超導磁儲能的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

摘要：我國經濟高速發(fā)展使得我國的電力系統(tǒng)已經成為世界上最龐大最復雜的系統(tǒng)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、精密制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(fā)新能源、可再生能源已成為一項保證國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性國策。21世紀電力工業(yè)所面臨的主要問題有：應用分散電力系統(tǒng)，提高設備利用率，遠距離大容量輸電，各大電網間聯(lián)網，高質量供電，改善負荷特性等。針對這些問題，與現(xiàn)有的采用常規(guī)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。由于超導體的電阻為零，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，制成常規(guī)技術難以達到的大容量電力裝置，還可以制成運行于強磁場的裝置，實現(xiàn)高密度高效率儲能。作為一種具備快速功率響應能力的電能存儲技術，超導磁儲能系統(tǒng) (SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高電力安全、改善供電品質、增強新能源發(fā)電的可控性中發(fā)揮重要作用。

超導儲能系統(tǒng)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。超導磁體中儲存的能量W可由下式表示：

超導磁體是SMES系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)、壽命長及維護簡單、污染小等優(yōu)點。

SMES 一般有超導磁體、低溫系統(tǒng)、磁體保護系統(tǒng)、功率調節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等幾個主要部分組成。圖1—1是SMES裝置的結構原理圖，該結構是由美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先提出來的，以后SMES裝置的研究設計一般都是一次結構作為參考原型。圖中的變壓器只是為了選擇適當的電壓水平以方便地連接SMES與電力系統(tǒng)，不屬于SMES的必要部件。

超導磁體

儲能用超導磁體可分為螺管形和環(huán)形兩種。螺管線圈結構簡單，但周圍雜散磁場較大;環(huán)形線圈周圍雜散磁場小，但結構較為復雜。由于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(tǒng)

低溫系統(tǒng)維持超導磁體處于超導態(tài)所必須的低溫環(huán)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于低溫液體中。對于低溫超導磁體，低溫多采用液氦(4.2K)。對于大型超導磁體，為提高冷卻能力和效率，可采用超流氦冷卻，低溫系統(tǒng)也需要采用閉合循環(huán)，設置制冷劑回收所蒸發(fā)的低溫液體。基于Bi系的高溫超導磁體冷卻只20~30K一下可以實現(xiàn)3~5T的磁場強度，基于Y系的高溫超導磁體即使在77K也能實現(xiàn)一定的磁場強度。隨著技術的進步，采用大功率制冷機直接冷卻超導磁體可成為一種現(xiàn)實的方案，但目前的技術水平，還難以實現(xiàn)大型超導磁體的冷卻。

功率調節(jié)系統(tǒng)

功率調節(jié)系統(tǒng)控制超導磁體和電網之間的能量轉換，是儲能元件與系統(tǒng)之間進行功率交換的橋梁。目前，功率調節(jié)系統(tǒng)一般采用基于全控型開關器件的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(tài)響應速度快等特點。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由信號采集、控制器兩部分構成，其主要任務是從系統(tǒng)提取信息，根據系統(tǒng)需要控制SMES的功率輸出。信號采集部分檢測電力系及SMES的各種技術參量，并提供基本電氣數據給控制器進行電力系統(tǒng)狀態(tài)分析?？刂破鞲鶕娏ο到y(tǒng)的狀態(tài)計算功率需求，然后通過變流器調節(jié)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(tǒng)的動態(tài)過程匹配才能有效的達到控制目的。SMES的控制分為內環(huán)控制和外環(huán)控制。外環(huán)控制器做為主控制器用于提供內環(huán)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(tǒng)要求決定的;內環(huán)控制器則是根據外環(huán)控制器童工的參考值產生變流器開關的觸發(fā)信號。

SMES在電力系統(tǒng)中的應用途徑

提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)的動態(tài)行為，既能調節(jié)系統(tǒng)阻尼力矩又能調節(jié)同步力矩，因而對解決系統(tǒng)滑行失步和振蕩失步均有作用，并能在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)態(tài)。

改善電能質量。

由于SMES可發(fā)出或吸收一定的功率，可用來減小負荷波動或發(fā)電機出力變化對電網的沖擊，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(fā)生異?；蛞蛑骶W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。