超导储能系统的研究现状及应用前景

2018-03-08 15:08:56 《科技导报》　点击量：评论 (0)

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

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)