大容量超导储能核心控制策略及其在风光互补发电中的应用

容量和密度已经是超导储能（SMES）发展的瓶颈。项目针对分布式风光发电中SMES大容量高密度开展研究，构建以4象限电压源整流逆变双向变换器串联2象限斩波器形成基本模块，再级联复合成大容量功率调节分系统（PCS），并运用瞬时电压空间矢量法对SMES进行仿真研究；提出大容量PCS的关键控制理论与实现策略，并在风光互补发电中进行平滑电站输出功率和提高电力系统稳定性的动态模拟试验研究；揭示SMES自身的内在机理和运行时与大电网相互作用的外在规律，为在独立电站或移动电站尤其是舰船、机车等行业领域应用SMES奠定可行性与技术经济性的基础，为建立统一的电能调节与控制策略的应用基础做出一定的前瞻性工作并提供进一步研究的思路。

电力储能正是在超大规模交直流电网不断发展、再生能源发电容量日益增大的环境下呈现出了不可替代的作用，其中超导储能（SMES）有着重要的代表性。超导储能储能量大、响应快、效率高、无环境污染，能够快速高效地调控电力系统与超导磁体间的功率交换。对超导储能的研究主要集中在对常规电力系统的稳定性和含有再生能源发电单元的微型电网功率平滑性上，这也是本项国家自然科学基金所研究的方向和切入点。经过3年的探索，完成了以下几个方面的研究工作，取得了一定学术成果：.（1）完成了大容量PCS基本模块—4象限电压源变换器（三相桥或H桥）串联2象限斩波器单机的基础研究，获取了模块化运行特性。能够实现电能的双向流动和有功与无功功率独立控制。.（2）在PCS基本模块输出端并接蓄电池和常导磁体进行数字仿真，优化电能双向传输及有功与无功调节特性；采用电压外环与电流内环实现SMES功率4象限控制与调节，完成单机运行。超导磁体能够按照给定信号实现充放电，实现能量双向流动。.（3）将基本模块组合成大容量PCS，研究模块级联时PCS拓扑结构的可用性及各模块的统一控制；基本模块组合的PCS是一种基于级联三相桥或H桥变流器的拓扑结构，实现扩容。采用H桥三级级联拓扑结构，结合单极倍频CPS-SPWM的调制方式，有效减小输出谐波，提高输出电压。.（4）在大容量PCS输出端并接蓄电池和常导磁体，完成多模块复合PCS电能的双向传输、有功与无功调节；提出了一种基于公共直流母线的级联H桥变流器的拓扑结构，超导磁体通过2象限N重化斩波器连接到公共直流母线上。多重化变流器结合多重化斩波器的双模式协调控制，共同实现直流侧母线电压的稳定与变换器输出有功功率跟随给定的有功功率。.（5）研制级联型100kVA SMES样机1台，将SMES接入风光互补发电直流母线侧；4象限多重化变流器采用功率外环和电流内环控制，功率外环检测功率波动，计算出对应的参考电流大小，再由电流内环控制变流器输出相应大小的功率，对电网需要的功率进行实时地释放和吸收。.（6）以DSP和FPGA作为SMES控制核心，其中DSP主要完成信号采集及控制工作，FPGA完成36路PWM波形的产生，构建风光互补发电电量采集单元+带超导磁体SMES完成平滑风光互补发电出口变电站的输出功率，获得了动态模拟试验结果。