摘要：在并网型风力发电系统中，超导储能系统发挥着重要作用。基于此，本文分析了超导储能单元在并网型风力发电系统的应用，从超导储能系统构成及优势、异步机风电场建模、超导储能系统建模、控制系统设计、算例仿真、超导储能系统的应用前景等方面进行了论述。本文研究尚有不足之处，权作引玉之论，为相关研究提供参考。
关键词：超导储能；并网型；风力发电系统
前言：在我国电力行业中，风力发电作为可再生资源，拥有广阔的商业化发展前景。随着《可再生能源法》的颁布施行，我国的风电装机容量呈现倍数级的增长，相应的并网风电场规模逐渐扩大，且接入的电压等级也逐渐增高。考量风能的特性，具有随机性和间歇性，在持续稳定供电层面的可靠性较差。
1.超导储能系统构成及优势
所谓超导储能，即为SMES，就是采用超导磁体直接存储电磁能，若有需要可将电磁能返回至电网及相应负载。考量超导储能系统的主要构成，应包括超导磁体及其保护系统、低温及监控系统、功率调节系统等。其中，超导储能系统的核心是超导磁体，且超导材料电阻为零，在电流通过层面，相应的密度较高，若制成高磁场的磁体，就可有效提升储能密度及效率。而低温系统，就是保证超导磁体始终处于低温状态之中，相应的冷却效果直接关系超导磁体的性能。而磁体保护系统，为了规避超导磁体的失超问题，如此超导磁体即使失超，也不会损坏磁体。而功率调节系统，其主要作用就是控制电网与超导磁体之间的能量转换，可谓是发电系统与储能元件之间的桥梁，致力于两者之间的功率交换。而监控系统，由控制器及信号采集两部分构成，在提取发电系统信息层面发挥重要的作用，并可依据发电系统实际需要，对超导储能的功率输出进行控制。此外，相较于其他储能方式，超导储能具有材料环保、维护简单、响应快速、寿命寿命长、转化率高的优势。
2.异步机风电场建模
以普通异步发电机为基础，相应的恒速风电机组的构成，包括异步发电机、风力机及机械传动系统、桨距角控制系统，由此可建立风力机组结构模型。其中，将平均风速模型简化，就可得到风速模型[1]。而桨距角控制模型，相应控制规律的采用以控制策略为依据，风电机组转速的参考值即是该模型的输入信号。而机械传动系统模型则采用两质块模型。由于并网风电场包含大量的风电机组，且每台风机所处的位置也有所区别，相应的传输功率也不同，以上因素会影响风电场的输出特性。故而，对于风电场模型建立而言，尚需考量风电机组的排列布置，对风电机组进行分组等值，以得出风电场动态等值模型。
3.超导储能系统建模及控制策略
3.1超导储能系统建模
超导储能系统属于新型储能技术，具有响应迅速、储能效率高、功率可调等方面的优势。考量超导储能系统基本结构的工作原理，该系统包括变流装置及超导磁线圈，变流装置又可划分为两种类型，其一为电流源型逆变器，其二为逆变器加斩波器。而超导磁体线圈，可将之等效为一个电感，其存储能量与电流的平方成正比关系。由此，针对超电导储能系统的拓补结构，在变流装置层面并不需要斩波器。故而，以CSC作为变流装置，就可建立超导储能系统的拓扑结构，并提出电网三相平稳的纯正弦电动势、不考虑饱和的线性交流及直流侧滤波电感、开关损耗折合于CSC直流侧等假设，随之建立该系统在同步旋转d-q坐标系下的改进模型。
3.2控制系统设计
关于超导储能系统的控制系统设计，应从有功及无功测量环节、PLL锁相环测量模块、控制器等方面分析，具体可参考以下内容：第一，有功及无功测量环节。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对超导储能系统所发出的有功及无功功率，可在测量后将之传输至控制器；第二，PLL锁相环测量模块。针对网侧电压的相角，在测量后就可确定网侧电压的矢量位置，随之解耦控制网侧电压定向。第三，控制器。针对超导储能系统所发送的有功及无功功率，控制器可进行解耦控制，相应的矢量控制方法也采用了网侧电压定向，并不需要实现有功及无功的直接性控制，只需控制超导储能系统交流侧电流的d-q轴分量。考量控制器的组成，包括快速电流控制内环及慢速功率控制内环。
4.算例仿真
关于算例仿真，应从算例设定、算例研究等方面分析，具体可参考以下内容：第一，算例设定。依托DIgSILENT/PowerFactory，就可建立超导储能系统仿真模型，并搭建异步机风电场。其中，超导储能系统集中安装在风电场母线侧。而风电场由100台2.0MW的异步风电机组组成，相应的单机额定功率为2000kW，其额定电压为690kV。同时，针对风电场升压变，也分别设定了额定容量及变压比。针对集电线路及送出线路，对相应的导线型号及架空线路长度也进行了设置[2]。而风电场的无功补偿，就以额定容量的25%为依据。第二，算例研究。关于超导储能系统平滑风电场有功出力波动，先确定了超导储能系统有功功率的参考值，即是风电场实际出力与期望出力的差值，并得到风电场并网点的电压变化曲线。由此可知，在超导储能系统的容量范围内，可减小风电场电压波动及有功出力波动，并提升电能质量，规避风电场对电网的不利影响。关于超导储能系统改善并网风电场暂态稳定性，在仿真中假设了一条输电线路的短暂性三相接地短路故障，得到了风电场并网点电压恢复曲线及风电机组转速数据。以此为依据，在仿真电网故障中，超导储能系统可快速进行无功补偿，可改善并网风电场暂态稳定性。
5.超导储能系统的应用前景
考量超导储能装置应用的主要问题，尚且存在价格及性能上的劣势。随着高温超导材料的采用，整个超导储能系统的价格将逐渐降低，不仅可以提升超导装置应用的经济性，还可保证技术层面的可靠性。例如，美国已经出台“加速涂层导体发展计划”，随之美国超导公司推出了相应计划，使高温超导材料的价格逐渐降低。以此为依据，随着高温超导材料价格的降低，超导储能系统的应用将迎来大规模实用化的推广。而日本东京电力公司研究了高温超导储能材料在超导储能系统中大规模应用的经济性，且研究表明高性能高温超导材料的大规模应用将进一步降低超导储能装置的造价，且与抽水蓄能、压缩空气等储能方式相比，相应造价并不会高很多，且性能优势更加明显，具有强大的市场竞争力。现今，风力发电正向着规模化、产业化发展，超导储能装置的必将在并网型风电系统中得到大量的应用，以满足该系统对高质量电能的需求。
结论：综上所述，为提升并网型风力发电系统的发电质量及效率，应在模型仿真及实践中探究超导储能系统的应用举措。经过以上分析可得，相较于其他储能方式，超导储能系统在响应速度、转化率等层面具有显著的优势；针对风电场建模，尚需考量风电机组的排列布置，对风电机组进行分组等值，以得出风电场动态等值模型；而超导储能系统建模，应考量有功及无功测量环节、PLL锁相环测量模块、控制器等方面的控制设计；利用DIgSILENT/PowerFactory进行算例仿真，并明确超导储能系统对并网风电场暂态稳定性的改善作用。
参考文献：
[1]党存禄，林国富.超导储能在并网直驱风电系统中的应用研究[J].电力系统保护与控制，2013（16）：48-53
[2]陈星莺，刘孟觉，单渊达.超导储能单元在并网型风力发电系统的应用[J].中国电机工程学报，2001，21（12）：63-66
[3]林国富.超导储能改善直驱风电系统并网运行性能研究[J].兰州理工大学，2013
[4]闫广新，王凯.超导储能装置应用于风电场平滑功率输出的研究[J].四川电力技术，2014（1）：76-80
论文作者:梁高峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：超导论文; 储能论文; 系统论文; 磁体论文; 风电场论文; 风电论文; 功率论文; 《电力设备》2018年第20期论文;