本文档属于类型b（科学论文中的综述类文章）。以下是针对该文档的学术报告：

作者与机构
本文由António J. Arsénio Costa和Hugo Morais共同完成，两位作者均来自葡萄牙里斯本大学（Universidade de Lisboa）的INESC-ID研究所（ Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores-Investigação e Desenvolvimento）。论文题为《Power Quality Control Using Superconducting Magnetic Energy Storage in Power Systems with High Penetration of Renewables: A Review of Systems and Applications》，发表于期刊《Energies》2024年第17卷，文章编号6028，发布日期为2024年11月29日。

主题与背景
随着可再生能源（如风能、光伏）在电力系统中的渗透率不断提高，电网的功率质量（Power Quality）问题日益突出，包括频率波动、功率振荡、电压闪变和谐波干扰等。传统储能技术（如锂离子电池）因响应速度慢、功率密度低等局限性，难以满足快速调节需求。超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）技术因其毫秒级响应速度、高功率密度（可达100 MW）和高循环效率（80%-97%）成为解决上述问题的潜在方案。本文综述了SMES在电力系统功率质量控制中的应用现状，重点分析了其在频率调节、功率振荡抑制、功率波动抑制和谐波滤波等场景下的系统设计、控制方法及技术挑战。

主要观点与论据

1. SMES的技术优势与系统组成
   SMES的核心优势在于其快速充放电能力（秒级响应）和高功率密度，远超传统储能技术。例如，超导磁体的能量密度为0.5–5 kWh/kg，虽低于超级电容（2.5–15 kWh/kg），但其功率密度可达超级电容的100倍。论文详细分析了SMES的系统组成：

   • 超导磁体：分为螺线管（Solenoidal）和环形（Toroidal）两种几何结构，材料包括高温超导体（如YBCO、BSCCO）和低温超导体（如NbTi）。表1对比了不同磁体的电感（0.03–174.7 H）、工作电流（12–1350 A）和储能容量（0.1–100 MJ）。
     
   • 电流转换电路：包括电压源变流器（VSC）与DC斩波器组合、电流源控制器（CSC）和晶闸管整流器（SCR）三类，其中十二脉冲SCR桥（图7）因其低成本和高可靠性，在频率调节中应用最广。
     

2. 频率调节（Frequency Regulation）
   在多区域电网中，SMES通过快速注入/吸收有功功率平衡发电与负荷需求，抑制频率偏差。论文归纳了两种主流控制模型：

   • 两级超前-滞后补偿模型（图9）：通过调节增益（(K_{SMES})）和时间常数（(T_1-T_4)）优化动态响应。例如，在含光伏/风电的系统中，该模型可将频率偏差控制在±0.05 Hz内（欧洲标准）。
     
   • 分数阶比例积分控制（FOPI）（图10）：通过调整直流偏置电流（(I{d0})）和环路增益（(K{id})）实现自适应调节，在六区域互联电网中验证了其鲁棒性（参考文献[62]）。
     表6显示，75%的研究针对两区域电网，且SCR接口占比最高（60%），但VSC+DC斩波器在响应速度上更具优势。
     

3. 功率振荡阻尼（Power Oscillation Damping）
   同步发电机（SG）并网或可再生能源逆变器投切会引发功率振荡。论文提出两种创新控制策略：

   • 比例积分-积分缓解（PI-IA）控制器（图11b）：通过深度强化学习（DRL）优化参数（(k_p=470, k_i=10)），将振荡衰减时间缩短40%（参考文献[67]）。
     
   • 模糊目标启发动态规划（Fuzzy-GRHDP）（图12）：基于多SG转子角偏差（(\Delta \omega_{ij})）的分布式控制，在虚拟目标电网中迭代优化SMES功率注入量，适用于高比例可再生能源场景（参考文献[69]）。
     

4. 功率波动抑制与谐波滤波

   • 混合储能系统：SMES与锂离子电池协同可平滑光伏功率波动（参考文献[16]），例如10 kJ SMES与电池组合使波动率降低70%（参考文献[17]）。
     
   • 有源谐波滤波：基于VSC的SMES系统通过空间矢量脉宽调制（SVPWM）实时补偿谐波电流，在微电网中实现THD（总谐波失真）%（参考文献[45]）。
     

技术挑战与未来方向
论文指出当前SMES的三大瓶颈：
1. 成本问题：超导磁体占总投资25%，且低温维护费用高，但高效率（98%）可部分抵消（参考文献[55]）。
2. 控制算法适配性：需开发预测控制算法以应对可再生能源出力不确定性（如风速/辐照突变）。
3. 政策框架缺失：需借鉴可再生能源补贴政策推动SMES商业化（如美国San Diego Gas & Electricity的ROI达71%案例）。

论文价值与意义
本文首次系统梳理了SMES在功率质量控制中的全场景应用，量化分析了93项研究的技术路线（图1统计框架）。其科学价值在于：
1. 提出“储能服务堆叠（ESS Stacking）”概念（参考文献[1]），为混合储能设计提供理论依据；
2. 揭示了FOPI和Fuzzy-GRHDP等先进控制在多时间尺度调节中的潜力；
3. 为高比例可再生能源电网的惯性支撑问题提供了技术路径。

亮点总结
1. 全面性：涵盖频率调节、振荡阻尼、波动抑制、谐波滤波四大场景，对比了15种超导磁体和3类转换电路。
2. 创新性：首次将DRL和模糊推理引入SMES控制，如PI-IA控制器（参考文献[67]）。
3. 实用性：给出成本数据（200–350 $/kW）和ROI分析（最高71%），为工程决策提供参考。

（注：实际生成内容约2000字，此处为缩略版本，完整报告需扩展实验细节和案例数据。）