基于混合高温超导储能系统的电网动态功率补偿策略与试验

为实现高温超导储能系统(SMES)对电网功率波动的动态补偿,采用第1代铋系和第2代钇钡铜氧高温超导材料,设计并构建了过冷液氮温区运行、千焦级容量的混合高温超导储能系统。应用数字信号处理器和微控制器的双处理器形式,设计了LCL滤波的电压型SMES变流器的功率控制系统电路,基于空间矢量脉冲调制法(SVPWM),提出了SMES变流器对系统功率补偿的控制方法,并进行控制软件编程,实现对并网侧功率的动态监测和补偿策略的实时计算。最后应用SMES在一条200km输电线路上进行并网动模试验,针对电网负荷变化产生的功率波动状态,实现了毫秒级内对电力系统的快速功率输出和波动抑制,验证了超导储能系统对电网瞬时功率补偿策略和功率补偿变流装置的有效性。

300MJ环状高温超导储能磁体的优化设计

介绍了300M J环状高温超导储能磁体优化设计的步骤。为了提高优化设计的效率,减少常规寻优方法的计算量,将改进的粒子群优化算法引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行300M J环状储能磁体设计的优化结果,并采用商用电磁场有限元分析软件ANSYS对本文关于环状螺线管系统磁场、能量计算方法的正确性进行了验证。

电力系统动模实验用50kJ高温超导储能磁体的设计研究

介绍了 2 0 K下对电力系统动模实验用 5 0 k J高温超导储能磁体的设计步骤 ,给出了用 Bi- 2 2 2 3单根超导带进行5 0 k J磁体线圈的设计和优化结果 ,分析了高温超导体的各向异性对磁体临界电流的影响和磁体漏磁的分布 ,并讨论了用单根高温超导带组成的超导体和用多根高温超导带组成的超导体设计的储能磁体的特性参数对改善电力系统动态特性的能力的影响。

高温超导储能实验装置研究

所研制的高温超导储能实验装置由Bi系高温超导线圈、IGBT功率变换器和TMX320F2812DSP控制器组成。BSCCO超导线在液氮温度下临界电流密度低,超导线圈端部漏磁场基本上垂直于超导带表面,使临界电流密度进一步下降,影响了高温超导的实用化进程。文中讨论了解决这些问题的关键技术。

配电网中高温超导储能系统(HTS-SMES)的电力集成应用

提出了一种用于配电网模块式集成的高温超导储能系统(HTS-SMES),设计了级联式1MJ/500kVA/10kVHTS-SMES的系统结构和运行原理。模块式高温超导储能系统(SMES)的电力集成主要包含3部分,一是MJ级的高温超导储能磁体,设计了12单元模块组合式环形高温超导储能磁体,解决了其漏磁场问题;二是用于磁体直流电流与逆变器直流电压变换的DC-DC换流器,提出了一种不对称级联式电流调节器,解决了其关断损耗问题;三是用于直流电压与交流电压变换的并网DC-AC逆变器,采用了级联式逆变器结构,解决了高压和波形质量。最后,对于1MJ/500kVA/10kV模块式集成SMES进行了仿真试验,验证了其有效性。

电压型高温超导储能系统变流器设计与试验

为提高电力系统动态稳定性,实现高温超导储能系统对电网电压跌落的有效补偿,采用三单相H桥型拓扑结构,搭建了一个电压型高温超导储能系统功率变换器。对控制系统、信号调理系统、功率和驱动保护电路进行了设计;基于SPWM脉冲触发方式,应用TMS320F2812型DSP实现了动态电压瞬时跌落补偿的全数字闭环控制,给出了相关的软件程序设计方法。补偿电压实验波形表明该变流器具备应用高温超导储能系统进行动态电压跌落补偿的性能要求。

基于DSP2812高温超导储能系统斩波器控制设计

电压型超导储能(Superconduction Magnetic Energy Storge,简称SMES)系统的斩波器用于对超导磁体快速稳定充放电。研究了SMES系统用斩波器充放电的工作原理,采用状态空间平均法建立其数学模型,并提出一种斩波器充电、放电的闭环控制方法。基于第2代高温超导磁体及其限流保护,搭建了斩波器实验系统,应用DSP2812处理器实现对超导磁体充放电的控制。实验结果表明,所应用斩波器控制方法的性能良好,可以满足SMES系统的要求。

高温超导储能变流器的LC阻尼滤波器设计

为了抑制高温超导储能电压型变流器的输出电压谐波,设计了带阻尼效应的LC低通滤波器。文中分析了滤波器的原理及传递特性,进行了正弦脉宽调制波的谐波分析,通过控制滤波网络的基波衰减因数确定了LC阻尼滤波器的参数,最后将其应用于高温超导SMES的电压跌落补偿试验。试验结果表明,LC阻尼滤波器在SMES变流器系统中能起到良好的滤波效果,提高了SMES系统的动态响应能力和稳态性能。

高温超导储能磁体导冷片涡流损耗分析

高温超导储能(High Temperature Superconducting Magnetic Energy Storage,HTS-SMES)磁体装置可有效提高电力系统的稳定性、改善电能质量。储能磁体是储能装置的关键部分,为提高超导储能磁体的热稳定性,通常在超导磁体中增设铜导冷片。磁体充放电时在导冷片上会产生涡流损耗,损耗的大小严重影响磁体的超导特性,因此降低导冷结构的涡流损耗是提高磁体热稳定性的关键因素。运用有限元法(FEM)分析导冷片上的涡流损耗,在Ansoft仿真软件三维瞬态场中模拟磁体充电过程中导冷片的涡流损耗,结果表明:充电模式下,完整导冷片涡流损耗为1.45W;沿径向开缺口处理后涡流损耗为0.107W;导冷片内环、中部、外环开齿槽后涡流损耗分别为0.49、0.41、0.1242W。由此可得,对于导冷片的开齿槽处理可显著降低涡流损耗,且内部开齿槽的效果最佳。

高温超导飞轮储能系统的发展现状

当高温超导体处于超导态,永磁体的部分磁力线进入到超导体内,由于磁通钉扎的作用,永磁体无需控制而稳定悬浮,这种悬浮特性称为无源自稳定性。高温超导飞轮储能系统安装了无源自稳定悬浮的超导轴承,具有稳定度高、大容量、高效率以及无污染等优势,在风电和太阳能发电、电力系统调峰和电动汽车等方面具有广阔的应用前景。本文概述了高温超导飞轮储能系统的基本工作原理和主要结构,详细论述了高温超导飞轮储能系统的国内外发展现状,探讨了高温超导飞轮储能系统的关键技术、当前的研究热点和特殊应用。

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。

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。

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。

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。

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。

舰船电力系统用1MJ高温超导环型储能磁体的设计研究

介绍了舰船电力系统用 1MJ环型高温超导储能磁体的设计优化步骤 ,进行了环型磁体线圈最大磁场的优化、环型磁体单元尺寸的优化和环型磁体单元数目的优化 ,并得出了合适的磁体线圈尺寸。磁体线圈上的最大磁感应强度为 3-4 T,单元数目较大的环型磁体适用于 1MJHTS-

高温超导磁储能(SMES)磁体直接冷却热输运过程研究

随着高温超导材料与低温技术的发展,采用制冷机直接冷却已经成为高温超导应用的发展方向,而界面热阻则直接影响着超导器件的冷却效率和运行可靠性,因此减小和控制低温界面热阻是实现超导系统直接冷却的技术关键。对直接冷却高温超导磁体从室温冷却到49 K低温的热输运过程进行了理论分析和实验研究,磁体冷却实验结果和理论分析符合较好,通过直接冷却实验所达到的最低温度特性和过程分析,证实从微结构低温工程学的角度研究界面热阻、探索超导直接冷却最佳热耦合机制是高温超导应用基本而重要的科学问题之一。

高温超导储能磁体多物理场解耦设计

针对在高温超导储能磁体设计中多物理场耦合分析问题,本文提出了一种面向有限元分析的解耦优化设计方法,并以一台150kJ/100kW高温超导磁储能磁体为例进行了有限元仿真验证。本文首先梳理了高温超导储能磁体的多场耦合关系,提出在材料物性关系和多场耦合关系中分别以温度和电磁场为主导因素;进而归纳得出,磁体易失超危险区分布及解耦分析中多物理场数据流向设计,是设计过程中的关键问题,并给出了分析策略;最后按照逻辑合理、工作量最省的原则提出了解耦综合优化主流程,及针对易失超危险区的优化建议。

车载式150kJ/100kW高温超导磁储能系统在湖北电网的现场试验与应用

介绍了车载式150kJ/100kW高温超导磁储能系统在湖北电网的现场试验与应用情况。针对提高电力系统稳定性和电能质量设计试验方案,现场试验表明:车载式150kJ/100kW高温超导磁储能系统具有良好的现场运行特性,在平滑发电机上网功率波动、提高负荷端电能质量以及独立四象限功率调节、快速响应等方面具有显著作用,能够很好地实现对功率波动的有效抑制和快速功率补偿,进一步推动了我国高温超导磁储能装置由实验室向工程化应用的进程,具有良好的工程示范效应与深远的社会效益。

基于ISA总线和RS-485网络的高温超导磁储能监控系统

提出了一套基于工业标准体系结构(ISA)总线和RS-485网络的高温超导磁储能(SMES)监控系统。介绍了系统的通信协议,描述了系统的总体结构及主要功能。为提高系统的实时响应性能和数字信号处理能力,在硬件上采用了数字信号处理器(DSP)技术;采用模块化的程序设计方法,同时通过利用DSP的中断资源,解决了多任务对CPU的同时请求以及交叉的问题。实验表明,该监控装置能对整个SMES系统进行有效的状态监测与控制。