超导磁储能

超导磁储能系统SMES及其在电力系统中的应用NoImageNoImageSMES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。NoImage1970年，应用超导理论建设了超导电磁设备进行磁流体发电。为了冷却发电机、电机和变压以及输配电设施采用了许多泡状室。20世纪70年代曾采用高纯度铝在70K下工作。技术成功一方面取决于所用金属和绝缘系统，另一方面取决于运行操作。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=0.5LI²式中，E为能量，J(J=W*s)；L为电感，H[1亨利=(电压×s)／A]。超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规导体要高1～2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的储能密度，约为10^8J／m3。与其他的储能方式，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES具有转换效率可达95％、毫秒级的响应速度、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点。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。图1—1是SMES装置的结构原理图，该结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出的，以后SMES装置的研究设计一般都是以此结构作为参考原型。图中的变压器只是为了选择适当的电压水平以方便连接SMES与电力系统，是非必要部件。NoImage图1—1SMES装置原理结构图(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,即将超导磁体直接置于低温液体中。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,设置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(CurrentSourceConverter，CSC)和电压源型(VoltageSourceConverter，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(SuperconductingCoil，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。图1—2SMES电流源型和电压源型变流器NoImage(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。3.超导磁流体储能在电力系统中的应用（1）提高电力系统的稳定性现代电力系统在安全稳定运行方面存在明显缺陷，原因在于系统中缺乏能够大量快速存、取电能的器件，其致稳保护措施主要依赖于机组的惯性储能、继电保护和其他自动控制装置，基本属于被动致稳。SMES作为一个可灵活调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。SMES还可用来消除互联电力系统中的低频振荡，抑制次同步谐振(SubSynchronousResonance，SSR)和次同步振荡(SubSynchronousOscillation，SSO)。此外，SMES还可以灵活调控无功功率，为输电线路特别是受端系统提供必要电压支撑，防止在系统故障的情况下产生电压崩溃，抑制事故的进一步扩大。（2)改善电能质量。由于SMES可发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，SMES可作为敏感负载和重要设备的不问断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而引起的配电网向用户供电中产生异常的问题，改善供电品质。(3)提供系统备用容量系统备用容量的存在及其大小，既是一个经济问题，又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全裕度、事故后快速恢复供电具有重要作用。当前我国部分地区供电形势紧张，电网运行处于备用不足的状态，SMES高效储能特性可用来储存应急备用电力。以目前的技术水平，SMES还不足以作为大型电网的备用容量。但在局部区域、微网孤岛运行状态，特别是对于个别重要负荷，SMES可以作为备用容量以提高电网的安全稳定运行水平。