超导磁储能系统的发展与展望
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[摘 要]超导磁储能装置（SMES）是将超导磁体的无损高效储能特性与电力电子的快速电能转换技术相结合的一种新型功率调节和能量转换装置，也是目前实用化程度最高的一种超导电力装置。本文阐述了SMES的特点、基本结构以及在电力系统的具体应用，综述了国内外相关研究成果与发展现状，并讨论了其未来的前景与发展趋势。
[关键词]超导磁储能系统 电力系统 高温超导
中图分类号：TM917 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0150-03
0 引言
自德国物理学家昂尼斯（K.Onnes）1911年研究汞在低温下的电阻随温度变化发现了超导现象之后，科学界的目光开始投向了这样一个新生的科学分支，人们希望能将其应用于实际当中。随着一个世纪超导技术的不断发展，超导应用也越来越受到各国的重视。尤其在80年代以铋系（Bi2Sr2CaCu2O8）和钇系（YBa2Cu3O7、YBa2Cu4O8）等为代表的高温超导材料的研究取得了突破性进展后[1]，超导在电力系统的应用也倍受看好。目前人们正在研究的超导电力装置包括储能装置，电机，电线，限流器等。其中超导储能装置是一种能把电能存储在由循环电流产生的磁场中的设备。它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能（整流方式）又能释放电能（逆变方式）的快速响应器件，从而达到大容量储存电能改善供电质量提高系统容量和稳定性等诸多目的[2，3]。下文将详细介绍SMES的特点结构及在电力系统的应用，总结国内外相关研究成果与发展现状，讨论其未来的前景与发展趋势。
1 SMES概述
超导磁储能是利用超导体的零电阻特性以磁的形式存储能量，相比其他储能方式其有许多优势，如表所示，因此以超导线圈构建的超导磁储能系统在电力系统中具有广泛的应用前景[4]。（表1）
1.1SMES的特点
具体的说超导磁储能系统主要具有以下特点[5，6]：
（1）响应迅速、控制方便。SMES通过变换器与交流系统相连，响应时间能达到毫秒级。改变电力电子器件的触发角即可改变装置输出功率，容易实现远方控制。SMES从最大充电功率到最大放电功率的转换只需几十毫秒。
（2）效率高。SMES的储能损耗为0.1%/小时，转换效率可达95%。其它储能装置在使用过程中都有能量形式的转换过程，效率受到限制。大型低温超导储能装置的充电放电效率约为90%～93%。高温超导储能装置的效率则可高达94%，甚至更高。
（3）灵活性高。SMES具有体积小、重量轻的优点，尤其是小型或微型装置，可制成移动式。SMES既可进行有功功率的调节，又可进行无功功率的调节，还能同时进行有功无功的独立控制，具有很高的灵活性。
（4）SMES的建造不受地点限制，维护简单并且污染小。除了真空和制冷系统之外没有转动部分，所以装置的寿命长。
相比其他储能方式，SMES具有的这些优势使其在电力系统中具有广泛的应用前景。
1.2 SMES的基本结构组成
SMES系统预先在超导线圈内储存一定的能量（最大储存电能的25%～75%），再通过控制变流器的触发脉冲来实现SMES与系统的有功无功交换，从而完成SMES的多种功能。按功能模块划分，一般SMES的基本结构如图所示。它主要由超导线圈.制冷装置.失超保护.冷却系统.变流器和控制器等组成，该结构最早是由美国洛斯阿拉莫斯实验室（Los Alamos National Laboratory， LANL）首先提出来的[8]。（图1）
1.3 SMES在电力系统中的应用
SMES在电力系统中的应用最早是Ferrier在1969年所提出的[9]，其想法是想将超导磁储能用于调节电力系统的日负荷曲线。经过了几十年的发展，现在SMES在电力系统中的应用的研究重点主要着眼于利用SMES的功率快速响应能力来提高电力系统稳定性、改善供电品质乃至用作重要设备的不间断电源等等。
下面为SMES系统在电力系统中的重要应用[4]
a.系统备用和紧急备用电源。SMES 高性能的储能特性可用来储存应急的备用电力， 作为系统备用容量以提高发电机的利用率， 为电网的安全稳定运行提供可靠的保障， 或用作敏感负载和重要设备的不间断电源。
b.提高电力系统稳定性。电力系统的结构和特性非常复杂，在运行过程中，可能经常受到各种扰动，扰动形式和扰动范围也多种多样，对电力系统产生形形的影响。当扰动引发系统机电功率失衡又处理不当或不及时时，则不平衡可能发展扩大，系统不能再回到初始运行状态或进入新的稳定运行状态，这时系统的稳定性遭到破坏，严重时会导致整个系统的崩溃，造成大面积停电事故，给国民经济生产和人民生活带来难以估量的严重损失.由于SMES系统的特性可以极大的提高电力系统的稳定性，其表现主要在两个方面：其一是提高电压的稳定性，其二是减小系统振荡[10]。
c.提供静止无功补偿。利用静止无功补偿器可以迅速降低电压波动和改善系统的暂态稳定性。同有功功率调控一样，SMES同样可以灵活地调控无功功率，需要时可以进行单纯的无功功率补偿，其功能与STATCOM类似。
d.用于改善电能质量。由于SMES可发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，SMES与变流器结合，可作为敏感负载和重要设备的不间断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而影响配电网向用户供电中产生异常的问题。小型或微型SMES可以改善功率因数，稳定电网周波，与动态电压恢复器（DVR）配合，可以减少或消除短时停电（Outage）、电压瞬态突降（Sag）、谐波、瞬态脉冲（Impulse）或瞬态过压（Swell）等干扰对用户的影响，从而改善供电品质。
e.分布式能源。将SMES 应用于风力发电、太阳能发电等分布式发电系统，利用其高效储能和快速响应特性，可以提高系统的发电效率并平滑发电系统的输出，有效改善可再生能源发电系统的技术经济性能。
2.国内外SMES的研究概况
日本新能源开发机构（NEDI）认为超导电力应用技术会成为21世纪国与国之间技术竞争的关键，美国能源部也认为超导技术是21世纪电力行业唯一的高科技储备[11，12]，并在2003年4月，美国“全国电网远景设想研讨会”结束后，了“Grid 2030―-国家电力工业一百年远景设想报告”[13]，提出了“Grid 2030”远景设想。作为超导技术应用于电力系统的超导储能系统，其比较于其他储能方式的优越性，使得如今许多国家都系统的开展了SMES方面的研究。一些发达国家在SMES的研究上起步较早，长期以来在理论研究和实践上都做了相当大的努力，也有一些商品化的产品投入市场，但依然存在相当大的研究与开发空间。而国内对SMES的研究一直很少，还处于起步阶段，只有中科院电工所、清华大学和华中科技大学等少数单位开展了相关基础性的研究工作，与国际水平相比有着巨大的差距.一下将会介绍国内外在SMES方面的发展已经最近的研究情况。
2.1 国外SMES研究概况
2.1.1美国SMES的研究概况
美国是最早研究SMES的国家之一。由于初期超导材料与器件的发展还不能满足SMES的要求，所以可行性，概念性设计及经济性研究成了SMES发展最初期的研究重点[14]。其中LANL（Los Alamos National Laboratory）自1969年以来就开始研究用于电力系统负载调节的超导磁储能装置。关于LANL 的研究成果可参1976年到1982年，LANL和BPA（Bonneville Power Administration）合作建成了30MJ/10MW的SM ES，该系统成功地抑制了从太平洋西北地区到南加利福尼亚州1500 km的双回交流500 kV输电线路的低频0.35Hz自发功率振荡。但由于低温系统达不到运行要求并出现故障，致使该储能装置未能继续运行[8]。80年代初，5GW・h和1 GW・h 的SMES也开始了可行性分析和设计[3]。
1987年美国战略防御办公室提出了一个“超导储能工程实验模型”计划，主要是用于军事目的（自由电子激光器）和电力系统，该计划第一阶段的预研工作已经完成，第二阶段研究工作却因冷战结束而未能进行[14]。
进入九十年代美国的SMES计划并没有一个明确的目标，SMES的长期的发展和商业化都还是依赖于私营企业的项目。美国曾为改善阿拉斯加电网的可靠性提出研制1.8GJ超导储能装置计划， 该项目完成了设计并开始进行预研，后因经费等原因中止。
目前美国小型SMES已逐步商业化。超导公司和IGC公司所开发的1～5MJ的微型和小型SMES已经开始进入市场，该公司宣称已可以接受100kJ级的高温超导SMES的订货。2001年，已经与美国GE公司结成了“μSMES”的销售联盟；2002年，由The Ministry of National Infrastructures和 the Israel Electric Corporation共同投资建造了1.2KJ实验室规模的高温超导磁储能系统。设计这个系统是用以提高电能消耗达20KW的商业供电电网的电能质量的。2002～2004年，将安装8台3 MJ /8MVA的SMES在田纳西州500kV输电而AMSE公司目前正在开发一种新的配电SMES（D-SMES）[15]用于功率调节来提高电压稳定性。
2.1.2日本SMES的研究概况
日本是从上个世纪八十年代中期开始从事SMES方面的研究的，1986年，他们成立了超导储能研究会，任务是实现超导储能的实际应用。该会的成员单位50个，自80年代以来进行了大量的分析，设计和试验研究工作。1985年，九州大学设计了一台100kJ的SMES，用于研究直流电网中SMES的应用和系统稳定。九州电力公司于1991年将一台30kJ的超导储能系统联接到一台60kW的水力发电机上，进行了改善发电机稳定性的试验，并取得了较好实验结果。随后九州大学和九州电力公司合作，开展了36MJ的SMES试验，并正在设计建造一台360MJ/20MW的SMES，并网后进行示范运行，然后将研制一台1260MJ/500MW的多功能SMES。九州电力公司最近在其所属的90年代，神户制钢所、东芝公司、日立公司、富士电力公司、中部电力公司等也都进行了SMES的相关设计和试验.[2，13]
之前从1991年到1998年的R&D计划[18]已经证实了建造SMES的技术可行性，但是成本过高成为阻碍。因此1999年日本启动了新的SMES计划旨在实现SMES应用的经济可行性。在作了大量经济性研究以后得出结论HTS-SMES系统的成本将会减少通过使用YBCO超导电缆[21]，并且证实了54MJ/100MW级的YBCO-SMES系统的可能性，同时肯定了HTS-SMES还会存在更大的成本降低的潜力。另外基于LTS的10MVA/20MJ SMES也有所发展。
2.1.3 韩国SMES的研究概况
韩国的SMES项目是1985年在SNU（Seoul National University）。出于学术的目的当时韩国发展了20MJ小容量的SMES。这在韩国的超导研究发展上是具有里程碑式的意义。随后Dankook University设计与发展了0.5MJ的SMES系统而Korea Electrotechnology Research Institute发展了0.7MJ系统。在20MJ SMES之后的十五年里，韩国并没有完成太多项目。最近今年他们在SMES系统方面的研究也投入的巨资，KERI在2006年已完成了3MJ/750KVA SMES系统的仿真与试验，并已在2008年成功的设计组装测试了600KJ HTS-SMES。他们的终极目标是实现MJ级HTS-SMES系统商业化的实现在未来的五年之内。
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