超導(dǎo)磁儲能的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

摘要：我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展使得我國的電力系統(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)成為國家安全的一個重要方面。同時，信息化、精密制造以及生產(chǎn)生活對電力的依賴程度已經(jīng)對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保證國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性國策。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，制成常規(guī)技術(shù)難以達(dá)到的大容量電力裝置，還可以制成運行于強磁場的裝置，實現(xiàn)高密度高效率儲能。作為一種具備快速功率響應(yīng)能力的電能存儲技術(shù)，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng) (SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高電力安全、改善供電品質(zhì)、增強新能源發(fā)電的可控性中發(fā)揮重要作用。

超導(dǎo)儲能系統(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個數(shù)量級，因此，超導(dǎo)磁體可以達(dá)到很高的儲能密度，約為10J/m。與其他的儲能方式，如蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能及飛輪儲能相比，SMES具有轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%、毫秒級的影響速度、大功率和大能量系統(tǒng)、壽命長及維護(hù)簡單、污染小等優(yōu)點。

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)是由美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先提出來的，以后SMES裝置的研究設(shè)計一般都是一次結(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)簡單，但周圍雜散磁場較大;環(huán)形線圈周圍雜散磁場小，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有關(guān)，在超導(dǎo)磁體設(shè)計中第一個必須考慮的問題是應(yīng)該滿足超導(dǎo)材料對磁場的要求，包括磁場在空間的分布和隨時間的變化。除此意外，在磁體設(shè)計中還需要從超導(dǎo)線性能、運行可靠行、磁體的保護(hù)、足夠的機械強度、低溫技術(shù)與冷卻方式等幾個方面考慮。

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。對于低溫超導(dǎo)磁體，低溫多采用液氦(4.2K)。對于大型超導(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一下可以實現(xiàn)3~5T的磁場強度，基于Y系的高溫超導(dǎo)磁體即使在77K也能實現(xiàn)一定的磁場強度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用大功率制冷機直接冷卻超導(dǎo)磁體可成為一種現(xiàn)實的方案，但目前的技術(shù)水平，還難以實現(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、獨立的控制有功和無功功率，具有諧波含量低、動態(tài)響應(yīng)速度快等特點。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由信號采集、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。信號采集部分檢測電力系及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。控制器根據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)計算功率需求，然后通過變流器調(diào)節(jié)磁體兩端的電壓，對磁體進(jìn)行充、放電?？刂破鞯男阅鼙仨毢拖到y(tǒng)的動態(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。

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作為一個可靈活調(diào)控的有功功率源，可以主動參與系統(tǒng)的動態(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，因而對解決系統(tǒng)滑行失步和振蕩失步均有作用，并能在擾動消除后縮短暫態(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)荷波動或發(fā)電機出力變化對電網(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)。