超导储能系统概述及应用浅谈

舒峰 仇前生 涂鑫国 牛俊琪 汪诗经 王海波

摘 要： 当今电网特高压和远距离输电技术飞速进步、可再生能源容量不断升高，全国大电网格局逐步形成，电力系统动态稳定问题日渐突出。超导储能装置（SMES）具有蓄能量高、转换效率好、响应速度快、应用灵活等优点，可以高速高效调节系统与超导磁体之间的功率交换，将在改善用电质量，提高系统运行的可靠性以及稳定性等方面起到重要的推动作用。

关键词： 超导储能系统;电力系统;稳定水平

伴随着我国现代社会的高速发展，大家对于电能的需要日渐增长，发电系统的建设规模和储存容量也越来越大，不同地区电网之间联系越来越紧密。为了提高电力系统的稳定性、可靠性和安全性以及改善电能质量，基于现代电力电子技术与现代控制技术，对交流输电系统的阻抗、电压、相位实现灵活快速调节的柔性交流输电技术（FACTS ）得到发展迅速。超导储能技术属于新一代的FACTS，与其它形式FACTS不同的是它能够通过SMES变流器高效地将电能直接存储在超导磁体中，实时提供有功和无功补偿，使得系统功率调节范围扩大。

1.超导储能装置探讨

目前常用的储能装置包括超导储能装置（SMES）、电池储能装置（BES）、超级电容（SCES）、飞轮储能（FES）、压缩空气储能（CAES ）等。其中，超导储能装置（SMES）将能量以电磁能的形式直接储存在超导线圈中，在需要时再将电磁能返回给负载或电网的一种快速、高效的储能装置。超导储能与其他储能装置相比，有以下优点：①储能密度高，无损耗，超导线圈运行在超导态下没有直流焦耳损耗，可传导平均电流密度比常规线圈高1-2个数量级，可达到很高的能量密度（约为108J/m3），且长时间无损耗的储存能量;②转换效率高（≥96%），通过变流器控制实现与电网的能量交换，响应速度快（ms级）;③能量功率大，控制方便，使用灵活，超导线圈的出能量与变流器的容量，可独立地在大范围内选取，控制超导磁体与系统进行有功、无功功率的交换。

超导储能系统首先需要在超导磁体内存储一定的能量，再通过控制变流器的触发脉冲来实现磁体和电网的有功和无功功率交换。超导储能中的超导磁体在通过直流电流时没有焦耳热损耗，因此超导储能装置都采用直流电系统。美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出SMES装置的结构框图。SMES装置主要由超导线圈、低温系统、功率变流器、磁体保护系统和监测控制系统等5个部分组成。

（1）超导磁体

由高温超导材绕制而成的线圈，其许多单线圈串联从而得到一个较大容量的超导磁体。而其中超导磁体是该系统的核心，储能磁体要储存的能量和它的结构决定了磁体的大小。超导磁体的设计可以分为几种：螺旋管形和环形管。螺旋管磁体结构简单，缺点是它周围的杂散磁场较大;而环形磁体周围杂散磁场很小，其结构相对会比较复杂一些。

（2）  低温系统

超导磁体在低温状态下才会是超导状态，而高温超导磁体要运行在液氮温区，因此低温的环境才是超导磁体所要的工作环境。所以最直接的磁体冷却方式是将高温超导磁体浸入液氦中，对高温的超导磁体，可以用制冷机将磁体直接进行冷却。但是，无论什么样的冷却方式，都需要在低温的容器内盛放着液氮，它会维持着超导磁体需要的低温环境，与此同时，还具一定的機械强度，它将支持着对应重量的磁体。

（ 3）  磁体失超保护系统

磁体失超是指超导体从超导态变为正常态。当超导体在运行过程中，温度、磁场及电流中任意参数超过临界值，都会发生失超。超导磁体失超时，绕组内部出现电阻，电流急剧变化导致磁体两端出现高电压，致使绕组间绝缘击穿使磁体遭到永久损坏。因此，对超导磁体的失超检测与保护对于增强SMES系统的可靠性有着非常重要的作用。

（4）监控系统

监控系统由信号采集、控制器两部分组成，主要任务是提取系统信息，根据系统需要控制SMES的功率输出。信号采集部分监测和分析电力系统及SEMS的各种状态参量，从而通过变流器控制超导磁体两端的电压，对磁体充放电。

（5） SMES变流器

SMES变流器是实现超导磁体和电网之间能量转换的装置，起着控制储能元件与系统之间功率交换桥梁的作用。随着半导体功率器件技术的发展，用GTO和IGBT等全控型器件构成的变流器时，变流器可利用PWM控制来降低交流侧低次谐波，从而降低对交流侧滤波器的要求。

2. SMES变流器基本结构研究

目前，应用在电力系统的超导磁储能的变流器基本拓扑结构分为两种。一种叫电流源型的SMES，其功率调节系统由电流源型的变流器（CSC）构成;第二种是电压源型的SMES，其功率调节系统由电压型的变换器（VSC）连着斩波器（Chopper）所构成。电流源型的SMES和电压源型的SMES主要电路基本的拓结构的图。它能快速、高效地与电力系统做有功功率和无功功率的交换，较好地改善了电能质量，同时提高电力系统可靠性。因为SMES固有电流源的特点， 以往SMES变流器所选用得电流型变流器。但目前，电压源型的SMES变流器数字化自动控制技术更为成熟，而且电压源型SMES变流器还需要做斩波器的相关设计，实现超导磁体和电网的隔离，方便了变流器模块化设计，但是VSC变流器和斩波器需要协调控制。

3.SMES系统应用前景

随着科技信息化和微电子技术日渐广泛地应用到精密制造业、工农业生产和日常生活的各个领域，人们对用电质量要求越来越高。而核能、风力及太阳能等可再生能源的并网、分布式发电比重逐渐增加给电力系统带来的诸多稳定性及电网质量问题。

超导储能（SMES）技术的运用，不但可以对电力系统负荷调峰填谷，还可以大幅改善电能质量，改善和提高系统运行的可靠性和稳定性，遏制电网低频振荡，提升电网安全性。因此，超导储能技术在电力系统的发展中扮演不可或缺的重要角色。

4.结语

我国西电东送工程和全国联网带来的大电网动态稳定性问题现在日渐突出，对于电能供电质量和用电的稳定性提出了愈来愈高的要求。而超导储能系统有响应速度快、转换功率密度高和效率高的优点，该系统在解决当前电力系统动态稳定性问题、提升用电的质量以及电能可靠性等方面将发挥不可替代的作用。

参考文献

[1] 张文亮，丘明，来小康. 储能技术在电力系统中的应用.电网技术，2008，32（7）： 1～9.

[2] 唐跃进，石晶，任丽.超导磁储能系统（SMES）及其在电力系统中的应用.北京.中国电网出版社，2009：68-69.