超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

摘要：我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展使得我國(guó)的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為世界上最龐大最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。電力安全已經(jīng)成為國(guó)家安全的一個(gè)重要方面。同時(shí)，信息化、精密制造以及生產(chǎn)生活對(duì)電力的依賴程度已經(jīng)對(duì)電力供給的可靠性和供電品質(zhì)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(xiàng)保證國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性國(guó)策。21世紀(jì)電力工業(yè)所面臨的主要問題有：應(yīng)用分散電力系統(tǒng)，提高設(shè)備利用率，遠(yuǎn)距離大容量輸電，各大電網(wǎng)間聯(lián)網(wǎng)，高質(zhì)量供電，改善負(fù)荷特性等。針對(duì)這些問題，與現(xiàn)有的采用常規(guī)導(dǎo)體技術(shù)的解決方案相對(duì)應(yīng)，都有一種甚至多鐘超導(dǎo)電力裝置能為問題的解決提供新的技術(shù)手段。由于超導(dǎo)體的電阻為零，因此其載流密度很高，因此可以使超導(dǎo)電力裝置普遍具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，制成常規(guī)技術(shù)難以達(dá)到的大容量電力裝置，還可以制成運(yùn)行于強(qiáng)磁場(chǎng)的裝置，實(shí)現(xiàn)高密度高效率儲(chǔ)能。作為一種具備快速功率響應(yīng)能力的電能存儲(chǔ)技術(shù)，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng) (SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高電力安全、改善供電品質(zhì)、增強(qiáng)新能源發(fā)電的可控性中發(fā)揮重要作用。

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

SMES是利用超導(dǎo)磁體將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要是再將電磁能返回電網(wǎng)或者其他負(fù)載。超導(dǎo)磁體中儲(chǔ)存的能量W可由下式表示：

超導(dǎo)磁體是SMES系統(tǒng)的核心，它在通過直流電流時(shí)沒有焦耳損耗。超導(dǎo)導(dǎo)線可傳輸?shù)钠骄娏髅芏缺纫话愠Ｒ?guī)導(dǎo)體要高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，超導(dǎo)磁體可以達(dá)到很高的儲(chǔ)能密度，約為10J/m。與其他的儲(chǔ)能方式，如蓄電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能及飛輪儲(chǔ)能相比，SMES具有轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%、毫秒級(jí)的影響速度、大功率和大能量系統(tǒng)、壽命長(zhǎng)及維護(hù)簡(jiǎn)單、污染小等優(yōu)點(diǎn)。

SMES 一般有超導(dǎo)磁體、低溫系統(tǒng)、磁體保護(hù)系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等幾個(gè)主要部分組成。圖1—1是SMES裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，該結(jié)構(gòu)是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室首先提出來的，以后SMES裝置的研究設(shè)計(jì)一般都是一次結(jié)構(gòu)作為參考原型。圖中的變壓器只是為了選擇適當(dāng)?shù)碾妷核揭苑奖愕剡B接SMES與電力系統(tǒng)，不屬于SMES的必要部件。

超導(dǎo)磁體

儲(chǔ)能用超導(dǎo)磁體可分為螺管形和環(huán)形兩種。螺管線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但周圍雜散磁場(chǎng)較大;環(huán)形線圈周圍雜散磁場(chǎng)小，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。由于超導(dǎo)體的通流能力與所承受的磁場(chǎng)有關(guān)，在超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)中第一個(gè)必須考慮的問題是應(yīng)該滿足超導(dǎo)材料對(duì)磁場(chǎng)的要求，包括磁場(chǎng)在空間的分布和隨時(shí)間的變化。除此意外，在磁體設(shè)計(jì)中還需要從超導(dǎo)線性能、運(yùn)行可靠行、磁體的保護(hù)、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、低溫技術(shù)與冷卻方式等幾個(gè)方面考慮。

低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)維持超導(dǎo)磁體處于超導(dǎo)態(tài)所必須的低溫環(huán)境。超導(dǎo)磁體的冷卻方式一般為浸泡式，即將超導(dǎo)磁體直接至于低溫液體中。對(duì)于低溫超導(dǎo)磁體，低溫多采用液氦(4.2K)。對(duì)于大型超導(dǎo)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(shè)置制冷劑回收所蒸發(fā)的低溫液體?；贐i系的高溫超導(dǎo)磁體冷卻只20~30K一下可以實(shí)現(xiàn)3~5T的磁場(chǎng)強(qiáng)度，基于Y系的高溫超導(dǎo)磁體即使在77K也能實(shí)現(xiàn)一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用大功率制冷機(jī)直接冷卻超導(dǎo)磁體可成為一種現(xiàn)實(shí)的方案，但目前的技術(shù)水平，還難以實(shí)現(xiàn)大型超導(dǎo)磁體的冷卻。

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制超導(dǎo)磁體和電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換，是儲(chǔ)能元件與系統(tǒng)之間進(jìn)行功率交換的橋梁。目前，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般采用基于全控型開關(guān)器件的PWM變流器，他能夠在四象限快速、獨(dú)立的控制有功和無功功率，具有諧波含量低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由信號(hào)采集、控制器兩部分構(gòu)成，其主要任務(wù)是從系統(tǒng)提取信息，根據(jù)系統(tǒng)需要控制SMES的功率輸出。信號(hào)采集部分檢測(cè)電力系及SMES的各種技術(shù)參量，并提供基本電氣數(shù)據(jù)給控制器進(jìn)行電力系統(tǒng)狀態(tài)分析?？刂破鞲鶕?jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)計(jì)算功率需求，然后通過變流器調(diào)節(jié)磁體兩端的電壓，對(duì)磁體進(jìn)行充、放電?？刂破鞯男阅鼙仨毢拖到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程匹配才能有效的達(dá)到控制目的。SMES的控制分為內(nèi)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(nèi)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(nèi)環(huán)控制器則是根據(jù)外環(huán)控制器童工的參考值產(chǎn)生變流器開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)。

SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用途徑

提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

SMES作為一個(gè)可靈活調(diào)控的有功功率源，可以主動(dòng)參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，既能調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼力矩又能調(diào)節(jié)同步力矩，因而對(duì)解決系統(tǒng)滑行失步和振蕩失步均有作用，并能在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

改善電能質(zhì)量。

由于SMES可發(fā)出或吸收一定的功率，可用來減小負(fù)荷波動(dòng)或發(fā)電機(jī)出力變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，SMES可作為敏感負(fù)載和重要設(shè)備的不間斷電源，同時(shí)解決配電網(wǎng)中發(fā)生異?；蛞蛑骶W(wǎng)受干擾而引起的配電網(wǎng)向用戶宮殿中產(chǎn)生異常的問題，改善供電品質(zhì)。

提供系統(tǒng)備用容量。

系統(tǒng)備用容量的存在及其大小，既是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，又是涉及電網(wǎng)安全的技術(shù)問題，對(duì)于保障電網(wǎng)的安全裕度。事故后快速恢復(fù)供電具有重要作用。以目前的水平，SMES高效儲(chǔ)能特性可用來儲(chǔ)存應(yīng)急備用電力，但是不足以作為大型電網(wǎng)的備用容量。

用于可再生能源發(fā)電及微電網(wǎng)。

SMES 的高效儲(chǔ)能與快速功率調(diào)節(jié)能力可在風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中平滑輸出功率波動(dòng)，有效抑制這類電源引起的電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問題，提高并網(wǎng)運(yùn)行的可控性與穩(wěn)定性。微網(wǎng)是有效利用分散的新能源提高電力系統(tǒng)供電可靠性的一項(xiàng)新興技術(shù)，SMES可以改善微網(wǎng)的并網(wǎng)特性、提高微網(wǎng)的孤島運(yùn)行性能。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

近 30年來，SMES的研究一直是超導(dǎo)電力技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，20世紀(jì)70年代提出SMES的概念時(shí)，著重的是其儲(chǔ)能能力，期望可以作為一種平衡電力系統(tǒng)日負(fù)荷曲線的儲(chǔ)能裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，SMES已不僅僅是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，而是一個(gè)可以參與電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制的有功、無功功率源，它可以主動(dòng)參與電力系統(tǒng)的功率補(bǔ)償，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率傳輸能力，改善電能質(zhì)量。幾十年的發(fā)展已經(jīng)是SMES開始進(jìn)入電力系統(tǒng)試運(yùn)行，也有了部分商業(yè)化產(chǎn)品。

1969年Ferrier提出了利用超導(dǎo)電感儲(chǔ)存電能的概念。20世紀(jì)70年代初，威斯康辛(Wisconsin)大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)中心利用一個(gè)由超導(dǎo)電感線圈和三相AC/DC格里茨(Graetz)橋路組成的電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，對(duì)格里茨橋在能量?jī)?chǔ)存單元與電力系統(tǒng)相互影響中的作用進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，發(fā)現(xiàn)裝置的快速響應(yīng)特性對(duì)于抑制電力系統(tǒng)振蕩非常有效，開創(chuàng)了超導(dǎo)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)應(yīng)用的先。70年代中期，為了解決 BPA(BonnevillePowerAdministration)電網(wǎng)中從太平洋西北地區(qū)到南加州1500km的雙回路交流500kv輸電線上的低頻振蕩問題，提高輸電線路的傳輸容量，LASL和BPA合作研制了一臺(tái)30MJ/10MW的SMES并將其安裝于華盛頓塔科馬(Tacoma)變電站進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。30MJSMES系統(tǒng)是超導(dǎo)技術(shù)在美國(guó)第一次大規(guī)模的電力應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明SMES可以有效解決BPA電網(wǎng)中從太平洋西北地區(qū)到南加州雙回路交流輸電線上的低頻振蕩問。

1987年起，美國(guó)核防御辦公室(DefenseNuclearAgency,DNA)啟動(dòng)了SMES- ETM(EngineeringTestModel)計(jì)劃，開展了大容量(1~5GWh)SMES的方案論證，工程設(shè)計(jì)和研。到1993年底，R.Bechtel團(tuán)隊(duì)建成了1MWh/500MW的示范樣機(jī)，并將其安裝于加利福尼亞州布萊斯，可將南加里福尼亞輸電線路的負(fù)荷傳輸極限提高8%。

此外，美國(guó)在小容量SMES研究和應(yīng)用方面也開展了大量和卓有成效的工作。1988年，SI公司開始進(jìn)行中小容量(約1~3MW/1~10MJ)和可移動(dòng) SMES的開發(fā)和商業(yè)化，以解決供電網(wǎng)和特殊工業(yè)用戶的電能質(zhì)量問題。此后，ASC公司在SI的基礎(chǔ)上，又提出了分布式 SMES(DistributedSMES,D-SMES)等概念，并對(duì)諸如改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、為對(duì)電能質(zhì)量敏感的工業(yè)生產(chǎn)基地提供高質(zhì)量不間斷電源以及提高供電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研。1990~2004年間，SI/ASC公司先后有約20多臺(tái)SMES投入運(yùn)行。美國(guó)、德國(guó)和日本等都提出研制 100kwh等級(jí)的微型SMES，這種SMES可為大型計(jì)算中心、高層建筑及重要負(fù)荷提供高質(zhì)量、不間斷的電源，同時(shí)也可用于補(bǔ)償大型電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、電弧爐、軋機(jī)等波動(dòng)負(fù)載引起的電壓波動(dòng)，它還可用作太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能等。美國(guó)AMSC公司還提出研制一種新的D-SMES，用于配電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)。目前，美國(guó)已有多臺(tái)微型超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在配電網(wǎng)中實(shí)際應(yīng)用，美國(guó)還將研制100MJ/50MW的SMES安裝在 CAPS(theCenterforAdvancedPowerSystem)基地，SMES不僅可以為脈沖功率試驗(yàn)提供能量支撐，而且它的現(xiàn)場(chǎng)師范運(yùn)行對(duì)軍用和民用SMES技術(shù)的發(fā)展都很有意義。

1999年，德國(guó)的ACCEL、AEG和DEW聯(lián)合研制了2MJ/800kWSMES，解決 DEW實(shí)驗(yàn)室敏感負(fù)荷的供電質(zhì)量問題。日本九州電力公司先后研制了30kJ以及3.6MJ/1MW的SMES，日本的中部電力公司(1MJ)、關(guān)西電力公司(1.2MJ)、國(guó)際超導(dǎo)研究中心(48MJ/20MW)也分別進(jìn)行了EMSE的研究工作。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院合肥分院等離子體物理研究所等單位很早就開始了超導(dǎo)磁體的研究工作，在超導(dǎo)磁體分離、磁流體推進(jìn)、核磁共振乃至磁約束核聚變托卡馬克磁體等方面做了大量工作。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，清華大學(xué)研制了3.45kJBi-2223SMES磁體，研制了150kVA的低溫超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)并將其用于改善電能質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室研究。2005年華中科技大學(xué)研制成功了35Kj/7.5kW直接冷卻高溫超導(dǎo)SMES實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。中科院電工所提出了基于超導(dǎo)儲(chǔ)能的限流器方案并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，2006年又啟動(dòng)了1MJ/0.5MVA高溫超導(dǎo)SMES的研究項(xiàng)目。