超導(dǎo)儲能應(yīng)用于電力方面的研究

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代化科技水平日益提高，儲能技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，可以有效解決電力系統(tǒng)傳統(tǒng)儲能技術(shù)中存在的問題。在電網(wǎng)系統(tǒng)運行中，大規(guī)模的間歇性能源并網(wǎng)的設(shè)施。這也為其系統(tǒng)運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，而超導(dǎo)儲能則是應(yīng)對該挑戰(zhàn)的一種重要技術(shù)。因此，在未來電力系統(tǒng)運行中，超導(dǎo)儲能技術(shù)勢在必行。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)儲能；電力系統(tǒng)；應(yīng)用

引言

隨著改革開放的不斷深入，人民生活質(zhì)量日益提高，對電能質(zhì)量與系統(tǒng)運行安全提出了新的要求。作為FACTS重要家族成員的SMES超導(dǎo)儲能技術(shù)，能夠為高壓輸電系統(tǒng)提供積極響應(yīng)的容量，增強高壓輸電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，加大了其功率輸送的極限、對頻率及電壓的波動有一定的抑制作用，電能質(zhì)量從根本上得到了改善。在電網(wǎng)系統(tǒng)運行中，為了充分發(fā)揮超導(dǎo)儲能裝置對電能質(zhì)量的改善作用，提高其系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 內(nèi)涵概述及其原理

1.1 內(nèi)涵

SMES即超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，是通過電阻為零的超導(dǎo)磁體做成相應(yīng)的超導(dǎo)線圈，構(gòu)成大電感，引入電流后，在此線圈四周就會形成磁場，此種情況下電能就會以磁能的形式儲藏起來。根據(jù)線圈材質(zhì)可以將超導(dǎo)儲能分為低溫及高溫兩種超導(dǎo)儲能。眾所周知，超導(dǎo)儲能具有相應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)換率高、便于控制、體積小及重量輕等特點，在電力系統(tǒng)運行中，其可進行實時大容量能量交換與功率補給。供電質(zhì)量得到有效改善，電力系統(tǒng)的電能傳輸容量、穩(wěn)定性及電荷平衡性得到提高，因此其在可再生能源發(fā)電、負載調(diào)節(jié)等電力系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 原理

由于超導(dǎo)體在低溫狀態(tài)下實現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，此種狀態(tài)下電阻為零，可以得到如圖1所示超導(dǎo)儲能原理圖。如圖1所示開關(guān)2保持斷開，開關(guān)1被打開并為超導(dǎo)線圈充電，斷開開關(guān)1，閉合開關(guān)2，此時超導(dǎo)線圈就會處于短路狀態(tài)。在此閉合回路內(nèi)超導(dǎo)線圈電流不會縮減而是以永久電流模式存在，此時超導(dǎo)線圈中永久電流會以磁場形式存在，可通過E=L·I2/2來表示其大小。

2 目前超導(dǎo)儲能技術(shù)應(yīng)用中要注意的問題

隨著現(xiàn)代化科技水平日益提高，SMES技術(shù)處于科技領(lǐng)先水平，其應(yīng)用前景非常廣闊，在理論與實踐中已經(jīng)得到了證明。在電力系統(tǒng)運行中，為了推進超導(dǎo)儲能技術(shù)的應(yīng)用進程，在研究領(lǐng)域要注意以下問題：（1）電磁力支撐：也就是要注意大型線圈支撐材料成本與構(gòu)造等問題。（2）斷路保護：及時發(fā)現(xiàn)并解決斷路能力釋放、線圈升溫等問題。（3）永久電流的開關(guān)：目前超導(dǎo)儲能研究領(lǐng)域中的超導(dǎo)常規(guī)開關(guān)與接點形式還未打破常溫常規(guī)開關(guān)的束縛，儲能浪費高，實用性低。（4）HTS高溫超導(dǎo)體線圈：現(xiàn)階段液氮冷卻高溫超導(dǎo)體線圈磁場缺乏一定的強度，因此在實際應(yīng)用中通過線材臨界溫度值的提高來改變其磁場強度，亦或是通過液氮、氫間溫度變化強化其磁場。（5）漏磁場：從經(jīng)濟性角度出發(fā)，適宜選用圓筒形線圈。但是環(huán)保節(jié)能標準中對漏磁場的規(guī)定是低于10-3T。規(guī)模較大的SMES其場地要求為半徑為1000米。而環(huán)形線圈不存在此問題，但其所需導(dǎo)體總量是比較多，是前者的2倍，因此形狀問題不能忽視。（6）變流器：現(xiàn)行技術(shù)中，規(guī)格、耗損及安全性等方面還存在一定的問題。（7）成本：實用性受成本影響比較大。SMES規(guī)模小的，其成本造價遠遠高于其技術(shù)成本，以變流器占比最大，因此要積極研發(fā)低成本的SMES。

3 分析超導(dǎo)儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)全球范圍內(nèi)電力系統(tǒng)超導(dǎo)儲能技術(shù)的應(yīng)用情況，可以看出：（1）在超導(dǎo)儲能技術(shù)應(yīng)用中，不同國家需求不同，因此要根據(jù)實際情況研究超導(dǎo)儲能技術(shù)的應(yīng)用。將規(guī)模小的超導(dǎo)儲能用于電能質(zhì)量改善、頻率穩(wěn)定及功率校正等方面，而規(guī)模較大的超導(dǎo)儲能適用于管理大塊能量，如尖峰負載的補償?shù)?。比如日本，白天峰值功率比較高，中午時刻負載變化又快又大；而其國內(nèi)的輻射形電網(wǎng)對負載出現(xiàn)的變化非常敏感，因此其變化頻率很高，因此通過超導(dǎo)儲能可以有效解決此問題。在歐洲國家，電網(wǎng)密度與穩(wěn)定性比較高，因此白天與夜晚負載變化不大，近期內(nèi)會將以中小規(guī)模超導(dǎo)儲能研究為主。（2）電站規(guī)模、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、總能量、中間連接狀況、響應(yīng)時間、能量變化速度、風險性及電網(wǎng)質(zhì)量等因素決定了電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行中所需的能量、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性及價格等，需要做深一步的研究。（3）超導(dǎo)儲能電力應(yīng)用是以降低價格及提高性能為主要研究目標的。其中降低價格是降低超導(dǎo)體價格，因此要加強研究常規(guī)低溫及高溫等超導(dǎo)材料技術(shù)，注重低溫及其本質(zhì)穩(wěn)定性的研究，降低交流與脈沖耗損，電流密度得到提高。（4）在電網(wǎng)實際運行中，充分表現(xiàn)超導(dǎo)儲能技術(shù)的可行與經(jīng)濟性，因此只有做好戰(zhàn)略規(guī)劃，才能促進超導(dǎo)儲能技術(shù)的長遠發(fā)展。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著科技的發(fā)展，低溫超導(dǎo)技術(shù)與高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展與實用性日益提高，超導(dǎo)儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷擴大，為工業(yè)生產(chǎn)與人類生活帶來新的改革。國家電網(wǎng)系統(tǒng)要鼓勵支持電力系統(tǒng)積極應(yīng)用超導(dǎo)儲能技術(shù)，改善電能質(zhì)量，為行業(yè)健康穩(wěn)定的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

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作者簡介：劉波（1976，05-），男，湖南省湘潭市人，湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院，動力工程，博士研究生。