超導儲能應用于電力方面的研究

摘 要：隨著社會經濟的快速發展，現代化科技水平日益提高，儲能技術也得到了飛速發展，可以有效解決電力系統傳統儲能技術中存在的問題。在電網系統運行中，大規模的間歇性能源并網的設施。這也為其系統運行帶來了嚴峻的挑戰，而超導儲能則是應對該挑戰的一種重要技術。因此，在未來電力系統運行中，超導儲能技術勢在必行。

關鍵詞：超導儲能；電力系統；應用

引言

隨著改革開放的不斷深入，人民生活質量日益提高，對電能質量與系統運行安全提出了新的要求。作為FACTS重要家族成員的SMES超導儲能技術，能夠為高壓輸電系統提供積極響應的容量，增強高壓輸電系統運行的穩定性，加大了其功率輸送的極限、對頻率及電壓的波動有一定的抑制作用，電能質量從根本上得到了改善。在電網系統運行中，為了充分發揮超導儲能裝置對電能質量的改善作用，提高其系統運行的穩定性，具有非常重要的現實意義。

1 內涵概述及其原理

1.1 內涵

SMES即超導儲能系統，是通過電阻為零的超導磁體做成相應的超導線圈，構成大電感，引入電流后，在此線圈四周就會形成磁場，此種情況下電能就會以磁能的形式儲藏起來。根據線圈材質可以將超導儲能分為低溫及高溫兩種超導儲能。眾所周知，超導儲能具有相應迅速、轉換率高、便于控制、體積小及重量輕等特點，在電力系統運行中，其可進行實時大容量能量交換與功率補給。供電質量得到有效改善，電力系統的電能傳輸容量、穩定性及電荷平衡性得到提高，因此其在可再生能源發電、負載調節等電力系統領域具有廣闊的發展前景。

1.2 原理

由于超導體在低溫狀態下實現超導狀態，此種狀態下電阻為零，可以得到如圖1所示超導儲能原理圖。如圖1所示開關2保持斷開，開關1被打開并為超導線圈充電，斷開開關1，閉合開關2，此時超導線圈就會處于短路狀態。在此閉合回路內超導線圈電流不會縮減而是以永久電流模式存在，此時超導線圈中永久電流會以磁場形式存在，可通過E=L·I2/2來表示其大小。

2 目前超導儲能技術應用中要注意的問題

隨著現代化科技水平日益提高，SMES技術處于科技領先水平，其應用前景非常廣闊，在理論與實踐中已經得到了證明。在電力系統運行中，為了推進超導儲能技術的應用進程，在研究領域要注意以下問題：（1）電磁力支撐：也就是要注意大型線圈支撐材料成本與構造等問題。（2）斷路保護：及時發現并解決斷路能力釋放、線圈升溫等問題。（3）永久電流的開關：目前超導儲能研究領域中的超導常規開關與接點形式還未打破常溫常規開關的束縛，儲能浪費高，實用性低。（4）HTS高溫超導體線圈：現階段液氮冷卻高溫超導體線圈磁場缺乏一定的強度，因此在實際應用中通過線材臨界溫度值的提高來改變其磁場強度，亦或是通過液氮、氫間溫度變化強化其磁場。（5）漏磁場：從經濟性角度出發，適宜選用圓筒形線圈。但是環保節能標準中對漏磁場的規定是低于10-3T。規模較大的SMES其場地要求為半徑為1000米。而環形線圈不存在此問題，但其所需導體總量是比較多，是前者的2倍，因此形狀問題不能忽視。（6）變流器：現行技術中，規格、耗損及安全性等方面還存在一定的問題。（7）成本：實用性受成本影響比較大。SMES規模小的，其成本造價遠遠高于其技術成本，以變流器占比最大，因此要積極研發低成本的SMES。

3 分析超導儲能技術在電力系統中的應用

根據全球范圍內電力系統超導儲能技術的應用情況，可以看出：（1）在超導儲能技術應用中，不同國家需求不同，因此要根據實際情況研究超導儲能技術的應用。將規模小的超導儲能用于電能質量改善、頻率穩定及功率校正等方面，而規模較大的超導儲能適用于管理大塊能量，如尖峰負載的補償等。比如日本，白天峰值功率比較高，中午時刻負載變化又快又大；而其國內的輻射形電網對負載出現的變化非常敏感，因此其變化頻率很高，因此通過超導儲能可以有效解決此問題。在歐洲國家，電網密度與穩定性比較高，因此白天與夜晚負載變化不大，近期內會將以中小規模超導儲能研究為主。（2）電站規模、電網結構、總能量、中間連接狀況、響應時間、能量變化速度、風險性及電網質量等因素決定了電網系統穩定運行中所需的能量、超導儲能系統穩定性及價格等，需要做深一步的研究。（3）超導儲能電力應用是以降低價格及提高性能為主要研究目標的。其中降低價格是降低超導體價格，因此要加強研究常規低溫及高溫等超導材料技術，注重低溫及其本質穩定性的研究，降低交流與脈沖耗損，電流密度得到提高。（4）在電網實際運行中，充分表現超導儲能技術的可行與經濟性，因此只有做好戰略規劃，才能促進超導儲能技術的長遠發展。

4 結束語

綜上所述，隨著科技的發展，低溫超導技術與高溫超導材料的發展與實用性日益提高，超導儲能技術在電力系統應用范圍不斷擴大，為工業生產與人類生活帶來新的改革。國家電網系統要鼓勵支持電力系統積極應用超導儲能技術，改善電能質量，為行業健康穩定的發展奠定良好的基礎。

參考文獻

[1]耿曉超，朱全友，郭昊，等.儲能技術在電力系統中的應用[J].智能電網，2016，01：54-59.

[2]蘇小林，李丹丹，閻曉霞，等.儲能技術在電力系統中的應用分析[J].電力建設，2016，08：24-32.

作者簡介：劉波（1976，05-），男，湖南省湘潭市人，湖南工程學院電氣信息學院，動力工程，博士研究生。