超导储能技术

高温超导储能系统

一、什么是超导储能系统？

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。

二、开发超导储能系统的必要性

由于电力系统的“电能存取”这一环节非常薄弱，使得电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制；同时，电能在“发、输、供、用”运行过程中必须在时空两方面都达到“瞬态平衡”，如果出现局部失衡就会引起电能质量问题（闪变），瞬态激烈失衡还会带来灾难性电力事故，并引起电力系统的解列和大面积停电事故。要保障电网安全、经济和可靠运行，就必须在电力系统的关键环节点上建立强有力的电能存取单元（储能系统）对系统给与支撑。基于以上因素，电能存取技术越来越受到各国能源部门和电力部门的重视。

超导储能系统由于其存储的是电磁能，这就保证超导储能系统能够非常迅速

以大功率形式与电网进行能量交换。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可以做的很大，并具有系统效率高、技术较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点。对于其它储能技术，无论其如何发展，都不可能消除能量形式转换这一过程，所以无论是现在或将来，超导储能技术将始终在功率密度和响应速度这两方面保持绝对优势。所以，作为电能存取的技术，超导储能技术的应用价值极高，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。

由于电力技术的发展，长时间的电力中断事故发生几率很小，而瞬态电力故障，如闪变、电压骤升/骤降以及瞬态断电日渐突出。而瞬态电力故障对于依赖智能设备的许多商业用户和制造企业危害极大。从技术角度讲，治理瞬态电能质量问题的有效手段是利用快速响应的有功功率补偿技术。由于超导储能系统具有功率快速补偿这一独特优势，弥补了常规电力系统中缺乏电能存取的弱点，它对瞬态电能质量所有故障问题都能起到很好的改善作用。

三、超导储能系统的应用前景

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。

四、1MJ 高温超导储能系统简介

中国科学院电工研究所目前已经完成了 1.0MJ 超导储能系统的全部研制工作，完成了在北京市门头沟供电公司石龙开闭所所开展的并网运行前的最后测试工作，测试结果表明，超导储能系统已经具备了并入10.5kV 配电网进行载荷试验运行的条件。

在超导储能系统的研制过程中，在快速充放电高温超导磁体技术、低温制冷技术、具有新型拓扑结构的电力电子技术、在线监控技术以及系统集成技术等方面做了大量的研究工作，解决了一系列关键科学技术问题以及超导储能系统与电网匹配协调运行等关键科学技术问题，取得了多项自主知识产权，其技术成果的应用将为提高我国电能质量并改善大电网的动态稳定性发挥重要作用。

超导储能系统用快速充放电高温超导磁体，

是当前世界上最大的高温超导磁体之一 用于维持超导磁体低温环境的低漏热低温杜瓦，将与外部的热交换降至最低