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=0.5LI²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2s断开状态下，接通开关1s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2s闭合，开关1s断开，超导线圈与开关2s形成闭合回路。
一般来说，开关2s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。
(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。