超导磁储能装置抑制风电并网功率波动的探索①

茹雪艳， 何 凯

(1.蚌埠学院电子与电气工程学院，安徽 蚌埠 233030；2. 蚌埠依爱电子科技有限责任公司，安徽 蚌埠 233006)

0 引 言

过去几十年，风力发电在调整能源结构、减少对化石燃料的使用等方面发挥了重要作用[1]。风能开发利用前景广阔，为风电产业长期高质量水平发展奠定了坚实基础，为疫情后的经济绿色复苏夯实基础[2]。风电具有波动性，若将其直接并网，会给电网带来较大冲击，储能技术是解决这一问题的有效方法。

超导磁储能(SMES)是目前应用很成熟的储能方式[3-4]，具有毫秒级的响应速度、功率调整容量大的优点。

通过分析SMES抑制风电并网功率波动的原理，建立电压源型功率变换器(VSC)模型下SMES的相量模型，模拟风力的变化，在MATLAB仿真软件中对其效果进行了验证。

1 超导磁储能系统结构

1.1 SMES的拓扑结构

SMES由超导磁体(LSC)、二极管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、滤波电感(L)及其内阻与开关损耗之和R组成[5-6]。为保护IGBT的正常通断，系统反并联了二极管。

LSC可视为电流源，斩波器通过控制其两端电压，从而实现功率调节系统与电网功率的交换。VSC型SMES的结构原理图如图1所示[7]：

图1 VSC型SEMS拓扑图

稳压电源由超导磁体、电容和斩波器组成，通过改变电源交流侧电压相位及幅值，使SMES四象限运行，从而控制SMES和变流器交换的功率为给定值[8]。

其中，IGBT和续流二极管D1、D2构成斩波器，可确保超导磁体LSC一直存在电流通路，从根本上，解决了电流断续引起的电压骤升。

1.2 SMES平抑风电并网功率波动的结构

SMES具有毫秒级的响应速度、功率调整容量大等优点，当风力突然增加时，SMES吸收能量，反之释放能量，以抑制功率波动，提高电能质量，图2为SMES平抑风电并网功率波动的结构[9]：

图2 SMES抑制风电并网功率波动结构图

图中，a点为风电场出口母线处，GPa(S)为a点有功功率控制器的传递函数，GQa(S)为a点的无功控制器的传递函数，Pa为a点有功功率控制测量量，Qa为a点无功功率控制测量量，PSET、QSET为有功和无功控制功率的期望值[10]。

采用SMES平抑a点功率波动的思想为：采集a点功率Pa及Qa，由GPa(S)、GQa(S)计算出期望值PSET、QSET，通过功率解耦控制模块与功率控制器得到SMES输出到系统侧的功率,以抑制a点功率波动[7]，当a点功率波动时，SMES吸收或发出功率,使a点功率平衡，经过SMES补偿后的功率如式(1)：

P负载=Pa-P储能

Q负载=Qa-Q储能

(1)

由式(1)可知，控制SMES向系统注入的功率P储能、Q储能，可调整风电场输出的功率。

1.3 SMES抑制风电并网功率波动的数学模型

超导磁体与整流器直流侧相连，其电感大到一定值后时，磁体中流过的电流可视为定值，且不再变化。因此，超导磁体等价于恒定的电流源，且为三相对称电流源，具有可控的相位及幅值。简化后，VSC型SMES的单相等值电路如图3所示[11]：

图3 VSC型SMES单相等值电路

由于R比较小，可忽略，存在于SMES和电力系统间流动的有功功率如式(2)：

(2)

(3)

(4)

式中M为PWM脉冲脉宽的调制比。

SMES与电力系统间交换的最大有功功率为式(5):

(5)

当直流侧电压Udc不变时,SMES与系统间交换的有功功率的大小与L成反比。

系统与SMES之间交换的的无功功率Q为式(6):

(6)

(7)

系统与SMES交换的最大无功功率为[13]式(8)，(9):

(8)

(9)

SMES与系统之间功率交换的结构图如图4所示，其表达式如式(10)[14]：

图4 SMES与系统间的功率交换范围

(10)

改变交流侧的输出电压，SMES与控制系统间的功率流动方向则受到控制。电容、斩波器以及SMES构成直流侧稳压电源[15-16]。变流器在电容平稳运行的基础上，变流器、斩波器紧密配合，从而转换SMES与系统间的能量。

2 SMES平抑风电并网功率波动的系统仿真

为仿真超导磁储能装置作用于风电并网的状态，需添加逆变器、直流环节、三相滤波器、PI控制、负载控制及测量模块等。在0.1s时，设置负载控制模块(Load control),将负载由100Ω减小至50Ω来模拟风速的突然降低，验证超导磁装置对风力并网功率波动的作用，在此状态下，储能装置释能。

根据设定参数搭建的系统仿真模型如图5：

图5 超导磁储能装置作用风电并网的仿真模型

其中系统参数设置如下：直流侧电压为690V，与风电场实际保持统一，滤波器电感值的大小为6mH，逆变器为三相全桥逆变器，脉冲数为6，缓冲电阻为1×105Ω；负载呈阻性，0.1时负载控制模块将负载由100Ω切换为50Ω，来模拟风速的突然降低。

图6 超导磁储能作用下并网点的有功和无功功率

图7 超导磁储能装置输出电流波形

图中，在t=0.02s前，锁相环模块(PLL)的计算周期(0.02s)造成并网功率波动。t=0.1s时，由于风力的减小，并网点的功率发生波动，但在超导磁储能装置的补偿作用下，迅速趋于稳定值。并网点有功功率为P<0，表示该储能装置释放有功功率至系统。

由波形可以看出，t=0.1s时，超导磁储能逆变器输出电流增大，以弥补由于风速减小造成的风机出力降低，对并网点的功率进行补偿。

图8 超导磁储能逆变器发出的有功和无功功率

在该模型系统中，风电场正常运行时，发出9MW的有功功率，由曲线可以看出，t=0.1s风力骤减，超导磁储能逆变器迅速增加输出功率，使其有功功率稳定在9MW。

因此，由上述仿真结果可知，超导磁储能装置可抑制风电并网功率波动。

3 结 语

分析了超导磁储能装置抑制风电并网功率波动的结构和原理，建立VSC型SMES的相量模型，通过改变负载模拟风力的变化，基于MATLAB平台仿真实验。结果表明，超导磁储能装置能快速跟随风力的变化，调整储能装置输出功率的大小，有效抑制风电并网功率波动，对提高风力发电的效率和相关实验探索有一定的借鉴作用。