超導儲能系統概述及應用淺談

舒峰 仇前生 涂鑫國 牛俊琪 汪詩經 王海波

摘 要： 當今電網特高壓和遠距離輸電技術飛速進步、可再生能源容量不斷升高，全國大電網格局逐步形成，電力系統動態穩定問題日漸突出。超導儲能裝置（SMES）具有蓄能量高、轉換效率好、響應速度快、應用靈活等優點，可以高速高效調節系統與超導磁體之間的功率交換，將在改善用電質量，提高系統運行的可靠性以及穩定性等方面起到重要的推動作用。

關鍵詞： 超導儲能系統;電力系統;穩定水平

伴隨著我國現代社會的高速發展，大家對于電能的需要日漸增長，發電系統的建設規模和儲存容量也越來越大，不同地區電網之間聯系越來越緊密。為了提高電力系統的穩定性、可靠性和安全性以及改善電能質量，基于現代電力電子技術與現代控制技術，對交流輸電系統的阻抗、電壓、相位實現靈活快速調節的柔性交流輸電技術（FACTS ）得到發展迅速。超導儲能技術屬于新一代的FACTS，與其它形式FACTS不同的是它能夠通過SMES變流器高效地將電能直接存儲在超導磁體中，實時提供有功和無功補償，使得系統功率調節范圍擴大。

1.超導儲能裝置探討

目前常用的儲能裝置包括超導儲能裝置（SMES）、電池儲能裝置（BES）、超級電容（SCES）、飛輪儲能（FES）、壓縮空氣儲能（CAES ）等。其中，超導儲能裝置（SMES）將能量以電磁能的形式直接儲存在超導線圈中，在需要時再將電磁能返回給負載或電網的一種快速、高效的儲能裝置。超導儲能與其他儲能裝置相比，有以下優點：①儲能密度高，無損耗，超導線圈運行在超導態下沒有直流焦耳損耗，可傳導平均電流密度比常規線圈高1-2個數量級，可達到很高的能量密度（約為108J/m3），且長時間無損耗的儲存能量;②轉換效率高（≥96%），通過變流器控制實現與電網的能量交換，響應速度快（ms級）;③能量功率大，控制方便，使用靈活，超導線圈的出能量與變流器的容量，可獨立地在大范圍內選取，控制超導磁體與系統進行有功、無功功率的交換。

超導儲能系統首先需要在超導磁體內存儲一定的能量，再通過控制變流器的觸發脈沖來實現磁體和電網的有功和無功功率交換。超導儲能中的超導磁體在通過直流電流時沒有焦耳熱損耗，因此超導儲能裝置都采用直流電系統。美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先提出SMES裝置的結構框圖。SMES裝置主要由超導線圈、低溫系統、功率變流器、磁體保護系統和監測控制系統等5個部分組成。

（1）超導磁體

由高溫超導材繞制而成的線圈，其許多單線圈串聯從而得到一個較大容量的超導磁體。而其中超導磁體是該系統的核心，儲能磁體要儲存的能量和它的結構決定了磁體的大小。超導磁體的設計可以分為幾種：螺旋管形和環形管。螺旋管磁體結構簡單，缺點是它周圍的雜散磁場較大;而環形磁體周圍雜散磁場很小，其結構相對會比較復雜一些。

（2）? 低溫系統

超導磁體在低溫狀態下才會是超導狀態，而高溫超導磁體要運行在液氮溫區，因此低溫的環境才是超導磁體所要的工作環境。所以最直接的磁體冷卻方式是將高溫超導磁體浸入液氦中，對高溫的超導磁體，可以用制冷機將磁體直接進行冷卻。但是，無論什么樣的冷卻方式，都需要在低溫的容器內盛放著液氮，它會維持著超導磁體需要的低溫環境，與此同時，還具一定的機械強度，它將支持著對應重量的磁體。

（ 3）? 磁體失超保護系統

磁體失超是指超導體從超導態變為正常態。當超導體在運行過程中，溫度、磁場及電流中任意參數超過臨界值，都會發生失超。超導磁體失超時，繞組內部出現電阻，電流急劇變化導致磁體兩端出現高電壓，致使繞組間絕緣擊穿使磁體遭到永久損壞。因此，對超導磁體的失超檢測與保護對于增強SMES系統的可靠性有著非常重要的作用。

（4）監控系統

監控系統由信號采集、控制器兩部分組成，主要任務是提取系統信息，根據系統需要控制SMES的功率輸出。信號采集部分監測和分析電力系統及SEMS的各種狀態參量，從而通過變流器控制超導磁體兩端的電壓，對磁體充放電。

（5） SMES變流器

SMES變流器是實現超導磁體和電網之間能量轉換的裝置，起著控制儲能元件與系統之間功率交換橋梁的作用。隨著半導體功率器件技術的發展，用GTO和IGBT等全控型器件構成的變流器時，變流器可利用PWM控制來降低交流側低次諧波，從而降低對交流側濾波器的要求。

2. SMES變流器基本結構研究

目前，應用在電力系統的超導磁儲能的變流器基本拓撲結構分為兩種。一種叫電流源型的SMES，其功率調節系統由電流源型的變流器（CSC）構成;第二種是電壓源型的SMES，其功率調節系統由電壓型的變換器（VSC）連著斬波器（Chopper）所構成。電流源型的SMES和電壓源型的SMES主要電路基本的拓結構的圖。它能快速、高效地與電力系統做有功功率和無功功率的交換，較好地改善了電能質量，同時提高電力系統可靠性。因為SMES固有電流源的特點， 以往SMES變流器所選用得電流型變流器。但目前，電壓源型的SMES變流器數字化自動控制技術更為成熟，而且電壓源型SMES變流器還需要做斬波器的相關設計，實現超導磁體和電網的隔離，方便了變流器模塊化設計，但是VSC變流器和斬波器需要協調控制。

3.SMES系統應用前景

隨著科技信息化和微電子技術日漸廣泛地應用到精密制造業、工農業生產和日常生活的各個領域，人們對用電質量要求越來越高。而核能、風力及太陽能等可再生能源的并網、分布式發電比重逐漸增加給電力系統帶來的諸多穩定性及電網質量問題。

超導儲能（SMES）技術的運用，不但可以對電力系統負荷調峰填谷，還可以大幅改善電能質量，改善和提高系統運行的可靠性和穩定性，遏制電網低頻振蕩，提升電網安全性。因此，超導儲能技術在電力系統的發展中扮演不可或缺的重要角色。

4.結語

我國西電東送工程和全國聯網帶來的大電網動態穩定性問題現在日漸突出，對于電能供電質量和用電的穩定性提出了愈來愈高的要求。而超導儲能系統有響應速度快、轉換功率密度高和效率高的優點，該系統在解決當前電力系統動態穩定性問題、提升用電的質量以及電能可靠性等方面將發揮不可替代的作用。

參考文獻

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