超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用

超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用电-1305班聂志强13121455超导磁储能基本原理超导磁储能在电力系统中的应用应用举例概念超导电磁储能（SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES)装置（简称超导储能装置），是利用超导线圈将电能直接以电磁能的形式储存起来，在需要时再将电能输出给负载的储能装置。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。超导磁储能的提出储能工作原理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超导磁储能装置的原理示意图1、超导线圈2、制冷剂3、低温容器4、直流电源5、持续电流回路信号采集电力系统控制器变压器变流器磁体保护系统超导磁体低温系统SMES装置原理结构图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装置的研究设计一般都是以此结构作为参考原型。(1)超导磁体。储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。(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。螺管形（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。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。SMES电流源型和电压源型变流器(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。超导磁储能装置的优点（1）、无损耗、储能密度高（2）、储能效率高、响应速度快（3）、改善供电品质，提高电网稳定性（4）、使用寿命长（5）、超导储能装置可不受地点限制，且维护简单污染小。超导磁储能在电力系统中的应用电力系统发展所面临的重大课题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。（1）、电力安全谐波、过电压、短时断电、电压骤降电压骤升（2）、电能质量电网瓦解、大面积停电事故（3）、短路电流水平断路器无法有效切除短路故障（4）、可再生能源并网发电不连续不稳定提高电力系统的稳定性调节滑行失步调节震荡失步缩短暂态过渡过程提供电压支撑防止电压崩溃改善电力系统的电能质量降低或避免电能质量问题给电力用户带来的损失，国内外主要的解决方法可以分为三类：1、电力系统侧；2、在用电设备本身；3、在系统和用电设备之间的界面上。SMES在系统和用电设备之间界面上作用：1、减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击2、不间断电源应用实例日本中部电力公司研制了5MJ/5MVASMES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装置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）通过制造安装SMES解决工业电能质量问题韩国电力科学研究院（KERI）研制了3MJ/750kVASMES用以改善敏感负荷的电能质量问题。我国超导磁储能应用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。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，可以实现系统运行时的零液氦挥发电力电子系统采用新型拓朴结构以及多重化级联模块设计，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置，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正在研发的将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SMES的技术课题提高储能密度与储能效率增强动态响应能力在电力系统中的应用模式及协调控制扩展应用途径SMES的性能检测方法及标准谢谢！