超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)服務(wù)湘西地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性*

楊 徉，陳廣思，李林峰，王超明，李欣然，陳長青，蘆純靜

(1.吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

湖南省西北部的武陵山腹地地勢復(fù)雜、氣候多變，是光、熱、水、風(fēng)同季地區(qū)，有豐富的水電和風(fēng)電資源.湘西水電基地為湖南省提供主要的水電輸出，是中國十三大水電基地之一[1-2]；武陵山區(qū)山脊年平均風(fēng)速在5.0～6.5 m/s，復(fù)雜的地勢有利于小規(guī)模分布式風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展[3].湘西地區(qū)是湖南電網(wǎng)電源較為集中的區(qū)域，而湖南省主要用電負(fù)荷集中在湘東和湘南地區(qū)，省內(nèi)電源與負(fù)荷分布存在嚴(yán)重不平衡的問題[4].隨著近年新能源并網(wǎng)滲透率逐年增高，新能源的間歇性和不連續(xù)性使得湖南電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題更加凸顯.因此，為了提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，可以考慮在電網(wǎng)中接入超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)，利用儲能技術(shù)的能量雙向存取特性提高間歇式電源的可控性[5]，并為系統(tǒng)提供快速的功率支撐.筆者擬以湖南電網(wǎng)為例，在電力系統(tǒng)綜合分析程序(Power System Analysis Software Package, PSASP)中搭建等效電力網(wǎng)絡(luò)模型，將SMES接入等效簡化后的電力系統(tǒng)，研究其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行發(fā)揮的作用.

1 湘西地區(qū)電能輸送與區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

圖1 湖南電網(wǎng)主要供用電區(qū)域及傳輸線路示意Fig.1 Main Area and Transmission Line of Hunan Power Grid

湘西是湖南電網(wǎng)的電源集中地區(qū)，電能主要通過牌樓-長陽鋪500 kV雙回線路和艷山紅-宗元500 kV單回線路向湘東和湘南傳輸[2].外省主要通過祁韶直流(自甘肅)、葛崗線(自湖北)和孱澧線(自湖北)向湖南電網(wǎng)供電，如圖1所示.

當(dāng)電網(wǎng)受到大擾動時，電源區(qū)域(湘西)易發(fā)生動態(tài)功角失穩(wěn)，負(fù)荷中心區(qū)域(湘東、湘南)由于動態(tài)無功不足，易發(fā)生動態(tài)電壓失穩(wěn).同時，電壓失穩(wěn)會進(jìn)一步導(dǎo)致功角問題惡化，使功角與電壓問題相互交織并存.鑒于湖南省的新能源消納形勢[6]，儲能電站的建立以及關(guān)于儲能電站在維持暫態(tài)穩(wěn)定性方面的研究勢在必行.目前，長沙市在榔梨、芙蓉和延農(nóng)3個變電站建設(shè)有電池儲能電站示范工程，已于2019年3月正式投入運行，參與了長沙負(fù)荷中心區(qū)域電網(wǎng)的削峰填谷工作，并為精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)提供輔助支持[7].

2 SMES原理及建模

2.1 SMES的結(jié)構(gòu)與原理

圖2 SMES接入電力系統(tǒng)示意Fig. 2 SMES Access Power System

SMES主要由超導(dǎo)儲能磁體與控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成.超導(dǎo)儲能磁體采用超導(dǎo)帶材繞制而成，一般為雙餅結(jié)構(gòu)，餅間用絕緣層隔開，以儲能量和單餅橫截面電流密度兩個指標(biāo)衡量其儲能能力.儲能磁體與系統(tǒng)之間的能量交換一般依賴于變流器，本研究選用電壓源型變流器(Voltage Source Converter，VSC)，采取內(nèi)外環(huán)控制的方法.SMES接入電力系統(tǒng)示意圖如圖2所示.

超導(dǎo)磁體的儲能量為

(1)

其中：E為超導(dǎo)磁體存儲的電磁能量；L為超導(dǎo)磁體的自感系數(shù)；I為磁體中通過的直流電流.

根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知，自感系數(shù)與磁體的匝流密度有關(guān)：

(2)

其中：μ0為真空的相對磁導(dǎo)率；nc為磁體的匝流密度；R1為超導(dǎo)磁體的內(nèi)徑；T函數(shù)可以在文獻(xiàn)[8]中查表得知.

將(2)式代入(1)式求得電流I，根據(jù)電流I與匝流密度nc，可以求得單餅橫截面上的電流密度J，

(3)

根據(jù)(3)式計算得出的電流密度J對超導(dǎo)線圈進(jìn)行設(shè)置，能量以電流的形式保存在超導(dǎo)磁儲能線圈中，且由于線圈的超導(dǎo)特性，具有極低的損耗[9].

2.2 SMES控制系統(tǒng)建模

圖3 電壓源型SMES單相等值電路示意Fig. 3 Single-Phase Equivalent Circuit of Voltage Source Type SMES

SMES通過VSC與電網(wǎng)進(jìn)行連接，作為VSC直流側(cè)的電壓源存在，如圖3所示.

換流器外環(huán)控制采用PQ控制，產(chǎn)生功率給定值；內(nèi)環(huán)控制采用電流控制，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的有功、無功輸出控制.控制的具體過程為：(ⅰ)根據(jù)所接入的電力系統(tǒng)的需求給出外環(huán)有功指令Pref及無功指令Qref.(ⅱ)對有功和無功指令進(jìn)行獨立解耦控制，得到電流指令id，ref和iq，ref.(ⅲ)采集電網(wǎng)中的三相電流信號ia，ib，ic并進(jìn)行派克變換，得到id和iq，分別與(ⅱ)中得到的電流指令id，ref和iq，ref進(jìn)行比較，將差值送入電流調(diào)節(jié)器(采用PI調(diào)節(jié))，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號.(ⅳ)以開關(guān)信號控制功率的交換，實現(xiàn)對儲能磁體充放電的控制[10].VSC基本控制框圖如圖4所示.

圖4 SMES控制策略Fig. 4 SMES Control Strategy Block Diagram

圖4中，角標(biāo)ref表示參考值，角標(biāo)R表示實際值.儲能系統(tǒng)實際輸出的有功和無功功率分別為

其中：KP和KQ為一階慣性環(huán)節(jié)的增益系數(shù)；TP和TQ為時間常數(shù)；KP1，KI1分別為有功功率控制的比例與積分控制系數(shù)；KP2，KI2分別為無功功率控制的比例與積分控制系數(shù).

3 SMES并網(wǎng)分析

3.1 3節(jié)點等效網(wǎng)絡(luò)

圖5 湖南電網(wǎng)的簡化等效示意Fig. 5 Simplified Equivalent Diagram of Hunan Power Grid

根據(jù)湖南電網(wǎng)的電源與負(fù)荷布局特點，本研究對湖南電網(wǎng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)等值和發(fā)電機(jī)同調(diào)等值簡化[11]，簡化機(jī)理分析的同時保留系統(tǒng)的主要特征，將3節(jié)點看作通過網(wǎng)絡(luò)等值和發(fā)電機(jī)同調(diào)等值得到的簡化模型，可同時體現(xiàn)暫態(tài)功角與暫態(tài)電壓穩(wěn)定的特征.簡化結(jié)果如圖5所示.

根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性對簡化網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：發(fā)電機(jī)G1近似等效湘西地區(qū)水電出力，發(fā)電機(jī)G2近似等效長株潭發(fā)電機(jī)組出力，G3為平衡節(jié)點.負(fù)荷L1，L2和L3分別代表湘西、湘東及湘南地區(qū)負(fù)荷，各區(qū)域負(fù)荷占總負(fù)荷比例與實際電網(wǎng)相同.線路參數(shù)設(shè)置亦考慮了實際電網(wǎng)的地理情況，能夠在簡化機(jī)理分析的同時反映實際電網(wǎng)的主要特征.

3.2 系統(tǒng)故障分析

湘西地區(qū)的主要發(fā)電廠大多為水電廠，主要從峒河、萬溶江、枇杷沖等220 kV變電站下網(wǎng).從湖南電網(wǎng)的電能傳輸方向來看，湘西地區(qū)的電能主要通過牌樓-長陽鋪500 kV雙回線路和艷山紅-宗元500 kV單回線路向湘南傳送[2]，如圖1所示.因而，若湘西主要送電通道的變電站母線發(fā)生如三相短路接地之類的嚴(yán)重故障，則極易導(dǎo)致湘西地區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生功角失穩(wěn)的情況.在仿真軟件中進(jìn)行模擬故障設(shè)置，設(shè)母線1處1 s時發(fā)生三相金屬性接地短路故障并在1.12 s時排除故障，圖5所示母線1處發(fā)生故障后系統(tǒng)的振蕩情況，可近似地反映湘西北地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障后湖南電網(wǎng)的振蕩趨勢.發(fā)電機(jī)G1和G2與平衡機(jī)G3的相對功角如圖6所示.

圖6 簡化系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)后的相對功角變化情況Fig. 6 Change of Relative Rotor Angle with Angle Instability

從圖6可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)G1附近發(fā)生嚴(yán)重故障后，發(fā)電機(jī)G1與G2加速，二者與G3的功角差逐漸增大，直至系統(tǒng)功角失穩(wěn).與此同時，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的電壓也無法維持在正常水平.

圖7示出了母線2和母線3的電壓標(biāo)幺值.

(a)母線2電壓標(biāo)幺值

(b)母線3電壓標(biāo)幺值 圖7 故障發(fā)生后各母線電壓的變化情況Fig. 7 Change of Each Bus Voltage After Failure

3.3 SMES接入系統(tǒng)仿真分析

如圖5所示，將SMES接在母線1上，故障發(fā)生后SMES的有功和無功出力情況如圖8所示.SMES為系統(tǒng)提供正向的無功支撐，同時吸收系統(tǒng)因發(fā)電機(jī)加速產(chǎn)生的多余有功出力.隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，SMES的出力也逐漸減小，最終趨向于0.

圖8 SMES有功和無功出力情況Fig. 8 SMES Active and Reactive Output

SMES接入后，發(fā)電機(jī)G1和G2的相對功角變化與母線電壓變化情況分別如圖9和圖10所示.

圖9 SMES接入后發(fā)電機(jī)G1和G2的相對功角變化情況Fig. 9 Relative Rotor Angle Changes of Generators G1 and G2 with SMES

(a)母線2電壓

(b)母線3電壓 圖10 SMES接入后各母線電壓的變化情況Fig. 10 Change of Each Bus Voltage with SMES

對比圖9和圖6的相對功角變化情況發(fā)現(xiàn)，SMES接入后，發(fā)電機(jī)G1和G2相對功角曲線不再如圖6所示單調(diào)增大，而是震蕩減小并逐漸趨于平穩(wěn)，這表示系統(tǒng)不再發(fā)生功角失穩(wěn)情況.對比圖10和圖7的電壓變化情況發(fā)現(xiàn)，SMES接入后，母線3的電壓在跌落后迅速回升，在1.8 s左右回到正常水平并逐漸趨于平穩(wěn)，這表明SMES的接入能夠?qū)Ω髂妇€電壓起到有效支撐作用.綜上所述，SMES的接入降低了大擾動對系統(tǒng)的影響，起到了穩(wěn)定功角和電壓的作用，有效遏制了系統(tǒng)崩潰.

4 結(jié)語

本研究分析了湘西電網(wǎng)在湖南電網(wǎng)中的作用及可能遇到的穩(wěn)定性問題，并以安裝SMES為解決方案，給出了SMES的儲能原理及其接入電力系統(tǒng)的控制策略，在簡化的等效網(wǎng)絡(luò)中證明了SMES對系統(tǒng)功角和電壓暫態(tài)穩(wěn)定性的支撐作用.接下來，將結(jié)合現(xiàn)有儲能相關(guān)政策規(guī)定和湘西電網(wǎng)的特性，進(jìn)一步研究儲能系統(tǒng)接入點的選擇和容量需求等問題.