超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

2018-03-08 15:08:56 《科技導(dǎo)報(bào)》　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

導(dǎo)讀：超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)將電磁能存儲(chǔ)在超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈中，具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、快速進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在提高電能品質(zhì)、改善供電可靠

5 SMES應(yīng)用前景和發(fā)展方向

5.1 SMES在功率和能量系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

相比于其他儲(chǔ)能方式，SMES最大的優(yōu)點(diǎn)就是響應(yīng)速度快，這使SMES在功率和能量系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1)能量存儲(chǔ)。一個(gè)SMES單元最大能存儲(chǔ)5000MW˙h能量，存儲(chǔ)效率可達(dá)95%。對(duì)于能量的快速變化，SMES的跟隨速度達(dá)毫秒級(jí)別。對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷，SMES是個(gè)理想的器件，同時(shí)能減少設(shè)備的旋轉(zhuǎn)備用需求(spinningre?verserequirements)。

2)穩(wěn)定電壓動(dòng)態(tài)性能。線路嚴(yán)重過載或者動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償不足會(huì)造成電壓失衡，出現(xiàn)電壓驟升或驟降。SMES通過提供瞬時(shí)有功和無功功率補(bǔ)償，穩(wěn)定電壓的動(dòng)態(tài)性能。

3)穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要面臨2個(gè)主要問題：風(fēng)力發(fā)電的輸出功率受風(fēng)速影響較大，輸出功率隨機(jī)波動(dòng);電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，若單純切斷風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重影響?；诰哂凶該Q相能力逆變器的SMES單元能夠?qū)τ泄蜔o功功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，SMES對(duì)于穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有重要作用。

4)次同步諧振阻尼。發(fā)電機(jī)傳輸線路上一般有高階串聯(lián)補(bǔ)償裝置，提供功率補(bǔ)償，調(diào)節(jié)功率因數(shù)。高階串聯(lián)補(bǔ)償裝置將會(huì)引發(fā)次同步諧振現(xiàn)象，對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p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(lián)補(bǔ)償裝置的安裝。

5)聯(lián)絡(luò)線功率控制。電網(wǎng)輸出功率與實(shí)際消耗功率之間的匹配控制十分重要。一般情況下，電網(wǎng)輸出功率等于用電設(shè)備的消耗功率。而當(dāng)發(fā)電機(jī)輸送功率時(shí)，控制區(qū)域與執(zhí)行區(qū)域的不統(tǒng)一造成系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化，實(shí)際輸送功率與設(shè)定功率產(chǎn)生誤差，影響發(fā)電機(jī)工作效率。SMES可以通過適當(dāng)控制算法，注入功率補(bǔ)償來消除誤差，保證發(fā)電機(jī)的工作效率和功率相匹配。

6)黑啟動(dòng)能力。SMES單元能為發(fā)電單元提供啟動(dòng)功率，不需要從電網(wǎng)吸收能量。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，SMES的黑啟動(dòng)能力能維持發(fā)電機(jī)繼續(xù)工作，能夠有效保護(hù)電網(wǎng)。

7)多功能超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置。將超導(dǎo)儲(chǔ)能與統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器相結(jié)合，可形成具有儲(chǔ)能功能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[72]、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，與故障限流器相結(jié)合，形成超導(dǎo)限流儲(chǔ)能系統(tǒng)。應(yīng)用于單臺(tái)分機(jī)的超導(dǎo)限流-儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可同時(shí)提高單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力和功率輸出穩(wěn)定性;對(duì)超導(dǎo)限流-儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的仿真分析，進(jìn)一步提出應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的超導(dǎo)限流-儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的保護(hù)，并開展相關(guān)樣機(jī)的研制。

5.2 SMES磁體研究的新方向

儲(chǔ)能磁體的結(jié)構(gòu)主要有單螺管、組合螺管、環(huán)形螺管3種。以往單螺管磁體的設(shè)計(jì)，大多使用矩形截面的磁體，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但超導(dǎo)帶材的利用率相對(duì)較低。研究者分析如何改變磁體的結(jié)構(gòu)，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(yōu)化設(shè)計(jì)方面比較復(fù)雜，但是采用階梯型磁體結(jié)構(gòu)可以減小垂直于帶材磁場(chǎng)的作用，從而提高磁體的臨界電流，最終提高其儲(chǔ)能量和穩(wěn)定裕度。階梯形截面儲(chǔ)能磁體的結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)階梯截面磁體和外階梯截面磁體。由于在不同溫區(qū)磁場(chǎng)對(duì)氧化釔鋇銅(YB?CO)超導(dǎo)帶材臨界電流的影響規(guī)律有所不同，Sun等通過研究發(fā)現(xiàn)：在20K溫區(qū)，采用內(nèi)階梯截面結(jié)構(gòu)更省帶材，在77K溫區(qū)，采用外階梯截面結(jié)構(gòu)更省帶材。

另外，對(duì)于需要頻繁充放電的超導(dǎo)儲(chǔ)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(chǎn)生的渦流損耗較大，運(yùn)行于過冷液氮溫區(qū)，相對(duì)于在液氫和液氦溫區(qū)而言具有較低的制冷成本和較高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，只是超導(dǎo)材料的用量相對(duì)較大。在過冷液氮溫區(qū)，超導(dǎo)磁體的中心場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)2T左右。

儲(chǔ)能磁體在工作時(shí)，磁體外部的磁場(chǎng)呈軸對(duì)稱狀分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內(nèi)電磁污染的主要來源之一。儲(chǔ)能磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)不僅對(duì)周圍其他電氣設(shè)備產(chǎn)生影響，而且對(duì)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(huì)導(dǎo)致磁體運(yùn)行損耗的增加，并引起電感參數(shù)的變化。為了降低空心電抗器或儲(chǔ)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(huán)形排列。國際對(duì)多個(gè)螺管和雙餅串聯(lián)連接方式超導(dǎo)儲(chǔ)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(huán)形結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的概念設(shè)計(jì)，韓國、印度分別對(duì)2.5MJ、4.5MJ環(huán)形結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，在中國華中科技大學(xué)也開始進(jìn)行10MJ儲(chǔ)能磁體的概念設(shè)計(jì)。在高壓、大電流應(yīng)用場(chǎng)合，采用上述結(jié)構(gòu)面臨諸多線圈間的均壓均流問題。

5.3 SMES面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

雖然SMES在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善供電質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是受限于其身高昂的費(fèi)用，SMES還未能大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)，技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值將是SMES未來發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。今后SMES的研究重點(diǎn)將集中在如何降低成本、優(yōu)化高溫超導(dǎo)線材的工藝和性能、開拓新的變流器技術(shù)和控制策略、降低超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈交流存耗和提高儲(chǔ)能線圈穩(wěn)定性、加強(qiáng)失超保護(hù)等幾方面。高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展，極大推動(dòng)了SMES的發(fā)展，許多國家采用高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行SMES系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)，包括日本和韓國，得出結(jié)論：高溫超導(dǎo)材料會(huì)極大降低SMES的成本，并提高性能?？梢灶A(yù)見，高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展成熟，將會(huì)降低整個(gè)SMES系統(tǒng)的價(jià)格，極大地簡(jiǎn)化冷卻手段和運(yùn)行條件，提高其性能和壽命。SMES技術(shù)將加速發(fā)展，并可望成為主要電力基礎(chǔ)應(yīng)用裝備之一。

6 結(jié)論

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SMES在技術(shù)研究和應(yīng)用方面都取得大量成果。相比于其他儲(chǔ)能方式，SMES的性能更加優(yōu)越，應(yīng)用前景更加廣泛。在未來幾十年、甚至更長的時(shí)間內(nèi)，SMES將會(huì)是一個(gè)持續(xù)的研究熱點(diǎn)。隨著超導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，SMES的發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)新階段，推動(dòng)著電力系統(tǒng)的發(fā)展與革新。

(郭文勇張京業(yè) 張志豐邱清泉張國民林良真肖立業(yè))

責(zé)任編輯：lixin

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