超导磁储能装置在风电系统控制中的应用.pdf

中国电力新能源
第43卷第6期Vol．43，No．6
第620期10年6月周雪松等：ELECTRI超导磁储能装置在风电系统控制中的应用CPOWERJun.2010（风电并网专栏）

超导磁储能装置在风电系统控制中的应用

周雪松1，权博1，马幼捷1，武磊1，卢振兴2
（1.天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384；2.甘肃省兰州供电公司，甘肃兰州730050）

摘要：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。
关键词：超导磁储能（SMES）；风电系统；控制信号；控制策略
中图分类号：TM614;TP273文献标志码：A文章编号：1004-9649（2010）06-0005-05

0引言

风能是一种随机变化的能源［1］，稳定风电场输
出和风电与常规电网的并网协调运行是风力发电的

关键技术。
将超导磁储能（SuperconductingMagneticEnergy
Storage，SMES）用于风电系统，配以恰当的控制系
统，可实现功率的双向流动，从而改善风力发电机的
输出稳定问题和与电网并网优化配合的问题，是一
种理想的提高风电系统动态性能和解决系统稳定性

的手段［2］。因此，设计有效而恰当的控制系统对整个
系统起着至关重要的作用，而其关键是如何合理地
选择控制信号和相应的控制策略。本文在简述当功率高于（或低于）基准功率（电网所要求的功率）
SMES应用于风电系统中抑制功率波动原理的基础时，控制器检测到信号并通过触发电路向变流器发
上，对SMES的控制系统进行分析，研究相应的控制出触发脉冲，使其工作于整流状态（或逆变状态），将
策略和采取的各种控制信号。之后针对SMES在抑多余的能量以磁能的形式存储在超导线圈中（或将
制功率波动中提高响应速度的问题，进行分析研究，超导线圈中的能量回馈到电网）。冷却装置保证了超
并阐述其未来发展趋势。导线圈的工作环境。失超保护针对失超时所引起的
过热、高压放电和应力过载，对超导线圈进行保护。
1SMES与风电场含有超导磁储能装置的风电场并网系统如图2
所示。如果忽略各种损耗，风力发电机输入的机械功
SMES系统主要由超导磁体、功率变换装置和率将被转换成电功率，电功率经过变压器和输电线
控制系统3部分组成，其中超导磁储能体包括超导路后并到常规电网。当风速一定时，SMES处于限制
线圈、低温容器和制冷装置。图1给出SMES的结构状态，风电场输入的机械功率与输出的电功率相等，
框图，工作原理是：SMES系统预先在超导线圈中存处于稳定的平衡状态。但在实际运行中，由于风速的
储一定的能量（一般为最大存储磁能的25%~75%），随时性，引起风车输出机械功率的变化，从而导致风

收稿日期：2009-11-09；修回日期：2010-01-03
作者简介：周雪松（1964—），男，江西南昌人，教授，博士生导师，从事电力电子和电力系统自动化方面的研究。
E-mail：[e-mail]

5
新能源
（风电并网专栏）中国电力第43卷

力发电机的输入与输出功率的不平衡。此时，通过
SMES对功率的“吞吐”作用（利用SMES快速响应
和高储能密度特点），使风电场的输出功率达到平
衡。从而改善风电系统的稳定性，降低风电系统成为信号的选取。
常规电网大负荷的概率，为风电的并网提供可靠的2.1控制策略
理论依据。上层控制主要涉及系统控制范畴。目前许多电
文献［3］建立了含有超导磁储能装置的单机无力装置或FACTS的控制理论和方法都适用。但由于
穷大风电系统的Phillips-Heffron模型，说明SMESSMES具有某些特殊的动态行为和特性，可能会使
对风力发电功率波动具有很好的抑制作用。文献［4］电力系统中的一些常规控制手段失效，须专门研究
指出，将SMES应用于变速恒频风力发电机（DFIG）SMES的控制策略和控制方式。目前，用于SMES的
励磁系统，可有效地提高DFIG的并网风力发电系控制研究主要有以下几种方法。
统的运行特性和系统稳定性。文献［2，5-7］则研究（1）PID控制：这是电力系统中常用控制方式。
了SMES对含风电的电力系统暂态稳定性的改善。它用比例、积分、微分这几种典型的控制模块，再加
文献［8］指出将SME