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)或其他負載，并對電網(wǎng)的電壓凹陷、諧波等進行靈活治理，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30年以上;功率變換系統(tǒng)是電網(wǎng)與SMES進行能量交換的裝置，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，進而達到提高電網(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)當前的電能質(zhì)量進行分析，進而對SMES提出運行控制目標，同時還具有自檢和保護功能，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，美國和日本分別進行5000MW·h/1000MW的儲能系統(tǒng)的設(shè)計，隨后日本進行了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)團隊研制過程的報道，未見后續(xù)進展情況的報道;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
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變流器的拓撲結(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，對下游負載的諧波、無功和功率波動進行補償，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，其拓撲結(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)頻率進一步達到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，其負載電流存在嚴重的諧波畸變，經(jīng)電能質(zhì)量分析儀測試，其總諧波畸變率(totalharmonicsdistortion,THD)達到92.2%，而經(jīng)過SMES進行有源濾波處理后，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，非線性負載的功率由50kW跳變到100kW后跳變回50kW。在負荷突增時，儲能線圈的電流從300A下降到260A，從而為突增的負荷提供突變的有功功率;而在負荷突降時，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，藍色和紅色曲線分別為電網(wǎng)和負載的有功功率和無功功率，圖21(a)、(b)分別為電網(wǎng)和負載的有功和無功功率。從圖21可以看出，加入該SMES后，雖然負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@。
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
相比于其他儲能方式，SMES最大的優(yōu)點就是響應(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。一個SMES單元最大能存儲5000MW·h能量，存儲效率可達95%。對于能量的快速變化，SMES的跟隨速度達毫秒級別。對于電網(wǎng)系統(tǒng)的削峰填谷，SMES是個理想的器件，同時能減少設(shè)備的旋轉(zhuǎn)備用需求(spinningre?verserequirements)。
2)穩(wěn)定電壓動態(tài)性能。線路嚴重過載或者動態(tài)無功補償不足會造成電壓失衡，出現(xiàn)電壓驟升或驟降。SMES通過提供瞬時有功和無功功率補償，穩(wěn)定電壓的動態(tài)性能。
3)穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電機。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要面臨2個主要問題：風(fēng)力發(fā)電的輸出功率受風(fēng)速影響較大，輸出功率隨機波動;電網(wǎng)電壓跌落時，若單純切斷風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，會給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來嚴重影響。基于具有自換相能力逆變器的SMES單元能夠?qū)τ泄蜔o功功率進行實時控制。因此，SMES對于穩(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)電機傳輸線路上一般有高階串聯(lián)補償裝置，提供功率補償，調(diào)節(jié)功率因數(shù)。高階串聯(lián)補償裝置將會引發(fā)次同步諧振現(xiàn)象，對發(fā)電機產(chǎn)生嚴重損害。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。而當發(fā)電機輸送功率時，控制區(qū)域與執(zhí)行區(qū)域的不統(tǒng)一造成系統(tǒng)負載發(fā)生變化，實際輸送功率與設(shè)定功率產(chǎn)生誤差，影響發(fā)電機工作效率。SMES可以通過適當控制算法，注入功率補償來消除誤差，保證發(fā)電機的工作效率和功率相匹配。
6)黑啟動能力。SMES單元能為發(fā)電單元提供啟動功率，不需要從電網(wǎng)吸收能量。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，SMES的黑啟動能力能維持發(fā)電機繼續(xù)工作，能夠有效保護電網(wǎng)。
7)多功能超導(dǎo)儲能裝置。將超導(dǎo)儲能與統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器相結(jié)合，可形成具有儲能功能的動態(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)限流儲能系統(tǒng)。應(yīng)用于單臺分機的超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，可同時提高單臺風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越能力和功率輸出穩(wěn)定性;對超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場中的應(yīng)用進行了初步的仿真分析，進一步提出應(yīng)用于風(fēng)電場的超導(dǎo)限流-儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對風(fēng)電場的保護，并開展相關(guān)樣機的研制。
5.2 SMES磁體研究的新方向
儲能磁體的結(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，大多使用矩形截面的磁體，其結(jié)構(gòu)簡單，但超導(dǎo)帶材的利用率相對較低。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的作用，從而提高磁體的臨界電流，最終提高其儲能量和穩(wěn)定裕度。階梯形截面儲能磁體的結(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)磁場對氧化釔鋇銅(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，對于需要頻繁充放電的超導(dǎo)儲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，運行于過冷液氮溫區(qū)，相對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行經(jīng)濟性，只是超導(dǎo)材料的用量相對較大。在過冷液氮溫區(qū)，超導(dǎo)磁體的中心場強可達2T左右。
儲能磁體在工作時，磁體外部的磁場呈軸對稱狀分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內(nèi)電磁污染的主要來源之一。儲能磁體的強磁場不僅對周圍其他電氣設(shè)備產(chǎn)生影響，而且對人體存在潛在危害。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導(dǎo)致磁體運行損耗的增加，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。國際對多個螺管和雙餅串聯(lián)連接方式超導(dǎo)儲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)儲能磁體的概念設(shè)計，韓國、印度分別對2.5MJ、4.5MJ環(huán)形結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)儲能磁體進行了概念設(shè)計，在中國華中科技大學(xué)也開始進行10MJ儲能磁體的概念設(shè)計。在高壓、大電流應(yīng)用場合，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，但是受限于其身高昂的費用，SMES還未能大規(guī)模進入市場，技術(shù)的可行性和經(jīng)濟價值將是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)儲能線圈交流存耗和提高儲能線圈穩(wěn)定性、加強失超保護等幾方面。高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展，極大推動了SMES的發(fā)展，許多國家采用高溫超導(dǎo)材料進行SMES系統(tǒng)的研究實驗，包括日本和韓國，得出結(jié)論：高溫超導(dǎo)材料會極大降低SMES的成本，并提高性能。可以預(yù)見，高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展成熟，將會降低整個SMES系統(tǒng)的價格，極大地簡化冷卻手段和運行條件，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、甚至更長的時間內(nèi)，SMES將會是一個持續(xù)的研究熱點。隨著超導(dǎo)技術(shù)的進步，SMES的發(fā)展已進入一個新階段，推動著電力系統(tǒng)的發(fā)展與革新。
