置的研究

林曉冬，雷勇

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 成都 610065)

0 引 言

應(yīng)用超導(dǎo)是目前電力系統(tǒng)中最有發(fā)展前景的研究領(lǐng)域。由于直流電流流經(jīng)超導(dǎo)磁體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生損耗，所以隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用超導(dǎo)的范圍越來越廣泛，如超導(dǎo)故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter, SFCL)[1]，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(SMES)[2]，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)[3]，超導(dǎo)電纜[4]等。

不可再生能源的過度使用造成了資源短缺、環(huán)境污染等危害。開發(fā)應(yīng)用于新能源的儲(chǔ)能技術(shù)，是保證國家電力可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略性政策。由于SMES具有功率密度大、轉(zhuǎn)換效率高、快速響應(yīng)指令的性能，文獻(xiàn)[5-7]提出將其應(yīng)用于平抑電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)，而不是單純的儲(chǔ)存或釋放能量。且SMES在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，發(fā)展新能源技術(shù)中都發(fā)揮著重要的作用[8]，其作為新型儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)是未來的必然趨勢。

由于大量的分布式能源接入，配電網(wǎng)中設(shè)備的短路水平、電壓分布等都會(huì)受到不同程度的影響。而現(xiàn)今我們的配電網(wǎng)依舊是被動(dòng)配電網(wǎng)，對(duì)潮流、電壓、損耗等的計(jì)算都還是基于最大負(fù)荷條件或平均負(fù)荷條件，在大量分布式能源接入后，設(shè)備又要被動(dòng)地接受改造。隨著主動(dòng)配電網(wǎng)概念的提出，就需要把現(xiàn)今被動(dòng)接受的模式變?yōu)橹鲃?dòng)利用[9-10]。在線路正常運(yùn)行的情況下，F(xiàn)CL中電感呈現(xiàn)的阻抗幾乎為零。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電流的變化率急劇升高，超導(dǎo)磁體隨即以大電感的形式投入使用，從而限制短路電流。那么通過投入FCL，就可以避免斷路器被動(dòng)地隨電網(wǎng)規(guī)模增大而不斷增加其開斷容量的情況，從而解決了斷路器開斷能力不足的問題，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的主動(dòng)保護(hù)。

文獻(xiàn)[11-13]首先提出了SMES-FCL組合裝置的結(jié)構(gòu)。文中通過結(jié)合SMES和FCL，對(duì)電壓暫降以及短路電流的問題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[11]雖然限制了短路電流的大小，但是對(duì)超導(dǎo)磁體吸收能量過后的情況未做研究，并未涉及磁體電流上升后恢復(fù)設(shè)定值的情況。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)文獻(xiàn)[11]中的問題進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了磁體電流的可控。這三篇文獻(xiàn)中，SMES-FCL均采用的是基于電流源型(Current Source Converter, CSC)變流器的SMES結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁體直接與變流器連接，磁體的參數(shù)對(duì)輸出功率有較大的影響。它們將SMES用于補(bǔ)償電壓跌落、吸收短路電流以及調(diào)節(jié)磁體電流，不能對(duì)線路上的功率波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[14]在雙饋式感應(yīng)電機(jī)出口母線附近投入SMES-FCL，其FCL通過串聯(lián)變壓器連接到線路尾端，希望在削弱短路電流的同時(shí)維持同一系統(tǒng)的母線功率恒定。在其SMES變流器控制策略中，PI控制器的數(shù)量太多，參數(shù)整定復(fù)雜，其參數(shù)選擇對(duì)系統(tǒng)有較大的影響。在該文獻(xiàn)中，當(dāng)線路上發(fā)生短路的時(shí)候，通過變壓器將短路電流傳遞FCL的超導(dǎo)磁體，這種方式不僅增加了投資，而且變壓器傳遞的短路電流可能對(duì)磁體造成極大的危害。SMES的電壓等級(jí)一般都低于輸電線路的電壓，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，極大的短路電流通過變壓器會(huì)給低壓側(cè)的磁體帶來更大的短路電流，使磁體電流上升更快，更容易到達(dá)其臨界電流而發(fā)生失超?？v使最終達(dá)到了削弱短路電流的目的，但是對(duì)磁體存在潛在的危害，且對(duì)磁體的要求更高，不利于運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

文章以SMES-FCL組合裝置為研究對(duì)象，首先提出采用電壓源型變流器(Voltage Source Converter, VSC)的SMES使磁體與輸出功率之間沒有直接的關(guān)聯(lián)，直流側(cè)直接為FCL提供直流偏置電壓，減小了裝置的損耗。其次采用新型的功率控制策略減少PI參數(shù)整定的數(shù)量，使組合裝置對(duì)功率指令進(jìn)行更快速的響應(yīng)，增強(qiáng)了控制策略的普適性，使得SMES-FCL在削弱故障線路短路電流的同時(shí)，能對(duì)另一獨(dú)立系統(tǒng)中的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。同時(shí)又制定了SMES的模糊控制策略，保障其不發(fā)生過充或過放的情況。最終提出使用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)，對(duì)SMES-FCL結(jié)構(gòu)中的磁體參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 SMES-FCL組合裝置的概念

圖1是SMES-FCL組合裝置在系統(tǒng)中的示意圖。我們將變壓器二次側(cè)分為了交流系統(tǒng)AC1和交流系統(tǒng)AC2。在兩個(gè)交流系統(tǒng)均正常運(yùn)行時(shí)，它們除了變壓器之間的磁耦合外，沒有直接的電氣聯(lián)系。SMES由超導(dǎo)磁體、變流器、控制器、保護(hù)電路構(gòu)成， SMES并入電網(wǎng)所需要的變流器通常有CSC和VSC兩種。CSC的結(jié)構(gòu)簡單，超導(dǎo)磁體直接與變流器相連，磁體的參數(shù)對(duì)輸出功率有很大的影響，一般采用這種結(jié)構(gòu)是對(duì)磁體電流進(jìn)行控制[15]?？紤]到還需要對(duì)系統(tǒng)AC1線路上的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，所以為了隔離磁體參數(shù)對(duì)輸出功率的影響，選擇VSC作為SMES的功率控制系統(tǒng)。超導(dǎo)故障限流器也有不同的類型，如電阻型超導(dǎo)限流器，感應(yīng)超導(dǎo)限流器，橋式超導(dǎo)限流器等[16]，由于文中SMES-FCL結(jié)構(gòu)中超導(dǎo)磁體的電流不能反向，所以選擇橋式超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)[17]。

圖1 SMES-FCL組合裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the SMES-FCL

表1是開關(guān)K1、K2可能的開關(guān)狀態(tài)與SMES-FCL的工作情況之間的關(guān)系[13]。

其中，在K2導(dǎo)通的情況下，無論SMES還是FCL均不投入運(yùn)行。當(dāng)K2處于斷開的狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于SMES接入系統(tǒng)中，可以和交流系統(tǒng)AC1進(jìn)行可控的能量交換，從而平抑線路上的不平衡功率。此時(shí)若K1也處于斷開的狀態(tài)，超導(dǎo)磁體就共享給了限流器，構(gòu)成超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)，在一段時(shí)間后，超導(dǎo)磁體充電到額定電流并穩(wěn)定。在兩個(gè)交流系統(tǒng)都正常運(yùn)行的情況下，限流器橋路的二極管均處于全周期導(dǎo)通的狀態(tài)，SMES-FCL對(duì)交流系統(tǒng)AC2幾乎不構(gòu)成影響，隨時(shí)準(zhǔn)備對(duì)交流系統(tǒng)AC2中可能發(fā)生的短路故障進(jìn)行響應(yīng)，并抑制其短路電流；而當(dāng)K1導(dǎo)通時(shí)，二極管橋路被短路，F(xiàn)CL將不會(huì)投入運(yùn)行。

表1 開關(guān)狀態(tài)與SMES-FCL工作情況的關(guān)系Tab.1 Relationship between the switches status and combined device functions

假設(shè)SMES和FCL都投入運(yùn)行，當(dāng)AC2的交流系統(tǒng)的線路發(fā)生短路故障后，磁體由于吸收了來自于短路故障的瞬時(shí)功率，磁體電流上升。當(dāng)短路故障排除后，SMES應(yīng)該把吸收的能量釋放掉以維持自身的正常運(yùn)行水平。那么就需要建立SMES-FCL的控制策略，以功率指令的形式將能量釋放到電網(wǎng)中，或用于平抑交流系統(tǒng)AC1的功率波動(dòng)。

2 SMES-FCL組合裝置的控制策略

2.1 SMES的控制策略

圖2是基于電壓源型變流器的SMES拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 電壓源型SMES變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of VSC-based SMES

變流器的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中Sd、Sq是表示在dq坐標(biāo)系內(nèi)的開關(guān)函數(shù)。

變流器通過式(2)對(duì)功率指令進(jìn)行變換，得到有功與無功的電流指令。通過電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)解耦有功與無功電流。最后通過空間電壓矢量調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器橋路的控制。

變流器的控制實(shí)現(xiàn)了功率指令的轉(zhuǎn)換以及無功功率的跟蹤。由于無功功率并不表現(xiàn)對(duì)外做功的特性，所以使用電流內(nèi)環(huán)就能對(duì)其進(jìn)行有效的跟蹤。

斬波器需要控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定以及有功功率指令的跟蹤。由于電容在運(yùn)行中會(huì)吸收或釋放能量，所以會(huì)對(duì)實(shí)際傳遞給磁體的功率指令產(chǎn)生一定的影響。直流側(cè)電壓的控制框圖如圖3所示，獲得斬波器調(diào)制信號(hào)的過程如圖4所示。

圖3 電容能量的偏差控制Fig.3 Deviation control of capacitor energy

圖4 斬波器的調(diào)制信號(hào)Fig.4 Modulation signal of the chopper

由功率守恒可知超導(dǎo)磁體上的有功功率Psc=P-Pcap；P為流經(jīng)變流器的功率；Pcap為直流側(cè)電容上產(chǎn)生的功率；磁體的有功基準(zhǔn)值Psc_ref=UdcIsc；Psc_pu為磁體有功的標(biāo)幺值。因?yàn)閷?shí)際磁體的功率指令標(biāo)幺值在(-1,1)中變化，為了得到在(0,1)之間的功率調(diào)制信號(hào)，所以需要進(jìn)行圖4中的一系列轉(zhuǎn)換。SMES的具體控制框圖如圖5所示。

采用這里提出的SMES功率控制策略，有效地簡化了傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)[18-20]，將SMES變流器傳統(tǒng)的5個(gè)PI控制縮減為了3個(gè)，降低了控制器的參數(shù)選擇對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖5 SMES的控制框圖Fig.5 Control block diagram of SMES

在SMES的運(yùn)行過程中，需要考慮SMES的荷電狀態(tài)SOC，以保證其不發(fā)生過充、過放的現(xiàn)象。SMES實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)SOC可表示為：

式中SOCSMES_initial是SMES初始的荷電狀態(tài)；%ΔSOCSMES為SMES荷電狀態(tài)的變化量；ΔESMES是SMES能量的變化值。

SMES的SOC正常運(yùn)行范圍為[0.1,0.9]。給SMES添加一個(gè)模糊控制器，根據(jù)實(shí)時(shí)的%ΔSOCSMES、PSMES_ref對(duì)SMES的初始功率指令進(jìn)行調(diào)整。實(shí)時(shí)調(diào)整的功率指令可以表示為：

PSMES=ΔkSPsN+PSMES_ref

(4)

式中PSMES表示SMES調(diào)整后的功率指令；ΔkS表示SMES的模糊控制器輸出的調(diào)整系數(shù)；PsN表示設(shè)定的SMES額定輸出功率。

ε為歸一化后的功率參考值，將ε的模糊集定義為{NB, NS, ZO, PS, PB}；SOC的模糊集定義為{VL, L, H, VH}；調(diào)整系數(shù)Δk={NB, NS, ZO, PS, PB}，Δk的論域?yàn)閧-1, -0.5, 0, 0.5, 1}。SMES的初始功率指令進(jìn)行限幅以及歸一化處理后表示為εPS*。模糊控制的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，SMES的隸屬度函數(shù)的參數(shù)可以取為：a1=0.125，a2=0.375，a3=0.625，a4=0.875；b1=0.125，b2=0.275，b3=0.425，b4=0.575，b5=0.725，b6=0.875。制定的SMES模糊控制器規(guī)則表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則Tab. 2 Fuzzy control rules

2.2 FCL的控制策略

如圖7所示，是FCL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用二極管的三相橋式電路構(gòu)成FCL，通過三相電壓自主導(dǎo)通。

圖7 FCL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topological structure of FCL

在SMES-FCL投入運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)，SMES的磁體進(jìn)行充電，并維持電流為額定值。當(dāng)交流系統(tǒng)AC2運(yùn)行在額定狀態(tài)時(shí)，變流器工作在整流模式，變流器的直流側(cè)電壓為FCL提供了偏置電壓，二極管D1～D6均全周期導(dǎo)通，F(xiàn)CL的結(jié)構(gòu)幾乎對(duì)交流系統(tǒng)AC2沒有影響。當(dāng)交流系統(tǒng)AC2中發(fā)生短路故障時(shí)，由于線路電壓的改變，非常大的短路電流流經(jīng)二極管，使二極管變?yōu)榘胫芷趯?dǎo)通，此時(shí)超導(dǎo)磁體隨即由SMES共享給FCL，對(duì)短路電流進(jìn)行削弱。

文獻(xiàn)[21]對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)給出了下列具體的定義。設(shè)磁體的電感為L，電感提供的直流側(cè)偏置電流為I0，在交流系統(tǒng)均正常運(yùn)行時(shí)，磁體儲(chǔ)能為：

當(dāng)交流系統(tǒng)AC2發(fā)生短路故障時(shí)，F(xiàn)CL投入運(yùn)行，期間磁體電流iL可以表示為：

式中n為故障中的半波周期數(shù)；Vm為相對(duì)地的電壓；T為工頻周期。

在第n個(gè)半波周期后排除故障，磁體電流ILM可以表示為：

在經(jīng)歷了n個(gè)半波周期的故障后，磁體能量為：

SMES可以吸收或釋放的最大能量分別表示為：

式中I2m為交流系統(tǒng)AC2中的負(fù)載電流峰值。

定義一個(gè)錯(cuò)誤修正率K來衡量SMES-FCL的短路電流削弱能力：

3 優(yōu)化函數(shù)的制定

由于文中SMES-FCL組合裝置結(jié)構(gòu)中FCL采用的是二極管三相橋式結(jié)構(gòu)，所以削弱短路故障電流的能力與電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接相關(guān)，并不能通過算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過IAEP、IAEV和E0三個(gè)方面來設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，旨在尋找到SMES變流器直流側(cè)電壓波動(dòng)最小以及補(bǔ)償功率最大情況下的磁體初始配置以及最優(yōu)控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

(1) 平抑功率波動(dòng)的能力

在SMES-FCL結(jié)構(gòu)中，由SMES對(duì)交流系統(tǒng)AC1的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。雖然其響應(yīng)功率指令的能力與控制器以及電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接相關(guān)，但是由于要對(duì)磁體的初始配置進(jìn)行調(diào)整，所以可能存在磁體能量不足的情況使得平抑波動(dòng)的能力下降。那么依舊需要考慮使SMES參考功率指令與實(shí)際響應(yīng)的功率之差ΔP的絕對(duì)誤差積分：

式中 ΔP=PSMES_ref-PSMES。

功率偏差可以表示為：

在正常運(yùn)行情況下，直流電壓能夠保持穩(wěn)定，那么由上式可知此時(shí)電容的平均充放電功率為零，即儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)功率參考值與實(shí)際值的差值與電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)無關(guān)。當(dāng)SMES的初始儲(chǔ)能值選擇不當(dāng)導(dǎo)致運(yùn)行過程中發(fā)生SOC水平越限時(shí)，響應(yīng)功率與理想的功率參考值產(chǎn)生偏差，所以IAEP可以作為限制下文中初始儲(chǔ)能的一項(xiàng)優(yōu)化函數(shù)，進(jìn)而平抑更多的功率波動(dòng)。

(2) 變流器直流側(cè)的電壓波動(dòng)情況

Screening:the study population will comprise patients who meet all inclusion criteria and no exclusion or elimination criteria.Study personnel will continuously screen eligible patients who present to the hospitals until the sample size is reached.

直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是SMES正常運(yùn)行的前提條件，同時(shí)也為FCL提供了運(yùn)行必需的偏置電壓。設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為直流側(cè)電壓波動(dòng)的絕對(duì)誤差積分：

式中 ΔUdc為直流側(cè)電壓的波動(dòng)值。

(3) SMES的初始參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，超導(dǎo)磁體吸收其產(chǎn)生的短路能量使得自身的磁體電流增大。此時(shí)若磁體的電感過小，或初始磁體電流過大，這部分短路能量就可能造成磁體的失超；若磁體的電感過大，設(shè)備的成本就會(huì)增加；若初始磁體電流過小，又可能使得SMES平抑功率波動(dòng)的能力下降以及直流側(cè)電壓失穩(wěn)。所以在保證SMES-FCL所有功能都正常運(yùn)行的條件下，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮使超導(dǎo)磁體的初始待機(jī)儲(chǔ)能值最低。超導(dǎo)磁體的初始能量為：

式中I0為初始磁體電流。

(4) 制定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合上面提出的三個(gè)目標(biāo)，我們可以把優(yōu)化問題寫作：

(16)

式中IAEV*、IAEP*、E0*分別為歸一化后的指標(biāo)。ω1、ω2、ω3分別表示三個(gè)目標(biāo)的慣性權(quán)重。

由于有三個(gè)待優(yōu)化的最小化問題，它們實(shí)際的值不能同一個(gè)量度表示，所以需要對(duì)三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，規(guī)定功率偏差的額定值為200 W，電壓偏差的額定值為10 V，能量的額定值為24.5 kJ。同時(shí)引入權(quán)重ω，我們將IAEV作為主要的優(yōu)化目標(biāo)，保證SMES-FCL的正常運(yùn)行。其次將IAEP作為次要優(yōu)化目標(biāo)，使得SMES能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)的功率指令。最后是E0，在保證SMES-FCL所有功能都正常運(yùn)行的條件下，盡量地使組合裝置的經(jīng)濟(jì)性最佳。通過采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)[22]對(duì)目標(biāo)層中元素的重要性進(jìn)行兩兩比較，通過比率標(biāo)度的大小來確定目標(biāo)的重要性，最終計(jì)算比率標(biāo)度矩陣得到權(quán)重。最終取ω1=0.67，ω2=0.22，ω3=0.11，并通過了一致性檢測。上述優(yōu)化問題的約束條件為：

式中L為超導(dǎo)磁體的電感；I0為初始磁體電流；Kp、Ki為變流器電壓控制器的PI參數(shù)。

粒子的狀態(tài)更新如下：

圖8 改進(jìn)的粒子群算法流程圖Fig.8 Flow chart of the improved PSO

這里對(duì)式(17)中的慣性權(quán)重進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，如下：

4 仿真分析

設(shè)置兩個(gè)仿真算例：SMES和FCL裝置均未投入運(yùn)行時(shí)，交流系統(tǒng)AC2線路發(fā)生短路故障；SMES和FCL裝置聯(lián)合運(yùn)行，交流系統(tǒng)AC2線路發(fā)生短路故障以及交流系統(tǒng)AC1發(fā)生功率波動(dòng)。文中的短路故障均設(shè)置為后果最嚴(yán)重的三相短路，以觀察在極端情況下SMES-FCL削弱短路電流的能力。

首先確定系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置變壓器的額定值為10 kV/6 kV-380 V(HV/LV1-LV2)，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Ynd11d11。經(jīng)改進(jìn)粒子群算法得到的優(yōu)化參數(shù)為：超導(dǎo)磁體電感L=10 H，初始磁體電流I0=70 A，允許運(yùn)行電流為50 A～300 A，直流側(cè)電壓800 V；電壓調(diào)節(jié)器PI參數(shù)：Kp=370，Ki=740。粒子群優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線如圖9所示。從圖9中的目標(biāo)函數(shù)收斂曲線可以看出，采用改進(jìn)的粒子群算法較傳統(tǒng)的粒子群算法有更好地收斂特性。

圖9 目標(biāo)函數(shù)的收斂曲線Fig.9 Convergence curves of the objective function

4.1 SMES和FCL裝置均未投入運(yùn)行

設(shè)置交流系統(tǒng)AC2的線路在3 s時(shí)刻發(fā)生三相短路，于3.08 s時(shí)刻結(jié)束。如圖10所示，AC2線路的正常運(yùn)行相電流幅值為162 A，而在短路時(shí)刻的電流幅值最大達(dá)到了3 120 A。

圖10 未投入組合裝置時(shí)系統(tǒng)AC2的三相電流Fig.10 Three-phase current of the system AC2 without the combined device

4.2 SMES和FCL裝置聯(lián)合運(yùn)行

當(dāng)SMES-FCL組合裝置投入運(yùn)行時(shí)，同樣設(shè)置交流系統(tǒng)AC2中發(fā)生三相短路的情況，在3 s時(shí)刻發(fā)生短路，3.08 s時(shí)刻結(jié)束。如圖11所示，AC2線路上的正常運(yùn)行相電流幅值為162 A，而在短路電流的最大幅值被限制在230 A。盡管在故障期間短路電流逐漸上升，但是通過SMES-FCL的結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大地削弱了其幅值，其錯(cuò)誤修正率K=92.6%。

圖11 投入組合裝置后系統(tǒng)AC2的三相電流波形Fig.11 Three-phase current waveform of the system AC2 with the combined device

圖12為直流側(cè)電壓與磁體電流的波形。圖中可以看出，由于超導(dǎo)線圈吸收了大量的短路能量，使得磁體的電流不斷上升。通過文中的控制策略使SMES釋放這部分能量，磁體電流恢復(fù)正常。

圖12 磁體電流的波形Fig.12 Waveform of magnet current

若希望交流系統(tǒng)AC1帶恒功率負(fù)載，即希望線路傳輸?shù)墓β时３衷陬~定值，提出的SMES-FCL功率控制策略可以實(shí)時(shí)地對(duì)功率指令進(jìn)行響應(yīng)并補(bǔ)償不平衡功率。假設(shè)在6 s時(shí)刻交流系統(tǒng)AC1線路上發(fā)生了衰減的正弦功率波動(dòng)。圖13分別給出了正弦波動(dòng)的不平衡功率信號(hào)，SMES實(shí)際響應(yīng)的補(bǔ)償功率以及SMES的功率響應(yīng)誤差。由于SMES僅有1 ms的響應(yīng)誤差，圖中可以看出SMES的功率響應(yīng)誤差非常小，基本平抑了線路上的不平衡功率。圖14是平抑過程中的直流側(cè)電壓與磁體電流波形，均有較好的控制效果。說明采用所提出的SMES功率控制策略在簡化傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也保證了其毫秒級(jí)的響應(yīng)速度。

圖13 SMES-FCL平抑功率波動(dòng)的曲線Fig.13 Curves of SMES-FCL smoothing power fluctuation

圖14 直流側(cè)電壓和磁體電流波形Fig.14 Waveforms of DC-side voltage and magnet current

5 結(jié)束語

在國內(nèi)外SMES-FCL研究基礎(chǔ)上提出了一種基于VSC的新型SMES-FCL組合裝置結(jié)構(gòu)及其控制策略，并得出以下的結(jié)論：

(1)通過采用基于VSC結(jié)構(gòu)的SMES作為FCL的直流偏置電源，較CSC出口端串聯(lián)電阻的情況有效降低了設(shè)備損耗。所提出的SMES功率控制策略在簡化傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能對(duì)電網(wǎng)的功率指令實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的跟蹤響應(yīng)。并通過采用提出的模糊控制策略，有效避免了SMES過充或過放的情況發(fā)生；

(2)仿真結(jié)構(gòu)表明所提出的基于VSC的SMES-FCL組合裝置能夠有效地削弱故障線路的短路電流，使線路上的斷路器的開斷容量不再需隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而增加，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的主動(dòng)保護(hù)。同時(shí)能對(duì)另一線路上的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑。超導(dǎo)磁體同時(shí)執(zhí)行多個(gè)功能，增加了設(shè)備的利用率。SMES和FCL共享低溫保護(hù)和失超保護(hù)裝置，降低了設(shè)備的成本；

(3)通過采用改進(jìn)的粒子群算法和層次分析法得到了最優(yōu)的磁體電感、初始電流以及斬波器電壓控制器的PI參數(shù)，提高了組合裝置運(yùn)行的可靠性。