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 導(dǎo)讀：

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)將電磁能存儲(chǔ)在超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈中，具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、快速進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在提高電能品質(zhì)、改善供電可靠性及提高大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面具有重要價(jià)值。概述了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理、研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，并展望了其未來(lái)應(yīng)用可能性及發(fā)展方向。

由于發(fā)電資源和負(fù)荷資源地理分布不匹配、資源互補(bǔ)和綜合利用的要求等原因，現(xiàn)代電網(wǎng)逐漸形成了跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。在這個(gè)大電網(wǎng)中，除了配置少量抽水儲(chǔ)能外，幾乎沒有其他儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是高功率、快速響應(yīng)的靈活儲(chǔ)能系統(tǒng)。這一方面導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)困難、使電網(wǎng)的靈活性受到限制，另一方面引起電網(wǎng)的安全可靠性問題：當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬態(tài)功率不平衡時(shí)，必須由電網(wǎng)自身的慣性和控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡，一旦出現(xiàn)大的瞬態(tài)擾動(dòng)，將導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性事故的發(fā)生;瞬態(tài)擾動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致電壓和頻率的波動(dòng)，從而引起電能質(zhì)量問題。在電網(wǎng)中配置具有不同功率特性和響應(yīng)特性的儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決上述問題的根本出路，特別是在可再生能源大量接入的情況下更是如此。目前，用于電網(wǎng)的儲(chǔ)能方式主要有6種：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能。相比于其他儲(chǔ)能方式，SMES具有響應(yīng)速度快、儲(chǔ)能效率高及有功和無(wú)功率輸出可靈活控制等優(yōu)點(diǎn)，有望在未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮作用。

本文介紹SMES的基本原理、結(jié)構(gòu)和研發(fā)現(xiàn)狀，探討SMES的2個(gè)基本核心部件——超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分析基于SMES的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1 SMES基本原理

SMES是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能回饋電網(wǎng)或其他負(fù)載，并對(duì)電網(wǎng)的電壓凹陷、諧波等進(jìn)行靈活治理，或提供瞬態(tài)大功率有功支撐的一種電力設(shè)施。其工作原理是：正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電流通過(guò)整流向超導(dǎo)電感充電，然后保持恒流運(yùn)行(由于采用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能，所儲(chǔ)存的能量幾乎可以無(wú)損耗地永久儲(chǔ)存下去，直到需要釋放時(shí)為止)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬態(tài)電壓跌落或驟升、瞬態(tài)有功不平衡時(shí)，可從超導(dǎo)電感提取能量，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流，并向電網(wǎng)輸出可靈活調(diào)節(jié)的有功或無(wú)功，從而保障電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓穩(wěn)定和有功平衡。

SMES主要包括4部分，即超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈、功率變換系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)和快速測(cè)量控制系統(tǒng)。其中超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈和功率變換系統(tǒng)為SMES的核心關(guān)鍵部件。超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈需要在低溫杜瓦中維持低溫狀態(tài)是SMES的能量存儲(chǔ)單元，由于在恒定溫度下運(yùn)行，其壽命可達(dá)30年以上;功率變換系統(tǒng)是電網(wǎng)與SMES進(jìn)行能量交換的裝置，它主要將電網(wǎng)的能量緩存到超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈中，并在需要時(shí)加以釋放，同時(shí)還可發(fā)出電網(wǎng)所需的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的四象限功率交換，進(jìn)而達(dá)到提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性或改善電能質(zhì)量的作用;低溫制冷系統(tǒng)包括制冷機(jī)及相關(guān)配套設(shè)施，為SMES的正常運(yùn)行提供所需冷量，可以實(shí)現(xiàn)“零揮發(fā)模式”運(yùn)行;快速測(cè)量控制系統(tǒng)主要用來(lái)檢測(cè)電網(wǎng)的主要運(yùn)行參數(shù)，對(duì)電網(wǎng)當(dāng)前的電能質(zhì)量進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)SMES提出運(yùn)行控制目標(biāo)，同時(shí)還具有自檢和保護(hù)功能，保障SMES的安全運(yùn)行(圖1)。

2 超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈研發(fā)現(xiàn)狀

超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈是SMES設(shè)備的核心部件，是由在一定條件下具有超導(dǎo)特性的導(dǎo)體繞制而成，可以在一定條件下無(wú)阻、無(wú)損地承載穩(wěn)態(tài)直流大電流，是系統(tǒng)中的電磁能量存儲(chǔ)單元。SMES就是基于超導(dǎo)體的無(wú)阻高密度載流特性，利用超導(dǎo)電感存儲(chǔ)能量，在響應(yīng)時(shí)間以及瞬間大功率釋放等方面具有優(yōu)勢(shì)。

2.1 低溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈

20世紀(jì)60年代，隨著NbTi線的問世和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，GirardB等提出了超導(dǎo)儲(chǔ)能概念，采用不同超導(dǎo)材料、不同構(gòu)型、容量和用途的超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈相繼問世：初是采用NbTi、Nb3Sn等低溫超導(dǎo)材料研制小型單螺管結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)線圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能密度高、相同儲(chǔ)能量超導(dǎo)導(dǎo)體用量少(美國(guó)套在電網(wǎng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng)30MJ/10MW采用的單螺管NbTi線圈，在1983年初次完成勵(lì)磁)，但由于漏磁場(chǎng)高、金屬低溫容器內(nèi)感應(yīng)出渦流損耗增加制冷負(fù)荷等原因未能大規(guī)模發(fā)展。為降低漏磁場(chǎng)及其影響，多螺管組合儲(chǔ)能線圈系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)，它的儲(chǔ)能密度比單螺管降低，且漏磁場(chǎng)并沒有很好解決。隨著儲(chǔ)能線圈儲(chǔ)能量的不斷增加，螺繞環(huán)構(gòu)型的儲(chǔ)能線圈有了大規(guī)模的發(fā)展。1985年開始，美國(guó)和日本分別進(jìn)行5000MW˙h/1000MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，隨后日本進(jìn)行了20MW˙h/400MW模型樣機(jī)的研制。該種構(gòu)型的儲(chǔ)能線圈雖然儲(chǔ)能密度和導(dǎo)體利用率都比單螺管儲(chǔ)能線圈低很多，但可以很好地解決漏磁場(chǎng)及其引發(fā)的渦流損耗問題。

2.2 高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈

隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及實(shí)用化高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展，1996年美國(guó)超導(dǎo)公司研發(fā)出世界臺(tái)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈，儲(chǔ)能量5kJ，工作溫度提高到25K，從此揭開了高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈研發(fā)的序幕。由于受高溫超導(dǎo)材料的價(jià)格、性能的影響，高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈技術(shù)的發(fā)展緩慢，直到2004年才出現(xiàn)MJ量級(jí)儲(chǔ)能線圈樣機(jī)，但只見到日本研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制過(guò)程的報(bào)道，未見后續(xù)進(jìn)展情況的報(bào)道;2008年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈，是目前儲(chǔ)能量大的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈。

2.3 超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的失超保護(hù)

超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈因?yàn)樗查g過(guò)流、熱擾動(dòng)等引發(fā)失超，伴隨瞬間電阻增大、過(guò)熱、瞬間高壓等狀況，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈需要失超保護(hù)系統(tǒng)來(lái)確保超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的安全。通常用監(jiān)測(cè)超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的電阻、電壓等電器參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的失超信號(hào)，但由于超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的電感較大，儲(chǔ)能線圈的工作電流處于波動(dòng)狀態(tài)，這給失超信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)較大困難;也有的利用監(jiān)測(cè)制冷劑的揮發(fā)量或儲(chǔ)能線圈容易失超部位的溫度變化來(lái)監(jiān)測(cè)超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的失超信號(hào)，但由于熱反應(yīng)有較長(zhǎng)時(shí)間的滯后，所以工程上同時(shí)采用這2種方法。

3 基于SMES的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

現(xiàn)有的儲(chǔ)能介質(zhì)主要分為能量型和功率型2類：能量型儲(chǔ)能介質(zhì)主要是以鋰電池、鈉硫電池、液流電池和鉛酸電池等蓄電池為代表，具有能量密度較大、功率密度較小的特點(diǎn)，但充放電次數(shù)及放電深度受使用壽命限制;功率儲(chǔ)能介質(zhì)主要是以超級(jí)電容、SMES和飛輪儲(chǔ)能等為代表，具有能量密度較小、功率密度較大、高倍率充放電不會(huì)損害其性能的特點(diǎn)。2類儲(chǔ)能技術(shù)各有優(yōu)劣，混合儲(chǔ)能裝置是將2類儲(chǔ)能裝置組合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

目前研究較多的SMES混合儲(chǔ)能主要是超導(dǎo)-蓄電池混合儲(chǔ)能。超導(dǎo)-蓄電池混合儲(chǔ)能是將SMES與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,BESS)相結(jié)合的一種混合儲(chǔ)能裝置。它采用共直流母線的結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)通過(guò)變流器和變壓器連接到電網(wǎng)，SMES和BESS通過(guò)各自的DC/DC斬波器連接到直流母線上(圖14)。

SMES-BESS具有超導(dǎo)儲(chǔ)能響應(yīng)快、效率高(可達(dá)95%)、無(wú)噪聲污染、可靠性高的特點(diǎn)，同時(shí)又具有蓄電池儲(chǔ)能抑制電壓閃變、價(jià)格便宜、可靠性好、技術(shù)非常成熟、大容量容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，控制電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，提高供電質(zhì)量，同時(shí)能夠減少電池充放電次數(shù)和放電深度，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

SMES-BESS同時(shí)具有SMES與BESS的優(yōu)點(diǎn)，相比于單一的儲(chǔ)能的方式，在應(yīng)用方面更具優(yōu)勢(shì)。張曉紅等列出了SMES-BESS在微電網(wǎng)儲(chǔ)能中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)�？焖夙憫�(yīng)和大容量?jī)?chǔ)能的特點(diǎn)非常適合于微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以穩(wěn)定微電網(wǎng)頻率，控制微電網(wǎng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)，保證給用戶提供不間斷供電等功能，進(jìn)而提高供電質(zhì)量。