超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)概述及應(yīng)用淺談

舒峰 仇前生 涂鑫國 ?？＄? 汪詩經(jīng) 王海波

摘 要： 當(dāng)今電網(wǎng)特高壓和遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)飛速進(jìn)步、可再生能源容量不斷升高，全國大電網(wǎng)格局逐步形成，電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題日漸突出。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置（SMES）具有蓄能量高、轉(zhuǎn)換效率好、響應(yīng)速度快、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以高速高效調(diào)節(jié)系統(tǒng)與超導(dǎo)磁體之間的功率交換，將在改善用電質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及穩(wěn)定性等方面起到重要的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞： 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng);電力系統(tǒng);穩(wěn)定水平

伴隨著我國現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，大家對(duì)于電能的需要日漸增長，發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和儲(chǔ)存容量也越來越大，不同地區(qū)電網(wǎng)之間聯(lián)系越來越緊密。為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性以及改善電能質(zhì)量，基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位實(shí)現(xiàn)靈活快速調(diào)節(jié)的柔性交流輸電技術(shù)（FACTS ）得到發(fā)展迅速。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)屬于新一代的FACTS，與其它形式FACTS不同的是它能夠通過SMES變流器高效地將電能直接存儲(chǔ)在超導(dǎo)磁體中，實(shí)時(shí)提供有功和無功補(bǔ)償，使得系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大。

1.超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置探討

目前常用的儲(chǔ)能裝置包括超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置（SMES）、電池儲(chǔ)能裝置（BES）、超級(jí)電容（SCES）、飛輪儲(chǔ)能（FES）、壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES ）等。其中，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置（SMES）將能量以電磁能的形式直接儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈中，在需要時(shí)再將電磁能返回給負(fù)載或電網(wǎng)的一種快速、高效的儲(chǔ)能裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能裝置相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：①儲(chǔ)能密度高，無損耗，超導(dǎo)線圈運(yùn)行在超導(dǎo)態(tài)下沒有直流焦耳損耗，可傳導(dǎo)平均電流密度比常規(guī)線圈高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)到很高的能量密度（約為108J/m3），且長時(shí)間無損耗的儲(chǔ)存能量;②轉(zhuǎn)換效率高（≥96%），通過變流器控制實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交換，響應(yīng)速度快（ms級(jí)）;③能量功率大，控制方便，使用靈活，超導(dǎo)線圈的出能量與變流器的容量，可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，控制超導(dǎo)磁體與系統(tǒng)進(jìn)行有功、無功功率的交換。

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)首先需要在超導(dǎo)磁體內(nèi)存儲(chǔ)一定的能量，再通過控制變流器的觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)磁體和電網(wǎng)的有功和無功功率交換。超導(dǎo)儲(chǔ)能中的超導(dǎo)磁體在通過直流電流時(shí)沒有焦耳熱損耗，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置都采用直流電系統(tǒng)。美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室首先提出SMES裝置的結(jié)構(gòu)框圖。SMES裝置主要由超導(dǎo)線圈、低溫系統(tǒng)、功率變流器、磁體保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。

（1）超導(dǎo)磁體

由高溫超導(dǎo)材繞制而成的線圈，其許多單線圈串聯(lián)從而得到一個(gè)較大容量的超導(dǎo)磁體。而其中超導(dǎo)磁體是該系統(tǒng)的核心，儲(chǔ)能磁體要儲(chǔ)存的能量和它的結(jié)構(gòu)決定了磁體的大小。超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)可以分為幾種：螺旋管形和環(huán)形管。螺旋管磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是它周圍的雜散磁場(chǎng)較大;而環(huán)形磁體周圍雜散磁場(chǎng)很小，其結(jié)構(gòu)相對(duì)會(huì)比較復(fù)雜一些。

（2）? 低溫系統(tǒng)

超導(dǎo)磁體在低溫狀態(tài)下才會(huì)是超導(dǎo)狀態(tài)，而高溫超導(dǎo)磁體要運(yùn)行在液氮溫區(qū)，因此低溫的環(huán)境才是超導(dǎo)磁體所要的工作環(huán)境。所以最直接的磁體冷卻方式是將高溫超導(dǎo)磁體浸入液氦中，對(duì)高溫的超導(dǎo)磁體，可以用制冷機(jī)將磁體直接進(jìn)行冷卻。但是，無論什么樣的冷卻方式，都需要在低溫的容器內(nèi)盛放著液氮，它會(huì)維持著超導(dǎo)磁體需要的低溫環(huán)境，與此同時(shí)，還具一定的機(jī)械強(qiáng)度，它將支持著對(duì)應(yīng)重量的磁體。

（ 3）? 磁體失超保護(hù)系統(tǒng)

磁體失超是指超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)。當(dāng)超導(dǎo)體在運(yùn)行過程中，溫度、磁場(chǎng)及電流中任意參數(shù)超過臨界值，都會(huì)發(fā)生失超。超導(dǎo)磁體失超時(shí)，繞組內(nèi)部出現(xiàn)電阻，電流急劇變化導(dǎo)致磁體兩端出現(xiàn)高電壓，致使繞組間絕緣擊穿使磁體遭到永久損壞。因此，對(duì)超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)與保護(hù)對(duì)于增強(qiáng)SMES系統(tǒng)的可靠性有著非常重要的作用。

（4）監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由信號(hào)采集、控制器兩部分組成，主要任務(wù)是提取系統(tǒng)信息，根據(jù)系統(tǒng)需要控制SMES的功率輸出。信號(hào)采集部分監(jiān)測(cè)和分析電力系統(tǒng)及SEMS的各種狀態(tài)參量，從而通過變流器控制超導(dǎo)磁體兩端的電壓，對(duì)磁體充放電。

（5） SMES變流器

SMES變流器是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁體和電網(wǎng)之間能量轉(zhuǎn)換的裝置，起著控制儲(chǔ)能元件與系統(tǒng)之間功率交換橋梁的作用。隨著半導(dǎo)體功率器件技術(shù)的發(fā)展，用GTO和IGBT等全控型器件構(gòu)成的變流器時(shí)，變流器可利用PWM控制來降低交流側(cè)低次諧波，從而降低對(duì)交流側(cè)濾波器的要求。

2. SMES變流器基本結(jié)構(gòu)研究

目前，應(yīng)用在電力系統(tǒng)的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的變流器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種。一種叫電流源型的SMES，其功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電流源型的變流器（CSC）構(gòu)成;第二種是電壓源型的SMES，其功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電壓型的變換器（VSC）連著斬波器（Chopper）所構(gòu)成。電流源型的SMES和電壓源型的SMES主要電路基本的拓結(jié)構(gòu)的圖。它能快速、高效地與電力系統(tǒng)做有功功率和無功功率的交換，較好地改善了電能質(zhì)量，同時(shí)提高電力系統(tǒng)可靠性。因?yàn)镾MES固有電流源的特點(diǎn)， 以往SMES變流器所選用得電流型變流器。但目前，電壓源型的SMES變流器數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)更為成熟，而且電壓源型SMES變流器還需要做斬波器的相關(guān)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁體和電網(wǎng)的隔離，方便了變流器模塊化設(shè)計(jì)，但是VSC變流器和斬波器需要協(xié)調(diào)控制。

3.SMES系統(tǒng)應(yīng)用前景

隨著科技信息化和微電子技術(shù)日漸廣泛地應(yīng)用到精密制造業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)用電質(zhì)量要求越來越高。而核能、風(fēng)力及太陽能等可再生能源的并網(wǎng)、分布式發(fā)電比重逐漸增加給電力系統(tǒng)帶來的諸多穩(wěn)定性及電網(wǎng)質(zhì)量問題。

超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）技術(shù)的運(yùn)用，不但可以對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)峰填谷，還可以大幅改善電能質(zhì)量，改善和提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，遏制電網(wǎng)低頻振蕩，提升電網(wǎng)安全性。因此，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)展中扮演不可或缺的重要角色。

4.結(jié)語

我國西電東送工程和全國聯(lián)網(wǎng)帶來的大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題現(xiàn)在日漸突出，對(duì)于電能供電質(zhì)量和用電的穩(wěn)定性提出了愈來愈高的要求。而超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換功率密度高和效率高的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)在解決當(dāng)前電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問題、提升用電的質(zhì)量以及電能可靠性等方面將發(fā)揮不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)

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