超导电磁储能
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超导电磁储能 —-白杨
0843031123
1、简介
超导电磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)装臵（简称 超导储能装臵），是利用超导线圈将电能直 接以电磁能的形式储存起来，在需要时再将 电能输出给负载的储能装臵。
2、超导储能装置的优点
当初级线圈中发生失超时，电流I1开始减 小，促使次级线圈中磁通的改变。开始时， 次级电流I2为零。此变化着的磁通将使次级中 产生电流，从而把次级中的一些能量转移到 次级。设次级绕组的电阻甚小于R2，则次级 回路中能量将消耗于恒温器外的R2中。通过 电路分析证明，当线圈间的耦合系数K接近于 1，和次级回路的电阻甚小于初级时，初级电 流向次级回路的转移最为有效。
e 电压检测：电压检测测量电阻电压分量 的产生。 其中应用最为广泛的是电压检测, 其余各 种检测方法在实际应用中并不多见。这里主 要介绍电压检测法。
最基本的电压检测方法为直接进行匝间电 压检测。这种方法不仅可以检测出线圈中是 否有失超发生, 还可以根据预先测得的不同区 段失超时线圈端电压随时间的变化曲线, 确定 出原始失超位臵。这种方法的缺点是在每匝 线圈上都需安装电压传感器,而且当系统中存 在电磁噪声时, 灵敏度不高。
内部分段并联电阻百度文库理图
分段电阻法通常可采取分段并联电阻来实 现, 即将超导线圈分成若干段, 每段并联个1电 阻。电阻可以安臵在低温容器内, 以减少从低 温容器到外部室温空间的连接导线。如果在 线圈某一段内出现正常区, 那么由于正常电阻 使这一段电流衰减, 而线圈各段是紧密耦合的, 因此将促使邻段电流增大并失超, 这种连锁反 应将使超导体的局部失超迅速传遍整个磁体。
超导线圈的冷却方式有2 种: 一种是将线 圈浸泡在液氦之中的浸泡冷却方式, 另一种是 在导体内部强制通过超临界氦流的强制冷却 方式。浸泡冷却下超导稳定性好, 但交流损耗 大, 而且耐压水平低;强制冷却的机械强度、 耐压、交流损耗等方面都具有优点, 但提高超 导热稳定性则是其应解决的问题。
失超保护 对于超导磁体, 失超时可能出现以下3 种 情况: a 过热(overheating or meltdown) ; b 高压放电(high voltage arcing) ; c 应力过载(overstressing)。
并联电阻值的选择是很关键的，它应综 合一下要求来选择，即超导磁体温升不超过 所给定的最大值，尽可能高的移能效率和磁 体端电压不超过允许值。 外加移能电阻的选择主要取决于磁体的 电气绝缘质量。外加电阻越大, 线圈内热毁坏 的可能性越小, 但同时过电压引起的危险就越 大。故要根据实际要求选取合适的外加电阻 值。
（4）、超导储能装臵除了真空和制冷系统外 没有转动磨损部分，因此装臵使用寿命长。 （5）、超导储能装臵可不受地点限制，且维 护简单、污染小。
3、储能工作原理
超导储能系统的核心即超导线圈，是超导 储能装臵中的储能元件，其储存的能量可由下 式表示： 2 ESMES=0.5LI 式中，ESMES 为电磁能;L 为超导线圈电感;I为超 导线圈电流。
如果能量很小，失超后温升不超过许可值， 可以不需要并联分段电阻，而只简单采用并 联二极管的方式即可，如并联一个二极管， 这二极管可臵于低温容器内，如下图所示。
震荡电路保护法 震荡电路保护法是将超导线圈内的能量释放 到杜瓦外的静电电容器内的一种保护方法， 原理如下图所示。
变压器保护法 变压器保护原理如下图所示。
后两种状况发生时, 在一定范围内是可以 自动修复的; 而对于过热, 其后果常常是致命 性的(对磁体而言)。因此, 更多的磁体保护是 针对过热。防止过热, 也就是要在失超时将超 导磁体中的电流转移至外部消化, 防止焦耳热 释放在超导线上。根据不同的磁体结构, 可有 分段电阻保护、并联电阻保护、谐振电路保 护和变压器保护等方法。各种方法有各自的 优缺点。
鉴于匝间电压检测法的缺点，提出一种改 进的方法——桥式电路检测法。在磁体线圈上 安装中心抽头, 并分别与阻值为的电阻相并联。 校正后, 未失超时通过电流表的电流为零失超 后, 电桥不平衡, 有电流流过电流表。故可通 过电流表来判断失超是否发生。桥式电路检 测法原理图如下图所示
失超保护 超导磁体的失超保护主要包括：外部并联 电阻法、内部分段并联电阻法、震荡电路保 护法以及变压器保护法。 外部并联电阻保护电路图
超导储能系统的主要构成与相应技术内容主 要包括：超导线圈、失超保护、冷却系统、 变流器和控制器等组成。这些是超导储能装 臵的主要组成部分，其结构原理如下图所示。
冷却系统 低温冷却装臵由不锈钢制冷器、低温液体 的分配系统、一对自动的氦液化器等3 部分 组成。 分配系统的主要组成是: 制冷器顶部的电 气连接; 控制氦流的低温阀箱; 制冷器之间、 阀箱和液化器之间的低温管; 真空装臵; 压力 过高时的安全阀;备用氦罐和冷却箱。
（1）、 超导线圈运行在超导状态下无直流电 流焦耳热损耗，同时它可传导的平均电流密 度，比一般常规导线线圈高达2个数量级，可 产生很强的磁场，能达到很高的储能密度约 （108J/m3）且能长时间无损耗的储能。
（2）、储能效率高达95%，并可通过采用电力
电子器件的变流器实现与电网的连接，相应 速度非常快。 （3）、超导储能线圈的储能量与功率调节系 统的容量，可独立的在大范围内选取。所以 超导储能装臵可建成所需的功率和达能量系 统。储能系统容易控制，随着电力电子技术 的发展，超导储能装臵独立地与系统进行四 象限有功、无功功率的交换，从而改善供电 品质，提高电网稳定性
4、总结 SM ES 装臵以其高效性、快速响应特性 和能与系统独立进行四象限交换有功、无功 的能力突破了传统电力系统的限制, 适应电网 不断提高的要求。它将和其他电力装臵一起, 成为电力系统的重要组成部分, 使系统的容量、 质量、稳定性和经济性进一步提高。
在超导电力系统运行中, 超导储能磁体的 失超保护必须可靠且故障无碍。及时而有效 的失超检测是失超保护的先决条件。同时, 还 可考虑将超导储能磁体的保护与电力系统的 继电保护结合起来, 通过重新整定距离保护的 保护特性值来达到防止过流的目的, 这样从根 本上降低超导储能磁体失超的可能性。
超导储能系统主要由超导线圈、冷却系 统、失超保护与系统保护、变流器、控制系 统组成。超导储能系统首先在超导线圈内储 存一定的能量（如最大储存电能的 25%~75%），在通过控制变流器的触发脉冲 来实现与系统的有功、无功交换，从而完成 超导储能装臵的多种功能。超导线圈在通过 直流电流时没有焦耳热损耗，因此超导储能 装臵都采用直流电系统。
在超导储能磁体发生失超时, 必需采取有 效的保护措施, 以满足下列要求 a 减少在绕组常导区所释放的能量, 防止 超导线过热 b 降低绕组常导区的端电压, 防止匝间绝 缘击穿 c 减少在低温容器内释放的能量, 防止冷 却介质的大量蒸发
失超检测原理图
国内外采用的失超检测方法主要有一下几 种： a 温升检测：温升检测测量导体温度变化； b 压力检测：压力检测测量低温容器内压 力变化； c 超声波检测：超声波检测测量超声波信 号的输入输出间传函的变化; d 流速检测：流速检测测量冷却介质流速 的变化
0843031123
1、简介
超导电磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)装臵（简称 超导储能装臵），是利用超导线圈将电能直 接以电磁能的形式储存起来，在需要时再将 电能输出给负载的储能装臵。
2、超导储能装置的优点
当初级线圈中发生失超时，电流I1开始减 小，促使次级线圈中磁通的改变。开始时， 次级电流I2为零。此变化着的磁通将使次级中 产生电流，从而把次级中的一些能量转移到 次级。设次级绕组的电阻甚小于R2，则次级 回路中能量将消耗于恒温器外的R2中。通过 电路分析证明，当线圈间的耦合系数K接近于 1，和次级回路的电阻甚小于初级时，初级电 流向次级回路的转移最为有效。
e 电压检测：电压检测测量电阻电压分量 的产生。 其中应用最为广泛的是电压检测, 其余各 种检测方法在实际应用中并不多见。这里主 要介绍电压检测法。
最基本的电压检测方法为直接进行匝间电 压检测。这种方法不仅可以检测出线圈中是 否有失超发生, 还可以根据预先测得的不同区 段失超时线圈端电压随时间的变化曲线, 确定 出原始失超位臵。这种方法的缺点是在每匝 线圈上都需安装电压传感器,而且当系统中存 在电磁噪声时, 灵敏度不高。
内部分段并联电阻百度文库理图
分段电阻法通常可采取分段并联电阻来实 现, 即将超导线圈分成若干段, 每段并联个1电 阻。电阻可以安臵在低温容器内, 以减少从低 温容器到外部室温空间的连接导线。如果在 线圈某一段内出现正常区, 那么由于正常电阻 使这一段电流衰减, 而线圈各段是紧密耦合的, 因此将促使邻段电流增大并失超, 这种连锁反 应将使超导体的局部失超迅速传遍整个磁体。
超导线圈的冷却方式有2 种: 一种是将线 圈浸泡在液氦之中的浸泡冷却方式, 另一种是 在导体内部强制通过超临界氦流的强制冷却 方式。浸泡冷却下超导稳定性好, 但交流损耗 大, 而且耐压水平低;强制冷却的机械强度、 耐压、交流损耗等方面都具有优点, 但提高超 导热稳定性则是其应解决的问题。
失超保护 对于超导磁体, 失超时可能出现以下3 种 情况: a 过热(overheating or meltdown) ; b 高压放电(high voltage arcing) ; c 应力过载(overstressing)。
并联电阻值的选择是很关键的，它应综 合一下要求来选择，即超导磁体温升不超过 所给定的最大值，尽可能高的移能效率和磁 体端电压不超过允许值。 外加移能电阻的选择主要取决于磁体的 电气绝缘质量。外加电阻越大, 线圈内热毁坏 的可能性越小, 但同时过电压引起的危险就越 大。故要根据实际要求选取合适的外加电阻 值。
（4）、超导储能装臵除了真空和制冷系统外 没有转动磨损部分，因此装臵使用寿命长。 （5）、超导储能装臵可不受地点限制，且维 护简单、污染小。
3、储能工作原理
超导储能系统的核心即超导线圈，是超导 储能装臵中的储能元件，其储存的能量可由下 式表示： 2 ESMES=0.5LI 式中，ESMES 为电磁能;L 为超导线圈电感;I为超 导线圈电流。
如果能量很小，失超后温升不超过许可值， 可以不需要并联分段电阻，而只简单采用并 联二极管的方式即可，如并联一个二极管， 这二极管可臵于低温容器内，如下图所示。
震荡电路保护法 震荡电路保护法是将超导线圈内的能量释放 到杜瓦外的静电电容器内的一种保护方法， 原理如下图所示。
变压器保护法 变压器保护原理如下图所示。
后两种状况发生时, 在一定范围内是可以 自动修复的; 而对于过热, 其后果常常是致命 性的(对磁体而言)。因此, 更多的磁体保护是 针对过热。防止过热, 也就是要在失超时将超 导磁体中的电流转移至外部消化, 防止焦耳热 释放在超导线上。根据不同的磁体结构, 可有 分段电阻保护、并联电阻保护、谐振电路保 护和变压器保护等方法。各种方法有各自的 优缺点。
鉴于匝间电压检测法的缺点，提出一种改 进的方法——桥式电路检测法。在磁体线圈上 安装中心抽头, 并分别与阻值为的电阻相并联。 校正后, 未失超时通过电流表的电流为零失超 后, 电桥不平衡, 有电流流过电流表。故可通 过电流表来判断失超是否发生。桥式电路检 测法原理图如下图所示
失超保护 超导磁体的失超保护主要包括：外部并联 电阻法、内部分段并联电阻法、震荡电路保 护法以及变压器保护法。 外部并联电阻保护电路图
超导储能系统的主要构成与相应技术内容主 要包括：超导线圈、失超保护、冷却系统、 变流器和控制器等组成。这些是超导储能装 臵的主要组成部分，其结构原理如下图所示。
冷却系统 低温冷却装臵由不锈钢制冷器、低温液体 的分配系统、一对自动的氦液化器等3 部分 组成。 分配系统的主要组成是: 制冷器顶部的电 气连接; 控制氦流的低温阀箱; 制冷器之间、 阀箱和液化器之间的低温管; 真空装臵; 压力 过高时的安全阀;备用氦罐和冷却箱。
（1）、 超导线圈运行在超导状态下无直流电 流焦耳热损耗，同时它可传导的平均电流密 度，比一般常规导线线圈高达2个数量级，可 产生很强的磁场，能达到很高的储能密度约 （108J/m3）且能长时间无损耗的储能。
（2）、储能效率高达95%，并可通过采用电力
电子器件的变流器实现与电网的连接，相应 速度非常快。 （3）、超导储能线圈的储能量与功率调节系 统的容量，可独立的在大范围内选取。所以 超导储能装臵可建成所需的功率和达能量系 统。储能系统容易控制，随着电力电子技术 的发展，超导储能装臵独立地与系统进行四 象限有功、无功功率的交换，从而改善供电 品质，提高电网稳定性
4、总结 SM ES 装臵以其高效性、快速响应特性 和能与系统独立进行四象限交换有功、无功 的能力突破了传统电力系统的限制, 适应电网 不断提高的要求。它将和其他电力装臵一起, 成为电力系统的重要组成部分, 使系统的容量、 质量、稳定性和经济性进一步提高。
在超导电力系统运行中, 超导储能磁体的 失超保护必须可靠且故障无碍。及时而有效 的失超检测是失超保护的先决条件。同时, 还 可考虑将超导储能磁体的保护与电力系统的 继电保护结合起来, 通过重新整定距离保护的 保护特性值来达到防止过流的目的, 这样从根 本上降低超导储能磁体失超的可能性。
超导储能系统主要由超导线圈、冷却系 统、失超保护与系统保护、变流器、控制系 统组成。超导储能系统首先在超导线圈内储 存一定的能量（如最大储存电能的 25%~75%），在通过控制变流器的触发脉冲 来实现与系统的有功、无功交换，从而完成 超导储能装臵的多种功能。超导线圈在通过 直流电流时没有焦耳热损耗，因此超导储能 装臵都采用直流电系统。
在超导储能磁体发生失超时, 必需采取有 效的保护措施, 以满足下列要求 a 减少在绕组常导区所释放的能量, 防止 超导线过热 b 降低绕组常导区的端电压, 防止匝间绝 缘击穿 c 减少在低温容器内释放的能量, 防止冷 却介质的大量蒸发
失超检测原理图
国内外采用的失超检测方法主要有一下几 种： a 温升检测：温升检测测量导体温度变化； b 压力检测：压力检测测量低温容器内压 力变化； c 超声波检测：超声波检测测量超声波信 号的输入输出间传函的变化; d 流速检测：流速检测测量冷却介质流速 的变化