常偉 電氣092203H 超導儲能

/超導儲能技術(shù)分析與設(shè)計摘要超導磁儲能系統(tǒng)(SMＥS)沒有損耗性和高效的超導磁體的儲能特性,現(xiàn)代電力電子技術(shù)相結(jié)合的新型的靈活交流輸電(FＡCTS)設(shè)備快速切換，是目前程度最高的實用超導電氣設(shè)備。為了提高SMＥS的動態(tài)性能，我們設(shè)計了兩個控制器，一個是角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DRＮN）在線辨識系統(tǒng)的具體參數(shù)，需要建立一個系統(tǒng)的參考模型自適應(yīng)PID控制方法,這種控制方法,在閉環(huán)系統(tǒng)的誤差信號趨于到最低限度。另一種是基于對瞬態(tài)能量控制方法（TＥC），從系統(tǒng)的角度來看的能量，瞬態(tài)能量,它包含系統(tǒng)的頻率和角度的穩(wěn)定性資料,適合作為控制信號。這種控制方法結(jié)合了當前的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的工具，有利于系統(tǒng)的整體分析,而且結(jié)構(gòu)比較簡單,控制方便。關(guān)鍵詞：超導磁儲能,數(shù)學模型,自適應(yīng)控制,暫態(tài)能量函數(shù),協(xié)調(diào)控制AnalyｓisanddesｉgnｏｆsｕｐｅｒconductｉnｇmagｎeｔicｅnｅrgystｏragｅｔechｎｏlogyAbstｒacｔＳuperｃｏｎｄuctｉngMａgｎｅticＥnergyＳｔoraｇeＳysｔｅms(SMEＳ)isnon-destructｉveａndefficieｎｔｓupercondｕcｔinｇｍagnｅtｅneｒｇystorａgｅcharactｅristicｓoｆｍoｄｅｒnｐowerelｅctronｉcｓfast－switｃhingtｅchnologyｃｏｍｂiｎedwithanewｔｙｐｅoｆFlexｉbｌeACTrａｎsmｉssion(FACTS）ｄｅvices，ｉscurrentｌythehighestdegreeｏｆprａctiｃalsupｅrcoｎducｔiｎgｅleｃtｒiｃalｉnｓtallａt(yī)iｏns.InoｒｄｅrｔｏｉmproｖｅtｈedynamｉcｐｅrｆoｒmaｎceofSMＥＳ，wedesiｇneｄtｗoSMEＳcｏｎtrｏlｌeｒ,onｅiｓadaｐtivｅPIDｃontrｏlmethｏｄ，tｈiscoｎtrolmetｈoｄbｙthediagｏnaｌrecuｒrentｎeuｒａlneｔｗork（DＲＮN）onｌiｎeｉｄｅｎtifiｃａt(yī)ioｎｓｙstem—sｐecificparａmｅters,neeｄｔocｒeａt(yī)easyｓｔeｍｒeferencｅｍodｅl，whｉｌetheclosｅd—loopsystemｅｒroｒsignaltenｄsｔoaｍiniｍum.Anoｔheｒisbasedontｈetranｓiｅnteneｒgycｏｎtroｌｍethod（ＴＥC）,ｔheｅnｅrｇyfｒoｍtｈeｓysteｍpoiｎtofｖｉeｗ，ｔｒansｉeｎtenerｇyｔhａt(yī)ｃontaｉｎsthesｙstｅｍfrequｅncyａndaｎgleｓｔabiｌｉtyinｆoｒmatiｏn,sｕｉｔaｂｌｅaｓａconｔrolsignａl.Tｈiscontｒoｌmethodcｏmbｉneｓｔhecｕrｒｅnｔｓｙsｔemtransientstabilｉｔyanalｙsisｔｏols,ｉsconｄucivｅtｏthｅoｖeｒallanalysｉsｏｆtｈesysｔem,ａｎdｔhｅcontroleｆfectisgｏod,sｉmpｌｅstructure.Keyｗords:SｕpercｏnductingMagnｅticEｎergｙSｔorａgeSysｔem(SMES)ModelＡdａｐtivｅｃoｎtｒｏｌTrａnsienteｎｅrｇyfuｎctiｏnＣoordinａt(yī)edcｏｎｔrol目錄TOC＼ｏ＂1-3”＼ｕ第1章超導儲能系統(tǒng)產(chǎn)品?PＡGERＥＦ＿Toc16728—1－1．1超導儲能開發(fā)背景 PAGEＲEF_Toc146４２-1—１.2超導儲能技術(shù)簡介?ＰAGEREF_Ｔｏc16739-1-第2章超導磁儲能裝置控制器?PAGEREF_Ｔoc8538－１０—2．1引言 PAGEＲEF_Tｏc3892—10—2.２基于對角神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PID控制?PAGEＲEＦ_Ｔｏc2138０-12-2。3基于暫態(tài)能量函數(shù)法的控制 PAGEＲEＦ_Toｃ２２439-12—第3章超導磁儲能裝置協(xié)調(diào)控制探討?PAGＥＲＥF_Toc10２30－1４－3.１引言?PAＧEREF_Tｏc28949-１4－3.2電力系統(tǒng)中FＡCTS裝置的協(xié)調(diào)控制方法?ＰAGEＲＥF_Ｔoc１４0８２-1５－3。３超導磁儲能裝置的協(xié)調(diào)控制?PAＧＥRＥF＿Ｔｏc21264-17-３。3.1ＳMES和勵磁的協(xié)調(diào)控制?PＡGＥＲEF_Toc８３－17-3.3.2SMES和調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制?PAＧEREＦ_Tｏc21362－18－第4章超導技術(shù)的應(yīng)用 PAGＥREF_Ｔoc27604－2０—４.1超導技術(shù)在強電中的應(yīng)用?PAGＥREＦ_Toc179５3—２０—4.1。1超導在電力傳輸中的應(yīng)用?PＡGＥREＦ_Ｔｏc7１5-20—4。1．2超導發(fā)電機 PAＧEREF_Ｔoｃ2120-21－4．1．3超導變壓器?６２－２2－4.1。4超導限流器?PAGEREＦ_Toｃ１４818-23－第1章超導儲能系統(tǒng)產(chǎn)品1.1超導儲能開發(fā)背景超導儲能系統(tǒng)（Ｓuperconductｉng

Ｍaｇnetｉc

Ｅｎergy

Storａｇe，

SMES）是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設(shè)施，一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝臵、變流裝臵和測控系統(tǒng)部件組成。

可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷超導儲能技術(shù)(例如在電網(wǎng)運行處于其低谷時把多余的電能儲存起來，而在電網(wǎng)運行處于高峰時，將儲存的電能送回電網(wǎng)),為了改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性,可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩，同時還可用于無功和功率因素的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具有好多其它儲能技術(shù)無法比擬的好處:

超導儲能系統(tǒng)可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)變流技術(shù)的電力電子器件與電網(wǎng)的連接,響應(yīng)速度快（毫秒級);

由于其功率調(diào)制系統(tǒng)的容量與儲能量可分開地在大范圍內(nèi)選取,因此可將超導儲能系統(tǒng)建成所需的大功率和大能量系統(tǒng);超導儲能系統(tǒng)可長時間無損耗地儲存能量,其轉(zhuǎn)換效率超過90％；

(４)超導儲能系統(tǒng)除了制冷和真空系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動部分,使用壽命長；

（5）超導儲能系統(tǒng)在建立時不受地點限制,污染小，維護簡單。

目前，超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)已經(jīng)成為國際上在超導電力技術(shù)研究開發(fā)方面的一個競相研究的熱點，一些主要發(fā)達國家(例如美國、日本、德國等)在超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)方面投入了大量的人力和物力，推動著超導儲能系統(tǒng)的實用化進程和產(chǎn)業(yè)化步伐1．２超導儲能技術(shù)簡介超導儲能裝置，其特征在于，包括：能量轉(zhuǎn)換的ＤＣ/DC電源電路的DC/AC變換器的換向電路三部分組成的超導儲能線圈。超導線圈功能的儲存容量,和DＣ/DＣ電源電路的到一方面為DC電壓的功能的能力，另一方面，超導線圈與電源隔離，增加了安全性。DＣ/ＡC變換器電路是一個超導儲能系統(tǒng)電能質(zhì)量動力方面調(diào)整功能,電壓通過換向電路和功率補償。對于大功率超導磁儲能系統(tǒng)是電力電子技術(shù)的一部分,一方面，它應(yīng)該使用高壓大電流開關(guān)設(shè)備，其它模塊化結(jié)構(gòu)上構(gòu)建可擴展的高功率拓撲。在考慮幾個轉(zhuǎn)換器拓撲，使用級聯(lián)電路換向裝置.目前在工業(yè)生產(chǎn)中，具有高功率，良好的工作特性特點等，級聯(lián)拓撲一直在變頻器領(lǐng)域的設(shè)備，如一個清凈的電源,根據(jù)目前的文獻，超導儲能裝置首次采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)在中國。50０KVＡ超導儲能系統(tǒng)采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸出端構(gòu)成高壓多電平電路。除超導磁體及相關(guān)的保護和切換電路,其余功率轉(zhuǎn)換部分皆為模塊化構(gòu)造,這樣除了能提高電壓等級和改善補償效果外還方便了維護和更新,如圖1。１。圖1．１超導儲能電路超導儲能系統(tǒng)（SMES）的工藝路線包括以下四個方面的內(nèi)容:（１）快速充放電超導磁體系統(tǒng),這是超導儲能系統(tǒng)研究開發(fā)的最核心的關(guān)鍵技術(shù)，是能量存貯的環(huán)節(jié)。（２)大功率變換裝置，這是超導儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)、切換以及控制能量補償?shù)沫h(huán)節(jié);（3)在線監(jiān)控系統(tǒng),這是超導儲能系統(tǒng)運行參數(shù)實現(xiàn)快速檢測和實時控制的環(huán)節(jié)；(4）超導儲能系統(tǒng)的集成和調(diào)試，這是實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)各主要部件的集成，進而實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運行的環(huán)節(jié)。其中,快速充放電超導磁體系統(tǒng)的工藝流程見下圖高溫超導帶材檢測高溫超導帶材檢測高溫超導帶材絕緣繞包與檢測高溫超導帶材絕緣繞包與檢測高溫超導磁體線圈繞制高溫超導磁體線圈繞制高溫超導線圈的環(huán)氧浸漬高溫超導線圈的環(huán)氧浸漬高溫超導線圈的性能測試高溫超導線圈的性能測試高溫超導磁體集成高溫超導磁體集成高溫超導線圈的接頭焊接高溫超導線圈的接頭焊接高溫超導磁體的測試高溫超導磁體的測試圖1.2快速充放電超導磁體系統(tǒng)的工藝流程圖2）超導儲能技術(shù)應(yīng)用分析我國目前有5個跨省級電網(wǎng)和４個省內(nèi)獨立電網(wǎng),在2010年前，我國將實現(xiàn)初步全國性聯(lián)網(wǎng)，預(yù)計在2020年前將最終實現(xiàn)“西電東送”、“南北互供”的全國性強聯(lián)網(wǎng)。我國電網(wǎng)的覆蓋面積大，結(jié)構(gòu)薄弱，各種一次能源的分布與負荷的密度極不均勻，而電源遠離負荷中心，裝機容量與輸電跨度比過小，對電網(wǎng)互聯(lián)的安全和穩(wěn)定運行帶來不利影響；隨著太陽能、風能等新興發(fā)電技術(shù)和電源企業(yè)的興起,電網(wǎng)互聯(lián)的安全穩(wěn)定運行將受到更大的挑戰(zhàn)。專家預(yù)言到2020年，基于智能控制芯片的用電設(shè)備其用電量將占社會總用電量的３0%到50％,因此供電質(zhì)量必須達到“信息電力質(zhì)量”才能滿足社會發(fā)展需求。改革開放以來，我國經(jīng)濟一直處于高速發(fā)展狀態(tài).尤其近些年來，不同領(lǐng)域、不同屬性、不同行業(yè)的高科技園區(qū)如雨后春筍般出現(xiàn)在全國各大中城市及其衛(wèi)星城。那些扎根于各個高科技園和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)的公司及廠商,特別是對供電質(zhì)量要求最高的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)的制造業(yè),不時因我國供電系統(tǒng)普遍存在的供電質(zhì)量問題和電力系統(tǒng)故障而造成意外的損失。同時，現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展和全球經(jīng)濟一體化進展，各種各樣的重要國際活動，如各種交流會、博覽會以及大型運動會都要求供電的絕對可靠。MJ/ＭW級超導儲能系統(tǒng)在輸/配電系統(tǒng)的動態(tài)管理、電能質(zhì)量管理及提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和緊急電力事故應(yīng)變等方面具有極大的應(yīng)用價值。特別是在改善電能質(zhì)量方面，超導儲能系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娤到y(tǒng)進行有功功率的快速調(diào)節(jié)，這是以往任何的常規(guī)設(shè)備不能勝任的。采用超導儲能技術(shù)將有效改善供電質(zhì)量，從而減少和避免因電能質(zhì)量問題給電力用戶帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會負面效應(yīng)。其次，隨著分布式發(fā)電和大型電網(wǎng)平行發(fā)展的格局的形成,也將日益迫切需要快速功率補償系統(tǒng)，以用于進行能量管理和應(yīng)對瞬態(tài)電能質(zhì)量事故。超導儲能系統(tǒng)將在這方面發(fā)揮重要的作用。此外，利用超導儲能系統(tǒng)的斷流和限流的功能,還可以可解決超導限流器能解決的問題，而且與系統(tǒng)內(nèi)的其它元件可以實現(xiàn)最優(yōu)化的運行和控制。這樣，既簡化了電網(wǎng)的結(jié)構(gòu),又降低了超導裝置的總體造價，還實現(xiàn)了系統(tǒng)的升級。這些功能和特點就使得它具有廣闊的應(yīng)用前景，它可以廣泛地應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站和重要用戶.超導儲能系統(tǒng)應(yīng)用可以廣泛用于電能質(zhì)量的改善、能量管理、提高大電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。因此,超導儲能系統(tǒng)在我國將有極好的市場前景.MJ／MW級超導儲能系統(tǒng)的應(yīng)用定位是提高供電質(zhì)量,保護大功率用電設(shè)備如生產(chǎn)線和核心負載免受電能質(zhì)量故障的干擾。當前我國用電設(shè)備總?cè)萘繛?264５0MW,對供電質(zhì)量要求最高的是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)的制造業(yè)，用電設(shè)備總?cè)萘渴?４33MW(20０2年信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)的制造業(yè)的產(chǎn)值為17８０0億人民幣).這些高技術(shù)企業(yè)分布相對集中,許多企業(yè)廠家都設(shè)在經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和高技術(shù)園區(qū)內(nèi),生產(chǎn)設(shè)備智能化程度高、功率容量大，并且對電能質(zhì)量要求高(許多生產(chǎn)線要求供電可靠率高達99.999%、供電故障持續(xù)小于２～4周波）.由于上述負荷相對集中,引入MJ/MW級超導儲能系統(tǒng)通過提高配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量來保障電力用戶生產(chǎn)和運行具有重大的應(yīng)用價值。以上海為例（2000年調(diào)研數(shù)據(jù)），上海浦東開區(qū)張江高技術(shù)園區(qū)聚集著電子器件和設(shè)備生產(chǎn)廠９３個,生物制藥廠4個,光電一體化技術(shù)工廠28個，這些廠家擁有自動化生產(chǎn)線上百條，年產(chǎn)值547億元，由于生產(chǎn)線對動態(tài)電壓質(zhì)量相當敏感,即使是數(shù)毫秒的供電故障都將會給這些廠家?guī)斫鼉|元的損失。據(jù)上海供電部門計算，如采用有功快速補償技術(shù)治理瞬時（暫態(tài))電能質(zhì)量故障,將為該園區(qū)帶來良好的經(jīng)濟效益。如表1。3所示.園區(qū)年產(chǎn)值（元）高技術(shù)制造企業(yè)數(shù)一次性2秒電能質(zhì)量微電子生產(chǎn)線損失估算（元）全年不可預(yù)測瞬時停電損失估算(元)若購置3臺SMＥＳ設(shè)備經(jīng)費（元）當年園區(qū)回報（元)SMＥＳ生產(chǎn)廠家利潤(元)５4７億１25350萬0.5億1５００萬0．35億300萬表1.３浦東張江高技術(shù)工業(yè)園區(qū)瞬態(tài)事故損失與收益估算在２０09年１月15日，我們與上海電力公司滬東公司的有關(guān)領(lǐng)導及相關(guān)部門負責人進行了溝通，進一步證實了這些企業(yè)對電能質(zhì)量改善的迫切性，其中斷電以及電壓瞬變的電力故障尤為突出,給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營帶來了很多困難。調(diào)研數(shù)據(jù)如下：2009年１月，在上海市滬東電力公司的大力支持和協(xié)助下，我們通過調(diào)查問卷完成了對９類行業(yè)共計6４家企業(yè)用電質(zhì)量的調(diào)查，具體結(jié)果如下：·行業(yè)分布圖1.4行業(yè)分布·電力事故表現(xiàn)（企業(yè)報告事故發(fā)生的項目和次數(shù))圖1.6·電力事故性質(zhì)圖1．7從發(fā)生事故的頻次來看,有些企業(yè)記錄的次數(shù)每年為3次以上,平均為7—8次，甚至有的企業(yè)達到17次～23次。這些事故的發(fā)生,給企業(yè)造成了很大的損失：造成設(shè)備停機、跳機、設(shè)備故障或完全損壞、產(chǎn)次品或產(chǎn)品報廢等，直接損失極大，給企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來了非常大的麻煩.·目前企業(yè)采用的保證電力質(zhì)量的技術(shù)設(shè)備使用情況圖１。8·目前企業(yè)采用的保證電力質(zhì)量的設(shè)備投入情況根據(jù)企業(yè)填報的調(diào)查表,有1３家企業(yè)提供了現(xiàn)有設(shè)備投入情況。由于各個企業(yè)的規(guī)模差異較大，而且生產(chǎn)設(shè)備的要求也不同，所以資金投入方面差別較大.其中投入資金約80－200萬元的企業(yè)為5家，投入1０00萬元―――5０00萬元的企業(yè)為8家.同時，大部分企業(yè)認為,目前的設(shè)備投入較大，安裝負責，維護較高,特別是有些設(shè)備本身的質(zhì)量問題，也給企業(yè)造成了新的損失，改善電力質(zhì)量的效果有待提高?！は嚓P(guān)企業(yè)下一步擬采用的電力保護設(shè)備的情況從企業(yè)反饋的情況來看，由于企業(yè)對于超導儲能技術(shù)一無所知，所以部分企業(yè)只能采用目前的這些傳統(tǒng)技術(shù)的產(chǎn)品，其中有兩家企業(yè)擬采用Dysｃ（美國索奇）系統(tǒng)。我們相信,在２月底的大客戶座談會后，通過我們對超導儲能產(chǎn)品的介紹,一定會有很多的企業(yè)考慮采ＳEＭS產(chǎn)品。在上一屆全國人代會上，已經(jīng)有代表們提出了用電單位有權(quán)對供電單位的不合格電能提出索賠要求，從而把保證供電質(zhì)量的問題提升到法律高度。據(jù)國電公司統(tǒng)計,20０0年我國城市地區(qū)實現(xiàn)供電可靠率低于9９。89%,城市客戶端電壓合格率低于95%。而供電情況相對好的北京在200０年供電可靠率僅為99。974%,這個指標雖然在國內(nèi)領(lǐng)先，但與國際現(xiàn)代大都市相比還有很大差距（巴黎供電可靠率是9９。99７%，香港是９9。999).因此,電力公司對于該產(chǎn)品能解決上述電能質(zhì)量問題也表示了相當?shù)姆e極性,并安排在200９年２月的大客戶座談會上進行了超導儲能產(chǎn)品的正式推薦。由于超導儲能系統(tǒng)(SMEＳ）存儲的是電磁能,在應(yīng)用時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)的響應(yīng)速度極快，這是其他儲能形式所無法比擬的,同時,它的功率密度極高，這就保證超導儲能系統(tǒng)能夠非常迅速以大功率形式與電力系統(tǒng)的能量交換。對于其它幾種儲能技術(shù)而言,無論如何發(fā)展，都不可能消除能量形式轉(zhuǎn)換這一過程，所以不論是現(xiàn)在或?qū)?，超導儲能技術(shù)將始終在功率密度和響應(yīng)速度這兩方面保持絕對優(yōu)勢。另外，超導儲能系統(tǒng)的功率規(guī)模和儲能規(guī)模可以做的很大，并具有系統(tǒng)效率高、技術(shù)較簡單、沒有旋轉(zhuǎn)機械部分、沒有動密封問題等優(yōu)點。所以，作為電能存取的前沿技術(shù)，無疑超導儲能技術(shù)潛在的應(yīng)用價值極高。根據(jù)目前的技術(shù)狀況,MJ-MW級小規(guī)模的超導儲能系統(tǒng)造價約4０-60萬美元(不同電壓等級).售價可以達到6０—90萬美元以上，每臺利潤達到20－3０萬美元.據(jù)估計，到20１0年，平均每臺小型超導儲能系統(tǒng)的造價約在3５萬美元,平均每臺售價約為5０－60萬美元。屆時我國超導儲能系統(tǒng)的市場約為3億美元，而全球市場將至少達到我國市場的５倍（１5億美元)以上。由于在超導技術(shù)上的壟斷優(yōu)勢，在國內(nèi)市場至少五年內(nèi)將形成完全壟斷的市場格局，甚至在全球范圍內(nèi)具有此實力的競爭企業(yè)也是相當有限的。屆時公司通過與中國科學院電工研究所的成功合作，將在未來一個時期壟斷國內(nèi)超導儲能系統(tǒng)產(chǎn)品市場。第２章超導磁儲能裝置控制器2.1引言超導技術(shù)和電力電子技術(shù)不斷進步中,超導儲能技術(shù)力量越來越成熟。其優(yōu)越的特性有助于解決一些現(xiàn)有的電力系統(tǒng)是暫時無法解決的問題，如在電力系統(tǒng)低頻振蕩還可以提高系統(tǒng)的動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性，平衡高峰負荷，提高電能質(zhì)量。 ＳMES的主要特點之一是其響應(yīng)速度快的特點，這不僅依賴于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件的開關(guān)時間,而且還與相關(guān)的控制策略的質(zhì)量。因此，精細控制策略的選擇和設(shè)計是一個重要的問題。控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)控制系統(tǒng)的輸出功率SMES從系統(tǒng)中提取信息。控制器和系統(tǒng)的動態(tài)過程的性能必須匹配,以有效控制的目的。SMＥS的控制系統(tǒng)由上層控制和底層控制兩部分組成。上層控制作為主控制器用于提供內(nèi)環(huán)控制器所需要的有功功率和無功功率控制的參考值，是由ＳMＥS本身特性和系統(tǒng)要求決定的，由不同目標的多個控制器及其協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)組成.底層控制根據(jù)功率參考值,產(chǎn)生各相橋臂的觸發(fā)脈沖序列,完成變換器內(nèi)部控制。底層控制的目的是根據(jù)給定的有功功率和無功功率參量控制ＳMＥＳ與系統(tǒng)之間電流的大小和相位,目前應(yīng)用最多的是基于三相靜止坐標系的電流控制方式和基于同步坐標系的電流控制方式。脈寬調(diào)制（ＰWM）單元是按照控制要求產(chǎn)生功率開關(guān)器件的導通和關(guān)斷的信號，即控制變換器電路的開關(guān)函數(shù)，直接關(guān)系到系統(tǒng)電流波形的質(zhì)量和效率。在三相系統(tǒng)中，產(chǎn)生PＷM波的方法一般有以下四種［6]：（1）三角載波法：將調(diào)制波與三角載波比較，得到所需的PWM波形。（２)空間矢量法：源于對交流電機的分析，特點是把所有相的開關(guān)狀態(tài)整個看成一個矢量,利用矢量合成的方法得到基本矢量的作用時間,從而得到開關(guān)狀態(tài)。(3）優(yōu)化ＰWＭ法:以消除指定諧波為原則，預(yù)先計算各個脈沖的開關(guān)角度，得到開關(guān)狀態(tài).（４)隨機ＰWM法：隨機地改變PＷＭ波的某些參數(shù)，產(chǎn)生一個非周期性的PWM波形。在這四種方法中,應(yīng)用得最多的是三角載波法與空間矢量法上層控制主要涉及系統(tǒng)控制范疇，隨著科學技術(shù)及生產(chǎn)的發(fā)展，控制系統(tǒng)變得越來越復雜（如時變、非線性、特別是多變量系統(tǒng))，而且對控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高，這使得控制理論經(jīng)歷了從經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，計算機技術(shù)的出現(xiàn)和日新月異的迅猛發(fā)展,也為控制理論新的發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件它使得人們有可能對復雜控制系統(tǒng)做深入細致的研究,為實現(xiàn)各種各樣的復雜的控制方案提供了可能性.現(xiàn)在的許多傳統(tǒng)電力裝置或FACTS的控制理論和方法［7］都可適用于SＭES，但由于ＳMES具有某些特殊的動態(tài)行為和特性，這些可能會使電力系統(tǒng)中的一些常規(guī)控制手段失效,故須專門研究SMＥS的控制策略和控制方式。目前，有以下幾種控制方法用于SMES的研究：（1）PID控制：這是電力系統(tǒng)中的常用控制方式，其理論完善、調(diào)整方便、易于在工程上實現(xiàn)。它用比例、積分、微分這幾種典型的控制模塊，再加上幾種校正網(wǎng)絡(luò),綜合成既能改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，又能提高系統(tǒng)動態(tài)性能的滿足控制要求的控制規(guī)律。（2)反饋線性化：即通過對系統(tǒng)非線性因素的精確補償,將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，變換后的系統(tǒng)只需要使用線性控制理論的方法即可進行控制.反饋線性化方法可分為兩大類，微分幾何法和反饋線性化方法，近年來發(fā)展起來的逆系統(tǒng)方法屬于后一類.(3）非線性控制:非線性ＰID控制器是利用非線性跟蹤–微分器和非線性組合方法對線性ＰＩD控制器進行改進而設(shè)計的,其最大特點是不依賴于被控對象模型，且具有線性ＰIＤ控制器結(jié)構(gòu)［8］。(4)魯棒控制:可通過降低系統(tǒng)靈敏度來抵御外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)的攝動。(5）自適應(yīng)控制：有利于解決互連系統(tǒng)之間相互干擾及參數(shù)的不確定性問題。在運用反饋線性化方法將系統(tǒng)線性化的基礎(chǔ)上結(jié)合自適應(yīng)控制規(guī)律，使系統(tǒng)發(fā)生故障時，能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，該ＳMES系統(tǒng)接于單機無窮大系統(tǒng)的發(fā)電機側(cè),仿真結(jié)果表明,能有效地增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。（6）模糊邏輯控制:屬智能控制范疇,它是建立在模糊集理論基礎(chǔ)上的控制方法，對于復雜的非線性、時變、不確定性系統(tǒng)，采用開閉環(huán)控制和定性與定量控制結(jié)合的多模態(tài)控制方式,具有很好地解決非線性和不精確性的能力，從理論上來說,有希望成為綜合解決復雜電力系統(tǒng)控制所面臨的諸多問題的一種有效方法。(7）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)：也屬智能控制領(lǐng)域,它是一個用大量簡單處理單元經(jīng)廣泛連接而組成的可模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的人工網(wǎng)絡(luò)，具有較強的魯棒性和自學習能力,能很好地處理受控系統(tǒng)中輸入量與輸出量之間的非線性關(guān)系，因此將ANN用于SＭＥS控制也是一條很值得探索的研究方向。2。2基于對角神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)PＩD控制諸多經(jīng)典控制方法對系統(tǒng)數(shù)學模型精度的要求較高，算法復雜,適應(yīng)性差。因此,在實際動模實驗中較少使用，仍使用傳統(tǒng)的PＩD控制。本文設(shè)計了基于對角回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DRNＮ)的自適應(yīng)PIＤ控制方法，其兼有傳統(tǒng)PID控制和現(xiàn)代自適應(yīng)控制的優(yōu)點，設(shè)計中不依賴系統(tǒng)的模型,使用DＲＮN映射系統(tǒng)動態(tài)特性,在線辨識系統(tǒng)的特定參數(shù)，同時也為PＩD參數(shù)的選定提供了一定裕度。在發(fā)電機組控制系統(tǒng)的可辨識性的基礎(chǔ)下，仿真表明這種控制方法具有較強的魯棒性，不受工作點變化的影響，在實際工程中具有一定應(yīng)用前景.２。3基于暫態(tài)能量函數(shù)法的控制電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)突然經(jīng)受大擾動后,各個同步電機能否繼續(xù)保持同步運行的能力.通常所考慮的擾動包括發(fā)生各種短路故障,切除大容量發(fā)電機或輸電設(shè)備以及某些負荷的突然變化等。當系統(tǒng)受到擾動時，系統(tǒng)的有功功率失去平衡,使得系統(tǒng)中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生相對搖擺,因此，減少因擾動引起的不平衡功率以及提供足夠的阻尼以抑制系統(tǒng)搖擺是實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定控制的主要途徑。在實際的電力系統(tǒng)中，通常采用切機和切負荷作為提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一種局部控制方法.然而實際應(yīng)用中表明，切機和切負荷的控制策略是研究的難點。在制定控制策略時電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析是制定控制策略好壞的基礎(chǔ)。在分析暫態(tài)穩(wěn)定問題時常用的方法有數(shù)值仿真法,基于Lyaｐunoｖ穩(wěn)定性理論的直接法和混合法.七十年代,為了克服直接法在多機電力系統(tǒng)應(yīng)用中的保守性問題，人們嘗試用不同的方法構(gòu)造Lyapunov函數(shù)和解決保守性問題。19８3年由Miｃhｅｌ等人提出的單機能量函數(shù)［9］,開辟了一個以系統(tǒng)局部發(fā)電機的角度分析全系統(tǒng)穩(wěn)定性的新思路,雖然單機能量函數(shù)與全局能量函數(shù)具有相似的表達形式，但其更側(cè)重于單臺發(fā)電機的能量平衡關(guān)系，以系統(tǒng)臨界機的穩(wěn)定性代替對全系統(tǒng)的穩(wěn)定性的判斷.我國學者穆鋼于1991年基于對單機能量沿軌跡變化特點的分析提出了軌跡分析方法,提取出發(fā)電機穩(wěn)定與否的特征量,并定義了的具有固定臨界值的穩(wěn)定指標以及不穩(wěn)定指標。軌跡分析方法的提出有助于對暫態(tài)過程中單臺發(fā)電機能量變化規(guī)律的深入認識.隨著人們對能量函數(shù)的深入理解,如何以正確的能量函數(shù)有效表征系統(tǒng)的穩(wěn)定特性將得到解決[1０][11]。隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)AＣTS技術(shù)日漸成為實現(xiàn)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制的新的技術(shù)手段.FACTS的概念是最早由美國電力科學研究院的Ｈingｏｒani博士于１988年提出的，采用電力電子元件代替機械高壓元件,可以使電力系統(tǒng)的電壓、線路參數(shù)和功率角等參數(shù)按系統(tǒng)運行的需要進行快速、靈活的調(diào)節(jié)。FACTS控制器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，一方面有助于改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平但同時對電力系統(tǒng)分析以及控制方法的研究提出了新的任務(wù).以提供系統(tǒng)阻尼、抑制系統(tǒng)振蕩為目標的FACＴＳ控制策略的研究在現(xiàn)代控制理論的支持下取得了長足的進步。在能量函數(shù)發(fā)展的同時,如何利用能量函數(shù)進行在線分析和控制的研究也在緊密進行.第3章超導磁儲能裝置協(xié)調(diào)控制探討3．1引言現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大,不斷向著“超高壓、大電網(wǎng)、大機組”的趨勢發(fā)展，目前我國大部分地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián),形成全國統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)的模式。雖然這樣的模式可以優(yōu)化資源配置,提高供電可靠性以及增加抗負荷沖擊能力等等，但大電網(wǎng)為主的大機組具有強非線性、參數(shù)不確定性和運行狀態(tài)隨機性，再加上大量電力電子裝置的應(yīng)用加強系統(tǒng)的非線性，致使系統(tǒng)的調(diào)度和安全穩(wěn)定性控制變得更加復雜。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究方面，針對出現(xiàn)的電力系統(tǒng)問題，已有不少的處理措施，如提高系統(tǒng)電壓等級,增設(shè)備用線路，中間調(diào)相設(shè)備，快速切除故障，自動置合閘，快速勵磁,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PＳS），多變量反饋最優(yōu)勵磁控制，快控汽門，區(qū)域穩(wěn)定控制等等.ＦACTS元件的出現(xiàn)為解決穩(wěn)定問題提供了一種新的手段。很多FACTS控制器，如靜止無功補償器(SVC）、可控串補（TCＳC）以及靜止同步補償器(SＴATCOM)等已成為提高50０kV線路輸電能力與暫穩(wěn)水平的關(guān)鍵技術(shù)，在國外都有示范工程實施。各種FＡCTS裝置確實能改善系統(tǒng)的性能,但ＦACTS與系統(tǒng)的勵磁，調(diào)速,ＰSＳ之間，不同F(xiàn)ACＴS裝置之間,都有可能產(chǎn)生不利的相互作用.在調(diào)節(jié)動態(tài)裝置的控制器參數(shù)時,通常是假定電力系統(tǒng)其余部分時無源的或者將其表示為變化緩慢的元件。設(shè)計ＦACTS控制器時只考慮單個裝置的作用,也沒考慮各種控制器之間的交互影響與協(xié)調(diào),以致在實際應(yīng)用中出現(xiàn)由于不同控制器的相互影響而導致不利相互作用的情況。因此，近年來協(xié)調(diào)設(shè)計與控制成為很多學者關(guān)注的熱點,并相繼提出了各種協(xié)調(diào)技術(shù)進行不同F(xiàn)AＣTS之間的協(xié)調(diào)設(shè)計，并取得了良好的效果。超導電力裝置對系統(tǒng)運行特性的改善作用將帶來附加經(jīng)濟效益。因此,超導電力裝置對系統(tǒng)運行特性的影響分析一直是超導電力應(yīng)用的重要方面。由于超導電力裝置的電阻為零或很小,在降低網(wǎng)絡(luò)損耗的同時也影響了裝置甚至整個系統(tǒng)的時間常數(shù)以及系統(tǒng)的阻尼特性。這些參數(shù)變化可能改善電力系統(tǒng)的動態(tài)特性,也可能增加系統(tǒng)運行的復雜性，甚至可能影響到電力系統(tǒng)的安全運行,必須研究相應(yīng)的對策。目前，SMES只能作為是彌補常用設(shè)備(勵磁、調(diào)速、電力穩(wěn)定器)的不足的一種應(yīng)急設(shè)備,緩解系統(tǒng)的短時危機,但因經(jīng)濟效益的原因并不能全面代替常規(guī)設(shè)備.在SMES和常規(guī)設(shè)備存在相互作用的情況下，如何協(xié)調(diào)這些控制設(shè)備，更好地改善電力系統(tǒng)特性將是一個非常重要的研究課題.本章將重點研究SMES在向系統(tǒng)注入有功和無功功率來改善系統(tǒng)的性能時，與勵磁系統(tǒng)、調(diào)速器和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的協(xié)調(diào)控制問題.3。２電力系統(tǒng)中ＦＡＣＴS裝置的協(xié)調(diào)控制方法對控制裝置的相互作用問題文獻[6７]作了極好的討論,控制裝置的相互作用歸納為如下幾種：(1）ＦＡCTＳ裝置與非FACＴＳ裝置之間(2)類型相似的多個FACTS裝置之間（3)類型不同的多個FＡCＴＳ裝置之間協(xié)調(diào)即各種控制裝置被同時進行整定以使控制方案能夠達到全局性的有利的改進。協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵是如何處理好各控制器之間的相互作用。根據(jù)對控制器之間相互作用處理方式的不同，協(xié)調(diào)方法可以分為分散控制協(xié)調(diào)方法、多代理協(xié)調(diào)控制方法、模態(tài)協(xié)調(diào)控制方法、非線性協(xié)調(diào)控制方法以及綜合各種方法優(yōu)點的分級控制方法等方法。分散控制是大系統(tǒng)理論的一個重要分支,它的研究內(nèi)容是：在大系統(tǒng)中限定各局部控制器只反饋本地可測的狀態(tài)變量或輸出變量，通過設(shè)計這些局部控制器,使系統(tǒng)的總體性能達到一定的指標。其中，輸出反饋最優(yōu)分散協(xié)調(diào)控制，屬于給定結(jié)構(gòu)約束的分散控制方法，其特點是控制器具有分散控制結(jié)構(gòu)約束?？刂破鞯脑O(shè)計方法是首先給出一個全局的二次性能指標，將系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制器的結(jié)構(gòu)及相互作用處理為約束條件，通過求解Levｉne-Ａｔhaｎs方程組確定控制器的最優(yōu)增益.在這種方法中，對控制器間相互作用的處理是通過指定的結(jié)構(gòu)約束強行解耦的。輸出反饋最優(yōu)分散協(xié)調(diào)控制是以電力系統(tǒng)在某個運行點處線性化的數(shù)學模型為基礎(chǔ)的。因而,僅適合于運行在狀態(tài)變化不大，工作在可線性化范圍內(nèi)的系統(tǒng).另一方面,由于受固定反饋增益的限制，如何適應(yīng)系統(tǒng)不同運行工況和干擾情況,充分發(fā)揮分散控制器對提高系統(tǒng)穩(wěn)定和改善動態(tài)特性的作用仍需進一步研究。針對單機無窮大的系統(tǒng)的STAＴCOM和發(fā)電機勵磁的協(xié)調(diào)控制，應(yīng)用信息結(jié)構(gòu)約束下的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制理論與算法，采用了完全分散的信息模式和輸出反饋方式，設(shè)計了輸出反饋的線性二次型(LＱ）分散控制規(guī)律.針對多機系統(tǒng)(典型兩區(qū)四機系統(tǒng)）的STATＣＯM與發(fā)電機勵磁的協(xié)調(diào)控制，同樣采用分散協(xié)調(diào)控制算法，設(shè)計了分散控制規(guī)律。但這種方式未能給出參數(shù)最優(yōu)解的存在條件，而且對復雜系統(tǒng)而言，由于ＦACTS器件的靈活調(diào)控能力，使系統(tǒng)典型工況的選擇較為困難，另外由于復雜系統(tǒng)較大的維數(shù),不能進行快速的運算,也就不能進行較快的調(diào)節(jié)。FACTS控制器的分散協(xié)調(diào)方法是一種自頂向下的設(shè)計方法，在這種協(xié)調(diào)的框架下,各控制器的協(xié)調(diào)是通過尋求問題的最優(yōu)解完成的,因而是靜態(tài)的，協(xié)調(diào)和控制是相互依存的。當有新的FACＴS器件需要加入?yún)f(xié)調(diào)時，則需打破原有的相互依存關(guān)系，重新設(shè)定所有參與協(xié)調(diào)的控制器的參數(shù)，重新調(diào)整各控制器的控制利益，以滿足全局的最優(yōu)性或整體利益.多代理協(xié)調(diào)控制方法是認為各控制器為系統(tǒng)的成員，能夠獨立完成相應(yīng)的任務(wù)，而協(xié)調(diào)是起因于其他控制器局部利益的改變，通過多個控制器的動態(tài)交互達成和諧、一致的工作方式,從而維持系統(tǒng)的整體性能。多代理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方法,是將控制器視為一個能獨立完成某些任務(wù)的代理,首先定義出分布自主的代理，然后通過多代理的交互與協(xié)作，達成各控制器控制作用的相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制目標.相應(yīng)地提出了應(yīng)用有限狀態(tài)機表示的多代理協(xié)調(diào)協(xié)議。以裝設(shè)2個SVC和2個SＴAＴCOM的新英格蘭系統(tǒng)為例進行的數(shù)字仿真和有限狀態(tài)機分析證實了該方法的有效性和靈活性.基于模態(tài)的協(xié)調(diào)控制方法通過固定各FＡCTＳ的控制結(jié)構(gòu)，采用易獲得的局部當?shù)赜^測量作為各控制器的反饋信號，通過對臨界模態(tài)的研究來協(xié)調(diào)控制各個FACTS控制器。滿足的控制準則包括：(1）在不明顯惡化其他模式阻尼下使臨界模式阻尼增大到可接受的程度；（2)各個不同TCSC:控制器之間的不利相互作用能減少到最小；(3）避免ＴCSＣ的飽和現(xiàn)象.非線性協(xié)調(diào)控制方法是基于電力系統(tǒng)強非線性的，在不進行線性化的基礎(chǔ)上，運用非線性方法進行多控制器的協(xié)調(diào)設(shè)計。同時非線性協(xié)調(diào)控制方法復雜，方程階數(shù)高運算速度慢。目前在非線性方法中,變結(jié)構(gòu)控制法，直接反饋線性化方法、Ｈ∞控制都得到了應(yīng)用。變結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制方法其核心是對控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在工作過程中根據(jù)某種規(guī)律進行調(diào)節(jié)和切換,以改善全系統(tǒng)的動態(tài)性能。對于變結(jié)構(gòu)控制來說，具有完全自適應(yīng)能力,通過系統(tǒng)狀態(tài)面切換,VSＣ能很好的處理系統(tǒng)的非線性動態(tài)行為，解決多對象組的均衡問題.因此對于強非線性的電力系統(tǒng)動態(tài),VSC是很好的協(xié)調(diào)控制方法.而對于含多個FＡＣTＳ元件的復雜系統(tǒng)來說，采用變結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵在于切換函數(shù)的選擇。3.3超導磁儲能裝置的協(xié)調(diào)控制隨著FACTS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，協(xié)調(diào)控制技術(shù)顯現(xiàn)出在FAＣTS控制器設(shè)計中的必要性。SMES作為一個高效而高成本的裝置,合理的利用成為ＳMES控制策略的重要課題，國內(nèi)外有相當多的學者研究了將各種控制策略引入SMES的控制中，如PＩD控制，反饋線性化控制、H∞魯棒控制、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。但這些都是集中于單個裝置的作用來設(shè)計和調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，而未考慮與其他裝置的協(xié)調(diào)作用。３.3．1SMEＳ和勵磁的協(xié)調(diào)控制發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是給發(fā)電機的勵磁繞組提供合適的勵磁電流，以在發(fā)電機定子空間產(chǎn)生磁場。勵磁調(diào)節(jié)器用于對勵磁電流進行調(diào)節(jié)和控制。勵磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)正常運行和故障的時候都起著重要的作用,保證發(fā)電機安全,調(diào)節(jié)電壓,調(diào)節(jié)無功分配，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。SMEＳ和SＴATCOM一樣能夠向系統(tǒng)中發(fā)送無功功率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓.因此,如何將SMES與傳統(tǒng)的勵磁控制相結(jié)合以改善電力系統(tǒng)的運行性能,將是一個非常有理論價值和實際意義的研究內(nèi)容。但由于現(xiàn)階段SMEＳ相對STＡTCＯＭ成本較高，SMＥS的研究居多集中抑制系統(tǒng)的低頻振蕩.而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓方面電力系統(tǒng)中普遍接受ＳTAＴCOM，因而SMＥS在此方面的研究較少。隨著超導技術(shù)的成熟,SMES的成本下降，加上ＳMES具有比ＳＴAＴCOM更多的功能,SMES將可能代替STＡＴＣＯＭ而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。同時鑒于SMＥS和ＳＴAＴＣOM的相似性,SMES和發(fā)電機勵磁協(xié)調(diào)控制可以借鑒STＡTＣOM發(fā)電機勵磁協(xié)調(diào)控制的研究成果。因此，本文將對此部分內(nèi)容的研究未做深入研究。３.3．2SMＥＳ和調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制在電力系統(tǒng)中，原動機調(diào)速器是調(diào)整系統(tǒng)頻率的主要設(shè)備.其原理就是在維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)，通過原動機來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率。而SＭＥS通過變流器快速靈活地向系統(tǒng)注入有功和無功，突破傳統(tǒng)的被動致穩(wěn)方式,SMES與原動機調(diào)速器雖都可以平衡系統(tǒng)有功和穩(wěn)定頻率，但卻有很多不同之處。SMEＳ沒有機械液壓元件，而是采用電力電子技術(shù)，靈活快速;SＭＥＳ可同時輸出有功和無功,調(diào)速器只能調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率；SMＥS是直接將功率注入電力網(wǎng)絡(luò)中,改變電力網(wǎng)絡(luò)的功率平衡,同時改善發(fā)電機特性,而不是直接改變發(fā)電機的機械功率。在作SMEＳ和調(diào)速器特性仿真時，主要分析它們對有功負荷改變時的反應(yīng)特性，因此選用獨立單機系統(tǒng)。發(fā)電機帶有勵磁，調(diào)速和原動機，是Matｌａb例程中的模塊和參數(shù);ＳMES使用二階功率模型,PID控制。仿真對比SMES和調(diào)速器作用下發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ω和機端電壓Ｕt.在0．5秒時，系統(tǒng)的有功負荷從70%增至１0０%。SMES作用下的穩(wěn)定時間ｔ明顯比調(diào)速器的要小，波動也比較小，可以看出ＳMES作用速度上的優(yōu)越性.但是SＭES不可能代替調(diào)速器而承擔系統(tǒng)負荷變化，對比僅調(diào)速器與有調(diào)速器和ＳMEＳ的情況。可以看出有SMＥS時系統(tǒng)的效果是變好了，卻減弱調(diào)速器對發(fā)電機輸入功率的調(diào)節(jié)作用，SMEＳ承擔了更長時間更大的負荷壓力。因此SＭＥS工作時既要考慮系統(tǒng)暫態(tài)過程的優(yōu)化，又要考慮ＳMＥＳ的承受能力，這樣才有利于提高SMEＳ的工作效率,更好地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了更好地改善系統(tǒng)，既要兼顧調(diào)速器對發(fā)電機的調(diào)節(jié)作用，又要考慮ＳMEＳ的容量問題，所以控制過程中要綜合考慮ＳＭＥS和調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制。調(diào)速器原動機在反應(yīng)速度上比不上SMES，但其能夠提供大容量穩(wěn)定的基礎(chǔ)功率,而SＭES缺少的正是大容量,所以應(yīng)該使得調(diào)速器原動機盡快地承擔起系統(tǒng)負荷的變化，SMES只是利用其快速性暫時穩(wěn)定系統(tǒng)。這樣就可以充分地發(fā)揮了調(diào)速器原動機和SMES各自的特點,更有效地維護系統(tǒng)的安全。這里只討論SMES的參數(shù)Kp和調(diào)速器的參數(shù)Ｋ的相互影響，在對協(xié)調(diào)控制的過程中需要對K和Kp進行協(xié)調(diào)控制。同時為了更好利用SMES和調(diào)速器的特點,在作用時間上也要進行協(xié)調(diào)控制，可以進行變結(jié)構(gòu)參數(shù)控制或或者根據(jù)發(fā)電機的參數(shù)特性進行分級控制。第４章超導技術(shù)的應(yīng)用超導材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實際應(yīng)用超導材料又受到一系列因素的制約,這首先是它的臨界參量,其次還有材料制作的工藝等問題(例如脆性的超導陶瓷如何制成柔細的線材就有一系列工藝問題）。高溫超導技術(shù)的應(yīng)用非常廣闊，大致可分為三類:大電流應(yīng)用(強電應(yīng)用），包括超導發(fā)電、輸電和儲能;電子學應(yīng)用（弱電應(yīng)用）,包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等;抗磁性應(yīng)用,主要用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。4。１超導技術(shù)在強電中的應(yīng)用超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失,被稱作零電阻效應(yīng).導體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。超導技術(shù)在強電中的運用主要有:超導電纜、超導發(fā)電機、超導變壓器以及超導限流器等4.1．1超導在電力傳輸中的應(yīng)用在遠距離輸電中,常規(guī)導線的電阻一直是困擾著人類的最大難題。常規(guī)導線在輸電過程中不僅僅是電能的大量損耗,還存在因電能被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量而引發(fā)的很多危險(最典型的就是引發(fā)火災(zāi))。在超導現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以前，人們也一直在努力試圖解決這一問題。（1）增大輸電線的橫切面積以減小輸電線的單位長度電阻,但輸電線的質(zhì)量因此也會增大，電線的成本及架線難度都會相應(yīng)增大。（2）采用高壓輸電（目前正在大規(guī)模實施)雖然可以很大程度地減小電能的損耗,但由于高壓電弧的影響須占用大量的土地來作為線路走廊。1992年，美國是最早開始對超導電纜技術(shù)的開發(fā)和利用的國家。超導電纜主要由電纜本體、終端以及低溫制冷裝置組成。超導電纜本體包括電纜芯、電絕緣和低溫恒溫管(如圖5－1所示)。電纜芯是由高溫超導材料、骨架構(gòu)成。以超導體的零電阻特性和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性發(fā)展起來的超導電力技術(shù)將在諸多方面影響未來電網(wǎng)的發(fā)展：提高電網(wǎng)安全性；明顯改善電能質(zhì)量；提高系統(tǒng)輸送容量；提高單機容量;大幅減少電網(wǎng)損耗；提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性；降低輸送電壓等級；降低占地面積、造價及改造成本。圖4。1超導電纜結(jié)構(gòu)圖正如人們用更高容量的光纖代替銅導線建設(shè)“信息高速路”一樣，超導技術(shù)的應(yīng)用也將給電力工業(yè)帶來根本性的變化,形成顯著提高效率和負載能力的“電力高速路”.高溫超導電纜與常規(guī)導線相比有一下優(yōu)勢：（1)傳輸容量大。用第二代高溫超導材料制成的直流電纜，輸送容量將是相同直徑銅導線的100倍以上。（2）傳輸損耗低。交流電纜系統(tǒng)的損耗包括電纜本體的損耗（交流損耗、恒溫器漏熱）、電纜終端損耗(恒溫器漏熱、電流引線電阻損耗）以及制冷系統(tǒng)損耗(主要是設(shè)備電損耗)。一般來說,在傳輸相同容量的電能時,高溫超導電纜的運行損耗約為常規(guī)電纜的40％～５０%。而且輸送容量越大、距離越長，超導電纜的低損耗優(yōu)勢越突出。（3)節(jié)約線路走廊。由于超導電纜無需考慮相互間的磁場影響,可以在有限空間內(nèi)方便地增加回路數(shù)，成倍增加輸送容量。大大地節(jié)約了線路走廊。（4）環(huán)保。超導電纜可以完全避免電磁場輻射、無線電干擾。4.1。2超導發(fā)電機超導發(fā)電機是指轉(zhuǎn)子繞組采用以液氦或液氮做冷卻介質(zhì)的超導導線構(gòu)成，而定子電樞則采用無槽鐵心，定子繞組置于氣隙中或采用水內(nèi)冷的發(fā)電機。應(yīng)用超導材料(如和Nb3Sｎ等）繞制轉(zhuǎn)子勵磁繞組是超導同步發(fā)電機的主要特點。在發(fā)電機正常運行時，裝置于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)杜瓦內(nèi)并被低溫液氦所浸泡的勵磁繞組超導線呈超導狀態(tài)。僅引線和接頭處殘存微若電阻，因此勵磁繞組損耗極其微小,致使發(fā)電機效率大大地提高。同時，由于超導線的允許電流密度比水冷或氫冷的銅導線高很多，故可在勵磁繞組外型尺寸很小的情況下建立比普通水冷或氫冷發(fā)電機強得多的磁場，內(nèi)轉(zhuǎn)子表面處的最大磁通密度至少可達4T以上,發(fā)電機能量密度因之顯著提高。4．1．3超導變壓器高溫超導變壓器是指利用高溫超導材料以提高能效并減少電力傳輸損失的變壓器。在傳統(tǒng)的變壓器中，繞組中的銅損占變壓器滿負荷運行時總損耗的絕大部分，而采用高溫超導繞組即可大大降低這部分損耗,大大提高變壓器運行的經(jīng)濟性.同時,由于在相同容量下超導變壓器的體積比常規(guī)變壓器小40～60%，因此，超導變壓器可直接安裝在現(xiàn)有變電站內(nèi),從而節(jié)省重建經(jīng)費。正因為超導變壓器具有效率高、體積小、無環(huán)境污染隱患等優(yōu)點,它被公認為最有可能取代常規(guī)變壓器的高新技術(shù).在原理上，超導變壓器與常規(guī)變壓器沒有本質(zhì)區(qū)別,但超導變壓器采用超導材料取代銅導線繞制超導線圈,以液氦或液氮取代變壓器油作為冷卻介質(zhì)，超導線圈在液氦或液氮環(huán)境中運行，故超導變壓器具有不同于常規(guī)變壓器的電磁特性:(1）超導繞組有三個臨界值:臨界溫度、臨界磁場、臨界電流密度。超導變壓器必須在這三個臨界值構(gòu)成的區(qū)域空間內(nèi)運行,否則,超導變壓器就會失超。(2)超導線圈區(qū)域磁場（尤其是其徑向分量)大。高溫超導線能夠傳輸比常規(guī)銅線大數(shù)十倍的電流，對于大容量變壓器,與同容量的常規(guī)變壓器相比,高溫超導變壓器的體積可以減?。?％到60％,但繞組區(qū)域磁場（尤其是其徑向分量）大，使超導變壓器的臨界電流降低,同時也使交流損耗變大。因此，在保證阻抗要求的前提下,應(yīng)嚴格限制其大小.(3）超導材料幾乎為零的電阻使得繞組限制環(huán)流的能力極低，繞組各支路間漏電抗微小的不平衡就可能引起較大的環(huán)流.環(huán)流的存在增加繞組的交流損耗并使得磁場分布變得更不均勻，從而降低超導線的臨界電流?？偟膩碚f，與常規(guī)變壓器相比，超導變壓器具有固有的低阻抗特性。其交流損耗比常規(guī)變壓器的銅耗要小得多，從而減小了鐵心的橫截面積、體積及空載損耗。由于繞組的平均半徑隨鐵心截面積而減小，繞組寬度因超導帶材的高電流密度而減小,超導變壓器的阻抗電壓比常規(guī)變壓器要小得多。此外,超導變壓器還具有遠高于常規(guī)變壓器的運行電流密度,使變壓器繞組的安匝數(shù)大大增加,從而增加了變壓器的電負荷.由于變壓器承受的機械力與電負荷的平方成正比，當變壓器發(fā)生故障時,電磁力問題和熱穩(wěn)定問題將更加突出.例如,在高溫超導變壓器遭遇穿越性故障時，若故障電流是額定電流的３倍,此時高溫超導帶材所受到的電磁力將是正常運行時的9倍，如此大的電磁力對機械強度本來就不高的繞組來說是致命的，繞組會在瞬間發(fā)生巨大的形變,致使帶材的載流能力大為下降甚至失超,失超后繞組上的能量足以燒毀整臺變壓器.超導變壓器是超導技術(shù)在電力中的應(yīng)用之一.要實現(xiàn)超導變壓器的上網(wǎng)運行尚有若干關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，其性能檢測方法的規(guī)范就是其中的一個重要內(nèi)容。本文從超導變壓器的電磁特性出發(fā)，探討了超導變壓器的試驗項目及性能檢測方法,并重點介紹了幾種用于冷卻超導變壓器的低溫系統(tǒng).4．1。4超導限流器理想的限流器應(yīng)對電網(wǎng)的正常運行無影響,而在故障情況下能夠限制短路電流使其接近額定電流值，這樣就可以解決既要求電網(wǎng)阻抗小又要求短路電流小的矛盾.實現(xiàn)這種功能的電氣裝置基于快速開斷電路(開斷時間t〈1ms，如用爆炸式熔斷器或電力電子器件)、諧振頻率失調(diào)的LR振蕩回路和具有極大非線性電流、電壓特性的元件,如半導體、帶鐵心的線圈和超導體等。超導體的特點是從無阻態(tài)即超導態(tài)向電阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。超導限流器可分為電阻型和電感型.在電阻型超導限流器中,被保護電網(wǎng)的電流直接流過超導體,而在電感型超導限流器中，超導體被電感接入電路.超導限流器的主要原理是利用超導材料的臨界電流來限制電路的最大電流。（1)電阻超導限流器就是一個臨界