超导磁储能技术在电力系统稳定控制中的应用研究

摘要

电能存储技术的快速发展使得传统电力系统中电能难以大规模存储的问题有望得到解决。大规模间歇性新能源并网给电力系统的稳定运行带来了新的挑战，储能是应对这一挑战的最佳技术之一，因此，储能技术必将在未来电力系统中占有重要地位。论文首先回顾了储能技术在电力系统中应用的历史与现状，通过对比分析指出：超导磁储能（superconducting magnetic energy storage, SMES）由于其功率的快速响应特性在电力系统稳定控制中具有良好的应用前景。在此基础之上，论文从数学建模、数值仿真、理论分析、控制策略和实验样机研制等多个方面系统研究了SMES技术在电力系统稳定控制中的应用。主要工作包括以下几个部分。
　　第2章首先搭建了一个含有风电和储能的仿真测试平台：风电场采用双馈型风力发电机等值模拟，储能的模型采用SMES的三阶模型。在此基础上，研究了含风电场和储能的电力系统暂态稳定概率评估的方法，重点考虑了系统故障受扰和风速波动等随机因素，其中，故障扰动包括故障位置、故障类型、故障持续时间以及重合闸成功与否等。基于二分法和蒙特卡罗仿真，量化了系统失稳的风险，建立了风电场的穿透率、储能容量和系统稳定性之间的定量关系。最后，结合SMES的技术经济性分析，给出了已知穿透率下的最优储能容量。
　　第3章在前一章建立的仿真平台的基础上，分析了含有大规模风电并网的电力系统小干扰稳定性。考虑到风电的波动性，分析了风电场穿透率和等值机的参数变化对系统低频振荡模式的影响。根据系统的阻尼特性，设计了风机—储能协调阻尼控制策略。时域仿真和小干扰分析结果表明，控制策略能够很好的应对风电场出力的波动特性：当风机的参数和出力在较大范围内变化时，所设计的控制器都能够保证系统主导模式的阻尼。
　　第4章提出了一种考虑储能装置输出功率限制的电力系统稳定控制用储能的抗饱和控制方法。通常，在不考虑储能的容量限制时，可以利用线性控制理论设计控制器：本章采用留数法设计的线性控制器作为对照组，这类控制器在线性区内具有较强的阻尼。然而，如果出现储能容量受限的情况，储能的实际输出和期望输出不相等，就会造成闭环系统的动态性能下降，严重时还可能出现系统失稳。本文利用饱和限幅环节来描述储能容量限制，并将饱和限幅转化为输入受限系统进行分析和控制，给出了抗饱和控制的设计方法，仿真验证了所设计的抗饱和控制器能有效减小储能输出功率的限幅对动态性能的影响，同时在储能容量不受限的情况下对线性控制器不产生任何影响。
　　第5章介绍了国内第一套移动式直接冷却高温超导磁储能系统（moveable su-perconducting magnetic energy storage, M-SMES）的工作原理、组件结构、性能实验、动模实验和现场试验。该系统额定值为380V/35kJ/7kW，包括高温超导磁体及杜瓦、制冷单元、变流器、监控单元、箱体等主要组件及其它辅助部件，可吊装至集装箱车上移动到所需的位置，通过简单接线即可投入使用。针对该系统分别进行了电力系统动态模拟实验和现场试验。各项试验结果表明：该M-SMES具有四象限功率快速调节能力，具有良好的移动性和抗震性，现场运行性能稳定，能够抑制电力系统功率振荡，稳定系统电压。

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1绪论

1.1研究背景

1.2电力系统用储能的技术经济性

1.3储能在电力系统的应用关键问题及研究现状

1.4本文的基本假设

1.5论文的主要工作和章节安排

2含风电—储能的电力系统暂态稳定概率分析

2.1引言

2.2含风电—储能的电力系统仿真平台

2.3含大规模风电并网的电力系统暂态稳定概率分析方法

2.4算例分析与讨论

2.5小结

3基于输出反馈的风电场和储能协调控制

3.1引言

3.2大规模风电并网对系统小干扰稳定性的影响分析

3.3基于区域极点配置法的阻尼控制器设计

3.4算例分析

3.5小结

4电力系统稳定控制用储能的抗饱和控制

4.1引言

4.2饱和控制理论

4.3基于线性矩阵不等式的抗饱和增益设计

4.4仿真结果

4.5小结

5一种移动式高温超导磁储能系统

5.1引言

5.2 M-SMES的系统结构

5.3 M-SMES性能测试实验

5.4 M-SMES现场试验

5.5小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目