基于PI控制器的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)研究

張智鑫 包 敏 張惠敏 何海文 劉 軼

（吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）

0 引言

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）是一種大型超導(dǎo)線圈，它可以通過(guò)直流電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的形式無(wú)限期地儲(chǔ)存能量。主要應(yīng)用包括儲(chǔ)能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、日負(fù)荷均衡和電壓穩(wěn)定（暫態(tài)和動(dòng)態(tài)）、靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、電流諧波抑制。工業(yè)和商業(yè)的負(fù)荷需求通常很高，在這些行業(yè)，負(fù)荷需求會(huì)不時(shí)變化。因此，SMES系統(tǒng)由于其可靠性得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之前以及之后的很長(zhǎng)時(shí)間，SMES的研發(fā)都主要集中于低溫SMES。美國(guó)、日本等國(guó)家先后開(kāi)發(fā)出示范系統(tǒng)，目前，0.1～10 MW的系統(tǒng)已經(jīng)在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行。隨著高溫超導(dǎo)帶材的商業(yè)化生產(chǎn)，高溫SMES逐漸成為研究焦點(diǎn)。1993年，美國(guó)學(xué)者提出了高溫SMES的概念設(shè)計(jì)。1997年，美國(guó)超導(dǎo)公司研制成功一臺(tái)采用Bi-2223帶材5 kJ高溫SMES，這是世界第1臺(tái)具有一定規(guī)模的高溫SMES。受此激勵(lì)，此后幾百到幾北焦耳的高溫SMES如雨后春筍一樣在世界各主要超導(dǎo)研究國(guó)家和地區(qū)相繼被建造。早期主要采用Bi系帶材，后來(lái)ReBco帶材成為主流。Mgb2發(fā)現(xiàn)后，由于具有良好的磁場(chǎng)性和機(jī)械性能，也很快就有學(xué)者將之用于SMES磁體的建造[2]。

SMES的PCS作為實(shí)現(xiàn)其在電力系統(tǒng)應(yīng)用的重要接口，其控制通常分為底層控制和上層控制。PCS的底層控制主要指變流器的PWM控制，隨著可控型電力電子器件的發(fā)展，變流器的開(kāi)關(guān)控制已由早期的相位調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM技術(shù)，文獻(xiàn)[3]分別研究了正弦PWM（SPWM）和優(yōu)化PWM技術(shù)在CSC中的應(yīng)用。VSC的PWM技術(shù)除了上述PWM方法外，還發(fā)展出了基于空間矢量的SVPWM技術(shù)，文獻(xiàn)[4]基于旋轉(zhuǎn)空間矢量算法進(jìn)行了VSMES控制技術(shù)研究。無(wú)論是VSC型PCS還是CSC型PCS，其上層控制都用于實(shí)現(xiàn)SMES的四象限功率雙向流動(dòng)。目前其控制方法主要有直接電流控制、相位調(diào)節(jié)控制、dq坐標(biāo)系下的解耦控制以及直接功率控制[5]。其中直接電流控制有電流滯環(huán)控制、預(yù)測(cè)電流控制，dq坐標(biāo)系下的解耦控制有直接反饋解耦控制、逆系統(tǒng)、反饋線性化等。

1 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

SMES模型是一種以磁場(chǎng)形式儲(chǔ)存能量的模型。電流是由線圈中的直流電流產(chǎn)生的。由于電流儲(chǔ)存的能量在自然界中循環(huán)，它可以在毫秒到數(shù)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)被瞬間吸收或儲(chǔ)存。圖1中的SMES裝置包括一個(gè)大的SC線圈，該線圈的溫度適用于低溫系統(tǒng)，由氦等惰性氣體組成的低溫恒溫器或液體容器維持。開(kāi)關(guān)用于旁路并將能量損失最小化，特別是當(dāng)線圈處于備用狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)還可以通過(guò)另一種方式，如在失去任何使用連接時(shí)，繞過(guò)SC線圈電流[6]。

SC線圈的大小將決定SC線圈中存儲(chǔ)或供應(yīng)的最大能量或最大功率。這些標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)級(jí)取決于中小企業(yè)的應(yīng)用類型。SC設(shè)備運(yùn)行的溫度就像是成本和服務(wù)要求之間的取舍。由于與經(jīng)濟(jì)相關(guān)的問(wèn)題，目前主要采用低溫超導(dǎo)模型，它的運(yùn)行成本非常低，而且有可能實(shí)現(xiàn)高效率。

圖1 基本超導(dǎo)線圈單元

SMES裝置能夠在不影響效率的情況下儲(chǔ)存高達(dá)4500兆瓦時(shí)的能量，其效率高達(dá)95%，并且無(wú)論是在充電還是放電模式下，其響應(yīng)速度都非?？?，僅需幾毫秒。由于這個(gè)原因，SMES被認(rèn)為是負(fù)荷和相應(yīng)需求波動(dòng)的理想裝置，它也避免了大量的機(jī)組跳閘，并帶走了多余的能量。這保證了我們減少旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備的需求。

SMES裝置能夠在不影響效率的情況下儲(chǔ)存高達(dá)4500兆瓦時(shí)的能量，其效率高達(dá)95%，并且無(wú)論是在充電還是放電模式下，其響應(yīng)速度都非?？?，僅需幾毫秒[7]。由于這個(gè)原因，SMES被認(rèn)為是負(fù)荷和相應(yīng)需求波動(dòng)的理想裝置，它也避免了大量的機(jī)組跳閘，并帶走了多余的能量。

2 SMES功率調(diào)節(jié)

2.1 工作原理

該系統(tǒng)基于負(fù)載源SMES線圈能量平衡原理運(yùn)行[8]。電源電流取決于另外兩個(gè)電流，負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。

其中，Isup為電源電流，Icomp為逆變器電流，Iload為負(fù)載電流。補(bǔ)償電流是雙向斬波器占空比、VSC的M.I和SC線圈電流Isc的函數(shù)。

其中，Isc是SMES的線圈電流，D是斬波器的占空比，M是VSC的調(diào)制系數(shù)。

在負(fù)載補(bǔ)償?shù)那闆r下，供電后的剩余能量負(fù)責(zé)SC線圈的充電。據(jù)說(shuō)能量是在這種情況下儲(chǔ)存的。在這種情況下，Psupply>Pload和PSMES=Psupply-Pload通常發(fā)生在輕載條件下，也避免了費(fèi)蘭蒂效應(yīng)。

無(wú)論何時(shí)有重負(fù)載需求或系統(tǒng)處于峰值負(fù)載狀態(tài)，負(fù)載中的不足能量由SMES提供，此時(shí)線圈將釋放存儲(chǔ)的能量。負(fù)載平衡是通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)的。然而，電容器電壓將保持恒定，但在參考值上下波動(dòng)。這里，Psupply

系統(tǒng)中，電壓的承受值Vcapacitor，電流的承受值Isupply被設(shè)定。當(dāng)SC線圈充電時(shí)，電容器上的電壓由公式（3）確定。

式中，Vcap是直流連接電壓 （伏特），C是電容量（法拉德），Isc是Iinductor，上升到某個(gè)值。

如果SC線圈正在放電，則直流鏈路上的電壓將增大到：

Iinductor會(huì)減少到：

相應(yīng)地，在逆變側(cè)，通過(guò)調(diào)整滯環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化值Vcapacitor來(lái)相應(yīng)地控制源電流值。電流上升時(shí)，即Isupply向上限上升。

Vcapacitor將上升到。

相應(yīng)地，如達(dá)到了上限值，Isup開(kāi)始向較低的頻帶遞減；可以通過(guò)下式得到Isup（t+t'）。

直流電壓將降低到：

充電和放電期間的功率流如圖2所示?，F(xiàn)在它還可以控制最大負(fù)荷需求[9]。當(dāng)負(fù)載功率小于電源功率時(shí)，線圈被稱為充電；負(fù)載補(bǔ)償時(shí)，負(fù)載功率大于電源功率時(shí)，線圈放電。在SMES的幫助下實(shí)現(xiàn)能量平衡，電容器電壓在整個(gè)充放電循環(huán)中保持恒定。

圖2 PCS在負(fù)載補(bǔ)償下的功能

3 控制器建模

3.1 VSC構(gòu)建的PCS

圖3顯示了VSC構(gòu)建的PC的圖示[10]?；赩SC的PCS由一個(gè)6脈沖滯回帶雙向VSC和IGBT開(kāi)關(guān)組成，IGBT開(kāi)關(guān)具有反并聯(lián)二極管，使充電和放電都可行；一個(gè)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有簡(jiǎn)單的IGBT（無(wú)二極管反并聯(lián)），二極管SC線圈和DC鏈路，用于級(jí)聯(lián)或解耦VSC和斬波器確保其兩端的電壓始終恒定。實(shí)際上，這臺(tái)PC機(jī)被用作連接SC線圈和電源的接口。為了產(chǎn)生VSC的脈沖，在每個(gè)相位比較基準(zhǔn)電流和實(shí)際補(bǔ)償電流，產(chǎn)生的誤差通過(guò)繼電器傳遞，繼電器設(shè)置一個(gè)頻帶，并相應(yīng)地將產(chǎn)生的脈沖提供給IGBT開(kāi)關(guān)。VSC在充電模式下充當(dāng)Ac-Dc轉(zhuǎn)換器，在放電模式下充當(dāng)逆變器。在充電期間，甚至在放電期間，直流鏈路始終保持轉(zhuǎn)換器的輸出恒定，直流鏈路上的電壓也是恒定的[11]。

圖3 電壓源轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在PCS里面使用的2個(gè)四電平DC-DC轉(zhuǎn)換器由簡(jiǎn)單的IGBT和簡(jiǎn)單的二極管組成。IGBT沒(méi)有反并聯(lián)二極管。在充電模式下，SC線圈將通過(guò)兩個(gè)IGBT充電，在放電模式下，SC線圈通過(guò)二極管放電。脈沖的產(chǎn)生方式是：充電時(shí)為正脈沖（接通狀態(tài)），放電時(shí)為負(fù)脈沖（開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)）。因此，在這個(gè)斬波器有助于調(diào)節(jié)充放電循環(huán)。斬波器的占空比D決定了充電和放電模式，這是通過(guò)線圈知道的。

3.2 DC/DC斬波電路

DC-DC變換器最重要的功能是調(diào)節(jié)SMES的充放電周期，達(dá)到能量平衡。在充電時(shí)，它充當(dāng)電容器和SC線圈之間的接口，在兩個(gè)極限之間波動(dòng)的斬波器輸出將對(duì)SC線圈充電，使功率從電容器流向SC線圈。放電時(shí)，它會(huì)將極性相反的電容器連接到原電容器上，以保證電流反向。電路圖如圖4所示[12]。

如圖4所示，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)時(shí)，電流通過(guò)VSC、DC鏈路、斬波器和正電壓從電源流向SC線圈。即線圈充電的過(guò)程。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)中一個(gè)被觸發(fā)器關(guān)閉，電流從SC線圈通過(guò)斬波器、直流鏈路和VSC流向負(fù)載時(shí)，SC線圈為-Vsc，保證放電。斬波器的占空比決定SMES的充放電。如果D等于0.5，則Vscavg和通過(guò)SMES PCS的電流都為0，并且設(shè)備處于空閑狀態(tài)。在整個(gè)循環(huán)中傳遞的功率為0。當(dāng)D>0.5時(shí)，電壓為正，SC線圈將進(jìn)行充電過(guò)程，電流明顯地通過(guò)基于VSC的PCS從電源流向SC線圈，來(lái)自電源的額外能量被轉(zhuǎn)移到線圈。如果D<0.5，則認(rèn)為線圈處于放電狀態(tài)，因?yàn)殡妷簽樨?fù)，負(fù)載所需的缺陷能量由線圈中的儲(chǔ)能提供。最后，充放電循環(huán)取決于斬波器的占空比D。

3.3 功率控制

在電網(wǎng)電壓Us和輸入電抗一定的情況下，通過(guò)控制 VSC交流側(cè) d、q軸的電壓urd3和urq3，能夠?qū)ψ兞髌鹘涣鱾?cè)的d、q軸電流進(jìn)行準(zhǔn)確控制。由電網(wǎng)和SMES之間的擬交換功率確定VSMES交流側(cè) d、q軸輸出電流isdr、isqr，再根據(jù)式（11） 計(jì)算urd3和urq3控制分量。

其中，和分別為SMES和電網(wǎng)之間擬交換的有功和無(wú)功功率。

根據(jù)前面所述的VSC交流側(cè)電流解耦控制原理可知，通過(guò)在所確定的urd3和urq3控制分量基礎(chǔ)上疊加電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓的前饋補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)圖5所示SMES的功率控制。

圖4 二象限電壓雙向DC/DC變換器

圖5 SMES的功率控制原理圖

圖5中，外環(huán)控制器用于保持SMES與電網(wǎng)交換的功率跟蹤功率指令值。它主要依據(jù)SMES的功率交換指令值Pr、Qr與實(shí)際值Psm、Qsm之間的誤差 PI調(diào)節(jié)后確定用于內(nèi)環(huán)控制器輸入的VSC交流側(cè)電流的d、q 軸電流控制分量isdr、isqr。

電流內(nèi)環(huán)控制器則根據(jù)外環(huán)控制器的d、q軸指令電流和VSC交流側(cè)等效電感和阻抗形成用于控制VSC交流側(cè)電流d、q軸分量的urd3、urd3，然后該控制量分別與引入的urd1、urd2和urq1、urq2控制分量相加，形成用于VSC進(jìn)行SPWM的調(diào)制波信號(hào)的d、q軸電壓分量urd和urq。正弦調(diào)制信號(hào)的幅值M和相位α由式（12）確定[14-15]：

4 結(jié)論

SMES儲(chǔ)能密度大，充放電速度快且沒(méi)有環(huán)境污染，是非常理想的儲(chǔ)能元件?？焖贉?zhǔn)確的四象限功率調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)SMES在電力系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵。本文從實(shí)現(xiàn)對(duì)SMES電網(wǎng)側(cè)電流幅值和相位的能控性出發(fā)，探討了VSC的SPWM開(kāi)關(guān)策略，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究并提出了用于實(shí)現(xiàn)SMES的功率控制策略。