[科普中国]-电磁蓄能

超导储能结构原理

超导储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES)是采用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，是一种通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能(整流方式)又能释放电能(逆变方式)的快速响应器件。它利用了超导体的电阻为零特性，不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以达到大容量储存电能、改善供电质量、提高系统容量等诸多目的，且可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高整个电力系统稳定性、改善供电品质。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成。

超导储能在电力系统中的应用首先是作为一种平衡电力负荷的装置提出的。1969年Ferrier首先构想用一个很大的超导磁储能装置来平衡法国电力系统中的日负荷变化，调节电力系统峰谷。由于其与电网的功率交换非常迅速，加上电力电子技术的发展，超导储能能同时与系统分别独立地进行四象限有功功率、无功功率的交换，人们提出了将超导储能用于抑制远距离交流输电系统上发生的低频振荡现象，可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。

近年来，人们又把注意力投向利用小型超导储能提高电能质量的研究。比如，应付短时间的电压突降和突然停电。因为解决这样的问题需要功率巨大而不是能量巨大的储能系统，因此实现起来较为容易。现阶段的设计表明，超导储能电站的储存容量可在0.1 MWh～10 GWh范围内(1 MWh=3.6×10 J)，其储存容量相当大。不同容量的储存系统适用于不同目的应用。

由于超导体电阻为零，能量储存时的损耗极小，超导储能的效率可达90%以上，比抽水储能、飞轮储能和蓄电池储能的效率高得多。超导储能的优点主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等。

优点超导储能系统具有一系列其他储能技术无法比拟的优越性：

(1) 可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%。

(2) 可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快(毫秒级)。

(3) 由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统。

(4) 除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长。

(5) 建造时不受地点限制，维护简单、污染小。2

电容储能原理电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量，我们把电容器两极板间的电势差增加1V所需的电量称为电容。从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质，是电力电子系统中不可缺少的元件。一般电容器可以重复使用，但是能量密度较小、电能存储时间短，通常用于滤波、信号耦合、谐振电路、隔直电路中。

电容储能是以电场形式实现的。这种储能形式最早被用到单脉冲快放电技术中，直 到20世纪70年代中期，脉冲功率技术一直是以电容储能与闭合开关技术为基础。因 此，电容储能高功率脉冲电源在脉冲功率技术中占有重要的地位。

特点总的说来，电容储能具有结构简单，所需充电功率小， 技术成熟，容易操作，工作时不影响环境，工作在5MJ以下 时经济上合理等优点。

电容储能的主要缺点是：若保护措施不当可能发生爆炸 事故；电介质及其击穿场强决定了它的储能密度相对较低; 总储能大于5MJ时导致造价不合理。倘需5MJ以上能量，可 用电感储能代替慢放电，可用磁通压缩发生器代替快放电电 容器组。

超级电容器储能原理超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。超级电容器的电荷储存发生在电极/电解质形成的双电层上以及在电极表面进行欠电位沉积、电化学吸附、脱附和氧化还原产生的电荷的迁移。

应用特点与传统的电容器和二次电池相比，超级电容器的比功率是电池的10倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、对环境无污染、循环寿命长、使用的温限范围宽等特点。

但超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。在风力发电系统直流母线侧并入超级电容器，不仅能像蓄电池一样储存能量，平常由于风力波动引起的能量波动，还可以起到调节有功无功的作用。另外，超级电容器也正在作为电动汽车的新型储能装置。