超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

戴少濤，王邦柱，馬韜

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市100044)

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

戴少濤，王邦柱，馬韜

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市100044)

超導(dǎo)磁儲能(superconducting magnetic energy storage，SMES)技術(shù)具有響應(yīng)時(shí)間快、功率密度高、生命周期長等特點(diǎn)，在電網(wǎng)電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)、頻率控制、脈沖負(fù)載供電等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，被列為《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030)》之先進(jìn)儲能技術(shù)的主要突破方向。介紹了SMES的系統(tǒng)組成原理和系統(tǒng)先進(jìn)性，概述了SMES在電力系統(tǒng)、艦船供電等場景的應(yīng)用，綜述了SMES近期有代表性的大型項(xiàng)目和研究狀態(tài)，并從特性互補(bǔ)、提高性能的角度討論了2種與氫電池和電化學(xué)電池組合使用的SMES混合系統(tǒng)。最后，指出了SMES發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用所面臨的幾點(diǎn)挑戰(zhàn)，并給出了相應(yīng)的應(yīng)對策略。

超導(dǎo)磁儲能；混合儲能；研究進(jìn)展；前景展望

0 引 言

儲能是飛速發(fā)展的電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、清潔能源動力汽車等行業(yè)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲能技術(shù)在解決可再生能源發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定特性，改善電能供需平衡，調(diào)控系統(tǒng)電壓、頻率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和國家能源安全等方面的關(guān)鍵性作用已經(jīng)成為普遍共識[1-2]。

在多個(gè)國家科技與能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，都將儲能技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展方向之一。《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃(2014—2020)》中，儲能首次被明確為“9個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新領(lǐng)域”和“20個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向”之一。2016年4月，發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030)》中，將“先進(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新”列入15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)，并在與之同時(shí)發(fā)布的《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動路線圖》中給出了明確的路線圖。

客觀的迫切需要加上宏觀層面的大力支持，吸引了發(fā)供電企業(yè)、相關(guān)設(shè)備和技術(shù)企業(yè)、金融資本的強(qiáng)烈關(guān)注，儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了健康快速發(fā)展的快車道。預(yù)計(jì)到2020年底，國內(nèi)電力輔助市場、基站備用電源等六大領(lǐng)域配套儲能系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到53 GW，未來5年年復(fù)合增長率可達(dá)9.5%[3]。

以物理過程分，儲能的主要方式包括機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能等。電磁儲能不需要進(jìn)行能量形式轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)快、效率高的天然優(yōu)勢，常見的電磁儲能技術(shù)是超導(dǎo)磁儲能(superconducting magnetic energy storage, SMES)和超級電容器儲能。其中，超導(dǎo)磁儲能具有響應(yīng)時(shí)間快、能量密度高、充放電次數(shù)多等多種優(yōu)勢，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)電能質(zhì)量等領(lǐng)域具有重要價(jià)值[4]?！赌茉醇夹g(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030)》的“先進(jìn)儲能技術(shù)創(chuàng)新”任務(wù)明確將“高溫超導(dǎo)儲能技術(shù)”、“基于高溫超導(dǎo)磁的新型混合儲能系統(tǒng)”作為物理儲能的創(chuàng)新重點(diǎn)，要求掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高溫超導(dǎo)儲能技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，建立完善的物理儲能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

本文第1部分介紹超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，綜述超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)的研究進(jìn)展并指出了超導(dǎo)磁儲能的一些局限性；第2部分討論以超導(dǎo)磁儲能為核心的2種混合儲能方案；第3部分討論超導(dǎo)磁儲能面臨的挑戰(zhàn)及可行的應(yīng)對方法；最后展望了未來的發(fā)展。

1 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)

盡管超導(dǎo)現(xiàn)象在1911年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但直到上世紀(jì)70年代，才有人提出使用超導(dǎo)體制作儲能磁體應(yīng)用于電力系統(tǒng)。因?yàn)榫哂锌焖俚碾姶彭憫?yīng)特性和很高的儲能效率，此概念一經(jīng)提出，很快吸引了電力工業(yè)和軍事工業(yè)的注意。

1.1 組成與特性

超導(dǎo)磁儲能利用超導(dǎo)材料制成磁體，由電網(wǎng)經(jīng)變流器供電勵(lì)磁在磁體中產(chǎn)生磁場而儲存能量，在需要時(shí)再將能量經(jīng)逆變送回電網(wǎng)或作其他用途。

SMES的典型系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1所示。超導(dǎo)磁體由制冷系統(tǒng)將之維持在超導(dǎo)態(tài)，經(jīng)電能變換單元與交流電網(wǎng)相連接。測量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得網(wǎng)側(cè)、超導(dǎo)磁體等單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制，從而實(shí)現(xiàn)能量存儲和對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)。

圖1 SMES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of SMES system

SMES磁體是儲能的關(guān)鍵部件，能夠存儲的電磁能量為

(1)

(2)

式中：L是磁體的電感，依賴于磁體的大小和幾何形狀；I是磁體中通過的直流載流，隨時(shí)間衰減。實(shí)驗(yàn)表明，閉合低溫超導(dǎo)磁體通過電流的衰減時(shí)間常數(shù)可達(dá)105年。對于存在非超導(dǎo)接頭的高溫超導(dǎo)磁體，時(shí)間常數(shù)略小，但仍遠(yuǎn)高于其他儲能形式。基本上可以認(rèn)為，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)所儲存的能量可無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放為止[5]。

與其他儲能系統(tǒng)相比，SMES具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)能效利用率高，在95%以上；(2)響應(yīng)時(shí)間短，在ms級，僅為電池的0.1%～1%；(3)能量密度(1～10 W·h/kg或0.25～2.50 kW·h/m3)和功率密度(0.5～2 kW/kg或1～4 MW/m3)之間的均衡性好；(4)單位功率價(jià)格適中，為200～500 $/kW，略高于飛輪儲能而遠(yuǎn)低于鋰離子電池儲能；(5)再充電性能好，不因充放電循環(huán)而性能退化；(6)生命周期長，約為15～25年。此外，SMES系統(tǒng)還具有選址基本不受地點(diǎn)空間限制、運(yùn)行溫區(qū)廣、自放電率低、可兼具故障限流功能等優(yōu)勢[2]。

1.2 功能與應(yīng)用

SMES是一種典型的高功率型儲能系統(tǒng)，即能在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)釋放很大的功率。這種特性在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量兩大方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，特別是對于新能源不斷接入的現(xiàn)代電網(wǎng)，作用更為凸顯。具體而言，SMES在電網(wǎng)中可發(fā)揮以下作用：(1)消除因新能源接入或甩大負(fù)荷引起的電力系統(tǒng)的0.5～1 Hz低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；(2)對電網(wǎng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，特別是一次調(diào)頻；(3)四象限運(yùn)行的SMES可以調(diào)控?zé)o功功率，控制系統(tǒng)電壓和功率傳輸能力；(4)可用于配電系統(tǒng)或大的負(fù)載側(cè)以減少波動和平衡尖峰負(fù)載，控制初次功率和提高瞬態(tài)穩(wěn)定性；(5)可用來補(bǔ)償大型電動機(jī)、焊機(jī)、電弧爐、大錘等啟動或運(yùn)行的波動負(fù)載，從而減少電網(wǎng)燈光閃爍現(xiàn)象；(6)用于對分布式電源(如風(fēng)能、太陽能)系統(tǒng)，進(jìn)行功率暫態(tài)調(diào)節(jié)與輸出平滑等[6-10]。

SMES在脈沖負(fù)載領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用潛力[11]。在艦船、飛行器等系統(tǒng)中，有不少負(fù)載如電磁軌道炮、電磁彈射器、電磁助推發(fā)射器等，都具有即時(shí)功率高但平均功率低的特點(diǎn)。這類設(shè)備平時(shí)工作于較低的功率狀態(tài)，一旦某種條件觸發(fā)，通常需要在幾百ms到幾s內(nèi)消耗大量功率。應(yīng)用SMES作為脈沖工作時(shí)間的電源，能夠很好地滿足此類設(shè)備的要求。

1.3 歷史與現(xiàn)狀

高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之前以及之后的很長時(shí)間，SMES的研發(fā)都主要集中于低溫SMES。美國、日本等國家先后開發(fā)出示范系統(tǒng)，目前0.1～10 MW的系統(tǒng)已經(jīng)在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行。

隨著高溫超導(dǎo)帶材的商業(yè)化生產(chǎn)，高溫SMES逐漸成為研究焦點(diǎn)。1993年，美國學(xué)者提出了高溫SMES的概念設(shè)計(jì)。1997年，美國超導(dǎo)公司研制成功一臺采用Bi-2223帶材5 kJ高溫SMES，這是世界第1臺具有一定規(guī)模的高溫SMES。受此激勵(lì)，此后幾百到幾MJ的高溫SMES如雨后春筍一樣在世界各主要超導(dǎo)研究國家和地區(qū)相繼被建造。早期主要采用Bi系帶材，后來ReBCO帶材成為主流。MgB2發(fā)現(xiàn)后，由于具有良好的磁場性和機(jī)械性能，也很快就有學(xué)者將之用于SMES磁體的建造[12-14]。

近年來，有代表性的高溫SMES項(xiàng)目如表 1所示。

表1 近年來代表性的高溫超導(dǎo)SMES項(xiàng)目
Table 1 HTS (high temperature superconductor) SMES projects in recent years

除了SMES系統(tǒng)的開發(fā)和制造工作外，也有不少學(xué)者在新結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、磁體仿真優(yōu)化、系統(tǒng)控制算法、磁體失超保護(hù)、制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行效果、系統(tǒng)可靠性提高、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評估等方面做出了不少有意義的工作[15-18]。

1.4 約束與局限

SMES具有很高的功率密度，如果能夠進(jìn)一步提高其能量密度，那么SMES的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)M(jìn)一步擴(kuò)大。然而，這塊“短板”卻一直未能解決。SMES的能量密度受到磁場限制：

(3)

式中：Wmag是存儲的磁場能；Vol是磁體體積；B是磁體產(chǎn)生的磁場；μ0是真空磁導(dǎo)率。根據(jù)上式，B=10 T時(shí)，能量密度最大為40 MJ/m3。

此外，Virial定理更是指出了機(jī)械結(jié)構(gòu)的最小質(zhì)量Mmin和儲能量的關(guān)系，對螺管型磁體，有

(4)

σ=JBR

(5)

式中：ρ是結(jié)構(gòu)材料的密度；σ是所承受的工作應(yīng)力；J是電流密度；R是半徑。根據(jù)本定理，最大應(yīng)力為100 MPa的金屬結(jié)構(gòu)所能承受的儲能能力為12.5 kJ/kg。從材料特性的角度看，金屬結(jié)構(gòu)的儲能極限約為30～50 kJ/kg，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的儲能極限為150 kJ/kg[19]。

SMES存在制冷系統(tǒng)。盡管儲能磁體本身沒有能量耗散，但是制冷系統(tǒng)卻不可避免地要耗費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)效率。相較于磁體系統(tǒng)，制冷系統(tǒng)的最小維護(hù)時(shí)間和生命周期更短，給SMES系統(tǒng)的生命周期大打折扣。此外，制冷系統(tǒng)還增加了SMES的占地需求。

超導(dǎo)材料具有強(qiáng)非線性，一旦失超對系統(tǒng)危害很大。對儲能超導(dǎo)磁體失超監(jiān)測和保護(hù)需要一個(gè)較為先進(jìn)的測控系統(tǒng)。再有，目前因超導(dǎo)材料(特別是高溫超導(dǎo))價(jià)格高導(dǎo)致的SMES一次性投入費(fèi)用高昂也制約了SMES的應(yīng)用。

2 超導(dǎo)磁儲能混合系統(tǒng)

受SMES自身的物理特性所約束，單獨(dú)部署使用的SMES系統(tǒng)應(yīng)用場景有限，也有一些不足。事實(shí)上，每種儲能方式都有其局限性，目前還沒有一種能夠同時(shí)滿足能量密度高且功率密度也高、響應(yīng)速度快、安全可靠、生命周期長等多種要求[20]。選擇2種或多種不同儲能方案組成混合儲能系統(tǒng)，令其在某些技術(shù)指標(biāo)上形成互補(bǔ)性，則可能構(gòu)造出應(yīng)用更為“廣譜”、性能更優(yōu)越、生命周期更長、經(jīng)濟(jì)性和可靠性更好的儲能系統(tǒng)[21]。

2.1 SMES+氫電池

SMES無論是采用液氮還是液氦制冷，制冷工質(zhì)都僅用于維持低溫環(huán)境，是制約SMES經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)關(guān)鍵因素。液氫溫區(qū)為14～20 K，低于高溫超導(dǎo)體(如BSCCO、ReBCO、MgB2)的臨界溫度，在液氫溫區(qū)下，超導(dǎo)體具有比液氮下更好的性能。采用液氫作為SMES的制冷劑，可配置為一種新型混合儲能系統(tǒng)。

此種混合系統(tǒng)的典型工作方式為：(新能源儲能場景)多余能量中的短時(shí)波動由SMES吸收存儲；長時(shí)波動能量用于電解水生成氫，并經(jīng)制冷設(shè)備成為液氫。液氫一方面作為SMES磁體的制冷劑，一方面本身也是高能量密度能源。(新能源、氫能汽車等場景)當(dāng)系統(tǒng)需要儲能系統(tǒng)響應(yīng)輸出時(shí)，短時(shí)的電能質(zhì)量、頻率控制、電機(jī)啟動等大功率輸出由SMES實(shí)現(xiàn)，長時(shí)的能量輸出由氫電池實(shí)現(xiàn)[22-24]。

SMES和氫電池在能量、功率和響應(yīng)時(shí)間上的互補(bǔ)性如圖 2所示。此混合系統(tǒng)具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，如響應(yīng)時(shí)間快，可長時(shí)間穩(wěn)定提供能量，綠色清潔環(huán)保等。由于2個(gè)儲能系統(tǒng)深度耦合，此混合系統(tǒng)具有比2種簡單相加更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 SMES+氫電池特性Fig.2 Property of SMES-hydrogen battery hybrid system

2.2 SMES+電化學(xué)電池

隨著電動汽車等電動交通運(yùn)輸工具的快速發(fā)展，電化學(xué)電池如鋰離子電池成為目前發(fā)展最快也是使用最廣泛的儲能方式。

交通運(yùn)輸系統(tǒng)通常需要高能量型儲能設(shè)備，長時(shí)間的放電以獲得長時(shí)間的續(xù)航能力，從而最大化系統(tǒng)效率并最小化系統(tǒng)費(fèi)用和質(zhì)量。不過，在啟動和加速階段，電池的放電速度較慢。且電池系統(tǒng)的頻繁充電會嚴(yán)重影響電池生命周期。如果配合一個(gè)高功率型的SMES，作為主儲能電池的緩沖，組成混合儲能系統(tǒng)，電池不必經(jīng)受頻繁的充放電，電機(jī)啟動等脈沖大電流也不必由電池供給。

SMES和電化學(xué)電池在能量、功率和響應(yīng)時(shí)間上的互補(bǔ)性如圖 2所示。此混合儲能系統(tǒng)有響應(yīng)時(shí)間快、功率密度高、能量密度高、效率高、近乎無限次的充放電周期等特性。系統(tǒng)的性能也有提高，電池的生命周期被延長，整體效率也將提高?；旌舷到y(tǒng)的SMES由于主要用于快速功率響應(yīng)，其額定能量密度可以降低，從而降低投資費(fèi)用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[25-27]。

圖3 SMES+電化學(xué)電池互補(bǔ)特性Fig.3 Property of SMES-electrochemical battery hybrid system

3 挑戰(zhàn)與應(yīng)對

毫無疑問，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)以及基于高溫超導(dǎo)磁的新型混合儲能系統(tǒng)是具有良好發(fā)展?jié)摿Φ膬δ芗夹g(shù)分支。超導(dǎo)磁儲能技術(shù)目前尚處于研發(fā)示范階段，在走向規(guī)?；渴痣A段的路上，面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)。

3.1 價(jià)格

SMES的投資成本很大程度是由超導(dǎo)材料的費(fèi)用決定的。而高溫超導(dǎo)材料價(jià)格一直居高不下，成為限制SMES發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸。SMES在發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合超導(dǎo)材料生產(chǎn)企業(yè)，針對性地開展超導(dǎo)材料的研發(fā)，提高材料性能，降低價(jià)格。SMES的關(guān)鍵技術(shù)多未定型，制造過程大量使用了價(jià)格昂貴的定制部件。這就要求進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，以降低制造過程的成本。目前的SMES多用于工程示范，對于生命周期費(fèi)用尚無一手實(shí)證數(shù)據(jù)。必須開展生命周期費(fèi)用模型研究，從生命周期的角度獲得SMES的經(jīng)濟(jì)性特征。

3.2 可靠性

可靠性是實(shí)用化的關(guān)鍵要求之一。SMES的可靠性目前尚停留在示范層面的預(yù)計(jì)，還沒得到實(shí)證性證實(shí)。應(yīng)當(dāng)通過加速老化研究，獲取SMES系統(tǒng)退化和失效機(jī)制；在高度相似模擬實(shí)際工況條件下，制定標(biāo)準(zhǔn)測試方案和可靠性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；以產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的眼光，在已安裝儲能系統(tǒng)的負(fù)責(zé)單位之間結(jié)成聯(lián)盟，共享運(yùn)行數(shù)據(jù)，共享系統(tǒng)追蹤文檔。

3.3 政策

國家政策層面上，已經(jīng)給了超導(dǎo)儲能大力支持，釋放了積極信號。與此配套的，應(yīng)加大國家投入，并采取一定的導(dǎo)向性措施鼓勵(lì)民間資本進(jìn)入。由政府機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，制定產(chǎn)業(yè)界和管理部門都能接受的選址、并網(wǎng)、維護(hù)、性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 市場接受

出于包括上述已經(jīng)提及的多種原因，SMES商業(yè)化和大規(guī)模部署的道路依然不平坦。為了得到市場認(rèn)可，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合設(shè)備制造商、市場需求方等各環(huán)節(jié)，共同實(shí)施現(xiàn)場試驗(yàn)和示范運(yùn)行，積累經(jīng)驗(yàn)，評估性能；應(yīng)當(dāng)采用產(chǎn)業(yè)界接受的規(guī)劃和運(yùn)行工具來進(jìn)行儲能設(shè)計(jì)開發(fā)。各方在此過程中獲得的第一手經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，以及形成的良好市場反饋機(jī)制，將加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場化。

4 結(jié) 論

超導(dǎo)磁儲能具有得天獨(dú)厚的物理性能優(yōu)勢。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)及由其組成的混合儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)暫態(tài)調(diào)節(jié)、新能源并網(wǎng)、新能源交通工具、特種電源等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。面向未來，超導(dǎo)磁儲能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用要重點(diǎn)解決價(jià)格、可靠性、政策和市場化等幾個(gè)問題。我們可以樂觀地預(yù)計(jì)，超導(dǎo)磁儲能及其混合儲能系統(tǒng)必將在未來儲能應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)一個(gè)關(guān)鍵的位置。

[1]駱妮, 李建林. 儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的研究進(jìn)展 [J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2012, 28(2): 71-79. LUO Ni, LI Jianlin. Research progress of energy storage technology in power system [J]. Power System and Clean Energy, 2012, 28(2): 71-79[2]FARHADI M, MOHAMMED O. Energy storage technologies for high-power applications [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, 52(3): 1953-1961.

[3]中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會, 中國儲能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告(2016年) [R]. 2016.

[4]LUO X, WANG J, DOONER M, et al. Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation [J]. Applied Energy, 2015, 137: 511-536.

[5]MILES J, MILLS R G. Observation of persistent current in a superconducting solenoid [J]. Physical Review Letters, 1963,10(3): 93-96.

[6]BIDADFAR A, ABEDI M, KARARI M, et al. Power swings damping improvement by control of upfc and smes based on direct lyapunov method application[C]//Proceedings of the 2008 IEEE power and energy society general meeting—conversion and delivery of electrical energy in the 21st century. Pittsburgh: IEEE, 2008:1-7.

[7]ALI M H, WU B, DOUGAL R A. An overview of SMES applications in power and energy systems [J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2010, 1(1): 38-47.

[8]SEO H R, KIM A R, PARK M, et al. Power quality enhancement of renewable energy source power network using smes system [J]. Physica C: Superconductivity, 2011, 471(21-22): 1409-1412.

[9]LIU Y, TANG Y, SHI J, et al. Application of small-sized SMES in an EV charging station with DC bus and PV system [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 1-6.

[10]SINGH S, JOSHI H, CHANANA S, et al. Impact of superconducting magnetic energy storage on frequency stability of an isolated hybrid power system[C]//Proceedings of the 2014 International Conference on Computing for Sustainable Global Development (Indiacom). New Delhi: IEEE, 2014: 141-145.

[11]戴陶珍, 范則陽, 李敬東，等. 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)在艦船電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景及其關(guān)鍵課題 [J]. 中國工程科學(xué), 2002, 4(6): 16-19. DAI Taozhen, FAN Zeyang, LI Jingdong, et al. Prospects and key points for applying SMES to electric power system in ships [J]. Engineering Science, 2002, 4(6): 16-19.

[12]GUPTA R, ANERELLA M, JOSHI P, et al. Design, construction, and testing of a large-aperture high-field HTS SMES coil [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 1-8.

[13]ZHU J, YUAN W, QIU M, et al. Experimental demonstration and application planning of high temperature superconducting energy storage system for renewable power grids [J]. Applied Energy, 2015, 137: 692-698.

[14]HOLLA R V. Energy storage methods— superconducting magnetic energy storage: a review [J]. Journal of Undergraduate Research, 2015, 5(1): 49-54[15]GONG K, SHI J, LIU Y, et al. Application of SMES in the microgrid based on fuzzy control [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(3): 1-5.

[16]INDIRA G, UMAMAHESWARARAO T, CHANDRAMOHAN S. Enhancing the design of a superconducting coil for magnetic energy storage systems [J]. Physica C: Superconductivity and Its Applications, 2015, 508: 69-74.

[17]LALITHA S L, GUPTA R C. The mechanical design optimization of a high field HTS solenoid [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 1-4.

[18]XU Y, TANG Y, REN L, et al. Numerical simulation and experimental validation of a cooling process in a 150-kJ SMES magnet [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(6): 1-7.

[19]TIXADOR P. Superconducting magnetic energy storage: status and perspective [J]. IEEE/CSC & ESAS European Superconductivity News Forum, 2008, 3: 1-14[20]FERREIRA H L, GARDE R, FULLI G, et al. Characterisation of electrical energy storage technologies [J]. Energy, 2013, 53: 288-298.

[21]REN L, TANG Y, SHI J, et al. Techno-economic evaluation of hybrid energy storage technologies for a solar-wind generation system [J]. Physica C: Superconductivity, 2013, 484: 272-275.

[22]ZHANG Z, MIYAJIMA R, SATO Y, et al. Characteristics of compensation for fluctuating output power of a solar power generator in a hybrid energy storage system using a bi2223 SMES coil cooled by thermosiphon with liquid hydrogen [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 1-5.

[23]SANDER M, GEHRING R. LIQHYSMES: a novel energy storage concept for variable renewable energy sources using hydrogen and SMES [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 1362-1366.

[24]MORANDI A, TREVISANI L, NEGRINI F, et al. Feasibility of superconducting magnetic energy storage on board of ground vehicles with present state-of-the-art superconductors [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(2): 5700106-5700106.

[25]LI J, GEE A M, ZHANG M, et al. Analysis of battery lifetime extension in a smes-battery hybrid energy storage system using a novel battery lifetime model [J]. Energy, 2015, 86: 175-185.

[26]ISE T, KITA M, TAGUCHI A. A hybrid energy storage with a SMES and secondary battery [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2005, 15(2): 1915-1918.

[27]LI J, ZHANG M, YANG Q, et al. SMES/battery hybrid energy storage system for electric buses [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 1-5.

(編輯 劉文瑩)

Superconducting Magnetic Energy Storage System: Status and Prospect

DAI Shaotao, WANG Bangzhu, MA Tao

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Superconducting magnetic energy storage system (SMES) has the merits of quick response, high power density, and long life-time cycle, etc Its has important applications in voltage quality control, frequency regulation, load balance and pulse power supply. SMES is listed as one of the major breakthrough directions of advance energy storage technology in “Innovative Action Plan for Energy Technology Revolution (2016-2030)”. This paper introduces the system structure of SMES and its advancement, sums up the application in the scenarios suitable for the characteristics of SMES such as power system and ship power supply, reviews the representative large-scale projects and research status of SMES, and discusses two classes of hybrid energy storage systems combined with hydrogen or electrochemical cells focusing on complementation and performance enhancement. Finally, this paper points out some challenges for the development and large-scale application of SMES, as well as the corresponding measures.

superconducting magnetic energy storage (SMES); hybrid energy storage; research progress; prospect

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477165)

TM 916

A

1000-7229(2016)08-0018-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.003

2016-04-25

戴少濤(1972)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用超導(dǎo)技術(shù)；

王邦柱(1988)，男，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力技術(shù)；

馬韜(1984)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闇y控技術(shù)與自動控制。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51477165)