超导电磁储能介绍

超导电磁储能1、简介超导电磁储能（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，在需要的时再将电能输出给负载的储能装置。2、超导储能装置的有点（1）、超导线圈运行在超导状态下无直流电流焦耳热损耗，同时它可传导的平均电流密度，比一般常规导线线圈高达2个数量级，可产生很强的磁场，能达到很高的储能密度约（108J/m3）且能长时间无损耗的储能，而出电池储能重复次数一般在千次一下。（2）、储能效率高达95%，并可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，相应速度非常快。（3）、超导储能线圈的储能量与功率调节系统的容量，可独立的在大范围内选取。所以超导储能装置可建成所需的功率和达能量系统。储能系统容易控制，随着电力电子技术的发展，超导储能装置独立地与系统进行四象限有功、无功功率的交换，从而改善供电品质，提高电网稳定性（4）、超导储能装置除了真空和制冷系统外没有转动磨损部分，因此装置使用寿命长。（5）、超导储能装置可不受地点限制，且维护简单、污染小。3、储能工作原理超导储能系统的核心即超导线圈，是超导储能装置中的储能元件，其储存的能量可由下式表示：ESMES=0.5LI2式中，ESMES为电磁能，J;L为超导线圈电感，H;I为超导线圈电流。超导储能系统主要由超导线圈、冷却系统、失超保护与系统保护、变流器、控制系统组成。超导储能系统首先在超导线圈内储存一定的能量（如最大储存电能的25%~75%），在通过控制变流器的触发脉冲来实现与系统的有功、无功交换，从而完成超导储能装置的多种功能。超导线圈在通过直流电流时没有焦耳热损耗，因此超导储能装置都采用直流电系统。超导储能系统的主要构成与相应技术内容主要包括：超导线圈、失超保护、冷却系统、变流器和控制器等组成。这些是超导储能装置的主要组成部分，其结构原理如下图所示。3.1超导线圈超导线圈的形状通常是环形和螺管形。小型及数十MW·h的中型SMES比较适合采用漏磁场小的环形线圈。螺管形线圈漏磁场较大,但其结构简单,适用于大型SMES及需要现场绕制的SMES。在高温超导线材方面,美国、日本等发达国家已制造出50m～1km的Bi系超导线材,并具有制造JC20kAöcm2、交流损耗3Wö(kA·m)、线长1km的Bi系超导线材的能力。由于高温超导线材价格昂贵,所以在高温超导磁体的设计中,总是力求降低高温超导线材的用量,以降低磁体成本。在设计中就力求减小磁体体积，减小杂散场对环境的影响。3.2冷却系统低温冷却装置由不锈钢制冷器、低温液体的分配系统、一对自动的氦液化器等3部分组成。分配系统的主要组成是:制冷器顶部的电气连接;控制氦流的低温阀箱;制冷器之间、阀箱和液化器之间的低温管;真空装置;压力过高时的安全阀;备用氦罐和冷却箱。超导线圈的冷却方式有2种:一种是将线圈浸泡在液氦之中的浸泡冷却方式,另一种是在导体内部强制通过超临界氦流的强制冷却方式。浸泡冷却下超导稳定性好,但交流损耗大,而且耐压水平低;强制冷却的机械强度、耐压、交流损耗等方面都具有优点,但提高超导热稳定性则是其应解决的问题。3.3变流器SMES所用的AC/DC变流器应能独立控制SMES与电力系统的有功功率和无功功率交换,这就需要采用由电力电子器件组成的开关电路。从电路拓扑结构来看,常用的变流器有两种:电压型和电流型变流器。电流源型变流器。为电流源型变流器的基本电路拓扑,它主要由电流源型变换器构成。调节图中电流源型变流器对AC电网输出电流的幅值和相位,就可实现四象限控制SMES装置与AC电网之间的有功功率和无功功率交换电压源型变流器为电压源型变流器的基本电路拓扑,它主要由电压源型变换器和DC/DC斩波器构成。配合图中变流器的DC/DC斩波器对超导线圈电流的斩波,同时调节电压源型变换器对AC电网输出电压的幅值和相位,就可实现四象限控制SMES装置与AC电网之间的有功功率和无功功率交换。3.4失超保护对于超导磁体,失超时可能出现以下3种情况:a过热(overheatingormeltdown);b高压放电(highvoltagearcing);c应力过载(overstressing)。后两种状况发生时,在一定范围内是可以自动修复的;而对于过热,其后果常常是致命性的(对磁体而言)。因此,更多的磁体保护是针对过热。防止过热,也就是要在失超时将超导磁体中的电流转移至外部消化,防止焦耳热释放在超导线上。根据不同的磁体结构,可有分段电阻保护、并联电阻保护、谐振电路保护和变压器保护等方法。各种方法有各自的优缺点。在超导储能磁体发生失超时,必需采取有效的保护措施,以满足下列要求a减少在绕组常导区所释放的能量,防止超导线过热b降低绕组常导区的端电压,防止匝间绝缘击穿c减少在低温容器内释放的能量,防止冷却介质的大量蒸发失超检测原理图国内外采用的失超检测方法主要有一下几种：a温升检测：温升检测测量导体温度变化；b压力检测：压力检测测量低温容器内压力变化；c超声波检测：超声波检测测量超声波信号的输入输出间传函的变化;d流速检测：流速检测测量冷却介质流速的变化e电压检测：电压检测测量电阻电压分量的产生。其中应用最为广泛的是电压检测,其余各种检测方法在实际应用中并不多见。这里主要介绍电压检测法。最基本的电压检测方法为直接进行匝间电压检测。这种方法不仅可以检测出线圈中是否有失超发生,还可以根据预先测得的不同区段失超时线圈端电压随时间的变化曲线,确定出原始失超位置。这种方法的缺点是在每匝线圈上都需安装电压传感器,而且当系统中存在电磁噪声时,灵敏度不高。鉴于匝间电压检测法的缺点，提出一种改进的方法——桥式电路检测法。在磁体线圈上安装中心抽头,并分别与阻值为的电阻相并联。校正后,未失超时通过电流表的电流为零失超后,电桥不平衡,有电流流过电流表。故可通过电流表来判断失超是否发生。桥式电路检测法原理图如下图所示为了精确地检测磁体局部失超，可采用如下所示电路。整个检测电路分为三组桥路：桥1为主桥，负责检测整个磁体，因此覆盖所有双桥，叫2为局部焦炉检测，负责检测钱一般的双饼的失超情况，由于可能因为发生对称失超，前两个桥路均不能检测出来，所以增加了桥3，在磁体发生对称失超时获取失超信号。这样既可以更为精确地检测到局部失超，又可避免遗漏检测桥路对称失超。桥式电路的误差应低于0.5%。它较之匝间电压检测要方便且易实现,不需要安装电压传感器。但是桥式电路同样存在噪声干扰的问题,而且,对于交流电路,外接电阻会消耗一部分能量。而有源功率检测法可以很好地解决这些问题。它对交流和直流电路同样适用,且不受噪声的影响。图中,L1=L2,R1和R2为两半绕组失超后产生的电阻。定义：P=(u1-u2)i。未失超时,R1和R2均为零,故P值也为零。失超后,P=(R1-R2)i2,即除了R1=R2的情况,失超均可通过P值检测到。R1=R2是极其罕见的特殊情况,通常可不予考虑。监测时,P的信号里常伴有噪声,例如电磁噪声。可附加一个低通滤波器(LPF)以排除噪声干扰。整个检测系统的原理框间下图。失超保护超导磁体的失超保护主要包括：外部并联电阻法、内部分段并联电阻法、震荡电路保护法以及变压器保护法。外部并联电阻保护电路图并联电阻值的选择是很关键的，它应综合一下要求来选择，即超导磁体温升不超过所给定的最大值，尽可能高的移能效率和磁体端电压不超过允许值。外加移能电阻的选择主要取决于磁体的电气绝缘质量。外加电阻越大,线圈内热毁坏的可能性越小,但同时过电压引起的危险就越大。故要根据实际要求选取合适的外加电阻值。内部分段并联电阻原理图分段电阻法通常可采取分段并联电阻来实现,即将超导线圈分成若干段,每段并联个1电阻。电阻可以安置在低温容器内,以减少从低温容器到外部室温空间的连接导线。如果在线圈某一段内出现正常区,那么由于正常电阻使这一段电流衰减,而线圈各段是紧密耦合的,因此将促使邻段电流增大并失超,这种连锁反应将使超导体的局部失超迅速传遍整个磁体。如果能量很小，失超后温升不超过许可值，可以不需要并联分段电阻，而只简单采用并联二极管的方式即可，如并联一个二极管，这二极管可置于低温容器内，如下图所示。震荡电路保护法震荡电路保护法是将超导线圈内的能量释放到杜瓦外的静电电容器内的一种保护方法，原理如下图所示。变压器保护法变压器保护原理如下图所示。当初级线圈中发生失超时，电流I1开始减小，促使次级线圈中磁通的改变。开始时，次级电流I2为零。此变化着的磁通将使次级中产生电流，从而把次级中的一些能量转移到次级。设次级绕组的电阻甚小于R2，则次级回路中能量将消耗于恒温器外的R2中。通过电路分析证明，当线圈间的耦合系数K接近于1，和次级回路的电阻甚小于初级时，初级电流向次级回路的转移最为有效。4、总结SMES装置以其高效性、快速响应特性和能与系统独立进行四象限交换有功、无功的能力突破了传统电力系统的限制,适应电网不断提高的要求。它将和其他电力装置一起,成为电力系统的重要组成部分,使系统的容量、质量、稳定性和经济性进一步提高。在超导电力系统运行中,超导储能磁体的失超保护必须可靠且故障无碍。及时而有效的失超检测是失超保护的先决条件。同时,还可考虑将超导储能磁体的保护与电力系统的继电保护结合起来,通过重新整定距离保护的保护特性值来达到防止过流的目的,这样从根本上降低超导储能磁体失超的可能性。