超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

超导磁选白云鄂博尾矿稀土颗粒捕获及聚集行为

超导磁分离技术中,稀土矿物颗粒在磁介质上的聚集半径与磁介质填充率应相互匹配,以确保高效的矿物分离效果和提高稀土尾矿资源利用率。基于颗粒轨迹模型,探究了矿浆流速对颗粒捕获的影响并建立了颗粒饱和聚集模型,以计算稀土矿物颗粒单体及其连生体在磁介质上的饱和聚集半径、聚集半径和磁介质间距关系,从而优化磁介质填充率。并通过颗粒沉积试验,验证了聚集模型的正确性。研究结果表明,矿浆流动速度最优为0.1m/s时有效去除了杂质萤石矿物。磁介质有一个临界填充率,高于临界填充率不会发生堵塞。随着磁介质直径的增加,颗粒饱和聚集半径rBa和磁介质临界填充率逐渐增大,当连生体度为1/20的稀土连生体与磁介质直径为0.06mm时,临界填充率为5.6%。当磁介质直径为0.4mm时临界填充率为20.6%。本研究结果为稀土矿物的高效分离提供了重要的理论基础,也为工业生产中磁分离技术的优化与设计提供了可靠的参考依据。

采用超导磁选回收白云鄂博矿钾板岩中钾长石试验研究

我国长石资源丰富,但富矿资源少,可被直接开采利用的优质钾长石资源并不多,绝大部分需通过富集才能达到工业应用的标准。内蒙古白云鄂博矿床是世界闻名的Fe-Nb-REO超大型矿床,钾板岩属于白云鄂博矿体上部围岩。在包头钢铁(集团)公司对该铁矿40余年的开采中,已剥离的富钾板岩作为废石在矿区大量堆存,总量超过3亿t,每年新增剥离富钾板岩达200万t,白云鄂博矿区钾板岩资源丰富,为提高白云鄂博矿物的综合利用,实现钾长石资源的可持续发展,提出从白云鄂博矿钾板岩中回收钾长石。长石矿物常与其他杂质矿物共生,特别是其中的铁等少量杂质元素,影响钾长石精矿的品质和应用,因此,有效去除高铁钾板岩中铁矿物和云母等硅酸盐类含铁杂质是提高钾长石品位的关键。对白云鄂博高铁富钾板岩进行工艺矿物学分析,确定了“破碎-磨矿-永磁磁选-超导磁选”工艺流程,针对K_(2)O品位12.66%、Na_(2)O品位为0.6%、TFe品位5.55%的钾板岩原矿,在磨矿细度为-0.074 mm占92%的条件下,经永磁磁选和超导磁选,最终获得K_(2)O品位为15.53%、回收率为54.21%、TFe品位为0.55%的钾长石精矿。结果表明,利用永磁+超导磁选工艺可以实现从钾板岩中高效回收钾长石,为综合回收利用白云鄂博矿钾板岩中的钾长石提供了新的途径。

超导磁储能系统自抗扰控制策略研究

针对电压源型换流器VSC(voltage source converter)的超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)系统,提出了一种自抗扰控制ADRC(active disturbance rejection control)策略。首先,分别建立了SMES的交流侧VSC、直流侧斩波器数学模型;其次,基于非线性扩张状态观测器和线性误差反馈律设计了SMES的交、直流侧ADRC;然后,通过描述函数法分析了ADRC的稳定性;最后,在Matlab/Simulink平台中搭建了仿真模型。仿真结果表明,与传统PI控制相比,ADRC具有更好的动态响应性能和抗扰动特性,并针对不确定的系统参数具有更好的鲁棒性,有效地提高了SMES的运行可靠性。

35kJ／7kW直接冷却高温超导磁储能系统

介绍了直接冷却高温超导磁储能(SMES)系统(35 kJ／7 kW)的总体结构和基本试验结果。该系统主要由超导磁体、低温系统、功率调节系统和监控系统组成。实验结果表明．通过直接冷却将储能磁体成功冷却到了20 K以下;储能磁体的直流临界电流达到150 A,临界储能量84 kJ,磁体中心场强4．5 T;监控系统和变流器能控制SMES与系统快速独立地在四象限进行有功功率和无功功率交换;在电力系统动态模拟实验中,SMES能有效抑制电力系统中因发电机机端短路故障引起的功率振荡。

150kJ/100kW直接冷却高温超导磁储能系统

高温超导磁储能系统(SMES)是一种功率型的储能装置,本文介绍了国内自主研发的150 kJ/100 kW直接冷却高温超导磁储能系统的总体结构和基本试验结果。高温超导磁体由Bi2223/Ag和YBCO两种超导带材绕制而成,通过直接冷却方式将储能磁体成功冷却到了17 K左右。经测试,储能磁体的直流临界电流达到180 A,临界储能量157 k J,磁体中心场强4.7 T;该SMES能快速独立地在四象限进行有功功率和无功功率交换,响应速度小于10 ms;在电力系统动态模拟实验中,SMES有效抑制了电力系统中因发电机机端短路故障引起的功率振荡。

车载高温超导磁悬浮系统的设计

介绍车载高温超导磁悬浮系统的设计问题。为了完成系统的设计 ,首先进行了单块和多块YBCO高温超导体块材的悬浮力的研究 ,同时考虑了 YBCO高温超导体块材的选取问题。设计的目标是稳定悬浮 350 kg,采用 8个车载液氮低温容器 ,这种容器是底壁仅 3mm厚的长方体形的。

100kJ/50kW高温超导磁储能系统在微电网中的应用

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage,SMES)能够实现与电网之间的快速功率交换,对于增强电网稳定性,改善电能质量具有重要意义。本文针对一套100 k J/50 k W高温超导磁储能系统,对其超导磁体设计与低温系统,功率调节系统的拓扑及控制策略设计、主监控系统的设计分别进行了阐述和分析。为了验证整个磁储能系统的性能,进行了相关的开环功率调节实验。实验结果表明,整套系统运行良好,SMES能够快速的响应主监控系统发出的功率指令,实现SMES与电网之间快速的功率交换。基于上述对SMES的分析和实验测试,结合云电科技园微电网的拓扑,给出了几种SMES在微电网中应用的试验方案,以验证SMES在微电网中应用的性能和作用。

超导磁储能系统的序贯克里金优化方法

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage,SMES)是超导应用研究的热点。SMES利用超导磁体的低损耗和快速响应能力,通过电力电子型变流器与电力系统相连,组合为一种既能为其储存电能又能为其释放电能的多功能电磁系统。SMES的先进功能主要体现于,它能大容量超低损耗的储存电能、改善供电质量、提高系统的稳定性和可靠性。该文以SMES的优化设计(IEEE TEAM Workshop Problem 22)为例,介绍了序贯优化方法和克里金(Kriging)统计近似模型在低维和高维、离散域和连续域优化问题中的应用。优化结果显示,该优化方法能在保证设计精度的前提下,极大降低有限元的计算量。如3参数优化问题中有限元的计算量比直接优化的1/10还要少;而8参数优化问题中有限元的计算量约为直接优化的1/3。从而该方法可广泛应用于电磁装置的优化设计问题。

一种新型的电流源型变流器PWM控制策略及其在超导磁储能装置中的应用

超导磁储磁能(SMES)装置的超导磁体通过变流器与电网连接,为了减小装置向系统注入的谐波电流,各种改进的脉宽调制(PWM)技术被用于变流器的控制。该文分别用正弦波和三角波作为调制和载波信号,提出一种可用于电流源型变流器的实时电流控制的新型PWM开关策略,并在此基础上研究了能够按照系统要求对电流源型SMES独立地进行有功和无功功率四象限调节的实时功率控制方法。仿真结果表明,该开关策略不仅能够快速改变变流器交流侧电流的幅值和相位,有效降低变流器交流侧电流中的谐波含量,而且能够提高SMES装置的功率响应特性。同时该方法还具有控制策略简单,工程实现容易的特点。

电力系统稳定控制用高温超导磁储能装置及实验研究

超导磁储能稳定控制装置是将超导电力技术、大功率电力电子技术和控制理论相结合的一种新型电力系统稳定控制装置。它从及时补偿系统中由于各种原因产生的不平衡功率这一个新的角度出发考虑提高电力系统稳定性的问题,可望为解决由于功率不平衡产生的电力系统失稳问题提供一条新的途径。理论研究结果表明,这是一种非常有效的电力系统稳定控制措施。为了促进这一成果的广泛应用,同时进一步研究这种装置在实现过程中可能产生的问题,该作者在实验室环境中研制了一套基于直接冷却技术的高温超导磁储能控制装置样机,并在电力系统动态模拟实验室环境下,对该样机的性能进行了实验,得到了满意的结果。该文在简述利用超导磁储能控制装置进行电力系统稳定控制原理和特点的基础上,详细介绍了研制的高温超导磁储能稳定控制装置实验样机的构成和功率调节特性实验结果,以及将它用于电力系统动态模拟系统进行稳定控制的实验结果。

超导磁储能系统发展现状及前景

超导磁储能系统以其快响应、高功率密度的特点,在电力系统中具有良好的应用前景。介绍了超导磁储能系统的原理、组成部件及其关键技术;从装置、应用和控制三个层面分析了超导磁储能系统的发展趋势,指出超导磁储能系统将向着模块化、分散化方向发展,可以与其他储能装置构成复合储能系统进行应用;基于超导磁体的电流水平和热稳定性对其功率响应特性的影响,提出在超导磁储能系统应用时应进行状态评估,并优化其控制策略。最后总结了几个影响超导磁储能系统发展的关键因素。

超导磁储能系统的失超检测及保护综述

超导储能磁体的失超是超导电力设备技术实用化有待深入研究的一个重要问题。笔者综述了超导储能磁体的设备级失超检测及保护方法,并提出了参考性建议。

非线性PID控制器在超导磁储能装置中的应用研究

非线性比例–积分–微分(Nonlinear Proportion-Integral-Differential,NLPID)控制是一种利用非线性跟踪–微分器和非线性组合方法对线性 PID控制进行改进的新型控制策略,它具有不依赖于被控系统模型的特点。作者设计了用于电力系统超导磁储能(Superconducting Magnetic EnergyStorage,SMES)装置的 NLPID 控制器,该控制器通过对由跟踪-微分器提取的转子角速度和机端电压的偏差及其微分和积分信号分别进行适当非线性组合,产生用于协调控制SMES 和系统之间的有功和无功功率交换的控制信号。仿真结果表明该 NLPID控制器具有较好的适应性和鲁棒性,且改善了系统的阻尼特性,提高了系统电压的稳定性。

高温超导磁储能用斩波器仿真及试验

针对高温超导磁体充、放电对超导储能系统斩波单元稳定运行的要求,对超导磁储能电压型功率调节系统进行了研究,采用状态空间平均法建立斩波器充电及放电模式的数学模型,分析斩波器充电、续流及放电的工作原理,并设计斩波器的电流闭环反馈控制方法。基于第2代高温超导线圈,考虑到线圈电感量及其限流保护,应用Matlab软件进行了斩波器充电和放电工作模式仿真,并且搭建了一个超导储能的斩波器试验系统,应用DSP2812处理器实现对超导磁体充、放电控制。磁体电压、磁体电流及直流母线电流仿真与实验波形吻合较好,所应用的斩波器数学模型及其控制方法能实现对超导磁体快速稳定地充、放电和续流。

液氢超导磁储能及其在能源互联网中的应用

随着可再生能源的开发利用规模不断扩大,储能技术将在未来能源互联网中占有重要地位。现有单一储能难以满足实际应用要求,因此介绍一种基于电力制氢和超导储能的大容量低成本复合储能技术—液氢超导混合储能技术(liquid hydrogen with superconducting magnetic energy storage,LIQHYSMES)。该技术利用电力制氢并液化储存,大大提升了装置容量,同时具有SMES的响应速度快的特点。此外,由于液氢储能部分和SMES共用制冷设备和冷媒,可以大大减少制冷成本。在分析了LIQHYSMES的工作原理和主要结构的基础上,对其进行经济技术性分析,举例分析了其在智能电网和未来能源互联网中的应用前景,仿真验证了其对不同时间尺度的不平衡功率均有较好的平抑效果,最后阐述了其规模应用亟待解决的关键技术。

移动式直接冷却高温超导磁储能系统试验研究

该文介绍了中国自行研制的第一套移动式直接冷却高温超导磁储能系统(moveable conduction-cooled high temperature superconducting magnetic energy storage system,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380 V/35 kJ/7 kW,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,在电力系统中具有良好的应用前景。

电压源型超导磁储能装置特性的全时域仿真研究

介绍了电压源型超导磁储能装置 ( VSMES)的基本结构和工作原理 ,在 Matlab环境下建立了 VSMES的全时域仿真模型 ,利用所建立的模型对 VSMES的稳态和动态特性进行了详细的时域仿真研究。详细分析了一个稳态周期内 ,各阶段 VSMES的物理工作过程和能量流传情况 ,并在此基础上总结了 VSMES系统参数对其特性的影响特点。动态研究着重分析了系统参数对其动态响应的影响 ,以及在电力系统暂态过程中的作用。所得结论为 VSMES系统的设计。

超导磁储能与发电机励磁的多指标非线性协调控制

采用多指标非线性控制设计方法对SMES与汽轮发电机的励磁进行协调控制设计。多指标非线性设计方法通过恰当地选择输出函数来改变闭环系统的特征根位置,以获得良好的系统控制性能。设计表明,采用多指标非线性控制设计方法能很好地解决高维、多输入多输出非线性控制系统的非线性控制设计问题。仿真结果表明,所设计的控制规律能很好的兼顾系统各状态量的动、静态特性,有效提高系统的稳定运行能力,明显提高系统各输出量的控制精度。

超导磁储能装置在风电系统控制中的应用

超导磁储能装置(SMES)是将超导技术、电力电子技术、控制理论和能量管理技术相结合的一种新型储能装置。在实时补偿系统中,由于各种原因会产生不平衡功率,SMES从这一新的角度出发考虑提高电力系统稳定性的问题。理论研究表明,SMES是一种提高电力系统稳定性的非常有效的新措施。为促使这一理论的广泛应用,同时进一步提高SMES的可靠性,研究将超导磁储能装置应用于风电场,以稳定系统输出;在此基础上,对风电场中超导磁储能装置的信号选取和控制策略等关键技术进行研究,阐述了未来的发展趋势。