[科普中国]-高温超导磁储能

简介

我国经济高速发展使得我国的电力系统已经成为世界上最庞大最复杂的系统之一2。电力安全已经成为国家安全的一个重要方面。同时，信息化、精密制造以及生产生活对电力的依赖程度已经对电力供给的可靠性和供电品质提出了更高的要求。石油、煤炭等能源资源将无法满足未来电力的供给需要，开发新能源、可再生能源已成为一项保证国家可持续发展的战略性国策。21世纪电力工业所面临的主要问题有：应用分散电力系统，提高设备利用率，远距离大容量输电，各大电网间联网，高质量供电，改善负荷特性等。针对这些问题，与现有的采用常规导体技术的解决方案相对应，都有一种甚至多钟超导电力装置能为问题的解决提供新的技术手段。由于超导体的电阻为零，因此其载流密度很高，因此可以使超导电力装置普遍具有体积小、重量轻等特点，制成常规技术难以达到的大容量电力装置，还可以制成运行于强磁场的装置，实现高密度高效率储能。作为一种具备快速功率响应能力的电能存储技术，超导磁储能系统(SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高电力安全、改善供电品质、增强新能源发电的可控性中发挥重要作用。

高温超导磁储能的概念高温超导储能系统1（ High temperature SuperconductingMagneticEnergyStorage,HTS SMES）是利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它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装臵、变流装臵和测控系统部件组成。
超导储能系统可用于调节电力系统峰谷（例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网），也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。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性：

（1）超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%；

（2）超导储能系统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）超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长；

（5）超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。
目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家（例如美国、日本、德国等）在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐

超导磁储能(SMES)的发展历史及现状
近30年来，SMES的研究一直是超导电力技术研究的热点之一，20世纪70年代提出SMES的概念时，着重的是其储能能力，期望可以作为一种平衡电力系统日负荷曲线的储能装置。随着技术的发展，SMES已不仅仅是一个储能装置，而是一个可以参与电力系统运行和控制的有功、无功功率源，它可以主动参与电力系统的功率补偿，从而提高电力系统的稳定性和功率传输能力，改善电能质量。几十年的发展已经是SMES开始进入电力系统试运行，也有了部分商业化产品3。

国外1969年Ferrier提出了利用超导电感储存电能的概念。20世纪70年代初，威斯康辛(Wisconsin)大学应用超导中心利用一个由超导电感线圈和三相AC/DC格里茨(Graetz)桥路组成的电能储存系统，对格里茨桥在能量储存单元与电力系统相互影响中的作用进行了详细分析和研究，发现装置的快速响应特性对于抑制电力系统振荡非常有效，开创了超导储能在电力系统应用的先。70年代中期，为了解决BPA(BonnevillePowerAdministration)电网中从太平洋西北地区到南加州1500km的双回路交流500kv输电线上的低频振荡问题，提高输电线路的传输容量，LASL和BPA合作研制了一台30MJ/10MW的SMES并将其安装于华盛顿塔科马(Tacoma)变电站进行系统试验。30MJSMES系统是超导技术在美国第一次大规模的电力应用，现场试验结果表明SMES可以有效解决BPA电网中从太平洋西北地区到南加州双回路交流输电线上的低频振荡问。

1987年起，美国核防御办公室(DefenseNuclearAgency,DNA)启动了SMES-ETM(EngineeringTestModel)计划，开展了大容量(1~5GWh)SMES的方案论证，工程设计和研。到1993年底，R.Bechtel团队建成了1MWh/500MW的示范样机，并将其安装于加利福尼亚州布莱斯，可将南加里福尼亚输电线路的负荷传输极限提高8%。

此外，美国在小容量SMES研究和应用方面也开展了大量和卓有成效的工作。1988年，SI公司开始进行中小容量(约1~3MW/1~10MJ)和可移动SMES的开发和商业化，以解决供电网和特殊工业用户的电能质量问题。此后，ASC公司在SI的基础上，又提出了分布式SMES(DistributedSMES,D-SMES)等概念，并对诸如改善配电网的电能质量、为对电能质量敏感的工业生产基地提供高质量不间断电源以及提高供电网电压稳定性问题进行了研。

1990~2004年间，SI/ASC公司先后有约20多台SMES投入运行。美国、德国和日本等都提出研制100kwh等级的微型SMES，这种SMES可为大型计算中心、高层建筑及重要负荷提供高质量、不间断的电源，同时也可用于补偿大型电动机、电焊机、电弧炉、轧机等波动负载引起的电压波动，它还可用作太阳能和风力发电的储能等。美国AMSC公司还提出研制一种新的D-SMES，用于配电网的功率调节。目前，美国已有多台微型超导储能装置在配电网中实际应用，美国还将研制100MJ/50MW的SMES安装在CAPS(theCenterforAdvancedPowerSystem)基地，SMES不仅可以为脉冲功率试验提供能量支撑，而且它的现场师范运行对军用和民用SMES技术的发展都很有意义。

1999年，德国的ACCEL、AEG和DEW联合研制了2MJ/800kWSMES，解决DEW实验室敏感负荷的供电质量问题。日本九州电力公司先后研制了30kJ以及3.6MJ/1MW的SMES，日本的中部电力公司(1MJ)、关西电力公司(1.2MJ)、国际超导研究中心(48MJ/20MW)也分别进行了EMSE的研究工作4。

国内在国内，中国科学院电工研究所、中国科学院合肥分院等离子体物理研究所5等单位很早就开始了超导磁体的研究工作，在超导磁体分离、磁流体推进、核磁共振乃至磁约束核聚变托卡马克磁体等方面做了大量工作。进入21世纪后，随着高温超导技术的进步，清华大学研制了3.45kJBi-2223SMES磁体，研制了150kVA的低温超导磁体储能系统并将其用于改善电能质量的实验室研究。2005年华中科技大学研制成功了35Kj/7.5kW直接冷却高温超导SMES实验样机。中科院电工所提出了基于超导储能的限流器方案并研制了实验样机，2006年又启动了1MJ/0.5MVA高温超导SMES的研究项目。

超导储能系统的构成及其工作原理SMES是利用超导磁体将电磁能直接储存起来，需要是再将电磁能返回电网或者其他负载。

超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规导体要高1~2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的储能密度，约为10J/m。与其他的储能方式，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES具有转换效率可达95%、毫秒级的影响速度、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点4。

功率调节系统功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的PWM变流器，他能够在四象限快速、独立的控制有功和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特点。

超导磁体
储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。螺管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大;环形线圈周围杂散磁场小，但结构较为复杂。由于超导体的通流能力与所承受的磁场有关，在超导磁体设计中第一个必须考虑的问题是应该满足超导材料对磁场的要求，包括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此意外，在磁体设计中还需要从超导线性能、运行可靠行、磁体的保护、足够的机械强度、低温技术与冷却方式等几个方面考虑。

低温系统低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。超导磁体的冷却方式一般为浸泡式，即将超导磁体直接至于低温液体中。对于低温超导磁体，低温多采用液氦(4.2K)。对于大型超导磁体，为提高冷却能力和效率，可采用超流氦冷却，低温系统也需要采用闭合循环4，设置制冷剂回收所蒸发的低温液体。基于Bi系的高温超导磁体冷却只20~30K一下可以实现3~5T的磁场强度，基于Y系的高温超导磁体即使在77K也能实现一定的磁场强度。随着技术的进步，采用大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的方案，但目前的技术水平，还难以实现大型超导磁体的冷却。

监控系统监控系统由信号采集、控制器两部分构成，其主要任务是从系统提取信息，根据系统需要控制SMES的功率输出。信号采集部分检测电力系及SMES的各种技术参量，并提供基本电气数据给控制器进行电力系统状态分析。控制器根据电力系统的状态计算功率需求，然后通过变流器调节磁体两端的电压，对磁体进行充、放电。控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效的达到控制目的。SMES的控制分为内环控制和外环控制。外环控制器做为主控制器用于提供内环控制器所需要的有功和无功功率参考值，是由SMES本身特性和系统要求决定的;内环控制器则是根据外环控制器童工的参考值产生变流器开关的触发信号。

我国1MJ高温超导储能系统简介中国科学院电工研究所目前已经完成了1.0MJ超导储能系统的全部研制工作1，完成了在北京市门头沟供电公司石龙开闭所所开展的并网运行前的最后测试工作，测试结果表明，超导储能系统已经具备了并入10.5kV配电网进行载荷试验运行的条件。

在超导储能系统的研制过程中，在快速充放电高温超导磁体技术、低温制冷技术、具有新型拓扑结构的电力电子技术、在线监控技术以及系统集成技术等方面做了大量的研究工作，解决了一系列关键科学技术问题以及超导储能系统与电网匹配协调运行等关键科学技术问题，取得了多项自主知识产权，其技术成果的应用将为提高我国电能质量并改善大电网的动态稳定性发挥重要作用。

SMES在电力系统中的应用途径提高电力系统的稳定性
SMES作为一个可灵活调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳态。

改善电能质量
由于SMES可发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，SMES可作为敏感负载和重要设备的不间断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而引起的配电网向用户宫殿中产生异常的问题，改善供电品质。提供系统备用容量。系统备用容量的存在
及其大小，既是一个经济问题，又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全裕度。事故后快速恢复供电具有重要作用。以目前的水平，SMES高效储能特性可用来储存应急备用电力，但是不足以作为大型电网的备用容量。

用于可再生能源发电及微电网
SMES的高效储能与快速功率调节能力可在风能、太阳能等可再生能源发电系统中平滑输出功率波动，有效抑制这类电源引起的电压波动和闪变等电能质量问题，提高并网运行的可控性与稳定性。微网是有效利用分散的新能源提高电力系统供电可靠性的一项新兴技术，SMES可以改善微网的并网特性、提高微网的孤岛运行性能。

超导储能系统的应用前景超导储能系统在进行输/配电系统的瞬态质量管理、提高瞬态电能质量及电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有不可替代的作用，并将为打造新的电力市场机制提供技术基础，具有广阔的应用前景。其应用场合主要包括6：
（1）可用来消除电力系统中的低频振荡，用于稳定系统的频率和电压；

（2）可用于无功功率控制和功率因数的调节，以提高输电系统的稳定性和功率传输能力；
（3）由于它可迅速向电网加入或吸收有功功率，具有超导储能装臵的系统可看成是灵活交流输电系统；
（4）如果不仅将它看成是一个储能装臵，而且将它看成是系统运行和控制时的有功功率源，它将显得更有用和有效，因此可以用作超导能量管理系统；

（5）在AGC系统中具有自动发电控制作用，而且局部控制错误可减到最小；

（6）可用于配电系统或大的负载边以减少波动和平衡尖峰负载、控制初次功率和提高瞬态稳定性，并可得到很好的效益；
（7）可用于海岛供电系统，因为海岛与大陆联网的造价高，一般采用燃气轮机独立发电并成网，超导储能装臵可用来进行负载调节等；
（8）可用来补偿大型电动机起动、焊机、电弧炉、大锤、扎机等波动负载从而减少电网灯光闪烁现象；

（9）还可用作太阳能和风力田的储能。风力发电将产生脉动的功率输出并将为配电网带来很多问题，而超导储能装臵可使风力发电系统的输出平滑而满足配电电网的要求，并为系统提供备用功率和控制频率；
（10）可作为其它分布式电源系统的储能装臵；
（11）可用作为重要负载提供高质量电力的不间断电源，并在负荷侧发生短路时限制短路电流。

总之，现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量提出了越来越高的要求。例如现代企业中变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工工具、可编程控制器、计算机信息系统等设备，对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。随着我国新技术、新设备的不断引进和广泛应用，以及我国电力市场商业化运营的实施和分布式发电技术的发展，对电能质量的控制提出了日益严格的要求，对电能质量敏感的电力用户或需要特殊供电的场合也会越来越多。随着我国电网的不断扩大，也迫切需要解决大电网的稳定性问题，超导储能系统在这方面也将具有重要的应用价值