高溫超導磁儲能

高溫超導磁儲能是利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它負載的一種電力設施，一般由超導線圈、低溫容器、製冷裝臵、變流裝臵和測控系統部件組成。由於超導體的電阻為零，因此其載流密度很高，因此可以使超導電力裝置普遍具有體積小、重量輕等特點，製成常規技術難以達到的大容量電力裝置，還可以製成運行於強磁場的裝置，實現高密度高效率儲能。作為一種具備快速功率回響能力的電能存儲技術，超導磁儲能系統可以在提高電力安全、改善供電品質、增強新能源發電的可控性中發揮重要作用。

基本介紹

• 中文名：高溫超導磁儲能
• 外文名：high temperature SMES
• 英文簡稱：HTS SMES
• 類型：儲能技術
• 領域：能源
• 學科：電氣工程、電磁學

簡介

我國經濟高速發展使得我國的電力系統已經成為世界上最龐大最複雜的系統之一。電力安全已經成為國家安全的一個重要方面。同時，信息化、精密製造以及生產生活對電力的依賴程度已經對電力供給的可靠性和供電品質提出了更高的要求。石油、煤炭等能源資源將無法滿足未來電力的供給需要，開發新能源、可再生能源已成為一項保證國家可持續發展的戰略性國策。21世紀電力工業所面臨的主要問題有：套用分散電力系統，提高設備利用率，遠距離大容量輸電，各大電網間聯網，高質量供電，改善負荷特性等。針對這些問題，與現有的採用常規導體技術的解決方案相對應，都有一種甚至多鐘超導電力裝置能為問題的解決提供新的技術手段。由於超導體的電阻為零，因此其載流密度很高，因此可以使超導電力裝置普遍具有體積小、重量輕等特點，製成常規技術難以達到的大容量電力裝置，還可以製成運行於強磁場的裝置，實現高密度高效率儲能。作為一種具備快速功率回響能力的電能存儲技術，超導磁儲能系統(SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高電力安全、改善供電品質、增強新能源發電的可控性中發揮重要作用。

高溫超導磁儲能的概念

高溫超導儲能系統（ High temperature SuperconductingMagneticEnergyStorage,HTS SMES）是利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它負載的一種電力設施，一般由超導線圈、低溫容器、製冷裝臵、變流裝臵和測控系統部件組成。
超導儲能系統可用於調節電力系統峰谷（例如在電網運行處於其低谷時把多餘的電能儲存起來，而在電網運行處於高峰時，將儲存的電能送回電網），也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。超導儲能系統具有一系列其它儲能技術無法比擬的優越性：

（1）超導儲能系統可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率超過90%；

（2）超導儲能系統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）超導儲能系統除了真空和製冷系統外沒有轉動部分，使用壽命長；

（5）超導儲能系統在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。
目前，超導儲能系統的研究開發已經成為國際上在超導電力技術研究開發方面的一個競相研究的熱點，一些主要已開發國家（例如美國、日本、德國等）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，推動著超導儲能系統的實用化進程和產業化步伐

超導磁儲能(SMES)的發展歷史及現狀

近30年來，SMES的研究一直是超導電力技術研究的熱點之一，20世紀70年代提出SMES的概念時，著重的是其儲能能力，期望可以作為一種平衡電力系統日負荷曲線的儲能裝置。隨著技術的發展，SMES已不僅僅是一個儲能裝置，而是一個可以參與電力系統運行和控制的有功、無功功率源，它可以主動參與電力系統的功率補償，從而提高電力系統的穩定性和功率傳輸能力，改善電能質量。幾十年的發展已經是SMES開始進入電力系統試運行，也有了部分商業化產品。

國外

1969年Ferrier提出了利用超導電感儲存電能的概念。20世紀70年代初，威斯康辛(Wisconsin)大學套用超導中心利用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，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和研究，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，開創了超導儲能在電力系統套用的先。70年代中期，為了解決BPA(BonnevillePowerAdministration)電網中從太平洋西北地區到南加州1500km的雙迴路交流500kv輸電線上的低頻振盪問題，提高輸電線路的傳輸容量，LASL和BPA合作研製了一台30MJ/10MW的SMES並將其安裝於華盛頓塔科馬(Tacoma)變電站進行系統試驗。30MJSMES系統是超導技術在美國第一次大規模的電力套用，現場試驗結果表明SMES可以有效解決BPA電網中從太平洋西北地區到南加州雙迴路交流輸電線上的低頻振盪問。

1987年起，美國核防禦辦公室(DefenseNuclearAgency,DNA)啟動了SMES-ETM(EngineeringTestModel)計畫，開展了大容量(1~5GWh)SMES的方案論證，工程設計和研。到1993年底，R.Bechtel團隊建成了1MWh/500MW的示範樣機，並將其安裝於加利福尼亞州布萊斯，可將南加里福尼亞輸電線路的負荷傳輸極限提高8%。

此外，美國在小容量SMES研究和套用方面也開展了大量和卓有成效的工作。1988年，SI公司開始進行中小容量(約1~3MW/1~10MJ)和可移動SMES的開發和商業化，以解決供電網和特殊工業用戶的電能質量問題。此後，ASC公司在SI的基礎上，又提出了分散式SMES(DistributedSMES,D-SMES)等概念，並對諸如改善配電網的電能質量、為對電能質量敏感的工業生產基地提供高質量不間斷電源以及提高供電網電壓穩定性問題進行了研。

1990~2004年間，SI/ASC公司先後有約20多台SMES投入運行。美國、德國和日本等都提出研製100kwh等級的微型SMES，這種SMES可為大型計算中心、高層建築及重要負荷提供高質量、不間斷的電源，同時也可用於補償大型電動機、電焊機、電弧爐、軋機等波動負載引起的電壓波動，它還可用作太陽能和風力發電的儲能等。美國AMSC公司還提出研製一種新的D-SMES，用於配電網的功率調節。目前，美國已有多台微型超導儲能裝置在配電網中實際套用，美國還將研製100MJ/50MW的SMES安裝在CAPS(theCenterforAdvancedPowerSystem)基地，SMES不僅可以為脈衝功率試驗提供能量支撐，而且它的現場師範運行對軍用和民用SMES技術的發展都很有意義。

1999年，德國的ACCEL、AEG和DEW聯合研製了2MJ/800kWSMES，解決DEW實驗室敏感負荷的供電質量問題。日本九州電力公司先後研製了30kJ以及3.6MJ/1MW的SMES，日本的中部電力公司(1MJ)、關西電力公司(1.2MJ)、國際超導研究中心(48MJ/20MW)也分別進行了EMSE的研究工作。

國內

在國內，中國科學院電工研究所、中國科學院合肥分院電漿物理研究所等單位很早就開始了超導磁體的研究工作，在超導磁體分離、磁流體推進、核磁共振乃至磁約束核聚變托卡馬克磁體等方面做了大量工作。進入21世紀後，隨著高溫超導技術的進步，清華大學研製了3.45kJBi-2223SMES磁體，研製了150kVA的低溫超導磁體儲能系統並將其用於改善電能質量的實驗室研究。2005年華中科技大學研製成功了35Kj/7.5kW直接冷卻高溫超導SMES實驗樣機。中科院電工所提出了基於超導儲能的限流器方案並研製了實驗樣機，2006年又啟動了1MJ/0.5MVA高溫超導SMES的研究項目。

超導儲能系統的構成及其工作原理

SMES是利用超導磁體將電磁能直接儲存起來，需要是再將電磁能返回電網或者其他負載。

超導磁體是SMES系統的核心，它在通過直流電流時沒有焦耳損耗。超導導線可傳輸的平均電流密度比一般常規導體要高1~2個數量級，因此，超導磁體可以達到很高的儲能密度，約為10J/m。與其他的儲能方式，如蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能及飛輪儲能相比，SMES具有轉換效率可達95%、毫秒級的影響速度、大功率和大能量系統、壽命長及維護簡單、污染小等優點。

功率調節系統

功率調節系統控制超導磁體和電網之間的能量轉換，是儲能元件與系統之間進行功率交換的橋樑。目前，功率調節系統一般採用基於全控型開關器件的PWM變流器，他能夠在四象限快速、獨立的控制有功和無功功率，具有諧波含量低、動態回響速度快等特點。

超導磁體

儲能用超導磁體可分為螺管形和環形兩種。螺管線圈結構簡單，但周圍雜散磁場較大;環形線圈周圍雜散磁場小，但結構較為複雜。由於超導體的通流能力與所承受的磁場有關，在超導磁體設計中第一個必須考慮的問題是應該滿足超導材料對磁場的要求，包括磁場在空間的分布和隨時間的變化。除此意外，在磁體設計中還需要從超導線性能、運行可靠行、磁體的保護、足夠的機械強度、低溫技術與冷卻方式等幾個方面考慮。

低溫系統

低溫系統維持超導磁體處於超導態所必須的低溫環境。超導磁體的冷卻方式一般為浸泡式，即將超導磁體直接至於低溫液體中。對於低溫超導磁體，低溫多採用液氦(4.2K)。對於大型超導磁體，為提高冷卻能力和效率，可採用超流氦冷卻，低溫系統也需要採用閉合循環，設定製冷劑回收所蒸發的低溫液體。基於Bi系的高溫超導磁體冷卻只20~30K一下可以實現3~5T的磁場強度，基於Y系的高溫超導磁體即使在77K也能實現一定的磁場強度。隨著技術的進步，採用大功率制冷機直接冷卻超導磁體可成為一種現實的方案，但目前的技術水平，還難以實現大型超導磁體的冷卻。

監控系統

監控系統由信號採集、控制器兩部分構成，其主要任務是從系統提取信息，根據系統需要控制SMES的功率輸出。信號採集部分檢測電力系及SMES的各種技術參量，並提供基本電氣數據給控制器進行電力系統狀態分析。控制器根據電力系統的狀態計算功率需求，然後通過變流器調節磁體兩端的電壓，對磁體進行充、放電。控制器的性能必須和系統的動態過程匹配才能有效的達到控制目的。SMES的控制分為內環控制和外環控制。外環控制器做為主控制器用於提供內環控制器所需要的有功和無功功率參考值，是由SMES本身特性和系統要求決定的;內環控制器則是根據外環控制器童工的參考值產生變流器開關的觸發信號。

我國1MJ高溫超導儲能系統簡介

中國科學院電工研究所目前已經完成了1.0MJ超導儲能系統的全部研製工作，完成了在北京市門頭溝供電公司石龍開閉所所開展的併網運行前的最後測試工作，測試結果表明，超導儲能系統已經具備了併入10.5kV配電網進行載荷試驗運行的條件。

在超導儲能系統的研製過程中，在快速充放電高溫超導磁體技術、低溫製冷技術、具有新型拓撲結構的電力電子技術、線上監控技術以及系統集成技術等方面做了大量的研究工作，解決了一系列關鍵科學技術問題以及超導儲能系統與電網匹配協調運行等關鍵科學技術問題，取得了多項自主智慧財產權，其技術成果的套用將為提高我國電能質量並改善大電網的動態穩定性發揮重要作用。

SMES在電力系統中的套用途徑

提高電力系統的穩定性

SMES作為一個可靈活調控的有功功率源，可以主動參與系統的動態行為，既能調節系統阻尼力矩又能調節同步力矩，因而對解決系統滑行失步和振盪失步均有作用，並能在擾動消除後縮短暫態過渡過程，使系統迅速恢復穩態。

改善電能質量

由於SMES可發出或吸收一定的功率，可用來減小負荷波動或發電機出力變化對電網的衝擊，SMES可作為敏感負載和重要設備的不間斷電源，同時解決配電網中發生異常或因主網受干擾而引起的配電網向用戶宮殿中產生異常的問題，改善供電品質。提供系統備用容量。系統備用容量的存在
及其大小，既是一個經濟問題，又是涉及電網安全的技術問題，對於保障電網的安全裕度。事故後快速恢復供電具有重要作用。以目前的水平，SMES高效儲能特性可用來儲存應急備用電力，但是不足以作為大型電網的備用容量。

用於可再生能源發電及微電網

SMES的高效儲能與快速功率調節能力可在風能、太陽能等可再生能源發電系統中平滑輸出功率波動，有效抑制這類電源引起的電壓波動和閃變等電能質量問題，提高併網運行的可控性與穩定性。微網是有效利用分散的新能源提高電力系統供電可靠性的一項新興技術，SMES可以改善微網的併網特性、提高微網的孤島運行性能。

超導儲能系統的套用前景

超導儲能系統在進行輸/配電系統的瞬態質量管理、提高瞬態電能質量及電網暫態穩定性和緊急電力事故應變等方面具有不可替代的作用，並將為打造新的電力市場機制提供技術基礎，具有廣闊的套用前景。其套用場合主要包括：
（1）可用來消除電力系統中的低頻振盪，用於穩定系統的頻率和電壓；

（2）可用於無功功率控制和功率因數的調節，以提高輸電系統的穩定性和功率傳輸能力；
（3）由於它可迅速向電網加入或吸收有功功率，具有超導儲能裝臵的系統可看成是靈活交流輸電系統；
（4）如果不僅將它看成是一個儲能裝臵，而且將它看成是系統運行和控制時的有功功率源，它將顯得更有用和有效，因此可以用作超導能量管理系統；

（5）在AGC系統中具有自動發電控制作用，而且局部控制錯誤可減到最小；

（6）可用於配電系統或大的負載邊以減少波動和平衡尖峰負載、控制初次功率和提高瞬態穩定性，並可得到很好的效益；
（7）可用於海島供電系統，因為海島與大陸聯網的造價高，一般採用燃氣輪機獨立發電並成網，超導儲能裝臵可用來進行負載調節等；
（8）可用來補償大型電動機起動、焊機、電弧爐、大錘、扎機等波動負載從而減少電網燈光閃爍現象；

（9）還可用作太陽能和風力田的儲能。風力發電將產生脈動的功率輸出並將為配電網帶來很多問題，而超導儲能裝臵可使風力發電系統的輸出平滑而滿足配電電網的要求，並為系統提供備用功率和控制頻率；
（10）可作為其它分散式電源系統的儲能裝臵；
（11）可用作為重要負載提供高質量電力的不間斷電源，並在負荷側發生短路時限制短路電流。

總之，現代工業的發展對供電的可靠性、電能質量提出了越來越高的要求。例如現代企業中變頻調速驅動器、機器人、自動生產線、精密加工工具、可程式控制器、計算機信息系統等設備，對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質量的惡化可能會造成產品質量的下降，產生重大損失。隨著我國新技術、新設備的不斷引進和廣泛套用，以及我國電力市場商業化運營的實施和分散式發電技術的發展，對電能質量的控制提出了日益嚴格的要求，對電能質量敏感的電力用戶或需要特殊供電的場合也會越來越多。隨著我國電網的不斷擴大，也迫切需要解決大電網的穩定性問題，超導儲能系統在這方面也將具有重要的套用價值