超導(dǎo)磁儲能裝置抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的探索①

茹雪艷， 何 凱

(1.蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2. 蚌埠依愛電子科技有限責(zé)任公司，安徽 蚌埠 233006)

0 引 言

過去幾十年，風(fēng)力發(fā)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少對化石燃料的使用等方面發(fā)揮了重要作用[1]。風(fēng)能開發(fā)利用前景廣闊，為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長期高質(zhì)量水平發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，為疫情后的經(jīng)濟綠色復(fù)蘇夯實基礎(chǔ)[2]。風(fēng)電具有波動性，若將其直接并網(wǎng)，會給電網(wǎng)帶來較大沖擊，儲能技術(shù)是解決這一問題的有效方法。

超導(dǎo)磁儲能(SMES)是目前應(yīng)用很成熟的儲能方式[3-4]，具有毫秒級的響應(yīng)速度、功率調(diào)整容量大的優(yōu)點。

通過分析SMES抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的原理，建立電壓源型功率變換器(VSC)模型下SMES的相量模型，模擬風(fēng)力的變化，在MATLAB仿真軟件中對其效果進(jìn)行了驗證。

1 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 SMES的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SMES由超導(dǎo)磁體(LSC)、二極管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、濾波電感(L)及其內(nèi)阻與開關(guān)損耗之和R組成[5-6]。為保護(hù)IGBT的正常通斷，系統(tǒng)反并聯(lián)了二極管。

LSC可視為電流源，斬波器通過控制其兩端電壓，從而實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)與電網(wǎng)功率的交換。VSC型SMES的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示[7]：

圖1 VSC型SEMS拓?fù)鋱D

穩(wěn)壓電源由超導(dǎo)磁體、電容和斬波器組成，通過改變電源交流側(cè)電壓相位及幅值，使SMES四象限運行，從而控制SMES和變流器交換的功率為給定值[8]。

其中，IGBT和續(xù)流二極管D1、D2構(gòu)成斬波器，可確保超導(dǎo)磁體LSC一直存在電流通路，從根本上，解決了電流斷續(xù)引起的電壓驟升。

1.2 SMES平抑風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的結(jié)構(gòu)

SMES具有毫秒級的響應(yīng)速度、功率調(diào)整容量大等優(yōu)點，當(dāng)風(fēng)力突然增加時，SMES吸收能量，反之釋放能量，以抑制功率波動，提高電能質(zhì)量，圖2為SMES平抑風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的結(jié)構(gòu)[9]：

圖2 SMES抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動結(jié)構(gòu)圖

圖中，a點為風(fēng)電場出口母線處，GPa(S)為a點有功功率控制器的傳遞函數(shù)，GQa(S)為a點的無功控制器的傳遞函數(shù)，Pa為a點有功功率控制測量量，Qa為a點無功功率控制測量量，PSET、QSET為有功和無功控制功率的期望值[10]。

采用SMES平抑a點功率波動的思想為：采集a點功率Pa及Qa，由GPa(S)、GQa(S)計算出期望值PSET、QSET，通過功率解耦控制模塊與功率控制器得到SMES輸出到系統(tǒng)側(cè)的功率,以抑制a點功率波動[7]，當(dāng)a點功率波動時，SMES吸收或發(fā)出功率,使a點功率平衡，經(jīng)過SMES補償后的功率如式(1)：

P負(fù)載=Pa-P儲能

Q負(fù)載=Qa-Q儲能

(1)

由式(1)可知，控制SMES向系統(tǒng)注入的功率P儲能、Q儲能，可調(diào)整風(fēng)電場輸出的功率。

1.3 SMES抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的數(shù)學(xué)模型

超導(dǎo)磁體與整流器直流側(cè)相連，其電感大到一定值后時，磁體中流過的電流可視為定值，且不再變化。因此，超導(dǎo)磁體等價于恒定的電流源，且為三相對稱電流源，具有可控的相位及幅值。簡化后，VSC型SMES的單相等值電路如圖3所示[11]：

圖3 VSC型SMES單相等值電路

由于R比較小，可忽略，存在于SMES和電力系統(tǒng)間流動的有功功率如式(2)：

(2)

(3)

(4)

式中M為PWM脈沖脈寬的調(diào)制比。

SMES與電力系統(tǒng)間交換的最大有功功率為式(5):

(5)

當(dāng)直流側(cè)電壓Udc不變時,SMES與系統(tǒng)間交換的有功功率的大小與L成反比。

系統(tǒng)與SMES之間交換的的無功功率Q為式(6):

(6)

(7)

系統(tǒng)與SMES交換的最大無功功率為[13]式(8)，(9):

(8)

(9)

SMES與系統(tǒng)之間功率交換的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其表達(dá)式如式(10)[14]：

圖4 SMES與系統(tǒng)間的功率交換范圍

(10)

改變交流側(cè)的輸出電壓，SMES與控制系統(tǒng)間的功率流動方向則受到控制。電容、斬波器以及SMES構(gòu)成直流側(cè)穩(wěn)壓電源[15-16]。變流器在電容平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上，變流器、斬波器緊密配合，從而轉(zhuǎn)換SMES與系統(tǒng)間的能量。

2 SMES平抑風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的系統(tǒng)仿真

為仿真超導(dǎo)磁儲能裝置作用于風(fēng)電并網(wǎng)的狀態(tài)，需添加逆變器、直流環(huán)節(jié)、三相濾波器、PI控制、負(fù)載控制及測量模塊等。在0.1s時，設(shè)置負(fù)載控制模塊(Load control),將負(fù)載由100Ω減小至50Ω來模擬風(fēng)速的突然降低，驗證超導(dǎo)磁裝置對風(fēng)力并網(wǎng)功率波動的作用，在此狀態(tài)下，儲能裝置釋能。

根據(jù)設(shè)定參數(shù)搭建的系統(tǒng)仿真模型如圖5：

圖5 超導(dǎo)磁儲能裝置作用風(fēng)電并網(wǎng)的仿真模型

其中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：直流側(cè)電壓為690V，與風(fēng)電場實際保持統(tǒng)一，濾波器電感值的大小為6mH，逆變器為三相全橋逆變器，脈沖數(shù)為6，緩沖電阻為1×105Ω；負(fù)載呈阻性，0.1時負(fù)載控制模塊將負(fù)載由100Ω切換為50Ω，來模擬風(fēng)速的突然降低。

圖6 超導(dǎo)磁儲能作用下并網(wǎng)點的有功和無功功率

圖7 超導(dǎo)磁儲能裝置輸出電流波形

圖中，在t=0.02s前，鎖相環(huán)模塊(PLL)的計算周期(0.02s)造成并網(wǎng)功率波動。t=0.1s時，由于風(fēng)力的減小，并網(wǎng)點的功率發(fā)生波動，但在超導(dǎo)磁儲能裝置的補償作用下，迅速趨于穩(wěn)定值。并網(wǎng)點有功功率為P<0，表示該儲能裝置釋放有功功率至系統(tǒng)。

由波形可以看出，t=0.1s時，超導(dǎo)磁儲能逆變器輸出電流增大，以彌補由于風(fēng)速減小造成的風(fēng)機出力降低，對并網(wǎng)點的功率進(jìn)行補償。

圖8 超導(dǎo)磁儲能逆變器發(fā)出的有功和無功功率

在該模型系統(tǒng)中，風(fēng)電場正常運行時，發(fā)出9MW的有功功率，由曲線可以看出，t=0.1s風(fēng)力驟減，超導(dǎo)磁儲能逆變器迅速增加輸出功率，使其有功功率穩(wěn)定在9MW。

因此，由上述仿真結(jié)果可知，超導(dǎo)磁儲能裝置可抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動。

3 結(jié) 語

分析了超導(dǎo)磁儲能裝置抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動的結(jié)構(gòu)和原理，建立VSC型SMES的相量模型，通過改變負(fù)載模擬風(fēng)力的變化，基于MATLAB平臺仿真實驗。結(jié)果表明，超導(dǎo)磁儲能裝置能快速跟隨風(fēng)力的變化，調(diào)整儲能裝置輸出功率的大小，有效抑制風(fēng)電并網(wǎng)功率波動，對提高風(fēng)力發(fā)電的效率和相關(guān)實驗探索有一定的借鑒作用。