超導儲能系統的研究現狀及應用前景

2018-03-08 15:08:56 《科技導報》　點擊量：評論 (0)

導讀：超導磁儲能系統將電磁能存儲在超導儲能線圈中，具有反應速度快、轉換效率高、快速進行功率補償等優點，在提高電能品質、改善供電可靠

5 SMES應用前景和發展方向

5.1 SMES在功率和能量系統中的應用前景

相比于其他儲能方式，SMES最大的優點就是響應速度快，這使SMES在功率和能量系統中具有廣泛的應用前景。

1)能量存儲。一個SMES單元最大能存儲5000MW˙h能量，存儲效率可達95%。對于能量的快速變化，SMES的跟隨速度達毫秒級別。對于電網系統的削峰填谷，SMES是個理想的器件，同時能減少設備的旋轉備用需求(spinningre?verserequirements)。

2)穩定電壓動態性能。線路嚴重過載或者動態無功補償不足會造成電壓失衡，出現電壓驟升或驟降。SMES通過提供瞬時有功和無功功率補償，穩定電壓的動態性能。

3)穩定風力發電機?，F代風力發電系統主要面臨2個主要問題：風力發電的輸出功率受風速影響較大，輸出功率隨機波動;電網電壓跌落時，若單純切斷風力發電設備，會給電網穩定性帶來嚴重影響?；诰哂凶該Q相能力逆變器的SMES單元能夠對有功和無功功率進行實時控制。因此，SMES對于穩定風力發電系統具有重要作用。

4)次同步諧振阻尼。發電機傳輸線路上一般有高階串聯補償裝置，提供功率補償，調節功率因數。高階串聯補償裝置將會引發次同步諧振現象，對發電機產生嚴重損害。SMES作為有源器件，能夠緩解次同步諧振的影響，允許更高階串聯補償裝置的安裝。

5)聯絡線功率控制。電網輸出功率與實際消耗功率之間的匹配控制十分重要。一般情況下，電網輸出功率等于用電設備的消耗功率。而當發電機輸送功率時，控制區域與執行區域的不統一造成系統負載發生變化，實際輸送功率與設定功率產生誤差，影響發電機工作效率。SMES可以通過適當控制算法，注入功率補償來消除誤差，保證發電機的工作效率和功率相匹配。

6)黑啟動能力。SMES單元能為發電單元提供啟動功率，不需要從電網吸收能量。當電網發生故障時，SMES的黑啟動能力能維持發電機繼續工作，能夠有效保護電網。

7)多功能超導儲能裝置。將超導儲能與統一電能質量控制器相結合，可形成具有儲能功能的動態電壓恢復器[72]、統一電能質量控制器，與故障限流器相結合，形成超導限流儲能系統。應用于單臺分機的超導限流-儲能系統拓撲結構，可同時提高單臺風力發電機的低電壓穿越能力和功率輸出穩定性;對超導限流-儲能系統在風電場中的應用進行了初步的仿真分析，進一步提出應用于風電場的超導限流-儲能系統拓撲結構，實現對風電場的保護，并開展相關樣機的研制。

5.2 SMES磁體研究的新方向

儲能磁體的結構主要有單螺管、組合螺管、環形螺管3種。以往單螺管磁體的設計，大多使用矩形截面的磁體，其結構簡單，但超導帶材的利用率相對較低。研究者分析如何改變磁體的結構，一種思路是采用階梯形截面磁體。相比于矩形截面磁體，階梯形截面磁體在優化設計方面比較復雜，但是采用階梯型磁體結構可以減小垂直于帶材磁場的作用，從而提高磁體的臨界電流，最終提高其儲能量和穩定裕度。階梯形截面儲能磁體的結構可分為內階梯截面磁體和外階梯截面磁體。由于在不同溫區磁場對氧化釔鋇銅(YB?CO)超導帶材臨界電流的影響規律有所不同，Sun等通過研究發現：在20K溫區，采用內階梯截面結構更省帶材，在77K溫區，采用外階梯截面結構更省帶材。

另外，對于需要頻繁充放電的超導儲能磁體或者低頻交流磁體，由于磁體自身交流損耗且在低溫容器及金屬部件上產生的渦流損耗較大，運行于過冷液氮溫區，相對于在液氫和液氦溫區而言具有較低的制冷成本和較高的運行經濟性，只是超導材料的用量相對較大。在過冷液氮溫區，超導磁體的中心場強可達2T左右。

儲能磁體在工作時，磁體外部的磁場呈軸對稱狀分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內電磁污染的主要來源之一。儲能磁體的強磁場不僅對周圍其他電氣設備產生影響，而且對人體存在潛在危害。采用磁屏蔽或電磁屏蔽的方法抑制磁體漏磁雖然可以將空間磁污染抑制到可接受的水平，但是各種屏蔽方法均會導致磁體運行損耗的增加，并引起電感參數的變化。為了降低空心電抗器或儲能線圈的空間漏磁，通常采用2種方式：一種是采用多螺管平行排列，一種是采用多螺管或線餅環形排列。國際對多個螺管和雙餅串聯連接方式超導儲能磁體展開了大量研究工作。日本九州電力公司完成了1GJ環形結構高溫超導儲能磁體的概念設計，韓國、印度分別對2.5MJ、4.5MJ環形結構高溫超導儲能磁體進行了概念設計，在中國華中科技大學也開始進行10MJ儲能磁體的概念設計。在高壓、大電流應用場合，采用上述結構面臨諸多線圈間的均壓均流問題。

5.3 SMES面臨的挑戰和發展方向

雖然SMES在提高電力系統穩定性和改善供電質量方面具有明顯優勢，但是受限于其身高昂的費用，SMES還未能大規模進入市場，技術的可行性和經濟價值將是SMES未來發展面臨的重大挑戰。今后SMES的研究重點將集中在如何降低成本、優化高溫超導線材的工藝和性能、開拓新的變流器技術和控制策略、降低超導儲能線圈交流存耗和提高儲能線圈穩定性、加強失超保護等幾方面。高溫超導材料的不斷發展，極大推動了SMES的發展，許多國家采用高溫超導材料進行SMES系統的研究實驗，包括日本和韓國，得出結論：高溫超導材料會極大降低SMES的成本，并提高性能。可以預見，高溫超導材料的不斷發展成熟，將會降低整個SMES系統的價格，極大地簡化冷卻手段和運行條件，提高其性能和壽命。SMES技術將加速發展，并可望成為主要電力基礎應用裝備之一。

6 結論

經過幾十年的發展，SMES在技術研究和應用方面都取得大量成果。相比于其他儲能方式，SMES的性能更加優越，應用前景更加廣泛。在未來幾十年、甚至更長的時間內，SMES將會是一個持續的研究熱點。隨著超導技術的進步，SMES的發展已進入一個新階段，推動著電力系統的發展與革新。

(郭文勇張京業張志豐邱清泉張國民林良真肖立業)