超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

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(lái)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(lái)，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(wú)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。