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0引言
可以通过直流电流产生磁场的形式无限期地储存能量。主要应用包括储能、提高系统稳定性、日负荷均衡和电压稳定(暂态和动态)、静态无功补偿、电流谐波抑制。工业和商业的负荷需求通常很高，在这些行业，负荷需求会不时变化。因此,SMES 系统由于其可靠性得到了广泛的应用[1]。 高温超导体发现之前以及之后的很长时间,
SMES 的研发都主要集中于低温SMES。美国、日本等国家先后开发出示范系统，目前,0.1~10MW 的系统
已经在电能质量调节领域实现了小规模商业化运行。随着高温超导带材的商业化生产，高温SMES 逐渐成为研究焦点。1993年，美国学者提出了高温SMES 的概念设计。1997年，美国超导公司研制成功一台采用Bi-2223带材5kJ 高温SMES，这是世界第1台具有一定规模的高温SMES。受此激励，此后几百到几北焦
耳的高温SMES 如雨后春笋一样在世界各主要超导研究国家和地区相继被建造。早期主要采用Bi 系带材，后来ReBco 带材成为主流。Mgb2发现后，由于具有良好的磁场性和机械性能，也很快就有学者将之用于SMES 磁体的建造[2]。
SMES 的PCS 作为实现其在电力系统应用的重
要接口，其控制通常分为底层控制和上层控制。PCS
的底层控制主要指变流器的PWM 控制，随着可控型电力电子器件的发展，变流器的开关控制已由早期的相位调制技术转变为PWM 技术，文献[3]分别研究了正弦PWM(SPWM)和优化PWM 技术在CSC 中的应用。VSC 的PWM 技术除了上述PWM 方法外，还发展出了基于空间矢量的SVPWM 技术，文献[4]基于旋转空间矢量算法进行了VSMES 控制技术研究。无论是VSC 型PCS 还是CSC 型PCS，其上层控制都用于实现SMES 的四象限功率双向流动。目前其控制方法主要有直接电流控制、相位调节控制、dq 坐标系下的解耦控制以及直接功率控制[5]。其中直接电流控制有电流滞环控制、预测电流控制,dq 坐标系下的解耦控制有直接反馈解耦控制、逆系统、反馈线性化等。1超导磁储能系统 SMES 模型是一种以磁场形式储存能量的模型。
电流是由线圈中的直流电流产生的。由于电流储存的能量在自然界中循环，它可以在毫秒到数小时的时间
※基金项目:(湘教通〔2019〕100号)湖南省2019年大学生创新创业训练计划项目(S201910531025)。
作者简介：张智鑫（1998-），男，吉首大学信息科学与工程学院。
基于PI 控制器的超导储能系统功率调节研究
张智鑫包敏张惠敏何海文刘轶(吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首416000)
【摘要】SMES 功率调节系统由一个双向电压源变换器(VSC )、一个双向斩波器和一个超导线圈组成，主要用于非线性和脉动负载的补偿。论文设计了一种同时兼作并联型有源电力滤波器和功率调节器的超导储能控制器。采用两个滞环控制器为两个双向变换器产生脉冲，以获得任意负载条件下的正弦输入源电流，并维持超导储能器的充放电循环。
【关键词】超导储能系统;PI 调节；双向电压源变化器
中图分类号:TM732
文献标识码:A
DOI:10.ki.issn2095-2457.2021.03.01
【Abstract 】The SMES power regulation system consists of a bidirectional voltage source converter (VSC),a bidirectional chopper and
a superconducting coil,and is mainly used for compensation of nonlinear and pulsating loads.In this paper,a superconducting magnetic energy storage controller that doubles as a parallel active power filter and power conditioner is designed.Two hysteresis controllers are used to generate pulses for two bidirectional converters to obtain sinusoidal input source current under any load conditions and maintain
the charge and discharge cycle of the superconducting energy storage device.
【Key words 】Superconducting magnetic energy storage system;PI regulation;Bidirectional voltage source converter
1
内被瞬间吸收或储存。图1中的SMES装置包括一个大的SC线圈，该线圈的温度适用于低温系统，由氦等惰性气体组成的低温恒温器或液体容器维持。开关用于旁路并将能量损失最小化，特别是当线圈
处于备用状态时，开关还可以通过另一种方式，如在失去任何使用连接时，绕过SC线圈电流[6]。
SC线圈的大小将决定SC线圈中存储或供应的最大能量或最大功率。这些标准的评级取决于中小企业的应用类型。SC设备运行的温度就像是成本和服务要求之间的取舍。由于与经济相关的问题，目前主要采用低温超导模型，它的运行成本非常低，而且有可能实现高效率。
图1基本超导线圈单元SMES装置能够在不影响效率的情况下储存高达4500兆瓦时的能量，其效率高达95%，并且无论是在充电还是放电模式下，其响应速度都非常快，仅需几毫秒。由于这个原因,SMES被认为是负荷和相应需求波动的理想装置，它也避免了大量的机组跳闸，并带走了多余的能量。这保证了我们减少旋转储备的需求。SMES装置能够在不影响效率的情况下储存高达4500兆瓦时的能量，其效率高达95%，并且无论是在充电还是放电模式下，其响应速度都非常快，仅需几毫秒[7]。由于这个原因,SMES被认为是负荷和相应需求波动的理想装置，它也避免了大量的机组跳闸，并带走了多余的能量。
2SMES功率调节
2.1工作原理
该系统基于负载源SMES线圈能量平衡原理运行[8]。电源电流取决于另外两个电流，负载电流和补偿电流。
I sup+I comp=I load(1)
其中,I sup为电源电流,I com p为逆变器电流,I load为负载电流。补偿电流是双向斩波器占空比、VSC的M. I和SC线圈电流I sc的函数。
I comp=F(I sc,D,M)(2)
其中,I sc是SMES的线圈电流,D是斩波器的占空比,M是VSC的调制系数。
在负载补偿的情况下，供电后的剩余能量负责SC线圈的充电。据说能量是在这种情况下储存的。在这种情况下,P supply>P load和P SMES=P supply-P load通常发生在轻载条件下，也避免了费兰蒂效应。
无论何时有重负载需求或系统处于峰值负载状态，负载中的不足能量由SMES提供，此时线圈将释放存储的能量。负载平衡是通过这种方式实现的。然而，电容器电压将保持恒定，但在参考值上下波动。这里,P supply<P load。
系统中，电压的承受值V capacitor，电流的承受值I supply 被设定。当SC线圈充电时，电容器上的电压由公式(3)确定。
V cap(t+t')=V cap(t)-(I sc(t)c)t'(3)
式中,V cap是直流连接电压(伏特),C是电容量(法拉德),I sc是I inductor，上升到某个值。
I sc(t+t')=I sc(t)+(V cap(t)L)t'(4)
如果SC线圈正在放电，则直流链路上的电压将增大到:
V cap(t+t')=V cap(t)+(I sc(t)c)t'(5)
I inductor会减少到:
I sc(t+t')=I sc(t)-(V cap(t)L)t'(6)
相应地，在逆变侧，通过调整滞环调节器的优化值V capacitor来相应地控制源电流值。电流上升时，即I supply向上限上升。
I sup(t+t')=I sup(t)+(V sup-V cap(t)
L sup)t'(7) V capacitor将上升到。
V cap(t+t')=V cap(t)+(I sup(t)c)t'(8)相应地，如达到了上限值,I sup开始向较低的频带递减；可以通过下式得到I sup(t+t')。
I sup(t+t')=I sup(t)+(V sup-V cap(t)
L sup)t'(9)直流电压将降低到:
V cap(t+t')=V cap(t)-(I sup(t)c)t'(10)充电和放电期间的功率流如图2所示。现在它还可以控制最大负荷需求[9]。当负载功率小于电源功率
2
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时，线圈被称为充电；负载补偿时，负载功率大于电源功率时，线圈放电。在SMES 的帮助下实现能量平衡，电容器电压在整个充放电循环中保持恒定。
图2PCS 在负载补偿下的功能
3控制器建模3.1
VSC 构建的PCS
图3显示了VSC 构建的PC 的图示[10]。基于VSC
的PCS 由一个6脉冲滞回带双向VSC 和IGBT 开关
组成,IGBT 开关具有反并联二极管，使充电和放电都可行；一个双向DC/DC 转换器，具有简单的IGBT(无二极管反并联)，二极管SC 线圈和DC 链路，用于级联或解耦VSC 和斩波器确保其两端的电压始终恒定。实际上，这台PC 机被用作连接SC 线圈和电源的接口。为了产生VSC 的脉冲，在每个相位比较基准电流和实际补偿电流，产生的误差通过继电器传递，继电器设置一个频带，并相应地将产生的脉冲提供给IGBT 开关。VSC 在充电模式下充当Ac-Dc 转换器，在放电模式下充当逆变器。在充电期间，甚至在放电期
间，直流链路始终保持转换器的输出恒定，直流链路上的电压也是恒定的[11]。
在PCS 里面使用的2个四电平DC-DC 转换器由简单的IGBT 和简单的二极管组成。IGBT 没有反并联二极管。在充电模式下,SC 线圈将通过两个IGBT 充电，在放电模式下,SC 线圈通过二极管放电。脉冲的
产生方式是：充电时为正脉冲(接通状态)，放电时为负脉冲(开关处于断开状态)。因此，在这个斩波器有助于调节充放电循环。斩波器的占空比D 决定了充电和放电模式，这是通过线圈知道的。3.2
DC/DC 斩波电路
DC-DC 变换器最重要的功能是调节SMES 的充放电周期，达到能量平衡。在充电时，它充当电容器和
SC 线圈之间的接口，在两个极限之间波动的斩波器输出将对SC 线圈充电，使功率从电容器流向SC 线圈。放电时，它会将极性相反的电容器连接到原电容器上，以保证电流反向。电路图如图4所示[12]。
如图4所示，当两个开关被触发时，电流通过
VSC、DC 链路、斩波器和正电压从电源流向SC 线圈。
即线圈充电的过程。当两个开关中一个被触发器关闭，电流从SC 线圈通过斩波器、直流链路和VSC 流向负载时,SC 线圈为-V sc ，保证放电。斩波器的占空比决定SMES 的充放电。如果D 等于0.5，则V scavg 和通过SMES PCS 的电流都为0，并且设备处于空闲状态。在整个循环中传递的功率为0。当D >0.5时，电压为正,SC 线圈将进行充电过程，电流明显地通过基于VSC 的PCS 从电源流向SC 线圈，来自电源的额外能量被
转移到线圈。如果D <0.5，则认为线圈处于放电状态，因为电压为负，负载所需的缺陷能量由线圈中的储能提供。最后，充放电循环取决于斩波器的占空比D 。3.3
功率控制
在电网电压U s 和输入电抗一定的情况下，通过
控制VSC 交流侧d、q 轴的电压u rd3和u rq3，能够对变流器交流侧的d、q 轴电流进行准确控制。由电网和
SMES 之间的拟交换功率确定VSMES 交流侧d、q 轴输出电流i sdr 、i sqr ，再根据式(11)计算u rd3和u rq3控制分
量。
i sdr =u sd P sm_ref +u sq Q sm_ref u 2sd +u 2
sq
i sqr =
u sd P sm_ref +u sq Q sm_ref
u 2
sd +u 2
sq
⎧⎩
⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐(11)
其中，和分别为SMES 和电网之间拟交换的有功和无功功率。
根据前面所述的VSC 交流侧电流解耦控制原理可知，通过在
所确定的u rd3和u rq3控制分量基础上叠加电流状态反馈和电网电压的前馈补偿，即可实现图5所示SMES 的功率控制。
图3电压源转换器构建的功率调节系统
3
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图4二象限电压双向DC/DC 变换器
图5SMES 的功率控制原理图
图5中，外环控制器用于保持SMES 与电网交换的功率跟踪功率指令值。它主要依据SMES 的功率交换指令值P r 、Q r 与实际值P sm 、Q sm 之间的误差PI 调节后确定用于内环控制器输入的VSC 交流侧电流的d、
q 轴电流控制分量i sdr 、i sqr 。
电流内环控制器则根据外环控制器的d、q 轴指
令电流和VSC 交流侧等效电感和阻抗形成用于控制VSC 交流侧电流d、q 轴分量的u rd3、u rd3，然后该控制量分别与引入的u rd1、u rd2和u rq1、u rq2控制分量相加，形成用于VSC 进行SPWM 的调制波信号的d、q 轴电压分量u rd 和u rq 。正弦调制信号的幅值M 和相位α由式
(12)确定
[14-15]
:
α=arctan u rd u rq
M =
2u 2
rd +u 2
rq
√U dc
M ∈[0,1]
⎧⎩
⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐(12)
4结论
SMES 储能密度大，充放电速度快且没有环境污
染，是非常理想的储能元件。快速准确的四象限功率调节是实现SMES 在电力系统应用的关键。本文从实
现对SMES 电网侧电流幅值和相位的能控性出发，探讨了VSC 的SPWM 开关策略，在此基础上进一步研究并提出了用于实现SMES 的功率控制策略。
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