超導磁儲能裝置

超導磁儲能裝置是利用超導材料製成的線圈，由電網經變流器供電勵磁 ， 線上圈中產生磁場而儲存能量 ，在需要時 可將此 能量經逆變器進回電網或作其他用途 。

基本介紹

• 中文名：超導磁儲能裝置
• 外文名：SMES
• 類型：電力設施
• 優點：功率大、質量輕、體積小
• 材料：超導材料
• 學科：電氣工程

產品介紹

1911年，荷蘭萊頓大學海克·卡末林·昂內斯發現，汞溫度降至4.2 K時電阻降為零。且許多金屬和合金都具有與汞相類似的低溫下失去電阻的特性。這種特殊的導電性能，昂內斯稱之為“超導態”。人們把處於超導狀態的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作“零電阻效應”。用超導體導線製成螺旋形線圈，線圈通電時產生磁場，其所儲能量與電流的平方和電感的乘積成正比。若線圈導體有電阻，能量會以焦耳熱的形式消耗，而超導體在深冷狀態下電阻為零，不存在焦耳熱損耗，將螺線管兩端短接，磁能可被永久儲存。需要時將線圈兩端外接負載，即可將儲存於線圈內的磁能轉化為電能，隨時取出。

系統裝置

超導儲能系統（Superconducting Magnetic Energy Storage， SMES）是採用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種電力設施。它利用超導磁體的低損耗和快速回響來儲存能量的能力，是一種通過現代電力電子型變流器與電力系統接口，組成既能儲存電能（整流方式）又能釋放電能（逆變方式）的快速回響器件。它利用了超導體的電阻為零特性，不僅可以在超導體電感線圈內無損耗地儲存電能，還可以達到大容量儲存電能、改善供電質量、提高系統容量等諸多目的，且可以通過電力電子換流器與外部系統快速交換有功和無功功率，用於提高整個電力系統穩定性、改善供電品質。一般由超導線圈、低溫容器、製冷裝置、變流裝置和測控系統部件組成（其系統控制及功率線路布局如圖1所示）。

圖1　超導儲能系統控制及功率線路布局

超導儲能在電力系統中的套用首先是作為一種平衡電力負荷的裝置提出的。1969年Ferrier首先構想用一個很大的超導磁儲能裝置來平衡法國電力系統中的日負荷變化，調節電力系統峰谷。由於其與電網的功率交換非常迅速，加上電力電子技術的發展，超導儲能能同時與系統分別獨立地進行四象限有功功率、無功功率的交換，人們提出了將超導儲能用於抑制遠距離交流輸電系統上發生的低頻振盪現象，可用於降低甚至消除電網的低頻功率振盪從而改善電網的電壓和頻率特性，同時還可用於無功和功率因素的調節以改善電力系統的穩定性。

近年來，人們又把注意力投向利用小型超導儲能提高電能質量的研究。比如，應付短時間的電壓突降和突然停電。因為解決這樣的問題需要功率巨大而不是能量巨大的儲能系統，因此實現起來較為容易。現階段的設計表明，超導儲能電站的儲存容量可在0.1 MWh～10 GWh範圍內（1 MWh=3.6×10J），其儲存容量相當大。不同容量的儲存系統適用於不同目的套用。

產品優點

由於超導體電阻為零，能量儲存時的損耗極小，超導儲能的效率可達90%以上，比抽水儲能、飛輪儲能和蓄電池儲能的效率高得多。超導儲能的優點主要是功率大、質量輕、體積小、損耗小、反應快等等。超導儲能系統具有一系列其他儲能技術無法比擬的優越性：

（1） 可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率超過90%。

（2） 可通過採用電力電子器件的變流技術實現與電網的連線，回響速度快（毫秒級）。

（3） 由於其儲能量與功率調製系統的容量可獨立地在大範圍內選取，因此可將超導儲能系統建成所需的大功率和大能量系統。

（4） 除了真空和製冷系統外沒有轉動部分，使用壽命長。

（5） 建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。

發展現狀

目前，國際上在超導儲能系統的研究開發方面投入了大量的人力和物力，主要是開發微型超導儲能裝置的實際套用。美國、德國和日本等提出了開發100 kWh等級的微型超導儲能裝置的建議，如用於磁浮列車、計算機大樓和高層建築等用的超導儲能系統;美國IGC和AMSC公司的微型超導儲能裝置（1～10 MJ）已經商品化，AMSC公司目前正在開發一種新的配電SMES（D-SMES）用於功率調節。

（1） 美國超導儲能研究狀況。

美國對超導儲能系統的研究較早。1971年在Wisconsin大學發明了一個由超導電感線圈和三相AC/DC格里茨（Graetz）橋路組成的電能儲存系統，並對格里茨橋在能量儲存單元與電力系統相互影響中的作用進行了詳細分析，他們發現裝置的快速回響特性對於抑制電力系統振盪非常有效。

1974年第1台併網運行的SMES在洛斯阿拉莫斯實驗室（LASLD）進行了測試。1976年到1982年LASL和BPA（Bonneville Power Administration）合作建成了30 MJ/10 MW的超導儲能，該系統成功地抑制了從太平洋西北地區到南加利福尼亞州1 500 km的雙回交流500 kV輸電線路的低頻0.35 Hz自發功率振盪。

美國從1978年開始研究容量為30 MJ（8.3 kWh）的超導蓄能電站，於1983—1984年與美國西岸的電力系統併網試驗運行，目的是為了驗證系統的穩定性。1987年，美國設計了容量為21 MWh的超導蓄能電站，用於地上的雷射電源，可在100 s時間內釋放出400 MW的電力（低速運行方式）。該電站從1991年起開始建造，1993年進行各種試驗。其超導線圈直徑約130 m，高約5 m，採用螺旋形，線圈電流為200 kA。

在20世紀70年代，美國等主要致力於大型超導儲能技術的研究，其目的是用於電力系統負載調節和其他如軍事套用。70年代末，美國曾研製出一台30 MJ超導儲能裝置並安裝在西海岸的一條500 kV輸電線路上，用以消除其0.35 Hz負阻尼振盪和提高其輸送功率。試驗取得了滿意的結果，但因低溫系統達不到運行要求並出現故障，致使該儲能裝置未能繼續運行。80年代，美國軍方提出一個研製20.4 MWh的超導儲能工程實驗模型計畫，並開展了預研工作，後因冷戰結束，該計畫也隨之中止。90年代，美國為改善阿拉斯加電網的可靠性，曾提出研製1.8 GJ超導儲能裝置計畫，該項目完成了設計並開始進行預研。後因經費等原因，研製計畫中止。

（2） 日本超導儲能研究狀況。

日本關於超導儲能技術的開發是從70年代後期開始以大學和國立研究機構為主進行的。1986年日本成立了超導儲能研究會，它的任務是實現超導儲能的實際套用，推動日本超導儲能技術的獨立發展。該會成員單位達到50個，包括日本著名的大學、研究機構、公司和工廠。自80年代中期以來，進行了大量的分析、設計和試驗研究工作。後來日本的各研究機構也相繼開始進行研究，日本的超導蓄能研究會、國際超導工業技術研究中心以及中央電力協會等都紛紛進行超導儲能技術的實用化研究。1985年九州（Kyushu）大學設計了一台100 kJ的SMES用於研究在直流電網中的套用和系統穩定。九州（Kyushu）電力公司於1991年將一台30 kJ的超導儲能系統連線到一台60 kW的水力發電機上進行了改善發電機穩定性的試驗，並取得了較好的實驗結果;而且九州電力公司與九州大學合作開展了36 MJ的SMES試驗並正在設計建造一台360 MJ/20 MW的SMES併網後進行示範運行，繼而研製1 260 MJ/500 MW的多功能SMES。九州電力公司在其所屬的Ariuragawa水電站進行了超導儲能用於系統穩定的一系列現場實驗，表明單機系統可由其發電機容量10%～50%的超導儲能裝置進行穩定控制。

（3） 俄羅斯超導儲能研究情況。

俄羅斯對SMES的研究開始於蘇聯時期。1988年建成的超導托卡馬克T15超導磁體儲能達370～760 MJ。20世紀90年代以來，俄羅斯國家實驗室建成了12 MJ的SMES，進行了儲能100 MJ/電感8 H/電流5 kA/最強磁場5.4 T的超導儲能設計，並建成900 MJ的超導儲能系統。

（4） 中國超導儲能研究情況。

我國20世紀60年代起就開始低溫超導研究工作。到80年代中期，在高能加速器、超導磁流體推進、磁流體發電、磁分離、核聚變、磁共振成像、磁懸浮列車和超導強磁場等方面開展了大量的工作，並在超導材料、超導磁體和低溫技術等方面奠定了一定的基礎。

在1997年，中國科學院電工研究所電工所就成功研製出一台25 kJ（300 A/220 V）超導儲能樣機，2005年套用超導重點實驗室又完成了100 kJ/25 kW超導限流-儲能系統的研製，並進行短路和電壓補償實驗。這是完全具有自主創新的新型超導電力裝置，實現了多種功能的集成。隨後開展了1 MJ/0.5 MVA高溫超導儲能系統的研製，它包括高溫超導磁體系統、製冷系統、電力電子系統和線上監測系統等。其儲能線圈是由44個Bi-2223雙餅線圈組成，電感為6.4 H，運行電流560 A，運行在4.2 K下。該儲能系統已於2007年安裝在門頭溝變電站，並進行改善電能質量的試驗運行，成為我國首座超導變電站。

2011年4月19日，由中科院電工研究所承擔研製的世界首座配電級超導變電站在甘肅省白銀市國家高新技術產業開發區投入實際配電網進行工程示範運行，這也是目前世界上唯一投入示範運行的超導變電站。變電站運行電壓等級為10.5 kV，集成了1 MJ/0.5 MVA高溫超導儲能系統、1.5 kA三相高溫超導限流器、630 kVA高溫超導變壓器和75 m長1.5 kA三相交流高溫超導電纜等多種新型超導電力裝置。成為當時世界上併網運行的第一套高溫超導儲能系統，其核心部件高溫超導磁體也是當時世界上最大的，10.5 kV/1.5 kA三相高溫超導限流器是我國第一台、世界第四台併網運行的高溫超導限流器。630 kVA/10.5 kV/0.4 kV高溫超導變壓器是我國第一台、世界第二台併網運行的高溫超導變壓器，也是當時世界上最大的非晶合金變壓器，具有重量輕、體積小、效率高、無火災隱患以及無環境污染等優點，同時還有一定的限流作用。75 m長10.5 kV/1.5 kA三相交流高溫超導電纜是當時世界上最長的三相交流高溫超導電纜，採用了分段設計、插接集成的設計和實施方案。這是我國乃至世界首座超導變電站。它標誌著我國在國際上率先實現完整超導變電站系統的運行，第一次集成眾多超導電力裝置建成完整的超導變電站。

2012年，中國電力科學研究院歷時兩年時間自主研發的高溫超導儲能系統，在國家電網公司電力系統動模實驗室成功實現了併網功率補償。實驗的成功表明我國已自主掌握了第二代高溫超導儲能系統單元構造、集成、控制、保護和輸配電工程實際套用等關鍵技術，其研究成果可為下一階段開展超導電力套用技術的科研、試驗示範運行、系統分析與評估奠定堅實的基礎。

超導儲能展望

SMES由於具有快速回響特性，因而不僅能用於調節峰值，而且可以儲存應急的備用電力，提高容許輸電容量（例如對於我國資源分布很不均衡的情況，用超導儲能系統可更好地實施西電東送），提高系統的穩定性，改善供電質量。從這個意義上講，超導儲能可以看成是一種能與電網交換有功功率的靈活交流輸電系統（FACTS）裝置，因而功能更加強大，可以實現電力系統由被動致穩轉變為主動致穩。

當然，目前超導儲能的實用技術上仍有一定的困難。超導儲能的主要缺點明顯，這些不足限制了它的產業化和套用。超導電力技術的套用和產業化面臨三個方面的問題：①超導材料的臨界溫度還有待提高;②超導材料的價格還比較高，有的比常規材料高几十倍甚至上百倍;③超導技術所套用的低溫製冷系統的製備還比較複雜，且制冷機的免維護壽命較短。與此同時，超導裝備的低溫高電壓絕緣技術、實時檢測技術、集成技術以及與常規系統的匹配協調運行等，也還需要進一步研究。

為加速SMES的實用化進程，今後的研究方向主要是：①降低成本。目前SMES，特別是小型SMES的成本比其他相應技術要高，開發低成本的SMES十分重要;②開發高溫超導線材（HTS），提高線材的臨界電流密度;③研究變流器。進一步研究電流均分化的並聯技術、減少高次諧波以降低變流器損耗和安全性問題;④研究控制策略。根據系統容量、SMES參數、控制目的等多項指標，特別是從電力系統的角度，選擇和設計出優良的控制策略;⑤降低損耗和提高穩定性。提高SMES儲能效率就要減少交流損失;為了減少交流損耗就要增加冷凍機的功率。同時，為了提高超導線圈的穩定性也需要降低交流損耗;⑥研究失超保護技術。開發出可靠、靈活的直流斷路器和永久電流開關，以提高SMES的安全性。