超导储能系统的研究现状及应用前景

2018-03-08 15:08:56 《科技导报》　点击量：评论 (0)

导读：超导磁储能系统将电磁能存储在超导储能线圈中，具有反应速度快、转换效率高、快速进行功率补偿等优点，在提高电能品质、改善供电可靠

导读：

超导磁储能系统将电磁能存储在超导储能线圈中，具有反应速度快、转换效率高、快速进行功率补偿等优点，在提高电能品质、改善供电可靠性及提高大电网的动态稳定性方面具有重要价值。概述了超导储能系统的工作原理、研究现状及优缺点，并展望了其未来应用可能性及发展方向。

由于发电资源和负荷资源地理分布不匹配、资源互补和综合高效利用的要求等原因，现代电网逐渐形成了跨区互联大电网。在这个大电网中，除了配置少量抽水储能外，几乎没有其他储能系统，特别是高功率、快速响应的灵活储能系统。这一方面导致电网峰谷调节困难、使电网的灵活性受到限制，另一方面引起电网的安全可靠性问题：当电网出现瞬态功率不平衡时，必须由电网自身的惯性和控制系统来实现平衡，一旦出现大的瞬态扰动，将导致电网稳定性事故的发生;瞬态扰动还会导致电压和频率的波动，从而引起电能质量问题。在电网中配置具有不同功率特性和响应特性的储能系统是解决上述问题的根本出路，特别是在可再生能源大量接入的情况下更是如此。目前，用于电网的储能方式主要有6种：抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)、超级电容器储能和电池储能。相比于其他储能方式，SMES具有响应速度快、储能效率高及有功和无功率输出可灵活控制等优点，有望在未来电网建设中发挥作用。

本文介绍SMES的基本原理、结构和研发现状，探讨SMES的2个基本核心部件——超导储能线圈和功率调节系统，分析基于SMES的混合储能系统。

1 SMES基本原理

SMES是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能回馈电网或其他负载，并对电网的电压凹陷、谐波等进行灵活治理，或提供瞬态大功率有功支撑的一种电力设施。其工作原理是：正常运行时，电网电流通过整流向超导电感充电，然后保持恒流运行(由于采用超导线圈储能，所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，直到需要释放时为止)。当电网发生瞬态电压跌落或骤升、瞬态有功不平衡时，可从超导电感提取能量，经逆变器转换为交流，并向电网输出可灵活调节的有功或无功，从而保障电网的瞬态电压稳定和有功平衡。

SMES主要包括4部分，即超导储能线圈、功率变换系统、低温制冷系统和快速测量控制系统。其中超导储能线圈和功率变换系统为SMES的核心关键部件。超导储能线圈需要在低温杜瓦中维持低温状态是SMES的能量存储单元，由于在恒定温度下运行，其寿命可达30年以上;功率变换系统是电网与SMES进行能量交换的装置，它主要将电网的能量缓存到超导储能线圈中，并在需要时加以释放，同时还可发出电网所需的无功功率，实现与电网的四象限功率交换，进而达到提高电网的稳定性或改善电能质量的作用;低温制冷系统包括制冷机及相关配套设施，为SMES的正常运行提供所需冷量，可以实现“零挥发模式”运行;快速测量控制系统主要用来检测电网的主要运行参数，对电网当前的电能质量进行分析，进而对SMES提出运行控制目标，同时还具有自检和保护功能，保障SMES的安全运行(图1)。

2 超导储能线圈研发现状

超导储能线圈是SMES设备的核心部件，是由在一定条件下具有超导特性的导体绕制而成，可以在一定条件下无阻、无损地承载稳态直流大电流，是系统中的电磁能量存储单元。SMES就是基于超导体的无阻高密度载流特性，利用超导电感存储能量，在响应时间以及瞬间大功率释放等方面具有优势。

2.1 低温超导储能线圈

20世纪60年代，随着NbTi线的问世和大规模产业化，GirardB等提出了超导储能概念，采用不同超导材料、不同构型、容量和用途的超导储能线圈相继问世：最初是采用NbTi、Nb3Sn等低温超导材料研制小型单螺管结构的超导线圈，结构简单、储能密度高、相同储能量超导导体用量最少(美国第一套在电网中应用的储能系统30MJ/10MW采用的单螺管NbTi线圈，在1983年初次完成励磁)，但由于漏磁场高、金属低温容器内感应出涡流损耗增加制冷负荷等原因未能大规模发展。为降低漏磁场及其影响，多螺管组合储能线圈系统被研发出来，它的储能密度比单螺管降低，且漏磁场并没有很好解决。随着储能线圈储能量的不断增加，螺绕环构型的储能线圈有了大规模的发展。1985年开始，美国和日本分别进行5000MW˙h/1000MW的储能系统的设计，随后日本进行了20MW˙h/400MW模型样机的研制。该种构型的储能线圈虽然储能密度和导体利用率都比单螺管储能线圈低很多，但可以很好地解决漏磁场及其引发的涡流损耗问题。

2.2 高温超导储能线圈

随着高温超导体的发现及实用化高温超导带材的发展，1996年美国超导公司研发出世界第一台高温超导储能线圈，储能量5kJ，工作温度提高到25K，从此揭开了高温超导储能线圈研发的序幕。由于受高温超导材料的价格、性能的影响，高温超导储能线圈技术的发展缓慢，直到2004年才出现MJ量级储能线圈样机，但只见到日本研发团队研制过程的报道，未见后续进展情况的报道;2008年，中国科学院电工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高温超导储能线圈，是目前储能量最大的高温超导储能线圈。

2.3 超导储能线圈的失超保护

超导储能线圈因为瞬间过流、热扰动等引发失超，伴随瞬间电阻增大、过热、瞬间高压等状况，因此超导储能线圈需要失超保护系统来确保超导储能线圈的安全。通常用监测超导储能线圈的电阻、电压等电器参数来监测超导储能线圈的失超信号，但由于超导储能线圈的电感较大，储能线圈的工作电流处于波动状态，这给失超信号的检测带来较大困难;也有的利用监测制冷剂的挥发量或储能线圈最容易失超部位的温度变化来监测超导储能线圈的失超信号，但由于热反应有较长时间的滞后，所以工程上同时采用这2种方法。

3 基于SMES的混合储能系统

现有的储能介质主要分为能量型和功率型2类：能量型储能介质主要是以锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池等蓄电池为代表，具有能量密度较大、功率密度较小的特点，但充放电次数及放电深度受使用寿命限制;功率储能介质主要是以超级电容、SMES和飞轮储能等为代表，具有能量密度较小、功率密度较大、高倍率充放电不会损害其性能的特点。2类储能技术各有优劣，混合储能装置是将2类储能装置组合使用，取长补短。

目前研究较多的SMES混合储能主要是超导-蓄电池混合储能。超导-蓄电池混合储能是将SMES与电池储能系统(batteryenergystoragesystem,BESS)相结合的一种混合储能装置。它采用共直流母线的结构，风机通过变流器和变压器连接到电网，SMES和BESS通过各自的DC/DC斩波器连接到直流母线上(图14)。

SMES-BESS具有超导储能响应快、效率高(可达95%)、无噪声污染、可靠性高的特点，同时又具有蓄电池储能抑制电压闪变、价格便宜、可靠性好、技术非常成熟、大容量容易实现等优点，可以稳定电网频率，控制电网电压的瞬时波动，提高供电质量，同时能够减少电池充放电次数和放电深度，延长电池的使用寿命。

SMES-BESS同时具有SMES与BESS的优点，相比于单一的储能的方式，在应用方面更具优势。张晓红等列出了SMES-BESS在微电网储能中应用的优势。快速响应和大容量储能的特点非常适合于微电网孤岛和并网的运行状态，可以稳定微电网频率，控制微电网电压瞬时波动，保证给用户提供不间断供电等功能，进而提高供电质量。

风力发电存在不连续、不稳定的特点，直接并网会造成电压闪变、功率频率波动等不良影响。同时，风电场必须具备低电压穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)能力，以消除潜在的安全隐患。研究表明，SMES-BESS在稳定电压波动、平抑风电功率波动及提高低电压穿越能力方面具有重要作用。图15为SMES-BESS变流器的拓扑结构。

Li等提出了SMES-BESS用于电动公共汽车储能的可能性，并提出一种新的控制算法。通过仿真分析，得出SMES-BESS混合储能系统具有更高的使用效率。SMES作为能量缓冲区，能够减少电池的充放电频率，限制电池的峰值电流，从而延长电池的使用寿命。

4 超导储能系统应用实例

以本研究组研制的0.5MV˙A/1MJ的SMES为例，介绍SMES在电网的应用方法。0.5MV˙A/1MJSMES安装在甘肃省白银市高新技术开发区内的超导变电站内，变电站的下游为3家高新技术企业。这3家企业拥有大量的非线性用电设备，这些设备会产生谐波和闪变，影响电网的电能质量。为了提高对3家企业的供电质量，该SMES采用与电网并联连接的方式，对下游负载的谐波、无功和功率波动进行补偿，同时实现了有源滤波、无功补偿和有功平滑的功能。

为了提高SMES有源滤波的效果，需要提高系统的开关频率，而过高的开关频率会导致变流器过热和不稳定的问题。为了解决该问题，SMES功率调节系统采用模块化的设计方案，共由12个逆变器模块(invertermodule)和1个斩波器模块构成，其拓扑结构及与电网的连接方式如图16所示，功率模块的实物如图17所示。逆变器模块载波频率5kHz，通过载波移相和单极性调制方式，其等效开关频率进一步达到40kHz;采样率也为40kHz。高等效开关频率和采样率有效地提高了系统的控制带宽，从而保证了有源滤波效果。为了进一步提高有源滤波的效果，在控制上采用了比例积分和重复控制相结合的方式。

其储能线圈由44个鉍系带材绕制的双饼线圈构成(图18)。储能线圈的中部采用双带双饼串联连接的方式。由于储能线圈端部垂直磁场较强，对临界电流的影响较大，因此在端部采用单带双饼与双带双饼并联连接的方式，保证了其端部临界电流与中部相匹配。

为了评估该SMES的性能，对其进行了实验和并网测试。图19是其有源滤波的实验波形，自上至下依次为电网电流、负载电流、直流母线电压和储能线圈电流。

从图19中可以看出，其负载电流存在严重的谐波畸变，经电能质量分析仪测试，其总谐波畸变率(totalharmonicsdistortion,THD)达到92.2%，而经过SMES进行有源滤波处理后，其电网电流的THD降到4%，有源滤波的效果非常明显。

图20是有功平滑的实验结果。在实验过程中，非线性负载的功率由50kW跳变到100kW后跳变回50kW。在负荷突增时，储能线圈的电流从300A下降到260A，从而为突增的负荷提供突变的有功功率;而在负荷突降时，储能线圈从电网吸收有功功率，储能线圈的电流逐渐增加到300A。在负荷突增或者突降时，电网电流的幅值没有明显变化，这表明负荷突变对电网的冲击大大减轻，有效地实现了有功平滑的功能。

图21是并网运行的测试结果，蓝色和红色曲线分别为电网和负载的有功功率和无功功率，图21(a)、(b)分别为电网和负载的有功和无功功率。从图21可以看出，加入该SMES后，虽然负荷的有功功率存在剧烈波动，但是电网仅需提供较为平滑的有功功率，有功平滑的效果明显。同时也可以看出，通过SMES的无功补偿，注入电网的无功功率基本为0，无功补偿的效果明显。