超导储能系统的研究现状及应用前景

 导读：

超导磁储能系统将电磁能存储在超导储能线圈中，具有反应速度快、转换效率高、快速进行功率补偿等优点，在提高电能品质、改善供电可靠性及提高大电网的动态稳定性方面具有重要价值。概述了超导储能系统的工作原理、研究现状及优缺点，并展望了其未来应用可能性及发展方向。

由于发电资源和负荷资源地理分布不匹配、资源互补和综合高效利用的要求等原因，现代电网逐渐形成了跨区互联大电网。在这个大电网中，除了配置少量抽水储能外，几乎没有其他储能系统，特别是高功率、快速响应的灵活储能系统。这一方面导致电网峰谷调节困难、使电网的灵活性受到限制，另一方面引起电网的安全可靠性问题：当电网出现瞬态功率不平衡时，必须由电网自身的惯性和控制系统来实现平衡，一旦出现大的瞬态扰动，将导致电网稳定性事故的发生;瞬态扰动还会导致电压和频率的波动，从而引起电能质量问题。在电网中配置具有不同功率特性和响应特性的储能系统是解决上述问题的根本出路，特别是在可再生能源大量接入的情况下更是如此。目前，用于电网的储能方式主要有6种：抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)、超级电容器储能和电池储能。相比于其他储能方式，SMES具有响应速度快、储能效率高及有功和无功率输出可灵活控制等优点，有望在未来电网建设中发挥作用。

本文介绍SMES的基本原理、结构和研发现状，探讨SMES的2个基本核心部件——超导储能线圈和功率调节系统，分析基于SMES的混合储能系统。

1 SMES基本原理

SMES是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能回馈电网或其他负载，并对电网的电压凹陷、谐波等进行灵活治理，或提供瞬态大功率有功支撑的一种电力设施。其工作原理是：正常运行时，电网电流通过整流向超导电感充电，然后保持恒流运行(由于采用超导线圈储能，所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，直到需要释放时为止)。当电网发生瞬态电压跌落或骤升、瞬态有功不平衡时，可从超导电感提取能量，经逆变器转换为交流，并向电网输出可灵活调节的有功或无功，从而保障电网的瞬态电压稳定和有功平衡。

SMES主要包括4部分，即超导储能线圈、功率变换系统、低温制冷系统和快速测量控制系统。其中超导储能线圈和功率变换系统为SMES的核心关键部件。超导储能线圈需要在低温杜瓦中维持低温状态是SMES的能量存储单元，由于在恒定温度下运行，其寿命可达30年以上;功率变换系统是电网与SMES进行能量交换的装置，它主要将电网的能量缓存到超导储能线圈中，并在需要时加以释放，同时还可发出电网所需的无功功率，实现与电网的四象限功率交换，进而达到提高电网的稳定性或改善电能质量的作用;低温制冷系统包括制冷机及相关配套设施，为SMES的正常运行提供所需冷量，可以实现“零挥发模式”运行;快速测量控制系统主要用来检测电网的主要运行参数，对电网当前的电能质量进行分析，进而对SMES提出运行控制目标，同时还具有自检和保护功能，保障SMES的安全运行(图1)。

2 超导储能线圈研发现状

超导储能线圈是SMES设备的核心部件，是由在一定条件下具有超导特性的导体绕制而成，可以在一定条件下无阻、无损地承载稳态直流大电流，是系统中的电磁能量存储单元。SMES就是基于超导体的无阻高密度载流特性，利用超导电感存储能量，在响应时间以及瞬间大功率释放等方面具有优势。

2.1 低温超导储能线圈

20世纪60年代，随着NbTi线的问世和大规模产业化，GirardB等提出了超导储能概念，采用不同超导材料、不同构型、容量和用途的超导储能线圈相继问世：最初是采用NbTi、Nb3Sn等低温超导材料研制小型单螺管结构的超导线圈，结构简单、储能密度高、相同储能量超导导体用量最少(美国第一套在电网中应用的储能系统30MJ/10MW采用的单螺管NbTi线圈，在1983年初次完成励磁)，但由于漏磁场高、金属低温容器内感应出涡流损耗增加制冷负荷等原因未能大规模发展。为降低漏磁场及其影响，多螺管组合储能线圈系统被研发出来，它的储能密度比单螺管降低，且漏磁场并没有很好解决。随着储能线圈储能量的不断增加，螺绕环构型的储能线圈有了大规模的发展。1985年开始，美国和日本分别进行5000MW˙h/1000MW的储能系统的设计，随后日本进行了20MW˙h/400MW模型样机的研制。该种构型的储能线圈虽然储能密度和导体利用率都比单螺管储能线圈低很多，但可以很好地解决漏磁场及其引发的涡流损耗问题。

2.2 高温超导储能线圈

随着高温超导体的发现及实用化高温超导带材的发展，1996年美国超导公司研发出世界第一台高温超导储能线圈，储能量5kJ，工作温度提高到25K，从此揭开了高温超导储能线圈研发的序幕。由于受高温超导材料的价格、性能的影响，高温超导储能线圈技术的发展缓慢，直到2004年才出现MJ量级储能线圈样机，但只见到日本研发团队研制过程的报道，未见后续进展情况的报道;2008年，中国科学院电工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高温超导储能线圈，是目前储能量最大的高温超导储能线圈。

2.3 超导储能线圈的失超保护

超导储能线圈因为瞬间过流、热扰动等引发失超，伴随瞬间电阻增大、过热、瞬间高压等状况，因此超导储能线圈需要失超保护系统来确保超导储能线圈的安全。通常用监测超导储能线圈的电阻、电压等电器参数来监测超导储能线圈的失超信号，但由于超导储能线圈的电感较大，储能线圈的工作电流处于波动状态，这给失超信号的检测带来较大困难;也有的利用监测制冷剂的挥发量或储能线圈最容易失超部位的温度变化来监测超导储能线圈的失超信号，但由于热反应有较长时间的滞后，所以工程上同时采用这2种方法。

3 基于SMES的混合储能系统

现有的储能介质主要分为能量型和功率型2类：能量型储能介质主要是以锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池等蓄电池为代表，具有能量密度较大、功率密度较小的特点，但充放电次数及放电深度受使用寿命限制;功率储能介质主要是以超级电容、SMES和飞轮储能等为代表，具有能量密度较小、功率密度较大、高倍率充放电不会损害其性能的特点。2类储能技术各有优劣，混合储能装置是将2类储能装置组合使用，取长补短。

目前研究较多的SMES混合储能主要是超导-蓄电池混合储能。超导-蓄电池混合储能是将SMES与电池储能系统(batteryenergystoragesystem,BESS)相结合的一种混合储能装置。它采用共直流母线的结构，风机通过变流器和变压器连接到电网，SMES和BESS通过各自的DC/DC斩波器连接到直流母线上(图14)。

SMES-BESS具有超导储能响应快、效率高(可达95%)、无噪声污染、可靠性高的特点，同时又具有蓄电池储能抑制电压闪变、价格便宜、可靠性好、技术非常成熟、大容量容易实现等优点，可以稳定电网频率，控制电网电压的瞬时波动，提高供电质量，同时能够减少电池充放电次数和放电深度，延长电池的使用寿命。

SMES-BESS同时具有SMES与BESS的优点，相比于单一的储能的方式，在应用方面更具优势。张晓红等列出了SMES-BESS在微电网储能中应用的优势。快速响应和大容量储能的特点非常适合于微电网孤岛和并网的运行状态，可以稳定微电网频率，控制微电网电压瞬时波动，保证给用户提供不间断供电等功能，进而提高供电质量。

风力发电存在不连续、不稳定的特点，直接并网会造成电压闪变、功率频率波动等不良影响。同时，风电场必须具备低电压穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)能力，以消除潜在的安全隐患。研究表明，SMES-BESS在稳定电压波动、平抑风电功率波动及提高低电压穿越能力方面具有重要作用。图15为SMES-BESS变流器的拓扑结构。

Li等提出了SMES-BESS用于电动公共汽车储能的可能性，并提出一种新的控制算法。通过仿真分析，得出SMES-BESS混合储能系统具有更高的使用效率。SMES作为能量缓冲区，能够减少电池的充放电频率，限制电池的峰值电流，从而延长电池的使用寿命。

4 超导储能系统应用实例

以本研究组研制的0.5MV˙A/1MJ的SMES为例，介绍SMES在电网的应用方法。0.5MV˙A/1MJSMES安装在甘肃省白银市高新技术开发区内的超导变电站内，变电站的下游为3家高新技术企业。这3家企业拥有大量的非线性用电设备，这些设备会产生谐波和闪变，影响电网的电能质量。为了提高对3家企业的供电质量，该SMES采用与电网并联连接的方式，对下游负载的谐波、无功和功率波动进行补偿，同时实现了有源滤波、无功补偿和有功平滑的功能。

为了提高SMES有源滤波的效果，需要提高系统的开关频率，而过高的开关频率会导致变流器过热和不稳定的问题。为了解决该问题，SMES功率调节系统采用模块化的设计方案，共由12个逆变器模块(invertermodule)和1个斩波器模块构成，其拓扑结构及与电网的连接方式如图16所示，功率模块的实物如图17所示。逆变器模块载波频率5kHz，通过载波移相和单极性调制方式，其等效开关频率进一步达到40kHz;采样率也为40kHz。高等效开关频率和采样率有效地提高了系统的控制带宽，从而保证了有源滤波效果。为了进一步提高有源滤波的效果，在控制上采用了比例积分和重复控制相结合的方式。

其储能线圈由44个鉍系带材绕制的双饼线圈构成(图18)。储能线圈的中部采用双带双饼串联连接的方式。由于储能线圈端部垂直磁场较强，对临界电流的影响较大，因此在端部采用单带双饼与双带双饼并联连接的方式，保证了其端部临界电流与中部相匹配。

为了评估该SMES的性能，对其进行了实验和并网测试。图19是其有源滤波的实验波形，自上至下依次为电网电流、负载电流、直流母线电压和储能线圈电流。

从图19中可以看出，其负载电流存在严重的谐波畸变，经电能质量分析仪测试，其总谐波畸变率(totalharmonicsdistortion,THD)达到92.2%，而经过SMES进行有源滤波处理后，其电网电流的THD降到4%，有源滤波的效果非常明显。

图20是有功平滑的实验结果。在实验过程中，非线性负载的功率由50kW跳变到100kW后跳变回50kW。在负荷突增时，储能线圈的电流从300A下降到260A，从而为突增的负荷提供突变的有功功率;而在负荷突降时，储能线圈从电网吸收有功功率，储能线圈的电流逐渐增加到300A。在负荷突增或者突降时，电网电流的幅值没有明显变化，这表明负荷突变对电网的冲击大大减轻，有效地实现了有功平滑的功能。

图21是并网运行的测试结果，蓝色和红色曲线分别为电网和负载的有功功率和无功功率，图21(a)、(b)分别为电网和负载的有功和无功功率。从图21可以看出，加入该SMES后，虽然负荷的有功功率存在剧烈波动，但是电网仅需提供较为平滑的有功功率，有功平滑的效果明显。同时也可以看出，通过SMES的无功补偿，注入电网的无功功率基本为0，无功补偿的效果明显。

5 SMES应用前景和发展方向

5.1 SMES在功率和能量系统中的应用前景

相比于其他储能方式，SMES最大的优点就是响应速度快，这使SMES在功率和能量系统中具有广泛的应用前景。

1)能量存储。一个SMES单元最大能存储5000MW˙h能量，存储效率可达95%。对于能量的快速变化，SMES的跟随速度达毫秒级别。对于电网系统的削峰填谷，SMES是个理想的器件，同时能减少设备的旋转备用需求(spinningre⁃verserequirements)。

2)稳定电压动态性能。线路严重过载或者动态无功补偿不足会造成电压失衡，出现电压骤升或骤降。SMES通过提供瞬时有功和无功功率补偿，稳定电压的动态性能。

3)稳定风力发电机。现代风力发电系统主要面临2个主要问题：风力发电的输出功率受风速影响较大，输出功率随机波动;电网电压跌落时，若单纯切断风力发电设备，会给电网稳定性带来严重影响。基于具有自换相能力逆变器的SMES单元能够对有功和无功功率进行实时控制。因此，SMES对于稳定风力发电系统具有重要作用。

4)次同步谐振阻尼。发电机传输线路上一般有高阶串联补偿装置，提供功率补偿，调节功率因数。高阶串联补偿装置将会引发次同步谐振现象，对发电机产生严重损害。SMES作为有源器件，能够缓解次同步谐振的影响，允许更高阶串联补偿装置的安装。

5)联络线功率控制。电网输出功率与实际消耗功率之间的匹配控制十分重要。一般情况下，电网输出功率等于用电设备的消耗功率。而当发电机输送功率时，控制区域与执行区域的不统一造成系统负载发生变化，实际输送功率与设定功率产生误差，影响发电机工作效率。SMES可以通过适当控制算法，注入功率补偿来消除误差，保证发电机的工作效率和功率相匹配。

6)黑启动能力。SMES单元能为发电单元提供启动功率，不需要从电网吸收能量。当电网发生故障时，SMES的黑启动能力能维持发电机继续工作，能够有效保护电网。

7)多功能超导储能装置。将超导储能与统一电能质量控制器相结合，可形成具有储能功能的动态电压恢复器[72]、统一电能质量控制器，与故障限流器相结合，形成超导限流储能系统。应用于单台分机的超导限流-储能系统拓扑结构，可同时提高单台风力发电机的低电压穿越能力和功率输出稳定性;对超导限流-储能系统在风电场中的应用进行了初步的仿真分析，进一步提出应用于风电场的超导限流-储能系统拓扑结构，实现对风电场的保护，并开展相关样机的研制。

5.2 SMES磁体研究的新方向

储能磁体的结构主要有单螺管、组合螺管、环形螺管3种。以往单螺管磁体的设计，大多使用矩形截面的磁体，其结构简单，但超导带材的利用率相对较低。研究者分析如何改变磁体的结构，一种思路是采用阶梯形截面磁体。相比于矩形截面磁体，阶梯形截面磁体在优化设计方面比较复杂，但是采用阶梯型磁体结构可以减小垂直于带材磁场的作用，从而提高磁体的临界电流，最终提高其储能量和稳定裕度。阶梯形截面储能磁体的结构可分为内阶梯截面磁体和外阶梯截面磁体。由于在不同温区磁场对氧化钇钡铜(YB⁃CO)超导带材临界电流的影响规律有所不同，Sun等通过研究发现：在20K温区，采用内阶梯截面结构更省带材，在77K温区，采用外阶梯截面结构更省带材。

另外，对于需要频繁充放电的超导储能磁体或者低频交流磁体，由于磁体自身交流损耗且在低温容器及金属部件上产生的涡流损耗较大，运行于过冷液氮温区，相对于在液氢和液氦温区而言具有较低的制冷成本和较高的运行经济性，只是超导材料的用量相对较大。在过冷液氮温区，超导磁体的中心场强可达2T左右。

储能磁体在工作时，磁体外部的磁场呈轴对称状分布在空气中，漏磁较大，成为变电站内电磁污染的主要来源之一。储能磁体的强磁场不仅对周围其他电气设备产生影响，而且对人体存在潜在危害。采用磁屏蔽或电磁屏蔽的方法抑制磁体漏磁虽然可以将空间磁污染抑制到可接受的水平，但是各种屏蔽方法均会导致磁体运行损耗的增加，并引起电感参数的变化。为了降低空心电抗器或储能线圈的空间漏磁，通常采用2种方式：一种是采用多螺管平行排列，一种是采用多螺管或线饼环形排列。国际对多个螺管和双饼串联连接方式超导储能磁体展开了大量研究工作。日本九州电力公司完成了1GJ环形结构高温超导储能磁体的概念设计，韩国、印度分别对2.5MJ、4.5MJ环形结构高温超导储能磁体进行了概念设计，在中国华中科技大学也开始进行10MJ储能磁体的概念设计。在高压、大电流应用场合，采用上述结构面临诸多线圈间的均压均流问题。

5.3 SMES面临的挑战和发展方向

虽然SMES在提高电力系统稳定性和改善供电质量方面具有明显优势，但是受限于其身高昂的费用，SMES还未能大规模进入市场，技术的可行性和经济价值将是SMES未来发展面临的重大挑战。今后SMES的研究重点将集中在如何降低成本、优化高温超导线材的工艺和性能、开拓新的变流器技术和控制策略、降低超导储能线圈交流存耗和提高储能线圈稳定性、加强失超保护等几方面。高温超导材料的不断发展，极大推动了SMES的发展，许多国家采用高温超导材料进行SMES系统的研究实验，包括日本和韩国，得出结论：高温超导材料会极大降低SMES的成本，并提高性能。可以预见，高温超导材料的不断发展成熟，将会降低整个SMES系统的价格，极大地简化冷却手段和运行条件，提高其性能和寿命。SMES技术将加速发展，并可望成为主要电力基础应用装备之一。

6 结论

经过几十年的发展，SMES在技术研究和应用方面都取得大量成果。相比于其他储能方式，SMES的性能更加优越，应用前景更加广泛。在未来几十年、甚至更长的时间内，SMES将会是一个持续的研究热点。随着超导技术的进步，SMES的发展已进入一个新阶段，推动着电力系统的发展与革新。

(郭文勇 张京业 张志丰 邱清泉 张国民 林良真 肖立业)

原标题：超导储能系统的研究现状及应用前景