[科普中国]-可控超导储能

简介

上世纪90年代初以来,随着电力系统及电力工业市场化趋势的不断发展、用户对电能质量要求的不断提高,人们迫切需要开发出一种有效管理高度互联网的电力传输及分配系统的新技术,以保证电力系统的稳定性、可靠性以及供电的质量。超导储能,与现代电力电子变流器相结合,以其快速吸收和释放能量的功能,迅速发展成为一种强有力的电力系统能量管理技术。
根据电力市场彻底开放的趋势以及电力系统的实际需要,美国超导公司和通用电气公司自2000年起联合推广用于提高电网稳定性和可靠性的“DSMES”产品,使可控超导储能(SMES)技术迅速应用于电力系统。像美国的isconsin Public Service,Alliant Energy,Entergy,TVA,Pacifi-Corp,BC Hydro,Rayburn Country Electric以及Northeast Utilities等电力公司纷纷成为“DSMES”的用户,在华盛顿、德克萨斯和康涅狄等地区已安装有十几套`DSMES'长期运行在电网中,使电网的稳定性和可靠性得到了大大地提高,并因此使系统的输电容量以及负载容量得以较大程度的提高2。

由于可控超导储能装置向电网吸收和释放能量都是直接的,无需像电能“化学能或电能”机械能这样的能量转换,这使得SMES装置不仅具有很高的效率,而且还能非常迅速地与电网进行能量交换,其转换效率超过90%,响应速度一般为毫秒数量级。同电池、飞轮等其它储能方式相比,SMES装置还具有重复率高、无环境污染以及安全可靠等特点。
然而,同任何一种电力新技术一样,SMES技术和市场的进一步发展也面临着很大的挑战。电力市场彻底开放的进程是决定其前途的根本因素。美国加州、北美以及英国伦敦大停电的连续发生,充分说明了现代电力系统对有效管理高度互联电网的电力传输及分配系统新技术的迫切需求。可以预计,SMES技术将加速发展,并可望成为主要的电力基础设施之一,在市场开放的电力系统中起到非常重要的作用。

作为一种存储技术,超导储能(SMES—SupereonduetingmagnetiCenergystorage)由于不需要经过像电能一化学能或电能一机械能这样的能量转换,因此与蓄电池和飞轮等其他储能方式相比,具有更高的效率和更快的转换速度。近年来,随着电力工业市场化潮流及电力电子技术的飞速发展,可控SMES在电力系统中的应用前景也越加广阔。可控SMES在电力系统中的应用主要有两个方面:一是提高电网的稳定性和可靠性,二是改善用户电能质量。

为了研究可控SMES在电力系统中的应用技术,我们开发了一套20kJ/15kw的可控SMES实验装置。本文主要介绍该装置的SMES磁体、双桥绝缘栅双极晶体管(IGBT)电流型变流器以及基于双数字信号处理器(DSP)的控制系统,并给出装置基本的超导实验结果。

SMES装置的基本原理从储能的角度来看,SMES装置在概念上非常简单,其基本原理3就是对超导线圈通以直流电流从而将能量存储在线圈的磁场中。如果储能线圈是由常规导线绕制而成,那么线圈所存储的磁能将不断地以热的方式损耗在导线的电阻上。由于超导体的直流电阻为0,超导线圈中的能量会永久存储在其磁场中,直到需要释放时为止。

组成
超导线圈是一种直流元件,而SMES在电力系统中的应用却是面向交流电网的,那么在交直流的界面就需要一种功率变换装置,它通常是可控电力电子AC/DC变流器。SMES装置的基本结构,其中包括超导线圈、连接超导线圈和室温电缆的电流引线以及可控AC/DC变流器3。另外,SMES装置的辅助设备还有放置超导线圈的低温容器以及为
其补充冷却剂的低温制冷系统。

超导线圈SMES装置的核心是超导线圈,一般有两种结构,即螺线管结构和环形管结构。对于较大的SMES装置,螺线管线圈的制作成本远低于环形管线圈。然而,螺线管线圈的杂散磁场却要比环形管线圈严重得多。由于现阶段的高温超导体离实际应用尚有相当一段距离,超导线圈主要还是指运行在液态氦(4.2 K)或超流态氦(1.8 K)温度下的低温超导线圈。对于储能量较大的超导线圈,选择超流态氦更为经济,并且其冷却效果也更好。超导线圈通过电流引线与功率调节装置(可控AC/DC变流器)的室温直流电缆相连。对于中小型的SMES装置,电流引线是低温制冷系统的主要热
负荷,所以,电流引线性能的好坏在很大的程度上决定着整个SMES装置的效率。

AC/DC的变换器作为SMES装置与交流电网的连接界面,功率调节器的功能不仅是实现AC/DC的变换,实际上也是SMES装置向电网吸收或释放能量以履行电力系统能量管理角色的控制中心。SMES装置的功率调节器一般有2种AC/DC主电路拓扑结构:电流源型变流器4(current source converter———CSC)和电压源型变流器(voltage source converter———VSC),如图2所示。若采用IGBT或GTO等自关断器件,则CSC和VSC均可使有功和无功功率在电网与超导线圈之间双向流动,且相互独立可控。

SMES装置的能量管理功能虽然超导线圈从电路原理上来讲是一个储能元件,但它也可以在不改变储能状态的条件下,通过可控AC/DC变流器的控制,在较大容量范围内向电网吸收和释放无功功率。对有功及无功功率调节的双重功能使SMES装置成为FACTS(flexible AC transmission systems)的一个新成员,其应用能够渗透到电网能量管理的各个方面。由于SMES装置对各种功率需求的响应速度很快,它具有以小储能量输出大功率的特点。

在电网出现短路等瞬态扰动时,SMES装置可迅速反应,通过对有功及无功功率的吸收或释放,给电网提供电压及频率的支持,以保证电网的稳定运行不受影响;对于发电机的突然故障,SMES装置可立即输出能量以弥补水电旋转保持系统的启动时间间隙,避免电网的频率因此失控。SMES装置在改善电网稳定性方面的作用还包括无功补偿5,次同步振荡阻尼,电压波动、负载波动及频率波动阻尼等。另外,SMES装置还可被用于黑启动及自动发电控制。显然,SMES在提高电网稳定性和可靠性方面的功能还能使系统的输电容量以及负载容量得到较大程度的增加。在改善电能质量方面,SMES装置则可充当干扰屏蔽器或隔离器的角色。它既能补偿及屏蔽瞬时电压扰动、电压波动、频率波动及电压谐波等电网扰动,避免这些扰动影响负载的正常运行,保证对负载供电的高质量;另外,SMES装置还能对于重工业及暂态系统用户的非线性负载、波动和冲击负载起到补偿和隔离作用,使电网的电能质量不受其影响。
基于SMES的动态电压补偿器(DVR)为瞬间电压跌落这个许多工业和商业用户所面临的最严重的电能质量问题提供了强有力的解决措施。当发生瞬间电压跌落时,SMES装置快速释放有功及无功功率以补偿电压跌落,使得负载端的电压在故障期间保持正常而不受干扰。

SMES技术的市场现状分析随着人们对SMES装置功能和特点认识的不断深入以及电力市场化的趋势,越来越多的国家开始致力于超导储能的研究。SMES技术在较短的时间内便得到长足的发展。

近年来,用于改善用户电能质量、起瞬间电压跌落补偿作用的Micro-SMES系统由ASC推入市场,投入实际商业运行。其用户包括半导体芯片生产公司、数据处理中心、造纸厂、塑料厂等。此外,ASC和GE自2000年起联合推广用于提高电网稳定性和可靠性的D-SMES产品,使其成为可控SMES在电力系统中应用的又一个亮点。像美
国的Wisconsin Public Service,AlliantEnergy,Entergy,TVA,PacifiCorp,BC Hydro,Rayburn Country Electric以及Northeast Utilities等电力公司纷纷成为D-SMES的用户,在美国威斯康星、得克萨斯和康涅狄格等州也已安装有十几套D-SMES,使电网的稳定性和可靠性得到了较大提高。然而,同任何一项新技术一样,SMES在电力系统中的进一步推广应用也面临着技术以及市场的挑战。

在技术方面,超导线圈及其功率调节器的设计在极大程度上决定于实际应用的需求。整个SMES装置设计的好坏直接决定着系统的成本和运行价格。

对于起提高电网稳定性和可靠性作用的、容量较大的SMES装置,由于其与电网交换能量的频率一般在0.3 Hz～3.0 Hz,其优化设计的关键技术之一在于如何降低超导线圈的交流损耗。交流损耗是SMES装置快速吸收和释放能量的一个副作用。对交流损耗的研究属于超导体结构设计的范畴。CICC(cable-in-conduit conductor)结构的超导体不仅具有低交流损耗,而且其承受电磁力的能力也很强。

螺线管和环形管两种结构的超导线圈的性价比是随系统容量的变化而变化的。在系统容量不是太大而对系统的紧凑性要求较高的情况下,环形管结构以其低杂散磁场的特点而较螺线管结构更为优越。在Micro-SMES装置迅速进入市场的形势推动下,对环形管超导线圈的研制逐渐成为一个SMES研究领域的热门课题。

另外,较大容量SMES装置的效率主要取决于超导线圈低温容器的漏热程度;但在容量较小的SMES装置中,超导线圈电流引线的损耗却是影响系统效率的主要因素。所以,在功率等级一定的情况下,选择较高的电压及较低的电流等级以降低电流引线的损耗对较小容量SMES装置的设计至关重要。当然,高性能电流引线的研制也是SMES研究
中一个十分重要的课题6。

较高的电压等级不仅能提高SMES磁体的效率,而且还可降低电力电子功率调节器的成本。由于电力电子变流器在SMES装置中的控制中心地位,其技术的进步在近几年SMES的发展中起着举足轻重的作用。多电平拓扑结构在高压变流器中的应用、电力半导体器件IGBT及IGCT功率等级的不断提高以及软开关技术的发展等都大大地提高了SMES装置的效率、响应速度、功率质量和性价比。SMES装置的成本有3个组成部分:超导线圈、低温容器及制冷装置、功率调节器。其中,超导线圈的成本主要由其储能量决定,大约为7万美元/MJ～10万美元/MJ;低温制冷装置的成本大约为1.5万美元/MJ～2.5万美元/MJ;功率调节系统成本为15万美元/kW～25万美元/kW。以一个100 MJ/100 MW的SMES装置为例,其功率调节器、超导线圈及低温制冷装置成本所占比例分别是60%,30%和10%。

显然,技术开发对于SMES的发展是必不可少的。然而,对SMES在电力系统中的经济效益的研究同样十分重要,它在一定的意义上决定着SMES的市场前途。SMES的经济效益主要取决于它在电力系统中所起的作用。既然SMES的作用主要在于提高电网的稳定性和改善用户的电能质量,那么SMES的经济效益则来自于因提高电网的稳定性而增加的电网输配电能力和因改善用户的电能质量而带来的效益。实际上,SMES装置的经济效益是一个随电力系统大环境变化而变化的因素。虽然电力市场彻底开放并非一朝一夕就能实现,但既然是大势所趋,SMES的经济效益必将得到不断的提高。