超导磁储能系统在微电网中的应用及其状态评估方法研究

摘要

能源安全是整个人类社会赖以生存和发展的重要基础。利用清洁、可再生能源的分布式发电技术为节能降耗、提高供电可靠性提供了一种新思路。微电网技术是解决清洁、可再生能源并网问题的有效手段。储能装置是微电网的核心部件，能够以完全可控的方式参与微电网的运行，是微电网运行稳定性的重要保障。超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES）系统高功率、快响应的特性使得SMES能够快速大幅调整其与微电网或大电网间的功率交换，可以对微电网的瞬时功率不平衡进行调节。SMES的这些特性和优势使得其在改善微电网运行特性方面具有应用前景。本博士论文基于对国家973计划和863计划项目的研究，从理论分析、数学建模、特性仿真、控制策略到实验验证等方面对SMES在微电网中的应用开展研究工作，并提出了SMES状态评估方法以明确超导磁体热稳定性对SMES系统运行特性的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴针对SMES在微电网中分散化应用形式，研究基于SMES改善微电网频率稳定性的可行性和控制方法。设计了基于虚拟惯量的SMES控制策略以解决微电网惯性小的问题，提高微电网运行的频率稳定性。考虑SMES功率输出范围的限制，设计了基于模糊控制的电流调整策略，对超导磁体电流进行动态调整，保障超导磁体的热稳定性。仿真分析结果验证了所提出的控制及电流调整策略的有效性。⑵以SMES在含电动汽车充电站微电网中的应用为背景，提出一种新型基于直流母线的电动汽车充电站拓扑。通过设计SMES的功率控制策略，提高充电站直流母线电压的稳定性。在此基础上，针对电动汽车快速充电站充电功率变化率较大的问题，提出一种基于SMES控制的能量管理策略以降低电动汽车快速充电功率的变化率，从而降低快速电动汽车充电对微电网和配电网的影响，改善电网（包括微电网和配电网）的频率稳定性。仿真分析验证了所提出控制及能量管理策略的有效性。⑶综合考虑SMES与微电网或电力系统之间的相互作用和影响，提出并构建了SMES状态评估方法。在对SMES功率输出特性进行定量分析的基础上，研究SMES动态运行特性对超导磁体热稳定性的影响，将超导磁体电流和温度这两个主要的影响因素进行整合，得到SMES状态评估方法的具体表达式。通过对150kJ高温超导磁储能系统进行功率调节实验、动模实验，验证了SMES状态评估方法在电力系统应用中的有效性。⑷为了进一步系统、准确地构建SMES状态评估系统，提出了基于场路耦合的SMES建模方法，对SMES状态评估方法进行延伸和拓展研究。采用所提出的场路耦合法建立了150kJSMES超导磁体的模型，仿真分析结果与实验结果具有相同的变化趋势，能够更加真实地反映SMES的实际运行特性。此外，所提出的基于场路耦合的建模方法也可以拓展应用到其它超导电力装置。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 SMES应用场合以及国内外发展现状

1.3 微电网发展现状

1.4 储能在微电网中应用的研究现状

1.5 本文的研究内容与全文章节安排

2 基于SMES的微电网频率稳定控制

2.1 引言

2.2 含超导磁储能系统的微电网拓扑及分析

2.3 微电网逆变器的控制器设计

2.4 SMES综合控制策略设计

2.5 仿真结果与分析

2.6 本章小结

3 SMES在含电动汽车充电站微电网中的应用

3.1 引言

3.2 SMES在微电网电动汽车直流母线充电站中的应用

3.3 SMES在含电动汽车快速充电站的微电网中的应用

3.4 本章小结

4 超导磁储能系统状态评估方法研究

4.1 引言

4.2 超导磁储能系统状态评估方法构建

4.3 超导磁储能系统状态评估方法初步验证

4.4 SMES状态评估方法在电力系统中的应用

4.5 本章小结

5 超导磁储能系统状态评估方法的延伸和拓展--基于场路耦合的超导磁储能系统建模方法

5.1 引言

5.2 基于场路耦合的建模方法的流程

5.3 超导磁体交流损耗的计算方法

5.4 基于场路耦合的SMES建模

5.5 本章小结

6 全文总结和展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文和获得的专利

附录2 攻读博士学位期间主要参与的科研项目

附录3 动态模拟实验平台的参数

附录4100 kJ/50 kW高温超导磁储能系统在微电网中的应用

附录5 考虑超导磁体分布式参数的建模方法