超导技术及其应用PPT格式课件下载.ppt
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,SMES的概述功率调节系统拓扑结构,用于电力系统的SMES的拓扑结构不外乎两大类。
一类是电流源型SMES,简称CSMES,其中的功率调节系统是由输出直流电流可控的电流型变流器组成;
另一类是电压源型SMES,简称VSMES,其中的功率调节系统是由输出直流电压可控的电压型变流器和斩波器组成。
SMES的概述装置结构,右图是SMES装置的具体结构原理图,该结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出来的。
如图所示,SMES装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、功率变换装置、失超保护系统和监测控制系统几个主要部分组成。
SMES的概述装置结构,35kJ/7.5kW高温超导磁储能装置,左图中,SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统、SMES用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超导磁体。
SMES的概述装置结构,监控系统结构,SMES的概述装置结构,35kJ/7.5kW高温超导磁体,SMES的磁体系统,运行时,低温系统的杜瓦真空可保持在0.10.2Pa,通过制冷机的冷却,磁体表面温度以及电流引线温度保持在19K21K。
SMES的概述装置结构,SMES的磁体系统35kJ/7.5kW高温超导SMES的磁体磁体参数,SMES的概述装置结构,SMES的磁体系统,日本住友公司研制的超导磁体,SMES的概述装置结构,SMES的低温容器,SMES低温容器结构图,SMES的概述装置结构,SMES的制冷系统,低温系统使用直筒立式真空杜瓦结构。
超导磁体笼罩于真空杜瓦内部。
杜瓦内部的超导磁体外围安装辐射屏,其内部保持高真空环境(真空度达10-1Pa数量级)。
采用制冷机直接传导冷却工作方式,低温环境由两台大冷量GM制冷机提供。
其中一台为单级制冷机,冷头的制冷量为30W/20K,用于冷却超导磁体。
另一台为双级制冷机,一级冷头的制冷量为40W/80K,用于冷却二元电流引线中的高温超导电流引线;
二级冷头的制冷量为10W/20K,用于冷却辐射屏和二元电流引线的铜引线。
SMES的概述国外研究现状,日本,先后研制了多个kJ级和MJ级的SMES。
在完成SMES动模实验研究的基础上,正在电力系统上开展了MJ级SMES的试验研究。
SMES的概述国外研究现状,德国,1997年建造完成了一个由6个超导线圈组成的2MJ的环形SMES装置。
现正在进行150kJ的高温超导SMES的研究工作。
SMES的概述国外研究现状,SMES的概述国内研究现状,1999年中科院电工所研制了一台300A/220V,25kJ的SMES试验装置。
在中科院知识创新工程支持下,电工所目前正在开展超导储能系统的研制工作,并计划完成2.5MJ/1MW超导储能系统的研制工作,但前还没有看到相关报道。
清华大学进行了20kJ/15kW超导储能磁体的研制工作,但未见相关电力系统应用动模实验结果报道,同时该校还准备计划在学校网络中心安装基于500kJ的SMES作为应急备用电源储能设备。
1电压型SMES的功率控制,VSMES功率控制VSC的数学模型,六脉冲电压源型变流器拓扑结构,根据基尔霍夫定律可以建立六脉冲电压源型SMES的时域数学模型:
VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的三相静止ABC坐标系模型,VSMES功率控制VSC的数学模型,根据PARK变换的定义并遵循功率不变的原则,可以得到从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵为,3/2坐标变换,三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,三相静止ABC坐标,两相静止0坐标,两相旋转dq0坐标,三相静止ABC坐标系到两相坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,三相静止坐标系ABC分量,两相静止坐标系的0分量,两相旋转坐标系的dq0分量,两相坐标系到三相静止坐标系的变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的ABC坐标系模型到dq0旋转坐标系模型的转换,拉氏变换,拉氏反变换,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型的原理框图,同步旋转坐标系下VSC结构框图,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制,d、q轴电流除受控制量urd和urq的影响外,还受耦合电压wLid和wLiq、以及变流器交流侧输入电压usd和usq的影响,假设变换器输出的电压矢量中包括三个分量,即,VSMES功率控制VSC的数学模型,VSC的dq0旋转坐标系模型中的dq电流独立控制,在同步旋转坐标下进行VSC控制的基本思想是:
希望得到装置的单位功率因数。
为此,输入电流必须跟踪输入电压,在dq坐标系中,通过将输入电压矢量定位在d轴上,控制电流矢量也只含有d轴分量,而不含q轴分量,则可以实现装置的单位功率因数特性。
解耦双闭环控制结构原理图,VSMES功率控制VSC的输出功率,单相等效电路图,VSC单相等效电路向量图,VSMES功率控制VSMES的斩波器,斩波器的拓扑结构如图所示,这是一个两象限斩波器,其目的是控制电容上的直流电压并向磁体外部或向磁体内部提供所需的超导储能。
它由2个可控开关功率器件(如GTO)和2个大功率二极管组成。
VSMES斩波器结构,VSMES功率控制VSMES的斩波器,VSMES斩波器的工作原理及其控制,开关器件和二极管器件的动作需按照SMES的实时工作状态进行调整,具体调整过程如下:
磁体起磁或磁体储能状态,在这两种工作状态中,G8恒通,G7斩波,同时变流器控制直流电压Udc恒定。
磁体电流续流状态,G8恒断、G7恒通。
变流器控制直流电压Udc恒定。
磁体放磁或释能状态,在这两种工作状态中,G8恒断、G7斩波,同时控制电压Udc恒定。
VSMES功率控制VSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲VSMES的主拓扑,VSMES仿真模型的主电路,VSMES功率控制VSMES仿真模型,VSMES仿真模型的控制电路,图中Udr&
Uqr组件和Idr&
IqrCalculate组件一起实现了前面所简述的双环解耦控制原理,也就是电压/电流双环控制部分。
VSMES变流器控制框图,VSMES功率控制功率控制仿真,参数:
三相电压源相电压为800V;
直流电容为10mF,超导线圈等效电感为10H;
超导线圈额定电流为500A(储能1.25MJ);
电网频率为50Hz;
电容电压Udc为3000V;
交流侧电感L为5mH;
仿真时间为20s。
VSMES仿真模型参数,Qref指令,Pref指令,VSMES功率控制仿真结果,VSMES的功率跟踪,Psm对Pr的跟踪结果,Qsm对Qr的跟踪结果,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的Udc和Ismes,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的Udc和Ismes,VSMES功率控制仿真结果,VSMES功率调节中的输入电压和电流,电源侧三相电压曲线,电源侧三相电流曲线,电源侧三相电流局部曲线放大图,电源侧三相电压局部曲线放大图,2电流型SMES的功率控制,CSMES功率控制CSC的数学模型,根据基尔夫定律可以建立六脉冲电流源型SMES的时域数学模型:
CSMES功率控制PWM开关策略,基于触发模式的PWM开关策略原理,CSMES功率控制PWM开关策略,调制波信号发生器和载波信号发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,调制脉冲发生器工作原理,调制脉冲发生器,CSMES功率控制PWM开关策略,斜坡函数发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,触发模式选择器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,触发脉冲发生器工作原理,CSMES功率控制PWM开关策略,CSC输出电流特性,特点,改进型PWM控制下的电流源型变流器输出的电流中在任何情况下都不再含载波谐波分量,并且在n2为3的整数倍或n1+n2为偶数时,边带谐波也为零。
输出电流中基波分量的幅值和相位具有很好的可控性。
CSMES功率控制CSC的输出功率,CSC输出功率控制方法,CSMES功率控制CSMES输出功率,CSMES输出功率控制框图,CSMES功率控制CSMES仿真模型,PSCAD中的六脉冲CSMES的主拓扑,CSMES仿真模型的主电路,CSMES功率控制CSMES仿真模型,CSMES仿真模型的控制电路,CSMES的PWM控制框图,CSMES功率控制CSMES仿真模型,CSMES仿真模型的控制电路,csmes功率控制原理框图,CSMES功率控制功率控制仿真,参数:
三相电压源相电压为14000V;
变流器交流侧等效电感400uH,滤波电容为130uF,仿真时间为20s。
CSMES仿真模型参数及功率跟踪,Psm,Qsm,Id运行结果,CSMES功率控制仿真结果,CSMES的功率跟踪,Psm对Pr,Qsm对Qr的跟踪结果,CSMES功率控制仿真结果,CSMES功率调节中的输入电压和电流,电源侧A相输入电流曲线,电源侧A相输入电流局部曲线放大图,3基于嵌入式SMES监测控制系统,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的主要功能,监测功能,控制功能,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统结构,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式基于RS485串行通信的数据交换,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的数据交换方式基于DRAM的数据交换,基于嵌入式SMES监测控制系统,监控系统的主要特点,由于软件和硬件采用模块化设计思想,因此所研制监控系统的各插件在软件和硬件方面具有很好的通用性。
具有良好的监控功能扩展能力。
只要按照所制定的数据交换接口定义和所要实现的监测功能对插件的硬件和软件进行设计,就可以方便地实现监控系统的其它功能扩展。
同时使监控系统在软件和硬件平台上具有良好的开放性,使其胜任其它FACTS装置的监测控制功能。
具有稳定的工作可靠性。
任何构成插件的故障都只会影响监控系统某一特定监控功能,但其它监控功能仍然可以正常工作。
由于采用插件式结构,因此便于工作人员对故障插件进行离线维护调试。
具有较强的灵活工作方式。
即可以分别用于SMES的状态监测、状态录波以及对SMES在电力系统实现特定用途的控制,还可以将上述三种功能进行任意组合使用。
435kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,35kJ/7.5kW高温超导SMES装置,左图中,SMES各组成设备从左至右依次为SMES的监测控制系统、SMES用于功率调节的电流型变流器、提供超导运行环境的低温制冷系统和高温超导磁体。
35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,SMES的磁体系统,35kJ/7.5kW高温超导磁体,现场安装中的高温超导磁体,35kJ/7.5kW高温超导SMES及其功率调节特性SMES装置,S
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- 超导 技术 及其 应用