基于PI控制器的超导储能系统功率调节研究

2021-02-02张智鑫张惠敏何海文

科技视界 2021年3期

张智鑫包敏张惠敏何海文刘轶

（吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首 416000）

0 引言

超导储能系统（SMES）是一种大型超导线圈，它可以通过直流电流产生磁场的形式无限期地储存能量。主要应用包括储能、提高系统稳定性、日负荷均衡和电压稳定（暂态和动态）、静态无功补偿、电流谐波抑制。工业和商业的负荷需求通常很高，在这些行业，负荷需求会不时变化。因此，SMES系统由于其可靠性得到了广泛的应用[1]。

高温超导体发现之前以及之后的很长时间，SMES的研发都主要集中于低温SMES。美国、日本等国家先后开发出示范系统，目前，0.1～10 MW的系统已经在电能质量调节领域实现了小规模商业化运行。随着高温超导带材的商业化生产，高温SMES逐渐成为研究焦点。1993年，美国学者提出了高温SMES的概念设计。1997年，美国超导公司研制成功一台采用Bi-2223带材5 kJ高温SMES，这是世界第1台具有一定规模的高温SMES。受此激励，此后几百到几北焦耳的高温SMES如雨后春笋一样在世界各主要超导研究国家和地区相继被建造。早期主要采用Bi系带材，后来ReBco带材成为主流。Mgb2发现后，由于具有良好的磁场性和机械性能，也很快就有学者将之用于SMES磁体的建造[2]。

SMES的PCS作为实现其在电力系统应用的重要接口，其控制通常分为底层控制和上层控制。PCS的底层控制主要指变流器的PWM控制，随着可控型电力电子器件的发展，变流器的开关控制已由早期的相位调制技术转变为PWM技术，文献[3]分别研究了正弦PWM（SPWM）和优化PWM技术在CSC中的应用。VSC的PWM技术除了上述PWM方法外，还发展出了基于空间矢量的SVPWM技术，文献[4]基于旋转空间矢量算法进行了VSMES控制技术研究。无论是VSC型PCS还是CSC型PCS，其上层控制都用于实现SMES的四象限功率双向流动。目前其控制方法主要有直接电流控制、相位调节控制、dq坐标系下的解耦控制以及直接功率控制[5]。其中直接电流控制有电流滞环控制、预测电流控制，dq坐标系下的解耦控制有直接反馈解耦控制、逆系统、反馈线性化等。

1 超导磁储能系统

SMES模型是一种以磁场形式储存能量的模型。电流是由线圈中的直流电流产生的。由于电流储存的能量在自然界中循环，它可以在毫秒到数小时的时间内被瞬间吸收或储存。图1中的SMES装置包括一个大的SC线圈，该线圈的温度适用于低温系统，由氦等惰性气体组成的低温恒温器或液体容器维持。开关用于旁路并将能量损失最小化，特别是当线圈处于备用状态时，开关还可以通过另一种方式，如在失去任何使用连接时，绕过SC线圈电流[6]。

SC线圈的大小将决定SC线圈中存储或供应的最大能量或最大功率。这些标准的评级取决于中小企业的应用类型。SC设备运行的温度就像是成本和服务要求之间的取舍。由于与经济相关的问题，目前主要采用低温超导模型，它的运行成本非常低，而且有可能实现高效率。

图1 基本超导线圈单元

SMES装置能够在不影响效率的情况下储存高达4500兆瓦时的能量，其效率高达95%，并且无论是在充电还是放电模式下，其响应速度都非常快，仅需几毫秒。由于这个原因，SMES被认为是负荷和相应需求波动的理想装置，它也避免了大量的机组跳闸，并带走了多余的能量。这保证了我们减少旋转储备的需求。

SMES装置能够在不影响效率的情况下储存高达4500兆瓦时的能量，其效率高达95%，并且无论是在充电还是放电模式下，其响应速度都非常快，仅需几毫秒[7]。由于这个原因，SMES被认为是负荷和相应需求波动的理想装置，它也避免了大量的机组跳闸，并带走了多余的能量。

2 SMES功率调节

2.1 工作原理

该系统基于负载源SMES线圈能量平衡原理运行[8]。电源电流取决于另外两个电流，负载电流和补偿电流。

其中，Isup为电源电流，Icomp为逆变器电流，Iload为负载电流。补偿电流是双向斩波器占空比、VSC的M.I和SC线圈电流Isc的函数。

其中，Isc是SMES的线圈电流，D是斩波器的占空比，M是VSC的调制系数。

在负载补偿的情况下，供电后的剩余能量负责SC线圈的充电。据说能量是在这种情况下储存的。在这种情况下，Psupply>Pload和PSMES=Psupply-Pload通常发生在轻载条件下，也避免了费兰蒂效应。

无论何时有重负载需求或系统处于峰值负载状态，负载中的不足能量由SMES提供，此时线圈将释放存储的能量。负载平衡是通过这种方式实现的。然而，电容器电压将保持恒定，但在参考值上下波动。这里，Psupply

系统中，电压的承受值Vcapacitor，电流的承受值Isupply被设定。当SC线圈充电时，电容器上的电压由公式（3）确定。

式中，Vcap是直流连接电压（伏特），C是电容量（法拉德），Isc是Iinductor，上升到某个值。

如果SC线圈正在放电，则直流链路上的电压将增大到：

Iinductor会减少到：

相应地，在逆变侧，通过调整滞环调节器的优化值Vcapacitor来相应地控制源电流值。电流上升时，即Isupply向上限上升。

Vcapacitor将上升到。

相应地，如达到了上限值，Isup开始向较低的频带递减；可以通过下式得到Isup（t+t'）。

直流电压将降低到：

充电和放电期间的功率流如图2所示。现在它还可以控制最大负荷需求[9]。当负载功率小于电源功率时，线圈被称为充电；负载补偿时，负载功率大于电源功率时，线圈放电。在SMES的帮助下实现能量平衡，电容器电压在整个充放电循环中保持恒定。

图2 PCS在负载补偿下的功能

3 控制器建模

3.1 VSC构建的PCS

图3显示了VSC构建的PC的图示[10]。基于VSC的PCS由一个6脉冲滞回带双向VSC和IGBT开关组成，IGBT开关具有反并联二极管，使充电和放电都可行；一个双向DC/DC转换器，具有简单的IGBT（无二极管反并联），二极管SC线圈和DC链路，用于级联或解耦VSC和斩波器确保其两端的电压始终恒定。实际上，这台PC机被用作连接SC线圈和电源的接口。为了产生VSC的脉冲，在每个相位比较基准电流和实际补偿电流，产生的误差通过继电器传递，继电器设置一个频带，并相应地将产生的脉冲提供给IGBT开关。VSC在充电模式下充当Ac-Dc转换器，在放电模式下充当逆变器。在充电期间，甚至在放电期间，直流链路始终保持转换器的输出恒定，直流链路上的电压也是恒定的[11]。

图3 电压源转换器构建的功率调节系统

在PCS里面使用的2个四电平DC-DC转换器由简单的IGBT和简单的二极管组成。IGBT没有反并联二极管。在充电模式下，SC线圈将通过两个IGBT充电，在放电模式下，SC线圈通过二极管放电。脉冲的产生方式是：充电时为正脉冲（接通状态），放电时为负脉冲（开关处于断开状态）。因此，在这个斩波器有助于调节充放电循环。斩波器的占空比D决定了充电和放电模式，这是通过线圈知道的。

3.2 DC/DC斩波电路

DC-DC变换器最重要的功能是调节SMES的充放电周期，达到能量平衡。在充电时，它充当电容器和SC线圈之间的接口，在两个极限之间波动的斩波器输出将对SC线圈充电，使功率从电容器流向SC线圈。放电时，它会将极性相反的电容器连接到原电容器上，以保证电流反向。电路图如图4所示[12]。

如图4所示，当两个开关被触发时，电流通过VSC、DC链路、斩波器和正电压从电源流向SC线圈。即线圈充电的过程。当两个开关中一个被触发器关闭，电流从SC线圈通过斩波器、直流链路和VSC流向负载时，SC线圈为-Vsc，保证放电。斩波器的占空比决定SMES的充放电。如果D等于0.5，则Vscavg和通过SMES PCS的电流都为0，并且设备处于空闲状态。在整个循环中传递的功率为0。当D>0.5时，电压为正，SC线圈将进行充电过程，电流明显地通过基于VSC的PCS从电源流向SC线圈，来自电源的额外能量被转移到线圈。如果D<0.5，则认为线圈处于放电状态，因为电压为负，负载所需的缺陷能量由线圈中的储能提供。最后，充放电循环取决于斩波器的占空比D。

3.3 功率控制

在电网电压Us和输入电抗一定的情况下，通过控制 VSC交流侧 d、q轴的电压urd3和urq3，能够对变流器交流侧的d、q轴电流进行准确控制。由电网和SMES之间的拟交换功率确定VSMES交流侧 d、q轴输出电流isdr、isqr，再根据式（11）计算urd3和urq3控制分量。

其中，和分别为SMES和电网之间拟交换的有功和无功功率。

根据前面所述的VSC交流侧电流解耦控制原理可知，通过在所确定的urd3和urq3控制分量基础上叠加电流状态反馈和电网电压的前馈补偿，即可实现图5所示SMES的功率控制。

图4 二象限电压双向DC/DC变换器

图5 SMES的功率控制原理图

图5中，外环控制器用于保持SMES与电网交换的功率跟踪功率指令值。它主要依据SMES的功率交换指令值Pr、Qr与实际值Psm、Qsm之间的误差 PI调节后确定用于内环控制器输入的VSC交流侧电流的d、q 轴电流控制分量isdr、isqr。

电流内环控制器则根据外环控制器的d、q轴指令电流和VSC交流侧等效电感和阻抗形成用于控制VSC交流侧电流d、q轴分量的urd3、urd3，然后该控制量分别与引入的urd1、urd2和urq1、urq2控制分量相加，形成用于VSC进行SPWM的调制波信号的d、q轴电压分量urd和urq。正弦调制信号的幅值M和相位α由式（12）确定[14-15]：