SMES用电压源型变流器控制策略及其仿真

三相电压型PWM整流器设计与仿真1 绪论随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。

传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：1）无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；2）谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；3）传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。

电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。

国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。

我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93)，传统变流装置大多数已不符合这些新的标准，面临前所未有的挑战。

目前，抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种：一是设置补偿装置。

通过对已知频率谐波进行补偿，这种方式适用于所有谐波源，但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿，应用范围受限。

并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰，容易发生并联谐振，导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁；而是对整流器装置本身性能进行改造，通过优化控制策略和参数设置，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波，实现单位功率因数运行即功率因数为1。

目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术(PFC技术)，由于PWM调制技术引入整流器中，使得整流器能够获得较好的直流电压并且实现网侧电流正弦化，PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。

1 绪论随着功率半导体器件技术的进步，电力电子变流装置技术得到了快速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各种变流装置，如变频器、逆变电源，高频开关电源以及各类特种变流器等，电力电子装置在国民经济各领域取得了广泛的应用，但是这些装置的使用会对电网造成严重的谐波污染问题。

传统的整流方式会无论是二极管不控整流还是晶闸管相控整流电路能量均不能双向传递，不仅降低能源的利用率还会增加一定的污染，主要缺点是：1）无功功率的增加造成了装置功率因素降低，会导致损耗增加，降低电力装置的利用率等；2）谐波会引起系统内部相关器件的误动作，使得电能的计量出现误差，外部对信号产生严重干扰；3）传统的结构，能量只能单向流动，使得控制系统的能量利用率不高，不能起到节能减排的作用。

电网污染的日益严重引起了各国的高度重视，许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。

国际电工学会于1988年对谐波标准IEC555-2进行了修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准。

我国国家技术监督局也于1994年颁布了《电能质量公用电网谐》标准(GB/T 14549-93)，传统变流装置大多数已不符合这些新的标准，面临前所未有的挑战。

目前，抑制电力电子装置对电网污染的方法有两种：一是设置补偿装置。

通过对已知频率谐波进行补偿，这种方式适用于所有谐波源，但其缺点是只能对规定频率的谐波进行补偿，应用范围受限。

并且当受到电网阻抗特性或其他外界干扰，容易发生并联谐振，导致某些谐波被放大进而使滤波器过载或烧毁；而是对整流器装置本身性能进行改造，通过优化控制策略和参数设置，使网侧输入的电压和电流呈现接近于同相位的正弦波，实现单位功率因数运行即功率因数为1。

目前治理谐波和无功主要是采用功率因数校正技术(PFC技术)，由于PWM调制技术引入整流器中，使得整流器能够获得较好的直流电压并且实现网侧电流正弦化，PWM整流技术已经成为治理电网污染的主要技术手段。

超导储能系统概述及应用浅谈作者：舒峰仇前生涂鑫国牛俊琪汪诗经王海波来源：《科学与财富》2019年第04期摘要：当今电网特高压和远距离输电技术飞速进步、可再生能源容量不断升高，全国大电网格局逐步形成，电力系统动态稳定问题日渐突出。

超导储能装置（SMES）具有蓄能量高、转换效率好、响应速度快、应用灵活等优点，可以高速高效调节系统与超导磁体之间的功率交换，将在改善用电质量，提高系统运行的可靠性以及稳定性等方面起到重要的推动作用。

关键词：超导储能系统;电力系统;稳定水平伴随着我国现代社会的高速发展，大家对于电能的需要日渐增长，发电系统的建设规模和储存容量也越来越大，不同地区电网之间联系越来越紧密。

为了提高电力系统的稳定性、可靠性和安全性以及改善电能质量，基于现代电力电子技术与现代控制技术，对交流输电系统的阻抗、电压、相位实现灵活快速调节的柔性交流输电技术（FACTS ）得到发展迅速。

超导储能技术属于新一代的FACTS，与其它形式FACTS不同的是它能够通过SMES变流器高效地将电能直接存储在超导磁体中，实时提供有功和无功补偿，使得系统功率调节范围扩大。

1.超导储能装置探讨目前常用的储能装置包括超导储能装置（SMES）、电池储能装置（BES）、超级电容（SCES）、飞轮储能（FES）、压缩空气储能（CAES ）等。

其中，超导储能装置（SMES）将能量以电磁能的形式直接储存在超导线圈中，在需要时再将电磁能返回给负载或电网的一种快速、高效的储能装置。

超导储能与其他储能装置相比，有以下优点：①储能密度高，无损耗，超导线圈运行在超导态下没有直流焦耳损耗，可传导平均电流密度比常规线圈高1-2个数量级，可达到很高的能量密度（约为108J/m3），且长时间无损耗的储存能量;②转换效率高（≥96%），通过变流器控制实现与电网的能量交换，响应速度快（ms级）;③能量功率大，控制方便，使用灵活，超导线圈的出能量与变流器的容量，可独立地在大范围内选取，控制超导磁体与系统进行有功、无功功率的交换。

第38卷第24期电力系统保护与控制Vol.38 No.24 2010年12月16日Power System Protection and Control Dec. 16, 2010 超导储能装置提高风电场暂态稳定性的研究张占奎1，王德意1，迟永宁2，李 琰2，王伟胜2（1.西安理工大学电力工程系，陕西 西安 710048；2.中国电力科学研究院，北京 100192）摘要：对风电场安装使用超导磁储能装置增强风电场暂态稳定性进行了研究。

在建立超导磁储能装置模型的基础上，提出了改善并网风电场暂态稳定性的超导磁储能装置控制策略，采用以网侧电压定向的矢量控制方案并通过附加前馈项实现其输出有功功率、无功功率的解耦控制。

在电力系统分析软件DIgSILENT/PowerFactory中建立了超导磁储能装置及其控制的仿真模型，基于实际电网及风电场的仿真结果验证了所建模型的正确性、控制策略的可行性。

简要介绍了超导磁储能装置在并网风力发电系统的应用前景。

关键词：风电场；超导储能；暂态稳定；前馈解耦；矢量控制Study of transient stability enhancement of wind farm by application of superconducting magnetic energystorage devicesZHANG Zhan-kui1，WANG De-yi1，CHI Yong-ning2，LI Yan2，WANG Wei-sheng2（1. Department of Electrical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2. China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）Abstract：The application of superconducting magnetic energy storage (SMES) devices to improve wind farm transient stability is researched Based on the model．ing of the SMES t，he corresponding SMES control strategy is designed for the improvement of wind farm transient stability T．he SMES output active and reactive power decoupling control is achieved by adopting a grid-side voltage-oriented vector control programs and through additional feed-forward options．The simulation model of SMES and its control system are established in power system analysis software DIgSILENT/PowerFactory The simulation of an actual areas wind farm．verifies the validity of the model and the feasibility of the control strategy Finally a brief introduction．，is given about the application prospect of SMES device in grid integration wind power generation system．Key words：wind farm；superconducting magnetic energy storage（SMES）； transient stability； feed-forward decoupled； vector control中图分类号： TM74；TM917 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2010)24-0038-050 引言风力发电作为最具有商业化发展前景的可再生能源发电在世界范围内得到了快速的发展。

2021年3月Power Electronics March 2021模糊神经网络下的SMES三相五电平变流器控制李俊泓\魏振兴2(1.广安职业技术学院，四川广安638000; 2.西南交通大学，电气工程学院，四川成都611756)摘要：可再生能源所存在的不稳定性和间断性对电力系统带来了压力，因而需要设计好的控制算法调节变流装置使超导储能（SMES)系统带动微网实现可靠运行。

这里提出了一种复合式模糊神经网络控制策略，首先，研宄了基础三相五电平电流型变流器和SMES系统的拓扑结构，并给出被控拓扑模型。

进而在载波叠加调制比例积分微分（PID)控制的基础上，提出模糊控制策略与3层B P神经网络结合的控制方法，并完成对比实验分析。

结果表明所提方法应用于SMES型微网中所产生的电流纹波和畸变程度较小，总电流变化后调整速率均较快；此外，当微网电压处于不平衡状态时，不容易被谐波所影响。

关键词：变流器；超导储能；模糊控制；神经网络中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(202U03-0130-05Research on SMES Three-phase Five-level Converter Controlled byFuzzy Neural NetworkLI Jun-hong1,WEI Zhen-xing2(X.Guang^ an Vocational Technical College, Guangy an638000, China) Abstract ： The instability and discontinuity of renewable energy bring pressure to the power system, so it is necessary to design a good control algorithm to adjust the converter and make the superconducting magnetic energy storage (SMES) system driving the micro grid to achieve reliable operation.A hybrid fuzzy neural network control strategy is proposed.Firstly, the topology construction of the basic three-phase five-level current converter and SMES system is studied, and the controlled topology model is given.Then on the basis of carrier superposition modulation proportion integral differential(PID) control,a control method combining fuzzy control strategy and three-layer BP neural network is pro­posed. A three-phase five-level SMES micro-network system is applied to complete the comparative experimental anal­ysis. T he results show that the current ripple and distortion caused by the method applied to SMES micro-grid is small,and the adjustment rate after the total current changes is faster.In addition,when the voltage of the micro grid is in an unbalanced state,it is not easy to be affected by harmonics.Keywords：converter；superconducting magnetic energy storage；fuzzy control；neural networkFoundation Project: Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61601382)i引言随着社会与经济的飞速发展，能源大规模损 耗和环境问题层出不穷的不平衡性日益突出。

基于混合高温超导储能系统的电网动态功率补偿策略与试验诸嘉慧;宝旭峥;丘明;董明会;詹智华;黄宇淇【摘要】为实现高温超导储能系统（SMES）对电网功率波动的动态补偿,采用第1代铋系和第2代钇钡铜氧高温超导材料,设计并构建了过冷液氮温区运行、千焦级容量的混合高温超导储能系统。

应用数字信号处理器和微控制器的双处理器形式,设计了LCL滤波的电压型SMES变流器的功率控制系统电路,基于空间矢量脉冲调制法（SVPWM）,提出了SMES变流器对系统功率补偿的控制方法,并进行控制软件编程,实现对并网侧功率的动态监测和补偿策略的实时计算。

最后应用SMES在一条200km输电线路上进行并网动模试验,针对电网负荷变化产生的功率波动状态,实现了毫秒级内对电力系统的快速功率输出和波动抑制,验证了超导储能系统对电网瞬时功率补偿策略和功率补偿变流装置的有效性。

%A kJ class high temperature superconducting magnetic energy storage system（HT-SMES）composed of first generation（BSCCO） and second generation（YBCO）HTS wires with sub-cooled LN2 cooling system was optimal designed and applied for the power fluctuation compensation in power system.A dual processor combined with the digital signal processor（DSP） and the micro-programmed control unit（MCU） was proposed and used in the LCL filtered voltage source converter for the hybrid SMES.Based on the SVPWM the power fluctuation compensation strategy of the SMES and its program realization based on the code composer studio（CCS） were given for achieving the dynamic monitoring and compensation strategy calculation in power system.Finally,a dynamic simulation test system with this SMES and a 200km length transmission line for compensation thepower fluctuation was build up.The experimental results show that the SMES can output the required compensation electric power and restrain the power fluctuation in millisecond,which validate the effectiveness of the SMES converter and the control strategy as well.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2012(027)008【总页数】7页(P14-20)【关键词】高温超导储能系统;铋系超导体;钇钡铜氧涂层导体;动模试验;功率波动补偿【作者】诸嘉慧;宝旭峥;丘明;董明会;詹智华;黄宇淇【作者单位】中国电力科学研究院,北京100192;中国电力科学研究院,北京100192 北京交通大学电气工程学院,北京100044;中国电力科学研究院,北京100192;中国电力科学研究院,北京100192;中国电力科学研究院,北京100192;福州电业局,福州350009【正文语种】中文【中图分类】TM917;TM7611 引言高温超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy System，SMES）通过功率变换装置可以实现所存储电磁能与电网之间的瞬时能量交换，提供有功或无功功率，用以抑制电力系统电压或频率波动，提高系统应对大扰动的能力，增强电网稳定性，成为目前储能应用技术发展的一个重要前沿领域。

SMES用电压源型变流器控制策略及其仿真摘要：本文简要介绍了SMES用电压源型变流器的基本原理.分析了其与电流型变流器的不同点，给出了基于VSC的储能装置功率调节系统的主电路及其数学模型，采用离散化状态反馈解耦控制策略设计控制系统，在Matlab/Snnulink坏境卜•进行仿真，验证了基T'VSC 的功率控制系统对阶跃和正弦波功率指令具有很强的跟踪能力，且能有效实现有功和无功功率的解耦控制。

关键字：SMES：功率调节系统：电压源型变流器；解耦控制0引言SMES在电力系统中的应用首先是由Ferner在1969年提出的。

SMES在电力系统应用中的研究巫点主要看眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应能力，提高电力系统稳定性、改善电能质量、提供系统备用容量、用于町再生能源发电及微网等。

功率调节系统是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁，根据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器町分为电流源型(Current Source Converter, CSC)和电丿*源型(Voltage Source Converter, VSC)两种基本结构o SMES用电压源型变流器和电流源型变流器的基本原理相同，都是通过开关管的动作，控制变流器交流侧输出电流的兴小和幅值，从而与交流系统进行四象限的有功和无功功率交换。

1SMES用电压源型变流器的基本原理SMES用电压源型变流器(VSC)的基本电路拓扑结构如图11所示。

由于VSC反馈无功能量时斩波器输出电压和电流反向，所有必需在开关器件处反并联二极管，使能量经二极管反馈回电源。

L代表每相的滤波电感，R代表滤波电感的内阻和开关损耗。

由于超导磁体固右•的电流源特性，VSC的直流侧必需并流斩波器来调节超导磁体两端的电压，斩波器配合VSC共同控制变流器功率交换，并以直流电流的形式将能量存储于超导磁体。

直流侧电容、斩波器和超导磁体一起构成VSC直流侧的稳压源，VSC町以等效为一个相位和幅值可控且频率分最对称的三柑电斥源。

VSC变流器直接功率控制策略研究与仿真周碧英【摘要】Voltage source converter (VSC) in the motor speed regulation, flexible AC and HVDC transmission has been widely used. By increasing the number of levels to improve and reduce the harmonic content of the output voltage to reach the capacity of the power system application requirements, VSC control is an important research direction. This paper analyzes the VSC mathematical model is proposed based on direct power control strategy, and in the MATLAB/Simulink in simulation analysis results show that the proposed control strategy can effectively control the output power.%电压源换流器（VSC）在电机变频调速、柔性交流输电及高压直流输电中得到了广泛的应用。

通过增加电平数可提高输出电压和减少谐波含量，达到电力系统应用容量要求，是VSC控制研究的重要方向。

本文在分析VSC数学模型的基础上，提出了直接功率控制策略，并在MATLAB/Simulink中进行了仿真分析，结果表明所提出的控制策略可对输出功率进行有效控制。

【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】3页(P178-180)【关键词】VSC;数学模型;开关函数;直接功率【作者】周碧英【作者单位】渭南师范学院数学与信息科学学院，陕西渭南 714000【正文语种】中文【中图分类】TN102电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的拓扑结构主要有两种[1]，一种是传统的三相全桥换流器；另一种是多电平换流器。

第3讲电压源型变流器的数学模型电力电子变换器是以电力电子器件为基础、采用一定的电路结构形式对电能进行变换的系统或装置，其显著特点是能够对电能进行灵活、准确、连续的控制。

因此，现代大容量风电机组大多引入了电力电子变换器以改善机组的运行性能。

目前，应用于风力发电中的电力电子变换器主要是基于全控型电力电子器件的交直交电压源型变流器，本节主要介绍电压源型变流器的数学模型。

3.1 三相电压源型变流器的工作原理图1给出了三相电压源型变流器的原理结构：直流侧并联一个单极性的直流电压源或支撑电容，直流电源或支撑电容的容量足够大，能在持续充/放电和器件换相过程中保持电压不会发生很大的变化。

为讨论方便，在本章中假定直流电容电压恒定，并且直流电流是双向流动的，从而实现电能的双向交换。

交流侧通过一定的接口电感与交流系统（电网或负载）相连，串联电感的作用是在交流电压源内阻抗较小的情况下，防止直流侧电容发生短路而快速向容性负载放电，损坏器件和装置。

接口电感可以是分立的电抗器，也可以是连接变压器的漏抗。

由于电压型变流器中电压的极性不变，而直流电流是双向的，因此所采用的可关断器件组（开关阀）只需阻断正向电压而无需阻断反向电压，同时应具备双向电流导通能力。

图中可关断器件V1和一个等容量的二极管VD1反并联构成电压型变流器的开关阀，同理，V2、VD2，…，V6、VD6也分别构成了5个开关阀。

可关断器件V1~V6一般有三个端子：两个端子联结在主电路中流通主电路电流，而第三端为控制端。

可关断器件V1~V6的导通或者关断是通过在其控制端和一个主电路端子之间施加一定的控制信号来控制的。

为防止直流侧电压源短路，同一支路上的上、下桥臂不能同时导通。

可关断器件导通后，联结在主电路中的两个端子之间的阻抗非常小，相当于短路；可关断器件关断后，联结在主电路中的两个端子之间的阻抗非常大，相当于开路，即可关断器件相当于可控理想开关。

下面以A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当可关断器件V1开通、V2处于关断状态时，正向直流端和交流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳变为Udc/2。