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用于稳定光伏微电网的SMES电池储能系统
摘要：由于超导磁储能器（SMES）与电池在功率容量、能量密度、响应速度等技术性能上具有互补性，本文提出了一种SMES电池（SMES-battery）储能系统，用于在不同故障下稳定光伏微电网。阐述了相关的理论建模，提出了SMES电池的控制与协调方法。利用MATLAB对SMES电池和仅电池进行了比较。也从SMES磁体的主要特性出发，进行了交流损耗计算。结果表明：i）SMES电池比电池能更好地及时处理微电网的暂态故障；ii）SMES电池能保证微电网在外部故障情况下的无缝模式转换，并能在内部故障情况下降低公共耦合点的故障电流以避免电网的不接地；iii）SMES磁体的交流损耗功率最大值为380W，对于未来的导电制冷结构和低温系统设计是可以接受的。
关键词：电池储存、光伏发电、超导磁储能、微电网
1 引言
在广泛关注的储能装置中，超导磁储能（SMES）和电池是两个主要代表[1],[2]。SMES能够有效地处理短时间的电能因为功率密度高、瞬态响应快、放电效率高，而电池则能以能量密度大、经济效益好和循环寿命长而擅长长期连续供电。由于它们的特点是互补的，因此建议形成一种更经济的技术适用于电网的超导磁储能和电池储能混合使用的储能系统。
本文针对电池应用的研究现状，进行了综述。在[3]中，为实现可再生能源的可调度性，提出了一种SMES电池的协同控制方法。在[4]中，讨论了SMES电池对直接驱动线性波能量转换器(DDLWEC)输出调节的积极影响。在[5]、[6]中，提出了一种SMES电池的电池寿命延长、控制和分级方法。此外，我们发现使用SMES电池在以下几个研究领域有很好的贡献:a) PV能源系统与主网之间的功率缓冲器[7]；b)风力发电机的并网及输出稳定[8],[9]；c)电动汽车快速充电[10]；d)电动巴士[11]；e)动态电压恢复器的支持[12],[13]；f)孤立微栅的主频率控制[14]。
从文献综述中得知，SMES电池在处理功率波动、能量传递、电压波动以及相关的暂态稳定性问题方面具有优势。现有的控制方案和协调方法可以为SMES电池的扩展应用奠定一定的理论基础。目前，互联微电网在容纳分布式可再生能源方面受到广泛关注，将SMES电池集成到其中的初步研究已经开展了[15]。根据结果，验证了SMES电池在内部故障情况下改善微晶栅电能质量的有效性。
然而，据我们所知，很少有研究探索SMES电池在外部和内部故障下对稳定微电网并网的影响。现有的报告没有系统、明确地研究SMES电池在不同故障下如何响应微电网的模式切换，也忽略了解决SMES磁体与微电网进行能量交换期间的运行特性的问题。实际上，微电网可能会选择与主网络分离或实现穿越运行以适应不同的故障[16],[17]，并且微电网的独特行为和模式将带来多种要求。因此，当微电网遇到不同的故障时，阐明SMES电池的功率共享机制和控制方式有重要意义。此外，为了在微电网中进行SMES电池的应用和评估，还涉及与SMES电池的协调方法、微电网的瞬态行为（故障电流、电压骤降和频率波动）、SMES磁体设计有关的问题，并且应综合考虑交流损耗的计算。
针对上述任务，本文研究了太阳能光伏微电网中SMES电池在内部和外部故障下的应用。阐述了SMES电池的建模、控制和协调。利用MATLAB软件对微电网在不同故障情况下的暂态行为进行了评估，并将SMES电池和只用电池进行了比较。从SMES磁体的主要规格出发，进行了交流损耗的计算。
2 系统描述及基本原理
图1 基于光伏的SMES电池微电网
结构
图2.带SMES磁体的DC / DC
斩波器的典型拓扑
图1显示SMES电池在由两个太阳能光伏发电机和两个电力负载组成的基于光伏的微电网中的应用。SMES和电池是独立控制的，并且采用包括两个DC/DC和DC-AC转换器的完全有源拓扑结构[18]。
A. SMES的建模与控制
图2为与SMES磁铁集成的DC/DC斩波器的典型拓扑结构。原则上， SMES的储能ESMES和可用功率PSMES为：(1)
其中LSC是磁铁电感；ISMES是磁铁电流；Udc是直流母线电压；Pref-SMES是参考功率。
SMES在不同条件下对微电网的预期影响定义为：1）如果微电网正常运行并与主网络进行能量交换，则SMES可用于缓解公共点短期功率波动（高频功率分量）。 2）当微电网遇到外部故障时，将触发其孤岛模式，SMES的目的是控制微电网的电压和频率，以实现平稳的模式转换。 3）如果发生内部故障，建议微电网进行故障穿越（FRT）操作，SMES将调节功率流以减轻公共点的故障电流。
（a）P-Q控制模式
（b）V-F控制模式
图3 用于微电网的SMES逆变器的
控制框图。
图3为用于微电网的SMES控制框图。根据图3(a)，有功和无功功率(P-Q)控制是处理正常情况和内部故障。根据图3(b)，电压和频率(V-F)控制用于处理外部故障。这里不仅使用了电压外环调节器和电流内环调节器[19]，将被而且还使用了基于频率调节的开环控制。这意味着将经过积分处理的频率基准发送到脉宽调制(PWM)脉冲中，使SMES逆变器的电压输出控制在给定的频率范围内。
B. 电池建模与控制
在典型铅酸蓄电池[20]的基础上，图4为应用的等效电池模型。当微电网正常运行时，蓄电池的储存是为了抑制PCC中的长期功率波动（低频功率分量）。对于故障，蓄电池将作为备用支持并与SMES合作，当SMES可用容量不足时尤为重要。为确保合作的一致性，蓄电池的DC-AC逆变器也具有与SMES类似的P-Q和V-F控制模式。
图4 应用等效电池模型
另外，对于蓄电池储能的DC-DC逆变器，它用于控制充电和放电状态，并且通过参考文献[21]，电路方程可以表示为：
(2)
其中uc是DC-DC逆变器的电容电压；iL是流过电感的电流；iinv是DC-DC逆变器到DC-AC逆变器的电流；Ebat是电池的开路电压；D是占空比；R是电池的等效电阻。如图5所示，DC-DC逆变器采用双闭环结构。
图5 直流-直流逆变器的双闭环控制
C. 微电网中SMES电池的协调
为了协调SMES和电池，考虑了三种基本的运行模式：1）仅使用SMES； 2）SMES和电池的组合使用； 3）仅使用电池。在此，选择磁铁电流ISMES作为决定电池何时起作用以及SMES停止运行的关键因素。 此外，引入了当前系数alpha;来评估ISMES的变化和计算标准如下表所示。
表1
SMES电池内部故障的协调
表2
SMES电池外部故障的协调
表1显示了SMES和电池在内部故障下如何分配总功率参考(Pref,，Qref)。此时，电池的参考量(Pb, Qb)会随着电流ISMES的减小而线性增加，只要微网接入主网，SMES电池的P-Q控制模式就会继续工作。要注意的是，对于SMES和电池的功率均衡，以处理微电网的正常状态波动，可以适当地采用低通滤波器来执行主要安排，并且可以赞赏地应用有效的驱动高频和低频功率组件的分级策略[10],[11]。
如表2所示，当SMES电池处理外部故障时，根据PCC断路器（Spcc）和磁铁电流ISMES激活P-Q控制和V-F控制之间的转换。从这个表可以看出，当磁铁电流下降到一定范围时，SMES和电池将同时切换到V-F控制方案，并且可以完全满足容量要求。在这种情况下，应该注意，当SMES和蓄电池的电压、频率参考值有差异时，可能会引起它们之间的循环电流。为了使系统处于稳定状态，必须限制较高的环流。
为了解决这个问题，一种避免不稳定状态的潜在解决方案是通过V-F控制来减少SMES和电池的时间重叠，可以通过控制电池的切换时间来实现。 另一种解决方案是引入虚拟阻抗，控制方案的改进有助于增强系统的稳定运行[22],[23]。综上所述，图6显示了SMES电池的完整协调情况。
图6 SMES电池协调方法的设计
3 性能评估
为了评估和验证SMES电池对演示的微电网的影响，在MATLAB中建立了对应于图1的仿真模型，仿真参数如表3所示 [24]-[26]。
表3
模型主要仿真参数
同时还考虑了微电网在不同故障情况下对超导磁体的性能进行检测，对8H/200A超导磁体进行了参数化设计，其设计过程和设计方法主要参考了我们以往的工作[27]，重点是对光伏用90KJ超导磁体的概念设计和性能评估系统，但没有研究微电网的运行控制和电池的利用率。
图7为设计的8H/200A超导磁体的结构示意图，该磁体由美国超导公司的高温超导带材SCS6050制成，并通过传导冷却。表4显示了详细的SMES磁铁数据。
图7 设计的8H/200A超导磁体
结构示意图
表4
超导磁体设计参数
A. 内部故障仿真
内部故障的仿真，它在t = 0.5s时出现在负载2上，故障电阻设置为1Omega;[17]。图8为微电网在PCC处的功率交换，图9为储能器的功率输出特性。在本研究中，我们比较了与SMES电池和仅与电池的比较，并在较宽的时间范围内观察它们的行为，故障持续时间为1.5 s。
图8 微电网内部故障时PCC处的
功率交换。
图9 内部故障下储能器的功率输出。
由于主网在故障期间增加了对PCC的功率注入，会引起PCC中故障电流的上升。为了避免微电网被电流继电器跳闸，抑制故障电流至关重要，通过控制储能实现对PCC的反向功率注入。图10为PCC的故障电流。对于SMES电池，在故障馈电的初始阶段，PCC中的功率波动和故障电流都得到了很好的缓解。对于只有电池，其故障响应存在时滞，功率补偿需要较长的过渡过程。观察到，电池的故障电流约为SMES电池的1.42倍。因此，SMES电池能够比仅电池更有效地提高微电网的暂态性能。
图11表示SMES电池的功率分配和磁铁电流ISMES的变化，所示的仿真结果完全符合内部故障的协调原则，ISME的变化决定了SMES和电池之间的补偿作用和功率分配，当磁铁电流降至初始工作电流的40%时，电池应完全取代SMES。内部故障排除后，主网络开始对SMES电池充电，这是SMES电池的合理设计，可以及时恢复图10 内部故障下微电网PCC中的
故障电流。
（a） SMES和电池之间的功率分配
（b）磁铁电流ISME
图11 SMES电池内部故障下的
运行特性。
图12 SMES磁体内部故障时的
交流损耗。
自身，在后续的运行中发挥作用。由于详细的仿真模型与有限的PC机进行仿真分析存在权衡，故论证的结果没有详细说明在排除内部故障后微电网的特性。
图12为SMES磁体在内部故障下的损耗。用有限元法建立了磁体的交流损耗数值模型，用COMSOL软件计算了磁体的交流损耗。在仿真分析中，设计了在t=0.5s之前，磁铁电流几乎是恒定的（这意味着在0sim;0.5s内几乎没有功率波动），交流损耗几乎为零。当故障发生时，SMES首先对微电网的暂态行为做出响应，并进行功率交换，磁铁电流的变化使交流损耗开始增大。可以观察到，最大损耗功率为380w。
值得注意的是，交流损耗和故障清除时间之间没有直接关系。 SMES快速响应以弥补早期电源故障，而电池则弥补了后期电源不足。 从结果来看，SMES几乎完成了自己的任务，电池在1.5秒内就发挥了领先的功率补偿作用，并且在故障消除之前（t = 2s）AC损耗开始减小。应该指出的是，最大损耗功率也与SMES的输出功率有关。 如果故障持续时间更长，并且在故障馈送期间需要SMES输送更多功率，则可能会导致SMES磁体的交流损耗瞬时功率更大。
B. 外部故障仿真
关于外部故障的仿真，在t = 0.5s发生在PCC上，并且在100 ms之后，PCC断路器将断开主电网。图13和14显示了在外部故障下能量存储对微电网的PCC电压和频率波动的影响，并进行SMES电池和仅与电池的比较。 由于PCC断路器的断开操作，会引起轻微的开关过电压，是额定电压的1.2倍，并且会导致负载功率的短暂增加。 通过对所提出的储能方式的性能特性的比较，说明与仅使用电池相比，使用SMES电池可以更有效地补偿电压骤降和抑制频率波动。
图15为外部故障下SMES电池的功率响应，包括总功率输出以及SMES和电池各自的贡献。 一旦获得成功的孤岛操作（打开了Spcc），SMES将立即从原始P-Q控制转移到V-F控制。 大约230毫秒后，电池将执行类似的控制转换，并且当t = 2.11s时，SMES将停止运行。因此，上述控制过程非常适合理论分析。
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