1 背景
中国科学院等离子体物理研究所组装了世界上第一个全超导托卡马克聚变实验装置EAST[1]。实验时，超导线圈需要在稳定的低温环境中工作，并持续2-3个月。期间，如果发生意外事故导致低温环境无法保持，比如，雷电冲击或其他电网故障引起的大电压骤降或短暂中断将导致氦液化器/冷冻机的循环压缩机和涡轮膨胀机立即跳闸，并导致SC的失冷。再恢复超导线圈的低温稳定条件将花费大量费用[2]。为了避免电压突然骤降事故，本文使用不间断电源（UPS）为超导储能系统（SMES）供电。本文提出的SMES-UPS方案的优势在于，它将EAST的环形场超导线圈（TFSC）重新用作超导磁体，从而无需新建线圈，节省大量成本[3]。
2 SMES系统原理和组成
SMES系统相比其他储能方式，其成本高昂，运行维护困难。进年，随着SMES线圈集成到现有FACTS设备中，由于节省了逆变器单元，成本方面有了明显下降。逆变器单元通常是整个SMES系统最大的成本来源。之前学者的研究表明，微型SMES系统，比如容量0.1 MWh和中型SMES系统，比如容量（0.1–100 MWh）的SMES系统，在国家电网的输配电系统中应用的经济性更高。随着高温超导体，即对制冷的需求降低后，SMES的应用前景也更具成本效益。目前，世界各地都有许多正在进行的SMES项目。
SMES单元是一种将能量存储在流经超导线圈的直流电流产生的磁场中的设备。电感存储能量（以焦耳为单位）和额定功率（以瓦特为单位）通常是SMES设备的给定规范，它们可以表示如下：
e=1/2Li2,p=de/dt=Lidi/dt=vi
其中，L是线圈的电感，i是流过线圈的电流，v是线圈两端的电压。由于能量是以电流的形式储存的，因此可以从SMES单元中提取能量，并对储存或输送的能量做出几乎即时的响应，时间从几分之一秒到几个小时不等。SMES装置由低温下的大型超导线圈组成。该温度由包含氦气或氮气液体容器的低温恒温器或杜瓦保持。功率转换/调节系统（PCS）将SMES装置连接到交流电源系统，用于对线圈进行充电/放电。通常使用两种类型的功率转换系统。一种选择是使用电流源转换器（CSC）连接交流系统并对线圈进行充电/放电。第二种选择使用电压源转换器（VSC）与交流系统接口，并使用直流-直流斩波器对线圈进行充电/放电。VSC和直流-直流斩波器共用一条直流总线。充电/放电/待机模式是通过控制SMES线圈两端的电压来获得的。SMES线圈通过在超导线圈上施加正电压或负电压来充电或放电。
3 基于PSCAD的SMES系统仿真分析
SMES外壳有两套控制装置，一套用于保持电容器直流电压，另一套用于对电感器充电/放电。没有实际的无功功率控制，但作为脉冲电桥的一部分，有一个“Iq”参考的设定点。如果需要包括无功功率控制，可以通过PI控制器设置该无功功率控制器，从而修改“整流器控制页面”中的“Iqref”量。PLL产生的角度已设置为“d”轴控制有功功率，“q”轴控制无功功率。关于功率控制，在SMES中，有一个充电/放电模式选择器。在最初给反应堆充电，然后切换回放电模式后，可以添加SMES输入/输出功率的控制。建立的SMES系统如图1所示。超导磁储能在第一、二象限和第三、四象限的有功和无功输出实现四象限的稳定运行，如图3所示。
图1基于PSCAD的超导储能系统模型
图2超导磁储能系统在第一、二象限和第三、四象限的有功和无功输出
参考文献
[1] Weng Peide, “Progress of HT-7U superconducting tokamak”, Fusion Engineering, 2002 (1), pp.282-284
[2] 刘小宁, 王付胜, “基于托卡马克超导纵场线圈的 SMES-UPS 变流器设计及其控制策略”, 中国电机工程学报, 2004, 24(11), pp.172-176.
[3] 徐德鸿, 正田英介, “超导储能装置用 GTO PWM 电流型变流器模块方阵”, 中国电机工程学报, 1998,18(2), pp.124-129.
