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超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用


高温超导磁储能系统及在电力系统中的应用 一、 超导磁储能基本原理
1、什么是超导磁储能系统?
超导储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)是利用超导 线圈将电磁能直接储存起来, 需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力 设施,一般由超导线圈、低温容器、制冷装臵、变流装臵和测控系统部件组成。 超导

储能系统可用于调节电力系统峰谷(例如在电网运行处于其低谷时把多 余的电能储存起来,而在电网运行处于高峰时,将储存的电能送回电网) ,也可 用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性, 同时还 可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。 超导储能系统具有一系 列其它储能技术无法比拟的优越性: (1)超导储能系统可长期无损耗地储存能量,其转换效率超过 90%; (2) 超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接, 响应速度快(毫秒级) ; (3)由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取,因此 可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统; (4)超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分,使用寿命长; (5)超导储能系统在建造时不受地点限制,维护简单、污染小。 目前,超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方 面的一个竞相研究的热点,一些主要发达国家(例如美国、日本、德国等)在超 导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力, 推动着超导储能系统的实 用化进程和产业化步伐。

2、储能工作原理
SMES 在电力系统中的应用首先是由 Ferrier 在 1969 年提出的。最初的设想是 将超导储能用于调节电力系统的日负荷曲线。但随着研究的深入,人们逐渐认识 到调节现代大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈, 在技术和经济上存在着 困难。现在,SMES 在电力系统应用中的研究重点主要着眼于利用 SMES 四象限 的有功、无功功率快速响应能力,提高电力系统稳定性、改善供电品质等。超导 磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉冲能量储存, 大规模能量储存 开始于电器元件, 其原理就是电能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导 材料制成,即保持在临界温度以下,即使发生变化,电流也不会发生衰减。线圈 卸载荷,可以将电流释放回电路中去。 电流 I 循环储存在线圈中的能量 E 为

E=0.5LI? 超导磁储能装臵的原理示意图

1、超导线圈 2、制冷剂 3、低温容器 4、直流电源 5、持续电流回路 在开关 s 2 断开状态下, 接通开关 s 1 给超导线圈充电, 最终使超导线圈电流达到额 定值;然后开关 s 2 闭合,开关 s 1 断开,超导线圈与开关 s 2 形成闭合回路。一般 来说,开关 s 2 会采用同样具有零电阻特性的超导开关技术。因此,超导线圈这一 闭合回路中,电流不会衰减,保持永久持续流通,其能量便以电磁能的形式储存 在超导线圈中。 SMES 一般由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、功率调节系统和监控系统等 几个主要部分组成。如下图所示结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出的, 以后 SMES 装臵的研究设计一般都是以此结构作为参考原型。
信号采集 电力系统 变压器 控制器 变流器 磁体保护系统 低温系统 超导磁体

(1)超导磁体。 储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。螺管线圈结构简单,但周围杂散 磁场较大;环形线圈周围杂散磁场小,但结构较为复杂。由于超导体的通流能力 与所承受的磁场有关, 在超导磁体设计中第一个必须考虑的问题是应该满足超导 材料对磁场的要求,包括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此以外,在磁体 设计中还需从超导线性能、运行可靠性、磁体的保护、足够的机械强度、低温技 术与冷却方式等几个方面考虑。 (2)低温系统。 低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。 超导磁体的冷却方式一般

为浸泡式,即将超导磁体直接臵于低温液体中。对于低温超导磁体,低温液体多采 用液氦(4.2K)。对于大型超导磁体,为提高冷却能力和效率 ,可采用超流氦冷却, 低温系统也需采用闭合循环,设臵制冷机回收所蒸发的低温液体。基于 Bi 系的高 温超导磁体冷却至 20~30K 以下可实现 3~5T 的磁场强度,基于 Y 系的高温超导 磁体即使在 77K 也能实现一定的磁场强度。 冷却温度的提升带来的直接好处是低 温系统成本的降低和冷却效率的提高。 在 20~30K 以上可选用液氦之外的低温液 体或低温气体冷却, 直接冷却也是超导磁体的一种冷却方式。直接冷却不需要低 温液体,靠制冷机与超导磁体的固体接触实现热传导。随着低温技术的进步,采 用大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的方案, 但按目前的技术水平, 还难以实现大型超导磁体的冷却。 低温系统是保证超导磁体处于低温的必要条件, 其冷却效果的高低也直接影响到超导磁体的技术性能,如热稳定性,同时,低温 系统成本和可靠性在 SMES 中也有着重要的地位。 3)功率调节系统。 功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转换, 是储能元件与系统之间进行 功率交换的桥梁。目前,功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的 PWM 变 流器,它能够在四象限快速、独立地控制有功和无功功率,具有谐波含量低、动 态响应速度快等特点。 根据电路拓扑结构,功率调节系统用变流器可分为电流源 型(Current Source Converter,CSC)和电压源型(Voltage Source Converter,VSC)两种 基本结构,如图 1—2 所示。由于超导磁体固有的电流源特性,CSC 的直流侧可 以与超导磁体(Superconducting Coil,SC)直接连接,而 VSC 用于 SMES 时在其直流 侧必须通过斩波器(Chopper)与超导磁体相连。 (4)监控系统。 监控系统由信号采集、控制器两部分构成,其主要任务是从系统提取信息,根据 系统需要控制 SMES 的功率输出。信号采集部分监测电力系统及 SMES 的各种技 术参量, 并提供基本电气数据给控制器进行电力系统状态分析。控制器根据电力 系统的状态计算功率需求, 然后通过变流器调节磁体两端的电压,可以对磁体进 行充、 放电。 控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效地达到控制目的。 SMES 的控制分为外环控制和内环控制。外环控制器作为主控制器用于提供内环 控制器所需要的有功和无功功率参考值, 是由 SMES 本身特性和系统要求决定的; 内环控制器则是根据外环控制器提供的参考值产生变流器开关的触发信号。

二、 超导磁储能在电力系统中的应用
随着我国经济的高速发展,电力需求越来越大,随之而来的是电力系统的规 模和复杂性的增加。为实现“保证电力安全” 、 “节能减排” 、 “节约资源” 、 “提高 供电品质” 、 “保护环境”等重大目标, “西电东送” 、 “南北互供” 、 “全国联网” 、 “可再生能源发电” 等战略性发展方针将使我国电网成为世界上最庞大、最复杂 的电网。然而,充分的、高品质的、可靠的电力供给已经开始受到若干负面因素 的制约,电力系统已经面临和必将面对许多重大技术课题。 超导储能系统在进行输/配电系统的瞬态质量管理、提高瞬态电能质量及电 网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有不可替代的作用, 并将为打造新的 电力市场机制提供技术基础,具有广阔的应用前景。其应用场合主要包括: (1)可用来消除电力系统中的低频振荡,用于稳定系统的频率和电压;

(2)可用于无功功率控制和功率因数的调节,以提高输电系统的稳定性和 功率传输能力; (3)由于它可迅速向电网加入或吸收有功功率,具有超导储能装臵的系统 可看成是灵活交流输电系统; (4)如果不仅将它看成是一个储能装臵,而且将它看成是系统运行和控制 时的有功功率源,它将显得更有用和有效,因此可以用作超导能量管理系统; (5) 在 AGC 系统中具有自动发电控制作用, 而且局部控制错误可减到最小; (6)可用于配电系统或大的负载边以减少波动和平衡尖峰负载、控制初次 功率和提高瞬态稳定性,并可得到很好的效益; (7)可用于海岛供电系统,因为海岛与大陆联网的造价高,一般采用燃气 轮机独立发电并成网,超导储能装臵可用来进行负载调节等; (8)可用来补偿大型电动机起动、焊机、电弧炉、大锤、扎机等波动负载 从而减少电网灯光闪烁现象; (9)还可用作太阳能和风力田的储能。风力发电将产生脉动的功率输出并 将为配电网带来很多问题, 而超导储能装臵可使风力发电系统的输出平滑而满足 配电电网的要求,并为系统提供备用功率和控制频率; (10)可作为其它分布式电源系统的储能装臵; (11)可用作为重要负载提供高质量电力的不间断电源,并在负荷侧发生短 路时限制短路电流。 总之,现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量提出了越来越高的要求。 例如现代企业中变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工工具、可编程 控制器、计算机信息系统等设备,对电源的波动和各种干扰十分敏感,任何供电 质量的恶化可能会造成产品质量的下降,产生重大损失。随着我国新技术、新设 备的不断引进和广泛应用, 以及我国电力市场商业化运营的实施和分布式发电技 术的发展, 对电能质量的控制提出了日益严格的要求, 对电能质量敏感的电力用 户或需要特殊供电的场合也会越来越多。 随着我国电网的不断扩大, 也迫切需要 解决大电网的稳定性问题,超导储能系统在这方面也将具有重要的应用价值。

三、 应用实例
日本中部电力公司研制了 5MJ/5MVA SMES 用以补偿系统瞬时电压跌落, 解决 敏感工业用户的电能质量问题。2003 年 7 月起,该 SMES 装臵已安装在日本 的一个大型 LCD 电视生产厂家长期现场运行试验,检验 SMES 的运行特性及 可靠性。 在现场实验过程中,当 SMES 检测到系统出现电压降落问题时,立即切入系 统对负载进行单独供电,保证负载的供电电压。系统运行过程中,由于雷击 引起 77KV 输电线路上的两条支路产生接地故障, 使实验基地经历了瞬时电压

降落。SMES 在系统电压降落期间对负荷进行补偿供电,当系统电压恢复正常 后,SMES 退出运行,平滑地切换到系统供电,保证负荷的正常运行。

SMES 系统接线图

由图中可以看出,在电网电压出现 35%的降落时,由于 SMES 的补偿,负载电 压维持不变。 美国超导公司(ASC)通过制造和安装 SMES 来解决工业电能质量问题,为大型 工业负载提供可靠电能。ASC 先后在纽约的 Brookhaven 国家实验室、美国北卡 罗来纳州 Fair Bluff 的乙烯生产厂、维斯康星公用实业公司、澳大利亚、南非等 安装了 SMES 装臵, 获得了丰富的现场运行经验。 安装于 Brookhaven 国家实验室 的 SMES 超过三年的现场运行解决了美国能源部国家同步辐射光源环系统所面临 的电压凹陷和瞬时断电问题。 在该实验室用户的试验样品通常要在光源环射线中 测试 30 天以上,在实验过程中,任何超过 259ms 的瞬时断电和电压凹陷都会干 扰射线的驱动磁体, 导致射线的分叉和光源环的终止。光源环终止后实验必须重 新开始,造成巨大的人力和物力的浪费。如果采用 SMES 为驱动磁体提供稳定的 电源,每年可以节省 50000~300000 美元,还不包括人力的消耗。SMES 系统在 1995 年 2 月安装于 Brookhaven,与 800kVA 的配电系统相连,同时为驱动磁体供 电控制实验过程中的射线 日本中部电力公司研制了 5MJ/5MVA SMES 用以补偿系统瞬时电压跌落, 解决 敏感工业用户的电能质量问题。 2003 年 7 月起, 该 SMES 装臵已安装在日本的一 个大型 LCD 电视生产厂家进行长期现场运行试验,检验 SMES 的运行特性及可靠 性。 韩国电力科学院(KERI)研制了 3MJ/750kVA SMES 用以改善敏感负荷的电能质 量问题。该项目的最终目的就是实现 SMES 装臵的商品化,因而,开发适用于工 业生产的 SMES 设计、制造技术是非常重要的。 中国科学院电工研究所目前已经完成了 1.0MJ 超导储能系统的全部研制工作, 完成了在北京市门头沟供电公司石龙开闭所所开展的并网运行前的最后测试工

作,测试结果表明,超导储能系统已经具备了并入 10.5kV 配电网进行载荷试验 运行的条件。 在超导储能系统的研制过程中,在快速充放电高温超导磁体技术、低温制冷 技术、 具有新型拓扑结构的电力电子技术、 在线监控技术以及系统集成技术等方 面做了大量的研究工作, 解决了一系列关键科学技术问题以及超导储能系统与电 网匹配协调运行等关键科学技术问题, 取得了多项自主知识产权, 其技术成果的 应用将为提高我国电能质量并改善大电网的动态稳定性发挥重要作用。

超导储能系统用快速充放电高温超导磁体, 是当前世界上最大的高温超导磁体之一

用于维持超导磁体低温环境的低漏热低温 杜瓦,将与外部的热交换降至最低

超导储能系统用低温制冷系统, 可以实现系 电力电子系统采用新型拓朴结构以及多重 统运行时的零液氦挥发 化级联模块设计,确保系统高效、安全、可 靠,易于维护和实现规模化生产

超导储能系统在线监控装臵, 可以实现系统 运行的完全计算机检测、控制、故障诊断和 报警、波形录制等功能

超导储能系统运行现场内部

超导储能系统运行现场外部

超导储能系统采用级联式模块化结构, 是电 力电子技术的一大突破和推进

2008 年 7 月 1 日,由中国科学院电工研究所与山东乐航节能科技股份有限 公司共同组建的“中科乐航节能技术联合研究开发中心” (以下简称联合研究开 发中心) 在山东省潍坊国家高新技术产业开发区正式签约和挂牌, 并且启动了双 方合作的切入点项目――感应加热技术的研究开发。 联合研究开发中心立足潍坊, 服务全国,通过共同开发、成果转化和产业化的方式,形成全国一流的规模化节 能技术的研究开发中心和成果转化基地, 推动行业科技进步, 为国家节能技术的 发展以及节能减排目标的实现提供技术支撑。 联合研究开发中心的运行和发展依托于山东省潍坊国家高新技术产业开发 区。 作为国家级高新技术产业开发区, 山东省潍坊国家高新技术产业开发区在全 国布局中具有独特的优势和地位, 开发区致力于投资环境的全面优化, 致力于自 主创新能力的提高,致力于和谐社会的构建,实现了经济社会的健康快速发展; 成为了新技术、新产品和新型企业不断孵化、成长和腾飞的基地。开发区拥有一 批在国际国内均处于业界领先水平的优秀企业,其中不乏一些生产高、精、尖产 品的高新技术企业。 这些企业所生产产品质量首先取决了企业优秀的管理和技术 创新能力, 但与所提供的电能质量的高低也有很大的关联性, 高质量的电能供给 将为生产高质量和畅销的高新技术产品提供可靠的保障。 而超导储能系统及其全 套技术解决方案无疑是为这些企业提供可靠和高质量电能的最佳选择。 为此, 基于已经完成研制的超导储能系统, 为推动中科乐航节能技术联合研 究开发中心朝着创建全国一流研究开发中心的发展目标前进, 结合山东省潍坊国 家高新技术产业开发区所具有的独特优势和地位,将 1MJ 超导储能系统的并网 运行地点由北京市门头沟改为山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区, 将带 来巨大的经济和社会效益:

(一) 超导储能系统将直接服务于开发区的高新技术企业, 将提高企业的电 力瞬态质量管理、 提高瞬态电能质量及电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等能 力, 将大幅稳定系统的频率和电压, 在无功功率控制和功率因数调节上提高输电 系统的稳定性和功率传输能力, 从根本上改善对供电质量敏感的企业或部门的电 能质量,同时可以作为短时备用电源使用,为企业生产保驾护航。通过运行,在 对超导储能系统进行长期考验、 数据和技术经验积累的基础上, 实现超导储能系 统向实用化和产业化的过渡。 (二)投入到山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区的 1MJ 高温超导 储能系统将是世界首套投入到实际电网运行的高温超导储能系统, 是全世界超导 界的一件大事, 具有十分重大的显示度, 将提升山东省潍坊市潍坊国家高新技术 产业开发区和地方的形象和地位,推动开发区和地方的创新发展。 (三)由于 1MJ 超导储能系统的研究开发工作已经基本完成,将为开发区节 省大约 2000 万元的研究开发费用,使开发区以及相关企业直接共享了由研究开 发所形成的技术成果及其效益。


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