摘要：我國經(jīng)濟高速發(fā)展使得我國的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為世界上最龐大最復雜的系統(tǒng)之一。電力安全已經(jīng)成為國家安全的一個重要方面。同時，信息化、精密制造以及生產生活對電力的依賴程度已經(jīng)對電力供給的可靠性和供電品質提出了更高的要求。石油、煤炭等能源資源將無法滿足未來電力的供給需要，開發(fā)新能源、可再生能源已成為一項保證國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性國策。21世紀電力工業(yè)所面臨的主要問題有：應用分散電力系統(tǒng)，提高設備利用率，遠距離大容量輸電，各大電網(wǎng)間聯(lián)網(wǎng)，高質量供電，改善負荷特性等。針對這些問題，與現(xiàn)有的采用常規(guī)導體技術的解決方案相對應，都有一種甚至多鐘超導電力裝置能為問題的解決提供新的技術手段。由于超導體的電阻為零，因此其載流密度很高，因此可以使超導電力裝置普遍具有體積小、重量輕等特點，制成常規(guī)技術難以達到的大容量電力裝置，還可以制成運行于強磁場的裝置，實現(xiàn)高密度高效率儲能。作為一種具備快速功率響應能力的電能存儲技術，超導磁儲能系統(tǒng) (SuperconductingMagneticEnergyStorage，SMES)可以在提高電力安全、改善供電品質、增強新能源發(fā)電的可控性中發(fā)揮重要作用。

超導儲能系統(tǒng)的構成及其工作原理

SMES是利用超導磁體將電磁能直接儲存起來，需要是再將電磁能返回電網(wǎng)或者其他負載。超導磁體中儲存的能量W可由下式表示：

超導磁體是SMES系統(tǒng)的核心，它在通過直流電流時沒有焦耳損耗。超導導線可傳輸?shù)钠骄娏髅芏缺纫话愠Ｒ?guī)導體要高1~2個數(shù)量級，因此，超導磁體可以達到很高的儲能密度，約為10J/m。與其他的儲能方式，如蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能及飛輪儲能相比，SMES具有轉換效率可達95%、毫秒級的影響速度、大功率和大能量系統(tǒng)、壽命長及維護簡單、污染小等優(yōu)點。

SMES 一般有超導磁體、低溫系統(tǒng)、磁體保護系統(tǒng)、功率調節(jié)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)等幾個主要部分組成。圖1—1是SMES裝置的結構原理圖，該結構是由美國洛斯阿拉莫斯實驗室首先提出來的，以后SMES裝置的研究設計一般都是一次結構作為參考原型。圖中的變壓器只是為了選擇適當?shù)碾妷核揭苑奖愕剡B接SMES與電力系統(tǒng)，不屬于SMES的必要部件。

超導磁體

儲能用超導磁體可分為螺管形和環(huán)形兩種。螺管線圈結構簡單，但周圍雜散磁場較大;環(huán)形線圈周圍雜散磁場小，但結構較為復雜。由于超導體的通流能力與所承受的磁場有關，在超導磁體設計中第一個必須考慮的問題是應該滿足超導材料對磁場的要求，包括磁場在空間的分布和隨時間的變化。除此意外，在磁體設計中還需要從超導線性能、運行可靠行、磁體的保護、足夠的機械強度、低溫技術與冷卻方式等幾個方面考慮。

低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)維持超導磁體處于超導態(tài)所必須的低溫環(huán)境。超導磁體的冷卻方式一般為浸泡式，即將超導磁體直接至于低溫液體中。對于低溫超導磁體，低溫多采用液氦(4.2K)。對于大型超導磁體，為提高冷卻能力和效率，可采用超流氦冷卻，低溫系統(tǒng)也需要采用閉合循環(huán)，設置制冷劑回收所蒸發(fā)的低溫液體?；贐i系的高溫超導磁體冷卻只20~30K一下可以實現(xiàn)3~5T的磁場強度，基于Y系的高溫超導磁體即使在77K也能實現(xiàn)一定的磁場強度。隨著技術的進步，采用大功率制冷機直接冷卻超導磁體可成為一種現(xiàn)實的方案，但目前的技術水平，還難以實現(xiàn)大型超導磁體的冷卻。

功率調節(jié)系統(tǒng)

功率調節(jié)系統(tǒng)控制超導磁體和電網(wǎng)之間的能量轉換，是儲能元件與系統(tǒng)之間進行功率交換的橋梁。目前，功率調節(jié)系統(tǒng)一般采用基于全控型開關器件的PWM變流器，他能夠在四象限快速、獨立的控制有功和無功功率，具有諧波含量低、動態(tài)響應速度快等特點。

監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由信號采集、控制器兩部分構成，其主要任務是從系統(tǒng)提取信息，根據(jù)系統(tǒng)需要控制SMES的功率輸出。信號采集部分檢測電力系及SMES的各種技術參量，并提供基本電氣數(shù)據(jù)給控制器進行電力系統(tǒng)狀態(tài)分析。控制器根據(jù)電力系統(tǒng)的狀態(tài)計算功率需求，然后通過變流器調節(jié)磁體兩端的電壓，對磁體進行充、放電?？刂破鞯男阅鼙仨毢拖到y(tǒng)的動態(tài)過程匹配才能有效的達到控制目的。SMES的控制分為內環(huán)控制和外環(huán)控制。外環(huán)控制器做為主控制器用于提供內環(huán)控制器所需要的有功和無功功率參考值，是由SMES本身特性和系統(tǒng)要求決定的;內環(huán)控制器則是根據(jù)外環(huán)控制器童工的參考值產生變流器開關的觸發(fā)信號。

SMES在電力系統(tǒng)中的應用途徑

提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

SMES作為一個可靈活調控的有功功率源，可以主動參與系統(tǒng)的動態(tài)行為，既能調節(jié)系統(tǒng)阻尼力矩又能調節(jié)同步力矩，因而對解決系統(tǒng)滑行失步和振蕩失步均有作用，并能在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)態(tài)。

改善電能質量。

由于SMES可發(fā)出或吸收一定的功率，可用來減小負荷波動或發(fā)電機出力變化對電網(wǎng)的沖擊，SMES可作為敏感負載和重要設備的不間斷電源，同時解決配電網(wǎng)中發(fā)生異常或因主網(wǎng)受干擾而引起的配電網(wǎng)向用戶宮殿中產生異常的問題，改善供電品質。

提供系統(tǒng)備用容量。

系統(tǒng)備用容量的存在及其大小，既是一個經(jīng)濟問題，又是涉及電網(wǎng)安全的技術問題，對于保障電網(wǎng)的安全裕度。事故后快速恢復供電具有重要作用。以目前的水平，SMES高效儲能特性可用來儲存應急備用電力，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 的高效儲能與快速功率調節(jié)能力可在風能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中平滑輸出功率波動，有效抑制這類電源引起的電壓波動和閃變等電能質量問題，提高并網(wǎng)運行的可控性與穩(wěn)定性。微網(wǎng)是有效利用分散的新能源提高電力系統(tǒng)供電可靠性的一項新興技術，SMES可以改善微網(wǎng)的并網(wǎng)特性、提高微網(wǎng)的孤島運行性能。

超導磁儲能(SMES)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

近 30年來，SMES的研究一直是超導電力技術研究的熱點之一，20世紀70年代提出SMES的概念時，著重的是其儲能能力，期望可以作為一種平衡電力系統(tǒng)日負荷曲線的儲能裝置。隨著技術的發(fā)展，SMES已不僅僅是一個儲能裝置，而是一個可以參與電力系統(tǒng)運行和控制的有功、無功功率源，它可以主動參與電力系統(tǒng)的功率補償，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率傳輸能力，改善電能質量。幾十年的發(fā)展已經(jīng)是SMES開始進入電力系統(tǒng)試運行，也有了部分商業(yè)化產品。

1969年Ferrier提出了利用超導電感儲存電能的概念。20世紀70年代初，威斯康辛(Wisconsin)大學應用超導中心利用一個由超導電感線圈和三相AC/DC格里茨(Graetz)橋路組成的電能儲存系統(tǒng)，對格里茨橋在能量儲存單元與電力系統(tǒng)相互影響中的作用進行了詳細分析和研究，發(fā)現(xiàn)裝置的快速響應特性對于抑制電力系統(tǒng)振蕩非常有效，開創(chuàng)了超導儲能在電力系統(tǒng)應用的先。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30MJ/10MW的SMES并將其安裝于華盛頓塔科馬(Tacoma)變電站進行系統(tǒng)試驗。30MJSMES系統(tǒng)是超導技術在美國第一次大規(guī)模的電力應用，現(xiàn)場試驗結果表明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，美國核防御辦公室(DefenseNuclearAgency,DNA)啟動了SMES- ETM(EngineeringTestModel)計劃，開展了大容量(1~5GWh)SMES的方案論證，工程設計和研。到1993年底，R.Bechtel團隊建成了1MWh/500MW的示范樣機，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荷傳輸極限提高8%。

此外，美國在小容量SMES研究和應用方面也開展了大量和卓有成效的工作。1988年，SI公司開始進行中小容量(約1~3MW/1~10MJ)和可移動 SMES的開發(fā)和商業(yè)化，以解決供電網(wǎng)和特殊工業(yè)用戶的電能質量問題。此后，ASC公司在SI的基礎上，又提出了分布式 SMES(DistributedSMES,D-SMES)等概念，并對諸如改善配電網(wǎng)的電能質量、為對電能質量敏感的工業(yè)生產基地提供高質量不間斷電源以及提高供電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題進行了研。1990~2004年間，SI/ASC公司先后有約20多臺SMES投入運行。美國、德國和日本等都提出研制 100kwh等級的微型SMES，這種SMES可為大型計算中心、高層建筑及重要負荷提供高質量、不間斷的電源，同時也可用于補償大型電動機、電焊機、電弧爐、軋機等波動負載引起的電壓波動，它還可用作太陽能和風力發(fā)電的儲能等。美國AMSC公司還提出研制一種新的D-SMES，用于配電網(wǎng)的功率調節(jié)。目前，美國已有多臺微型超導儲能裝置在配電網(wǎng)中實際應用，美國還將研制100MJ/50MW的SMES安裝在 CAPS(theCenterforAdvancedPowerSystem)基地，SMES不僅可以為脈沖功率試驗提供能量支撐，而且它的現(xiàn)場師范運行對軍用和民用SMES技術的發(fā)展都很有意義。

1999年，德國的ACCEL、AEG和DEW聯(lián)合研制了2MJ/800kWSMES，解決 DEW實驗室敏感負荷的供電質量問題。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)、關西電力公司(1.2MJ)、國際超導研究中心(48MJ/20MW)也分別進行了EMSE的研究工作。

在國內，中國科學院電工研究所、中國科學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磁體的研究工作，在超導磁體分離、磁流體推進、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。進入21世紀后，隨著高溫超導技術的進步，清華大學研制了3.45kJBi-2223SMES磁體，研制了150kVA的低溫超導磁體儲能系統(tǒng)并將其用于改善電能質量的實驗室研究。2005年華中科技大學研制成功了35Kj/7.5kW直接冷卻高溫超導SMES實驗樣機。中科院電工所提出了基于超導儲能的限流器方案并研制了實驗樣機，2006年又啟動了1MJ/0.5MVA高溫超導SMES的研究項目。