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

2018-03-08 15:08:56 《科技導(dǎo)報》　點擊量：評論 (0)

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

導(dǎo)讀：

超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)將電磁能存儲在超導(dǎo)儲能線圈中，具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、快速進(jìn)行功率補償?shù)葍?yōu)點，在提高電能品質(zhì)、改善供電可靠性及提高大電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性方面具有重要價值。概述了超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的工作原理、研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，并展望了其未來應(yīng)用可能性及發(fā)展方向。

由于發(fā)電資源和負(fù)荷資源地理分布不匹配、資源互補和綜合高效利用的要求等原因，現(xiàn)代電網(wǎng)逐漸形成了跨區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。在這個大電網(wǎng)中，除了配置少量抽水儲能外，幾乎沒有其他儲能系統(tǒng)，特別是高功率、快速響應(yīng)的靈活儲能系統(tǒng)。這一方面導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)困難、使電網(wǎng)的靈活性受到限制，另一方面引起電網(wǎng)的安全可靠性問題：當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬態(tài)功率不平衡時，必須由電網(wǎng)自身的慣性和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)平衡，一旦出現(xiàn)大的瞬態(tài)擾動，將導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定性事故的發(fā)生;瞬態(tài)擾動還會導(dǎo)致電壓和頻率的波動，從而引起電能質(zhì)量問題。在電網(wǎng)中配置具有不同功率特性和響應(yīng)特性的儲能系統(tǒng)是解決上述問題的根本出路，特別是在可再生能源大量接入的情況下更是如此。目前，用于電網(wǎng)的儲能方式主要有6種：抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)、超級電容器儲能和電池儲能。相比于其他儲能方式，SMES具有響應(yīng)速度快、儲能效率高及有功和無功率輸出可靈活控制等優(yōu)點，有望在未來電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮作用。

本文介紹SMES的基本原理、結(jié)構(gòu)和研發(fā)現(xiàn)狀，探討SMES的2個基本核心部件——超導(dǎo)儲能線圈和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分析基于SMES的混合儲能系統(tǒng)。

1 SMES基本原理

SMES是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能回饋電網(wǎng)或其他負(fù)載，并對電網(wǎng)的電壓凹陷、諧波等進(jìn)行靈活治理，或提供瞬態(tài)大功率有功支撐的一種電力設(shè)施。其工作原理是：正常運行時，電網(wǎng)電流通過整流向超導(dǎo)電感充電，然后保持恒流運行(由于采用超導(dǎo)線圈儲能，所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放時為止)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬態(tài)電壓跌落或驟升、瞬態(tài)有功不平衡時，可從超導(dǎo)電感提取能量，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流，并向電網(wǎng)輸出可靈活調(diào)節(jié)的有功或無功，從而保障電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓穩(wěn)定和有功平衡。

SMES主要包括4部分，即超導(dǎo)儲能線圈、功率變換系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)和快速測量控制系統(tǒng)。其中超導(dǎo)儲能線圈和功率變換系統(tǒng)為SMES的核心關(guān)鍵部件。超導(dǎo)儲能線圈需要在低溫杜瓦中維持低溫狀態(tài)是SMES的能量存儲單元，由于在恒定溫度下運行，其壽命可達(dá)30年以上;功率變換系統(tǒng)是電網(wǎng)與SMES進(jìn)行能量交換的裝置，它主要將電網(wǎng)的能量緩存到超導(dǎo)儲能線圈中，并在需要時加以釋放，同時還可發(fā)出電網(wǎng)所需的無功功率，實現(xiàn)與電網(wǎng)的四象限功率交換，進(jìn)而達(dá)到提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性或改善電能質(zhì)量的作用;低溫制冷系統(tǒng)包括制冷機及相關(guān)配套設(shè)施，為SMES的正常運行提供所需冷量，可以實現(xiàn)“零揮發(fā)模式”運行;快速測量控制系統(tǒng)主要用來檢測電網(wǎng)的主要運行參數(shù)，對電網(wǎng)當(dāng)前的電能質(zhì)量進(jìn)行分析，進(jìn)而對SMES提出運行控制目標(biāo)，同時還具有自檢和保護(hù)功能，保障SMES的安全運行(圖1)。

2 超導(dǎo)儲能線圈研發(fā)現(xiàn)狀

超導(dǎo)儲能線圈是SMES設(shè)備的核心部件，是由在一定條件下具有超導(dǎo)特性的導(dǎo)體繞制而成，可以在一定條件下無阻、無損地承載穩(wěn)態(tài)直流大電流，是系統(tǒng)中的電磁能量存儲單元。SMES就是基于超導(dǎo)體的無阻高密度載流特性，利用超導(dǎo)電感存儲能量，在響應(yīng)時間以及瞬間大功率釋放等方面具有優(yōu)勢。

2.1 低溫超導(dǎo)儲能線圈

20世紀(jì)60年代，隨著NbTi線的問世和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，GirardB等提出了超導(dǎo)儲能概念，采用不同超導(dǎo)材料、不同構(gòu)型、容量和用途的超導(dǎo)儲能線圈相繼問世：最初是采用NbTi、Nb3Sn等低溫超導(dǎo)材料研制小型單螺管結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)線圈，結(jié)構(gòu)簡單、儲能密度高、相同儲能量超導(dǎo)導(dǎo)體用量最少(美國第一套在電網(wǎng)中應(yīng)用的儲能系統(tǒng)30MJ/10MW采用的單螺管NbTi線圈，在1983年初次完成勵磁)，但由于漏磁場高、金屬低溫容器內(nèi)感應(yīng)出渦流損耗增加制冷負(fù)荷等原因未能大規(guī)模發(fā)展。為降低漏磁場及其影響，多螺管組合儲能線圈系統(tǒng)被研發(fā)出來，它的儲能密度比單螺管降低，且漏磁場并沒有很好解決。隨著儲能線圈儲能量的不斷增加，螺繞環(huán)構(gòu)型的儲能線圈有了大規(guī)模的發(fā)展。1985年開始，美國和日本分別進(jìn)行5000MW˙h/1000MW的儲能系統(tǒng)的設(shè)計，隨后日本進(jìn)行了20MW˙h/400MW模型樣機的研制。該種構(gòu)型的儲能線圈雖然儲能密度和導(dǎo)體利用率都比單螺管儲能線圈低很多，但可以很好地解決漏磁場及其引發(fā)的渦流損耗問題。

2.2 高溫超導(dǎo)儲能線圈

隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及實用化高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展，1996年美國超導(dǎo)公司研發(fā)出世界第一臺高溫超導(dǎo)儲能線圈，儲能量5kJ，工作溫度提高到25K，從此揭開了高溫超導(dǎo)儲能線圈研發(fā)的序幕。由于受高溫超導(dǎo)材料的價格、性能的影響，高溫超導(dǎo)儲能線圈技術(shù)的發(fā)展緩慢，直到2004年才出現(xiàn)MJ量級儲能線圈樣機，但只見到日本研發(fā)團(tuán)隊研制過程的報道，未見后續(xù)進(jìn)展情況的報道;2008年，中國科學(xué)院電工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高溫超導(dǎo)儲能線圈，是目前儲能量最大的高溫超導(dǎo)儲能線圈。

2.3 超導(dǎo)儲能線圈的失超保護(hù)

超導(dǎo)儲能線圈因為瞬間過流、熱擾動等引發(fā)失超，伴隨瞬間電阻增大、過熱、瞬間高壓等狀況，因此超導(dǎo)儲能線圈需要失超保護(hù)系統(tǒng)來確保超導(dǎo)儲能線圈的安全。通常用監(jiān)測超導(dǎo)儲能線圈的電阻、電壓等電器參數(shù)來監(jiān)測超導(dǎo)儲能線圈的失超信號，但由于超導(dǎo)儲能線圈的電感較大，儲能線圈的工作電流處于波動狀態(tài)，這給失超信號的檢測帶來較大困難;也有的利用監(jiān)測制冷劑的揮發(fā)量或儲能線圈最容易失超部位的溫度變化來監(jiān)測超導(dǎo)儲能線圈的失超信號，但由于熱反應(yīng)有較長時間的滯后，所以工程上同時采用這2種方法。

3 基于SMES的混合儲能系統(tǒng)

現(xiàn)有的儲能介質(zhì)主要分為能量型和功率型2類：能量型儲能介質(zhì)主要是以鋰電池、鈉硫電池、液流電池和鉛酸電池等蓄電池為代表，具有能量密度較大、功率密度較小的特點，但充放電次數(shù)及放電深度受使用壽命限制;功率儲能介質(zhì)主要是以超級電容、SMES和飛輪儲能等為代表，具有能量密度較小、功率密度較大、高倍率充放電不會損害其性能的特點。2類儲能技術(shù)各有優(yōu)劣，混合儲能裝置是將2類儲能裝置組合使用，取長補短。

目前研究較多的SMES混合儲能主要是超導(dǎo)-蓄電池混合儲能。超導(dǎo)-蓄電池混合儲能是將SMES與電池儲能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,BESS)相結(jié)合的一種混合儲能裝置。它采用共直流母線的結(jié)構(gòu)，風(fēng)機通過變流器和變壓器連接到電網(wǎng)，SMES和BESS通過各自的DC/DC斬波器連接到直流母線上(圖14)。

SMES-BESS具有超導(dǎo)儲能響應(yīng)快、效率高(可達(dá)95%)、無噪聲污染、可靠性高的特點，同時又具有蓄電池儲能抑制電壓閃變、價格便宜、可靠性好、技術(shù)非常成熟、大容量容易實現(xiàn)等優(yōu)點，可以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，控制電網(wǎng)電壓的瞬時波動，提高供電質(zhì)量，同時能夠減少電池充放電次數(shù)和放電深度，延長電池的使用壽命。

SMES-BESS同時具有SMES與BESS的優(yōu)點，相比于單一的儲能的方式，在應(yīng)用方面更具優(yōu)勢。張曉紅等列出了SMES-BESS在微電網(wǎng)儲能中應(yīng)用的優(yōu)勢。快速響應(yīng)和大容量儲能的特點非常適合于微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)的運行狀態(tài)，可以穩(wěn)定微電網(wǎng)頻率，控制微電網(wǎng)電壓瞬時波動，保證給用戶提供不間斷供電等功能，進(jìn)而提高供電質(zhì)量。

風(fēng)力發(fā)電存在不連續(xù)、不穩(wěn)定的特點，直接并網(wǎng)會造成電壓閃變、功率頻率波動等不良影響。同時，風(fēng)電場必須具備低電壓穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)能力，以消除潛在的安全隱患。研究表明，SMES-BESS在穩(wěn)定電壓波動、平抑風(fēng)電功率波動及提高低電壓穿越能力方面具有重要作用。圖15為SMES-BESS變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Li等提出了SMES-BESS用于電動公共汽車儲能的可能性，并提出一種新的控制算法。通過仿真分析，得出SMES-BESS混合儲能系統(tǒng)具有更高的使用效率。SMES作為能量緩沖區(qū)，能夠減少電池的充放電頻率，限制電池的峰值電流，從而延長電池的使用壽命。

4 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)應(yīng)用實例

以本研究組研制的0.5MV˙A/1MJ的SMES為例，介紹SMES在電網(wǎng)的應(yīng)用方法。0.5MV˙A/1MJSMES安裝在甘肅省白銀市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)的超導(dǎo)變電站內(nèi)，變電站的下游為3家高新技術(shù)企業(yè)。這3家企業(yè)擁有大量的非線性用電設(shè)備，這些設(shè)備會產(chǎn)生諧波和閃變，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。為了提高對3家企業(yè)的供電質(zhì)量，該SMES采用與電網(wǎng)并聯(lián)連接的方式，對下游負(fù)載的諧波、無功和功率波動進(jìn)行補償，同時實現(xiàn)了有源濾波、無功補償和有功平滑的功能。

為了提高SMES有源濾波的效果，需要提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率，而過高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致變流器過熱和不穩(wěn)定的問題。為了解決該問題，SMES功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案，共由12個逆變器模塊(invertermodule)和1個斬波器模塊構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及與電網(wǎng)的連接方式如圖16所示，功率模塊的實物如圖17所示。逆變器模塊載波頻率5kHz，通過載波移相和單極性調(diào)制方式，其等效開關(guān)頻率進(jìn)一步達(dá)到40kHz;采樣率也為40kHz。高等效開關(guān)頻率和采樣率有效地提高了系統(tǒng)的控制帶寬，從而保證了有源濾波效果。為了進(jìn)一步提高有源濾波的效果，在控制上采用了比例積分和重復(fù)控制相結(jié)合的方式。

其儲能線圈由44個鉍系帶材繞制的雙餅線圈構(gòu)成(圖18)。儲能線圈的中部采用雙帶雙餅串聯(lián)連接的方式。由于儲能線圈端部垂直磁場較強，對臨界電流的影響較大，因此在端部采用單帶雙餅與雙帶雙餅并聯(lián)連接的方式，保證了其端部臨界電流與中部相匹配。

為了評估該SMES的性能，對其進(jìn)行了實驗和并網(wǎng)測試。圖19是其有源濾波的實驗波形，自上至下依次為電網(wǎng)電流、負(fù)載電流、直流母線電壓和儲能線圈電流。

從圖19中可以看出，其負(fù)載電流存在嚴(yán)重的諧波畸變，經(jīng)電能質(zhì)量分析儀測試，其總諧波畸變率(totalharmonicsdistortion,THD)達(dá)到92.2%，而經(jīng)過SMES進(jìn)行有源濾波處理后，其電網(wǎng)電流的THD降到4%，有源濾波的效果非常明顯。

圖20是有功平滑的實驗結(jié)果。在實驗過程中，非線性負(fù)載的功率由50kW跳變到100kW后跳變回50kW。在負(fù)荷突增時，儲能線圈的電流從300A下降到260A，從而為突增的負(fù)荷提供突變的有功功率;而在負(fù)荷突降時，儲能線圈從電網(wǎng)吸收有功功率，儲能線圈的電流逐漸增加到300A。在負(fù)荷突增或者突降時，電網(wǎng)電流的幅值沒有明顯變化，這表明負(fù)荷突變對電網(wǎng)的沖擊大大減輕，有效地實現(xiàn)了有功平滑的功能。

圖21是并網(wǎng)運行的測試結(jié)果，藍(lán)色和紅色曲線分別為電網(wǎng)和負(fù)載的有功功率和無功功率，圖21(a)、(b)分別為電網(wǎng)和負(fù)載的有功和無功功率。從圖21可以看出，加入該SMES后，雖然負(fù)荷的有功功率存在劇烈波動，但是電網(wǎng)僅需提供較為平滑的有功功率，有功平滑的效果明顯。同時也可以看出，通過SMES的無功補償，注入電網(wǎng)的無功功率基本為0，無功補償?shù)男Ч黠@。

責(zé)任編輯：lixin

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