超导储能系统的研究现状及应用前景-第2页-北极星储能网

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风力发电存在不连续、不稳定的特点，直接并网会造成电压闪变、功率频率波动等不良影响。同时，风电场必须具备低电压穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)能力，以消除潜在的安全隐患。研究表明，SMES-BESS在稳定电压波动、平抑风电功率波动及提高低电压穿越能力方面具有重要作用。图15为SMES-BESS变流器的拓扑结构。

Li等提出了SMES-BESS用于电动公共汽车储能的可能性，并提出一种新的控制算法。通过仿真分析，得出SMES-BESS混合储能系统具有更高的使用效率。SMES作为能量缓冲区，能够减少电池的充放电频率，限制电池的峰值电流，从而延长电池的使用寿命。

4 超导储能系统应用实例

以本研究组研制的0.5MV˙A/1MJ的SMES为例，介绍SMES在电网的应用方法。0.5MV˙A/1MJSMES安装在甘肃省白银市高新技术开发区内的超导变电站内，变电站的下游为3家高新技术企业。这3家企业拥有大量的非线性用电设备，这些设备会产生谐波和闪变，影响电网的电能质量。为了提高对3家企业的供电质量，该SMES采用与电网并联连接的方式，对下游负载的谐波、无功和功率波动进行补偿，同时实现了有源滤波、无功补偿和有功平滑的功能。

为了提高SMES有源滤波的效果，需要提高系统的开关频率，而过高的开关频率会导致变流器过热和不稳定的问题。为了解决该问题，SMES功率调节系统采用模块化的设计方案，共由12个逆变器模块(invertermodule)和1个斩波器模块构成，其拓扑结构及与电网的连接方式如图16所示，功率模块的实物如图17所示。逆变器模块载波频率5kHz，通过载波移相和单极性调制方式，其等效开关频率进一步达到40kHz;采样率也为40kHz。高等效开关频率和采样率有效地提高了系统的控制带宽，从而保证了有源滤波效果。为了进一步提高有源滤波的效果，在控制上采用了比例积分和重复控制相结合的方式。

其储能线圈由44个鉍系带材绕制的双饼线圈构成(图18)。储能线圈的中部采用双带双饼串联连接的方式。由于储能线圈端部垂直磁场较强，对临界电流的影响较大，因此在端部采用单带双饼与双带双饼并联连接的方式，保证了其端部临界电流与中部相匹配。

为了评估该SMES的性能，对其进行了实验和并网测试。图19是其有源滤波的实验波形，自上至下依次为电网电流、负载电流、直流母线电压和储能线圈电流。

从图19中可以看出，其负载电流存在严重的谐波畸变，经电能质量分析仪测试，其总谐波畸变率(totalharmonicsdistortion,THD)达到92.2%，而经过SMES进行有源滤波处理后，其电网电流的THD降到4%，有源滤波的效果非常明显。

图20是有功平滑的实验结果。在实验过程中，非线性负载的功率由50kW跳变到100kW后跳变回50kW。在负荷突增时，储能线圈的电流从300A下降到260A，从而为突增的负荷提供突变的有功功率;而在负荷突降时，储能线圈从电网吸收有功功率，储能线圈的电流逐渐增加到300A。在负荷突增或者突降时，电网电流的幅值没有明显变化，这表明负荷突变对电网的冲击大大减轻，有效地实现了有功平滑的功能。

图21是并网运行的测试结果，蓝色和红色曲线分别为电网和负载的有功功率和无功功率，图21(a)、(b)分别为电网和负载的有功和无功功率。从图21可以看出，加入该SMES后，虽然负荷的有功功率存在剧烈波动，但是电网仅需提供较为平滑的有功功率，有功平滑的效果明显。同时也可以看出，通过SMES的无功补偿，注入电网的无功功率基本为0，无功补偿的效果明显。