高溫超導儲能系統(tǒng)

一、什么是超導儲能系統(tǒng)?

超導儲能系統(tǒng)(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設(shè)施，一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)部件組成。

超導儲能系統(tǒng)可用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)峰谷(例如在電網(wǎng)運行處于其低谷時把多余的電能儲存起來，而在電網(wǎng)運行處于高峰時，將儲存的電能送回電網(wǎng))，也可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時還可用于無功和功率因素的調(diào)節(jié)以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。超導儲能系統(tǒng)具有一系列其它儲能技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性：

(1)超導儲能系統(tǒng)可長期無損耗地儲存能量，其轉(zhuǎn)換效率超過90%;

(2)超導儲能系統(tǒng)可通過采用電力電子器件的變流技術(shù)實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快(毫秒級);

(3)由于其儲能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨立地在大范圍內(nèi)選取，因此可將超導儲能系統(tǒng)建成所需的大功率和大能量系統(tǒng);

(4)超導儲能系統(tǒng)除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動部分，使用壽命長;

(5)超導儲能系統(tǒng)在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。

目前，超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)已經(jīng)成為國際上在超導電力技術(shù)研究開發(fā)方面的一個競相研究的熱點，一些主要發(fā)達國家(例如美國、日本、德國等)在超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)方面投入了大量的人力和物力，推動著超導儲能系統(tǒng)的實用化進程和產(chǎn)業(yè)化步伐。

二、開發(fā)超導儲能系統(tǒng)的必要性

由于電力系統(tǒng)的“電能存取”這一環(huán)節(jié)非常薄弱，使得電力系統(tǒng)在運行和管理過程中的靈活性和有效性受到極大限制;同時，電能在“發(fā)、輸、供、用”運行過程中必須在時空兩方面都達到“瞬態(tài)平衡”，如果出現(xiàn)局部失衡就會引起電能質(zhì)量問題(閃變)，瞬態(tài)激烈失衡還會帶來災難性電力事故，并引起電力系統(tǒng)的解列和大面積停電事故。要保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟和可靠運行，就必須在電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)點上建立強有力的電能存取單元(儲能系統(tǒng))對系統(tǒng)給與支撐。基于以上因素，電能存取技術(shù)越來越受到各國能源部門和電力部門的重視。

超導儲能系統(tǒng)由于其存儲的是電磁能，這就保證超導儲能系統(tǒng)能夠非常迅速以大功率形式與電網(wǎng)進行能量交換。另外，超導儲能系統(tǒng)的功率規(guī)模和儲能規(guī)?？梢宰龅暮艽?，并具有系統(tǒng)效率高、技術(shù)較簡單、沒有旋轉(zhuǎn)機械部分、沒有動密封問題等優(yōu)點。對于其它儲能技術(shù)，無論其如何發(fā)展，都不可能消除能量形式轉(zhuǎn)換這一過程，所以無論是現(xiàn)在或?qū)恚瑢δ芗夹g(shù)將始終在功率密度和響應(yīng)速度這兩方面保持絕對優(yōu)勢。所以，作為電能存取的技術(shù)，超導儲能技術(shù)的應(yīng)用價值極高，在進行輸/配電系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和緊急電力事故應(yīng)變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場機制提供技術(shù)基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于電力技術(shù)的發(fā)展，長時間的電力中斷事故發(fā)生幾率很小，而瞬態(tài)電力故障，如閃變、電壓驟升/驟降以及瞬態(tài)斷電日漸突出。而瞬態(tài)電力故障對于依賴智能設(shè)備的許多商業(yè)用戶和制造企業(yè)危害極大。從技術(shù)角度講，治理瞬態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段是利用快速響應(yīng)的有功功率補償技術(shù)。由于超導儲能系統(tǒng)具有功率快速補償這一獨特優(yōu)勢，彌補了常規(guī)電力系統(tǒng)中缺乏電能存取的弱點，它對瞬態(tài)電能質(zhì)量所有故障問題都能起到很好的改善作用。

三、超導儲能系統(tǒng)的應(yīng)用前景

超導儲能系統(tǒng)在進行輸/配電系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和緊急電力事故應(yīng)變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場機制提供技術(shù)基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。其應(yīng)用場合主要包括：

(1)可用來消除電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，用于穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率和電壓;

(2)可用于無功功率控制和功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，以提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率傳輸能力;

(3)由于它可迅速向電網(wǎng)加入或吸收有功功率，具有超導儲能裝置的系統(tǒng)可看成是靈活交流輸電系統(tǒng);

(4)如果不僅將它看成是一個儲能裝置，而且將它看成是系統(tǒng)運行和控制時的有功功率源，它將顯得更有用和有效，因此可以用作超導能量管理系統(tǒng);

(5)在AGC系統(tǒng)中具有自動發(fā)電控制作用，而且局部控制錯誤可減到最小;

(6)可用于配電系統(tǒng)或大的負載邊以減少波動和平衡尖峰負載、控制初次功率和提高瞬態(tài)穩(wěn)定性，并可得到很好的效益;

(7)可用于海島供電系統(tǒng)，因為海島與大陸聯(lián)網(wǎng)的造價高，一般采用燃氣輪機獨立發(fā)電并成網(wǎng)，超導儲能裝置可用來進行負載調(diào)節(jié)等;

(8)可用來補償大型電動機起動、焊機、電弧爐、大錘、扎機等波動負載從而減少電網(wǎng)燈光閃爍現(xiàn)象;

(9)還可用作太陽能和風力田的儲能。風力發(fā)電將產(chǎn)生脈動的功率輸出并將為配電網(wǎng)帶來很多問題，而超導儲能裝置可使風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出平滑而滿足配電電網(wǎng)的要求，并為系統(tǒng)提供備用功率和控制頻率;

(10)可作為其它分布式電源系統(tǒng)的儲能裝置;

(11)可用作為重要負載提供高質(zhì)量電力的不間斷電源，并在負荷側(cè)發(fā)生短路時限制短路電流。

總之，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對供電的可靠性、電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。例如現(xiàn)代企業(yè)中變頻調(diào)速驅(qū)動器、機器人、自動生產(chǎn)線、精密加工工具、可編程控制器、計算機信息系統(tǒng)等設(shè)備，對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。隨著我國新技術(shù)、新設(shè)備的不斷引進和廣泛應(yīng)用，以及我國電力市場商業(yè)化運營的實施和分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴格的要求，對電能質(zhì)量敏感的電力用戶或需要特殊供電的場合也會越來越多。隨著我國電網(wǎng)的不斷擴大，也迫切需要解決大電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，超導儲能系統(tǒng)在這方面也將具有重要的應(yīng)用價值。

四、1MJ高溫超導儲能系統(tǒng)簡介

中國科學院電工研究所目前已經(jīng)完成了1.0MJ超導儲能系統(tǒng)的全部研制工作，完成了在北京市門頭溝供電公司石龍開閉所所開展的并網(wǎng)運行前的最后測試工作，測試結(jié)果表明，超導儲能系統(tǒng)已經(jīng)具備了并入10.5kV配電網(wǎng)進行載荷試驗運行的條件。

在超導儲能系統(tǒng)的研制過程中，在快速充放電高溫超導磁體技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、具有新型拓撲結(jié)構(gòu)的電力電子技術(shù)、在線監(jiān)控技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)等方面做了大量的研究工作，解決了一系列關(guān)鍵科學技術(shù)問題以及超導儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)匹配協(xié)調(diào)運行等關(guān)鍵科學技術(shù)問題，取得了多項自主知識產(chǎn)權(quán)，其技術(shù)成果的應(yīng)用將為提高我國電能質(zhì)量并改善大電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用。

五、在濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)并網(wǎng)運行的意義

2008年7月1日，由中國科學院電工研究所與山東樂航節(jié)能科技股份有限公司共同組建的“中科樂航節(jié)能技術(shù)聯(lián)合研究開發(fā)中心”(以下簡稱聯(lián)合研究開發(fā)中心)在山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)正式簽約和掛牌，并且啟動了雙方合作的切入點項目DD感應(yīng)加熱技術(shù)的研究開發(fā)。聯(lián)合研究開發(fā)中心立足濰坊，服務(wù)全國，通過共同開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的方式，形成全國一流的規(guī)?；?jié)能技術(shù)的研究開發(fā)中心和成果轉(zhuǎn)化基地，推動行業(yè)科技進步，為國家節(jié)能技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能減排目標的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

聯(lián)合研究開發(fā)中心的運行和發(fā)展依托于山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。作為國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)在全國布局中具有獨特的優(yōu)勢和地位，開發(fā)區(qū)致力于投資環(huán)境的全面優(yōu)化，致力于自主創(chuàng)新能力的提高，致力于和諧社會的構(gòu)建，實現(xiàn)了經(jīng)濟社會的健康快速發(fā)展;成為了新技術(shù)、新產(chǎn)品和新型企業(yè)不斷孵化、成長和騰飛的基地。開發(fā)區(qū)擁有一批在國際國內(nèi)均處于業(yè)界領(lǐng)先水平的優(yōu)秀企業(yè)，其中不乏一些生產(chǎn)高、精、尖產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)。這些企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量首先取決了企業(yè)優(yōu)秀的管理和技術(shù)創(chuàng)新能力，但與所提供的電能質(zhì)量的高低也有很大的關(guān)聯(lián)性，高質(zhì)量的電能供給將為生產(chǎn)高質(zhì)量和暢銷的高新技術(shù)產(chǎn)品提供可靠的保障。而超導儲能系統(tǒng)及其全套技術(shù)解決方案無疑是為這些企業(yè)提供可靠和高質(zhì)量電能的最佳選擇。

為此，基于已經(jīng)完成研制的超導儲能系統(tǒng)，為推動中科樂航節(jié)能技術(shù)聯(lián)合研究開發(fā)中心朝著創(chuàng)建全國一流研究開發(fā)中心的發(fā)展目標前進，結(jié)合山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)所具有的獨特優(yōu)勢和地位，將1MJ超導儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)運行地點由北京市門頭溝改為山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益：

(一)超導儲能系統(tǒng)將直接服務(wù)于開發(fā)區(qū)的高新技術(shù)企業(yè)，將提高企業(yè)的電力瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和緊急電力事故應(yīng)變等能力，將大幅穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率和電壓，在無功功率控制和功率因數(shù)調(diào)節(jié)上提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率傳輸能力，從根本上改善對供電質(zhì)量敏感的企業(yè)或部門的電能質(zhì)量，同時可以作為短時備用電源使用，為企業(yè)生產(chǎn)保駕護航。通過運行，在對超導儲能系統(tǒng)進行長期考驗、數(shù)據(jù)和技術(shù)經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)超導儲能系統(tǒng)向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化的過渡。

(二)投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)的1MJ高溫超導儲能系統(tǒng)將是世界首套投入到實際電網(wǎng)運行的高溫超導儲能系統(tǒng)，是全世界超導界的一件大事，具有十分重大的顯示度，將提升山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)和地方的形象和地位，推動開發(fā)區(qū)和地方的創(chuàng)新發(fā)展。

(三)由于1MJ超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作已經(jīng)基本完成，將為開發(fā)區(qū)節(jié)省大約2000萬元的研究開發(fā)費用，使開發(fā)區(qū)以及相關(guān)企業(yè)直接共享了由研究開發(fā)所形成的技術(shù)成果及其效益。

六、超導儲能系統(tǒng)如何實現(xiàn)在開發(fā)區(qū)的并網(wǎng)運行

已經(jīng)研制成功的1MJ高溫超導儲能系統(tǒng)作為一個試驗產(chǎn)品，在設(shè)計和技術(shù)實施中留出了很大的裕度。對于投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)并網(wǎng)運行的超導儲能系統(tǒng)，將在已經(jīng)研制成功的1MJ超導儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行局部調(diào)整和優(yōu)化，在全部保留超導儲能系統(tǒng)的核心部件DD超導磁體系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對電力電子系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化、運行更加可靠、體積更加緊湊、控制更加靈活、操作更加簡便的技術(shù)改造，使之成為一套商業(yè)化前期產(chǎn)品，更快地推動超導儲能系統(tǒng)向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。