超导磁储能
超导磁体的储能应用研究
超导磁体的储能应用研究超导磁体是一种通过在超低温环境下传导电流而产生强大磁场的装置。
由于其具有高能效、高储能密度等优点，超导磁体在能源领域的应用备受瞩目。
本文旨在探讨超导磁体在储能领域的应用研究，分析其在能源储存方面的潜在优势和挑战。
超导磁体的储能应用研究是一个具有挑战性和前沿性的课题。
随着能源需求不断增长和可再生能源的广泛应用，传统的储能技术已经无法满足现代社会对储能系统安全性、高效性和可靠性等方面的要求。
超导磁体以其高磁场稳定性和低能量损耗等特点，被视为一种潜在的高性能储能技术。
超导磁体在储能领域的应用主要包括超导磁体储能系统和超导磁体电感器。
超导磁体储能系统是指利用超导磁体的高能量密度和高效率来存储电能的设备。
其主要包括超导磁体、电流源、磁体绝缘系统和磁体冷却系统等组成部分。
超导磁体电感器则是利用超导磁体的高灵敏度和稳定性来检测电磁信号的装置。
这两种应用形式相辅相成，共同推动了超导磁体在储能领域的发展。
超导磁体储能系统具有许多优势。
首先，超导磁体具有高能量密度和高效率，能够在较小的体积内存储大量电能。
其次，超导磁体储能系统的运行成本低，无需额外的能源输入即可实现长期稳定运行。
此外，超导磁体具有较长的寿命和高可靠性，适用于长期运行和重复充放电循环。
因此，超导磁体储能系统在储能密度、安全性和经济性等方面具有明显优势。
然而，超导磁体在储能领域的应用也面临一些挑战。
首先，超导磁体的制造成本较高，需要大量稀有材料和高端技术支持。
其次，超导磁体需要在极低温环境下工作，对冷却系统和绝缘系统的要求较高，增加了系统复杂性和运行成本。
此外，超导磁体的稳定性和故障诊断也是当前研究的重点和难点。
因此，如何降低超导磁体的制造成本、提高系统可靠性和运行稳定性，是超导磁体储能应用研究的主要挑战。
为了解决上述挑战，当前的研究主要集中在以下几个方面。
首先，研究人员致力于开发新型超导材料和制备工艺，以降低超导磁体的制造成本和原材料成本。
超导磁储能的工作原理
超导磁储能的工作原理
超导磁储能技术是一种新型的能量存储和释放技术，可以将能量大量储存，同时还能快速、稳定地释放出来。
其工作原理基于超导体在低温下的特殊性质，通过将电流导体制成超导体，在断开外部电源的情况下，就能够保持电流不衰减的状态，当需要能量时，通过储能器表面的电池或直接与电路连接释放出电能。
具体来说，超导磁储能系统的结构可分为磁体、低温储存器、冷却机组、功率开关、DC-DC转换器等多个模块。
其中，磁体是超导磁储能系统的核心部件，其内部采用超导电缆制成，可以在低温下实现超导状态。
低温储存器则用于保持磁场的稳定，它通常由液氦冷却器和冷却剂存储器构成，将超导线圈和低温储存器组合后，就可实现对大量电能的储存。
当需要释放电能时，在功率开关的作用下，通过超导磁体内部引入一组带有电压脉冲的信号，由于超导体的特殊性质，能量的释放速度相当快，可以在极短的时间内将大量的电能释放出来。
为了更好的控制输出电流和电压，还需要通过DC-DC转换器将高压电流转化为适合接入电网的电流。
总体来说，超导磁储能技术通过超导体材料的特殊性质实现了对大量能量的高效储存和释放，这也使其成为了可再生能源和先进制造业的重要技术支持。
虽然目前这种技术还面临着制造成本高昂、使用寿命短等问题，但相信随着技术的不断发展和完善，它必将成为未来绿色能源存储和利用的重要手段。
超导磁力储能工作原理
超导磁力储能工作原理超导磁力储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）是一种高效、可靠的电力储能技术，被广泛应用于电力系统的稳定性调节、电压控制、电能品质提升等方面。
它基于超导材料的特性，利用超导体在零电阻状态下可以存储巨大的电磁能量，从而实现电力的高效储存。
本文将详细介绍超导磁力储能的工作原理及其应用。
一、超导磁力储能的基本原理超导磁力储能系统主要由超导线圈、冷却系统和功率控制系统组成。
其中，超导线圈是实现电磁能量储存的核心部件，冷却系统用于保持超导状态，而功率控制系统则用于实现能量的输入和输出控制。
1. 超导线圈：超导线圈通常采用超导材料制成，它的内部通过冷却系统维持在超导态。
超导材料具有零电阻和完全排斥磁场的特性，在零电阻状态下产生的电流可以无损地在超导线圈中流动，从而实现能量的存储。
2. 冷却系统：在超导磁力储能系统中，保持超导线圈在超导态需要低温环境的支持。
通常采用液氦冷却系统，将超导线圈冷却至临界温度以下，使其进入超导态。
通过冷却系统的维持，超导线圈的零电阻特性才能得到保证。
3. 功率控制系统：功率控制系统用于控制超导磁力储能的输入和输出。
当电网稳定时，超导线圈会接收电网输送的电能，将电能转化为磁能储存在超导线圈中。
而在电网需要补偿或发生故障时，超导线圈可以快速释放储存的磁能，将其转化为电能输出到电网中。
二、超导磁力储能的工作过程超导磁力储能的工作过程可以分为充放电两个阶段，即储能阶段和释能阶段。
1. 储能阶段：当电网供电稳定时，超导线圈会接收电网输送的电能，并将电能转化为磁能储存在超导线圈中。
在这个阶段，超导线圈处于超导态，电流可以无损地在超导线圈中循环。
2. 释能阶段：当电网发生故障或需要补偿时，超导磁力储能系统会迅速将储存的磁能转化为电能输出到电网中。
在这个阶段，超导线圈会失去超导态，电流开始在超导线圈中产生阻力，电能会迅速被释放。
超导磁储能在风力发电的原理
超导磁储能在风力发电的原理
风力发电是一种利用风能产生电力的可再生能源技术。
而超导磁储能技术则是
一种用于存储和释放电能的先进技术。
在风力发电中，超导磁储能可以发挥重要作用，提高风力发电的效率和可靠性。
超导磁储能是利用超导材料在超低温下的特性进行电能储存的技术。
超导材料
具有零电阻的特点，可以在超低温下实现电流的无损传输。
这意味着，超导磁储能系统可以高效地存储和释放电能，减少能量损失。
在风力发电中，超导磁储能系统可以用于平衡风力发电系统的功率波动。
风力
发电的主要问题之一是风速的不稳定性，这导致风力发电机组产生的电能波动较大。
超导磁储能系统通过储存多余的电能，可以在风速不足时释放电能，平衡风力发电系统的功率输出。
超导磁储能系统的工作原理是将风力发电机组产生的多余电能通过变压器等装
置输入到超导线圈中，将电能转化为磁能存储起来。
当风速不足时，超导线圈会释放储存的磁能，通过变压器将其转化为电能，补充风力发电系统的输出电能。
除了平衡风力发电系统的功率波动外，超导磁储能还可以提高风力发电系统的
运行效率。
风力发电的效率受到风速和转子转速的影响，当风速较高时，风力发电机组可能产生过载。
超导磁储能系统可以吸收过载电能，并在风速恢复正常时释放，避免过载损坏。
总之，超导磁储能技术在风力发电中具有重要的应用价值。
它可以平衡风力发
电系统的功率波动，提高系统效率，同时减少电能损失。
随着超导材料和技术的不断发展，相信超导磁储能在风力发电领域的应用将会越来越广泛。
超导磁储能现状
超导磁储能现状
超导磁储能技术是一种利用超导体存储电能的技术。
与传统的电池储能技术相比，超导磁储能技术具有更高的能量密度和更长的寿命，在未来可能成为重要的能源存储手段。
超导磁储能技术已经得到了广泛的研究和应用。
在实验室规模上，已经成功地实现了高温超导体的储能，同时也有不少企业开始投入资金进行相关技术的研发。
在实际应用方面，超导磁储能技术已经被应用于电网调峰、储能站和电动汽车等领域。
超导磁储能技术的优点主要包括能量密度高、容量大、充放电效率高、寿命长等特点。
在能量密度方面，超导磁储能技术通常可以达到100Wh/kg以上，相比于传统电池技术的20-30Wh/kg更高。
在容量方面，超导磁储能技术可以实现百万、千万乃至亿级别的容量，可以满足不同应用场景的需求。
在充放电效率方面，超导磁储能技术可以实现高达95%以上的效率，远高于传统电池技术的80%左右。
在寿命方面，超导磁储能技术可以实现10年以上的寿命，远远高于传统电池技术的2-3年。
但是，超导磁储能技术也存在一些问题和挑战。
首先，超导材料的制备和加工难度较大，需要高度专业的技术和设备支持；其次，超导磁储能技术在充电和放电过程中会产生较大的磁场，可能对周围环境和设备造成一定的影响；最后，超导磁储能技术的成本较高，
需要进一步降低成本才能实现商业化应用。
尽管存在这些问题和挑战，超导磁储能技术仍然具有广阔的应用前景。
随着能源需求的不断增长，超导磁储能技术可以为能源储存和应用带来更多的可能性，成为未来能源体系中的重要组成部分。
储能技术超导磁储能技术
储能技术超导磁储能技术储能技术一直是电力电子学研究领域中的热点话题之一。
近几年，随着大规模可再生能源发电装置的建设和运行，储能技术的需求愈发强烈。
作为一种先进的储能技术，超导磁储能技术备受关注。
超导磁储能技术具有很高的能量密度、颠扑不破的免维护性和长寿命等优点。
其中，颠扑不破的免维护性是超导磁储能技术最大的优点之一，同时也是与传统电池等储能技术根本的区别之处。
现在，让我们一步步深入了解超导磁储能技术的原理和优势。
第一步，理解超导磁储能技术的基本原理。
超导磁储能技术的原理是利用超导体的零电阻和强磁场性质，将大量的电能以磁能的形式存储在超导体中，并在需要时，将存储在其中的磁能转化为电能完成对电网的能量供应。
第二步，了解超导磁储能技术的优势。
与传统储能技术相比，超导磁储能技术具有以下优势：（1）能量密度高，比传统电池技术高出数倍甚至数十倍；（2）颠扑不破的免维护性，不需要定期更换电池或其他储能器件；（3）长寿命，超导体的寿命长达数十年甚至百年以上；（4）环保，不会对环境造成污染。
第三步，分析超导磁储能技术的应用前景。
超导磁储能技术的应用前景广泛，包括但不限于以下领域：（1）新能源储能，可作为大规模可再生能源储能的关键技术；（2）电力系统储能，可提高电力系统的稳定性和可靠性；（3）交通运输，可为电动汽车和高速列车等交通运输工具提供高效稳定的储能解决方案。
综上所述，超导磁储能技术是一种具有极高性能和广泛应用前景的先进储能技术。
随着科技的不断发展，超导磁储能技术将在不同领域得到广泛应用，进一步推动人类社会的可持续发展。
超导电磁储能
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
（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。
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。
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。
超导磁储能的原理与应用
超导磁储能的原理与应用1. 超导磁储能的原理超导磁储能是一种基于超导技术的新型储能技术。
在理解超导磁储能的原理之前，首先要了解超导体的概念。
超导体是一种在低温下具有零电阻和完全抗磁性的材料。
超导磁储能利用超导体的两个主要特性：零电阻和完全抗磁性。
当超导体处于超导状态时，电流可以在其中自由流动而无需消耗能量，这解决了传统电阻材料中能量转换过程中的能量损耗问题。
超导体的完全抗磁性可以将磁场完全排斥，并形成一种稳定的磁场。
当超导体被置于外部磁场中时，它会产生一个与外部磁场大小相等但方向相反的磁场，从而将外部磁场驱逐出超导体。
超导磁储能的基本原理是利用超导体的这两个特性，在超导体中储存电流和磁场能量。
通过将电流驱动到超导体中，可以在超导体中储存大量的电流能量。
与传统储能技术相比，超导磁储能具有更高的能量密度和更长的储能时间。
2. 超导磁储能的应用超导磁储能具有广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：2.1 磁力储能器超导磁储能可以用于制造高能量密度和高功率密度的磁力储能器。
磁力储能器可以用于储存电力系统中的剩余能量，然后在需要时释放。
这种高能量密度和高功率密度的储能器可以有效降低电力系统的能量损耗，并提高能源的利用率。
2.2 电动车超导磁储能可以应用于电动车的储能系统。
目前，电动车使用的电池储能系统存在能量密度低、充电时间长和寿命短的问题。
超导磁储能可以提供更高能量密度的储能系统，同时具有快速充电和长寿命的优点，可以为电动车的使用带来更多便利。
2.3 储能站超导磁储能可以应用于能源储备站，用于储存风能、太阳能等可再生能源。
可再生能源的不稳定性是目前储能站面临的主要问题之一。
超导磁储能可以提供稳定的储能方案，通过储存可再生能源产生的过剩能量，为能源储备站的稳定运行提供支持。
2.4 航天技术超导磁储能可以应用于航天器的能源供应系统。
航天器对能源供应的要求非常苛刻，需要高能量密度和长储能时间的能源系统。
超导磁储能可以满足这些要求，为航天器的能源供应提供可靠支持。
超导磁储能的工作原理
超导磁储能的工作原理超导磁储能是一种新型的能量储存技术，利用超导材料的特殊性质来实现高效能量的储存和释放。
其工作原理可以简单概括为超导磁体吸收和释放磁场能量的过程。
超导磁储能的基本原理是基于超导材料的零电阻和完全磁通排斥效应。
超导材料在低温下会出现零电阻的特性，电流可以在其内部无阻碍地流动。
当超导磁体处于超导态时，它可以保持高强度的磁场，而不会因为电阻而产生能量损耗。
超导磁储能系统通常由超导磁体、储能装置和电源组成。
电源通过外部电源将电能输入超导磁体，使其形成强磁场。
一旦超导磁体处于超导态，其内部电流将在零电阻状态下持续流动，形成稳定的磁场。
当需要储存能量时，外部电源将电能输入超导磁体，使其磁场增强。
由于超导材料的完全磁通排斥效应，磁场的增强将导致超导磁体内的电流增加。
超导磁体内的能量储存量正比于电流的平方，因此磁场的增强将使得储能量大幅增加。
当需要释放能量时，超导磁体与储能装置之间的连接开启，使超导磁体内的电流可以流回储能装置。
由于超导材料的零电阻特性，电流可以在超导磁体内部无阻碍地流动，磁场能量被转化为电能输出。
超导磁体内的能量释放过程非常快速，能量损耗极低。
超导磁储能技术具有许多优势。
首先，超导材料的零电阻特性使得能量的储存和释放过程非常高效，能量损耗几乎可以忽略不计。
其次，超导磁储能系统的能量密度非常高，可以储存大量的能量。
再次，超导磁储能系统的响应速度非常快，能够在短时间内释放大量的能量。
此外，超导磁储能系统的循环寿命长，能够进行多次的充放电循环。
然而，超导磁储能技术也存在一些挑战和限制。
首先，超导材料需要低温环境才能发挥其超导特性，这需要耗费大量的能量来维持低温条件。
其次，超导磁储能系统的制造和维护成本较高，限制了其在大规模应用中的推广。
此外，超导磁储能系统的体积较大，不便于移动和集成到现有的能源系统中。
尽管存在一些挑战，超导磁储能技术在能源储存领域具有巨大潜力。
随着超导材料的研究和制备技术的进步，超导磁储能系统的性能将进一步提高。
超导磁能存储工作原理
超导磁能存储工作原理超导磁能存储（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）是一种高效、可靠且环保的能量存储技术。
它利用超导材料在低温下的特殊性质，将电能转换为磁能，并在需要时将其释放出来。
本文将介绍超导磁能存储的工作原理及其应用。
一、超导材料的基本原理超导材料是指在低温下电阻为零的材料。
当材料冷却到超导转变温度以下时，其电阻突然消失，成为超导体。
超导材料的超导性来自于库珀对（Cooper Pair）的形成，即两个电子通过相互作用形成了一个稳定的能级，电子在这个能级上不受任何散射，因此无法散失能量，电阻为零。
二、超导磁能存储的构成超导磁能存储由超导线圈、低温制冷系统和功率电子控制系统组成。
1. 超导线圈超导线圈由超导材料制成，通常是采用多股细线材制成的螺管状结构。
这种结构可以增加超导线圈的表面积，有利于散热和提高能量存储密度。
超导线圈通常需要保持在低温下，以确保超导材料处于超导态。
2. 低温制冷系统低温制冷系统用于保持超导线圈处于低温状态。
常见的制冷介质包括液氦和制冷剂。
制冷系统通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和循环管路等组成，确保超导材料的温度低于超导转变温度。
3. 功率电子控制系统功率电子控制系统用于管理超导磁能存储的能量存储和释放过程。
它包括电源、变压器、控制开关和电流传感器等元件。
通过对开关的控制，可以将电能转化为磁能并存储在超导线圈中，也可以将储存的磁能转换为电能供应给外部负载。
三、超导磁能存储的工作原理超导磁能存储的工作原理基于磁场储能和能量转换的原理。
1. 磁场储能当超导线圈处于超导态时，通过外部电源向其充放电，可以在其中产生强大的磁场。
超导线圈中的磁场能够存储大量的能量，其储能密度远高于传统的电池技术。
超导线圈的储能能力取决于其尺寸、形状和电流密度等因素。
2. 能量转换超导磁能存储可以将电能转换为磁能并将其储存起来，也可以将储存的磁能转换为电能供给外部负载。
超导电磁储能介绍
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 能装置的主要组成部分，其结构原理如下图 所示。
3.1 超导线圈 超导线圈的形状通常是环形和螺管形。 小型及数十MW· 的中型SMES 比较适合采 h 用漏磁场小的环形线圈。螺管形线圈漏磁场 较大, 但其结构简单, 适用于大型SMES 及需 要现场绕制的SMES。
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 超导储能装置的多种功能。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 装置都采用直流电系统。
3.3 变流器 SMES 所用的AC/DC 变流器应能独立控 制SMES与电力系统的有功功率和无功功率 交换, 这就需要采用由电力电子器件组成的开 关电路。从电路拓扑结构来看, 常用的变流器 有两种: 电压型和电流型变流器。
电流源型变流器 。
为电流源型变流器的基本电路拓扑, 它主 要由电流源型变换器构成。调节图中电流源 型变流器 对AC 电网输出电流的幅值和相位, 就可实现四象限控制SMES 装置与AC 电网 之间的有功功率和无功功率交换
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。
超导磁储能系统的发展与展望
超导磁储能系统的发展与展望作者：苏放来源：《中国科技博览》2015年第27期[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）27-0150-030 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。
高温超导磁储能技术
高温超导磁储能技术高温超导磁储能技术是一种利用高温超导材料进行电能储存的技术，因为高温超导材料在低温下可以表现出极低的电阻和很强的磁场，因此可以用来制作出非常高效率的电能储存器。
这种技术可以大大提高电能储存的效率，缩短充电时间，并且可以大幅度提高电池的寿命。
高温超导材料的研究始于20世纪80年代，最初研究人员只是为了理论研究而制备出了这类材料，并没有很实际的应用。
但是当高温超导材料被用于制作各种设备和器件时，人们才开始意识到其巨大的潜力。
例如，高温超导材料可以用来制作超导电机、超导发电机、超导电缆等设备，以及高能粒子加速器等高速设备。
高温超导磁储能技术的基本原理是利用高温超导材料的超导性质来进行电能储存。
超导性质是指当材料中的电流遇到低温时，材料会表现出极低的电阻，也就是说，电流会在材料中持续流动而不会消耗能量。
这种极低的电阻取决于材料的温度和磁场，而高温超导材料就是指在较高的温度下具有超导性。
当电流在超导材料中流动时，由于电流可以持续流动，因此可以将材料中的电能存储下来。
高温超导磁储能技术的具体实现方法是将高温超导材料制成一个圆柱形的环路，然后通入电流，使其形成一个磁场。
当电流停止时，磁场不会消失，因为磁场中包含有电能，而电能可以被高温超导材料保存。
当需要释放电能时，只需要再次通入电流即可。
高温超导磁储能技术有很多优点。
首先，由于高温超导材料具有超导性质，因此可以大大提高电能的储存效率，达到90%以上，这是传统电池所无法达到的。
其次，由于高温超导材料的磁场非常强，因此可以储存大量的电能，并且在非常短的时间内完成充电，这也是传统电池所无法实现的。
而且，高温超导磁储能技术还具有节能、环保等优点，因为使用这种材料制作电能储存器时，不会产生任何有害废气、废液等。
高温超导磁储能技术的应用前景非常广阔。
在未来的能源领域，这种技术可以用于制作电动汽车、太阳能电站、风力发电站等各种设备，因为这些设备需要大量的电能存储器。
超导磁储能现状
超导磁储能现状超导磁储能是一种利用超导材料的电流环路来储存电能的技术。
它具有高效、大容量、长寿命等优点，因此在能源储存领域具有广阔的应用前景。
本文将从超导磁储能的基本原理、现状以及未来发展方向等方面进行探讨。
超导磁储能的基本原理是利用超导材料在低温下的超导特性，将电能转化为磁能并储存起来。
超导材料具有零电阻和完全磁通排斥的特性，可以在闭合的超导环路中形成稳定的电流。
当电流通过超导环路时，超导材料内部会产生一个强磁场，这个磁场会储存在超导材料中，并且会保持不衰减。
因此，可以通过将电能转化为磁能并在超导材料中储存起来，实现高效的能量储存。
超导磁储能技术已经取得了一定的进展。
研究人员已经成功制备出了多种高温超导材料，并实现了小规模的超导磁储能实验。
例如，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队使用氧化铜基高温超导材料制备了一个直径为1厘米的超导磁储能装置，其能量密度达到了每升600千瓦时。
此外，中国科学院物理研究所也在超导磁储能领域取得了一系列的研究成果，为超导磁储能的发展做出了重要贡献。
然而，超导磁储能技术还存在一些挑战和限制。
首先，超导材料需要在低温下运行，这对于设备的制造和运行成本提出了较高的要求。
其次，超导磁储能装置的尺寸较大，限制了其在实际应用中的灵活性和便携性。
此外，超导磁储能技术在大规模应用方面还存在一定的技术难题，如如何提高能量密度、增加储能效率等问题仍待解决。
为了进一步推动超导磁储能技术的发展，研究人员正在开展一系列的研究工作。
首先，他们致力于寻找更加高效的超导材料，以降低低温要求和提高能量密度。
其次，他们正在探索新的超导磁储能装置的设计和制造方法，以提高其灵活性和便携性。
此外，还有一些研究团队在开展超导磁储能系统的集成研究，旨在将超导磁储能技术与其他能源技术相结合，实现能源储存和利用的最优化。
超导磁储能作为一种高效、大容量的能源储存技术，具有广阔的应用前景。
虽然目前仍面临一些挑战和限制，但随着科学技术的不断发展，相信超导磁储能技术将会得到进一步的突破和应用。
超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用
储能工作原理
超导磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉冲 能量储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是电 能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导材料制成， 即保持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰 减。线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。
电流I循环储存在线圈中的能量E为
信号采集
电力系统 控制器
磁体保护系统
变压器 变流器
低温系统
超导磁体
(1)超导磁体。 储能用超导磁体可分为螺管形和环形两种。
(2)低温系统。
螺管形
低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环
境。
（3)功率调节系统。 功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转
换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。根 据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器可分为电流 源型(Current Source Converter，CSC)和电压源型 (Voltage Source Converter，VSC)两种基本结构， 如图1—2所示。
E=0.5LI²
超导磁储能装置的原理示意图
1、超导线圈 2、制冷剂 3、低温容器 4、直流电源 5、持续电流回路
SMES装置原理结构图
SMES一般由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、 功率调节系统和监控系统等几个主要部分组成。如下 图所示结构是由美国洛斯阿拉莫斯实验室首先提出的， 以后SMES装置的研究设计一般都是以此结构作为参考 原型。
（1）、电力安全 电网瓦解、大面积停电事故
（2）、电能质量 谐波、过电压、短时断电、电压骤降电压骤升
（3）、短路电流水平 断路器无法有效切除短路故障
（4）、可再生能源并网发电 不连续不稳定
提高电力系统的稳定性
超导电力磁储能系统研究进展一——超导储能装置
中图分类号: TM 917; TM Z 6; 0 511
0 引言
超导磁储能( superconducting magnetic energy storage 缩写为 SMESD 是超导应用研究的热点G 超 导磁储能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D 又能释放电 能( 逆变方式D 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G 本 文介绍 了 SMES 的 发 展 历 史 对 SMES 的基本原理~ 应用领域及发展趋势进行了阐述G
1971 年 在 Wisconsin 大 学 Boom 和 Peterson 带领下 发明了一个由超导电感线圈和三相 AC/DC 格里茨 ( GraetzD 桥 路 组 成 的 电 能 储 存 系 统 并 对 格 里茨桥在能量储存单元与电力系统相互影响中的作
用进行了详细分析和研究G 他们发现装置的快速响 应 特 性 对 于 抑 制 电 力 系 统 振 荡 非 常 有 效 [5] G
1976 年 到 198Z 年 LASL 和 BPA ( Bonneville Power AdministrationD 合作建成了 30 MJ/ 10 MW 的 SMES 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 1 500 km 的双回交流 500 kV 输 电线路的低频 0. 35 Hz 自发功率振荡[9]G
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; 真空装置; 压力过高时的安全阀; 备用氦罐和冷却箱( 热交换器~ Joule Thomson 阀和 涡轮膨胀器) O 这种装置通常每年只能使用 6 000 hO 必须提高到每年使用 8 000 h, 以满足电力运行的技 术要求O
超导储能
• 历史背景：
在 1970 年 , 美国威斯康星大学应用超导中心 H.Peterson 和
R.Boom发明了一个超导电感线圈和三相AC/DC格里茨桥路组成
的电能储存系统并获得了美国专利,也由此开始了超导储能电 力应用的研究与开发阶段。
超导储能应用类型
到目前为止，人们研究利用超导技术发展两类超导储能装置， 一 种 是 超 导 磁 储 能 系 统 （ Superconductive Magnetic Energy Storage ，常缩写为 SMES ），另一种是使用超导体做为悬浮轴承 的飞轮储能系统。 超导磁储能系统的工作原理是利用超导绕组把电能以电磁能 的形式储存起来，绕组中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储 存下去直到需要释放时为止。 超导飞轮储能系统中是利用了超导体的迈斯纳效应实现飞轮 的磁悬浮。用做悬浮轴承的超导体是高温超导体，被冷却到 77K 或更低一些的温度。为了减低空气摩擦，飞轮的腔体被抽真空。 这种飞轮能耗很小，每天仅耗掉储能的2％。
飞轮超导悬浮飞轮储能系统结构及照片（5kWh, 日本四国通用研究院）
超导磁储能装置的原理示意图
1、超导线圈 2、制冷剂 3、低温容器 4、直流电源
5、持续电流回路
超导储能系统用快速充 放电高温超导磁体
超导储能结构图
用于电力系统的超导储能一般由超导磁体、低温系统、功率调节系 统、监控系统、保护系统等几个部件组成。如下图所示：
信号采集 电力系统 控制器 磁体保护系统 低温系统 超导磁体 变压器
变流器
(1)超导磁体。
超导线圈是超导磁储能装置的核心部件，它可以是一组螺旋管 线圈或是不同形状的环形线圈。螺管线圈结构简单，但周围杂散 磁场较大；环形线圈周围杂散磁场小，但结构较为复杂。
超导电能存储技术及其发展前景
超导电能存储技术及其发展前景作者：李媛媛陈伟徐颖石晶任丽李敬东唐跃进来源：《新材料产业》 2017年第7期随着现代社会活动对电力供给的可靠性和电能品质的要求越来越高，以及风电、光电等间歇性新能源的接入，电能存储技术受到了世界各国的重视 [1] 。
在诸多电能存储技术中，基于超导技术的储能是一种处于发展中的、但具有独特技术性能的储能手段。
利用超导的储能技术有 2种型式：超导磁储能（SuperconductingMagnetic Energy Storage， SMES）将电能以磁场能的形式储存于超导磁体（电感），超导磁悬浮飞轮储能（Superconducting FlywheelEnergy Storage， SFES）将超导技术用于磁悬浮轴承以提升飞轮储能的技术性能。
本文将对SMES和SFES的基本原理、发展现状、应用前景、以及关键技术课题进行简要介绍。
一、超导磁储能技术1. 超导磁储能的原理超导磁储能是一种电感储能技术。
电感储能的运行原理如图1，图1只在（a）图中标注了关键部件的名称，（b）、（c）图中的部件名称与（a）图相同。
①充电（吸收能量）：开关S 2 和S 3处于开端状态下闭合开关S 1 ，电源对储能电感充电；②储能：合上开关S 2 、断开开关S 1 ， S 2 与电感L形成闭合回路，此时电感中储存的能量如式（1）。
E= LI 212（1)式（1）中， E为电感中存储的能量； L为电感值； I为电感中的电流。
③放电（输出能量）：合上开关S 3 、断开开关S 2 ，电感对负载放电而释放能量。
因为在直流电流下超导体为零电阻，用超导导线制作储能电感（一般称为超导磁体）的超导磁储能可以实现长时间的储能。
超导导线的通流能力比铜导线高出1 ～2个数量级，而且电流恒定时导线（磁体）自身不发热，使用超导磁体能获得远高于常规电感的储能密度、功率密度。
图1仅为电感储能的原理图，根据不同的应用途径，储能电感与电源、负荷的连接方式也不同。
超导磁储能特点
超导磁储能是一种利用超导材料制造的能量存储系统。
它具有以下特点：
1.高能量密度：超导磁储能系统具有很高的能量密度，可以在相对较小的体积内存储大量能量。
这使得它在需要大容量能量存储的应用中具有优势，如电网备用电源、电动
车辆等。
2.高效性：超导磁储能系统具有很高的能量转化和储存效率。
超导材料在低温下具有零电阻和完美磁通排斥，消除了能量传输和储存过程中的能量损耗。
这导致超导磁储能
系统的能量转化效率非常高。
3.快速响应：超导磁储能系统可以实现快速响应和高输出功率。
当需要释放能量时，超导线圈可以几乎瞬间将储存的能量释放出来，提供高功率输出。
这使得超导磁储能系
统在需要瞬时大功率输出的应用中具有优势，如电网频率调整和突发负载应对等。
4.长寿命：超导材料具有较长的使用寿命。
在适当的工作温度下，超导线圈可以实现几十年的使用寿命。
这使得超导磁储能系统在需要长期可靠稳定运行的应用中具有优势。
5.环保与可持续性：超导磁储能系统不依赖化石燃料，不产生有害气体和温室气体排放。
它属于清洁能源技术，对环境友好，并有利于可持续发展。
尽管超导磁储能具有许多优势，但也存在一些挑战。
其中包括超导材料的高成本、复
杂的制冷技术要求以及超导线圈的体积和重量等限制。
然而，随着科学技术的不断进
步和超导材料的研发，超导磁储能正逐渐成为一种具有潜力的能量存储解决方案。
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SMES还可用来消除互联电力系统中的低频振荡，抑制次同 步谐振(SubSynchronous Resonance，SSR)和次同步振荡 (Sub Synchronous Oscillation，SSO)。此外，SMES还可 以灵活调控无功功率，为输电线路特别是受端系统提供必 要电压支撑，防止在系统故障的情况下产生电压崩溃，抑 制事故的进一步扩大。
由于超导磁体固有的电流源特性，CSC的直流侧可以与超导 磁体(Superconducting Coil，SC)直接连接，而VSC用于 SMES时在其直流侧必须通过斩波器(Chopper)与超导磁体相 连。
图1—2 SMES电流源型和电压源型变流器
(4)监控系统。
监控系统由信号采集、控制器两部分构成，其主 要任务是从系统提取信息，根据系统需要控制SMES的 功率输出。信号采集部分监测电力系统及SMES的各种 技术参量，并提供基本电气数据给控制器进行电力系 统状态分析。控制器根据电力系统的状态计算功率需 求，然后通过变流器调节磁体两端的电压，可以对磁 体进行充、放电。控制器的性能必须和系统的动态过 程匹配才能有效地达到控制目的。SMES的控制分为外 环控制和内环控制。外环控制器作为主控制器用于提 供内环控制器所需要的有功和无功功率参考值，是由 SMES本身特性和系统要求决定的；内环控制器则是根 据外环控制器提供的参考值产生变流器开关的触发信 号。
3.超导磁流体储能在电力系统中 的应用
（1）提高电力系统的稳定性
现代电力系统在安全稳定运行方面存在明显缺陷，原 因在于系统中缺乏能够大量快速存、取电能的器件，其致 稳保护措施主要依赖于机组的惯性储能、继电保护和其他 自动控制装置，基本属于被动致稳。SMES作为一个可灵活 调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能 调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑 行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态 过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。
1970年，应用超导理论建设了超导电磁设备进行磁流体 发电。为了冷却发电机、电机和变压以及输配电设施采用了 许多泡状室。20世纪70年代曾采用高纯度铝在70K下工作。技 术成功一方面取决于所用金属和绝缘系统，另一方面取决于 运行操作。
超导磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉 冲能量储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是 电能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导材料制成， 即保持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰 减。线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。
超导磁储能系统 SMES 及其在 电力系统中的应用
SMES在电力系统中的应用首先是由Ferrier在1969年 提出的。最初的设想是将超导储能用于调节电力系统的日 负荷曲线。但随着研究的深入，人们逐渐认识到调节现代 大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈，在技术和经 济上存在着困难。现在，SMES在电力系统应用中的研究重 点主要着眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应 能力，提高电力系统稳定性、改善供电品质等。
电流I循环储存在线圈中的能量E为
E=0.5LI²
式中，E为能量，J(J=W*s)；L为电感， H[1亨利=(电压×s)／A]。
超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没 有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规 导体要高1～2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的 储能密度，约为10^8J／m3。与其他的储能方式，如蓄电 池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES 具有转换效率可达95％、毫秒级的响应速度、大功率和大 能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点。
SMES一般由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、 功率调节系统和监控系统等几个主要部分组成。图 1—1是SMES装置的结构原理图，该结构是由美国洛斯 阿拉莫斯实验室首先提出的，以后SMES装置的研究设 计一般都是以此结构作为参考原型。图中的变压器只 是为了选择适当的电压水平以方便连接SMES与电力系 统，是非必要部件。
图1—1 SMES装置原理环形两种。螺管 线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；环形线圈周围 杂散磁场小，但结构较为复杂。由于超导体的通流能 力与所承受的磁场有关，在超导磁体设计中第一个必 须考虑的问题是应该满足超导材料对磁场的要求，包 括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此以外，在 磁体设计中还需从超导线性能、运行可靠性、磁体的 保护、足够的机械强度、低温技术与冷却方式等几个 方面考虑。
(2)低温系统。
低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。 超导磁体的冷却方式一般为浸泡式,即将超导磁体直接置于 低温液体中。对于低温超导磁体,低温液体多采用液氦 (4．2K)。对于大型超导磁体,为提高冷却能力和效率,可采 用超流氦冷却，低温系统也需采用闭合循环,设置制冷机回 收所蒸发的低温液体。基于Bi系的高温超导磁体冷却至 20～30K以下可实现3～5T的磁场强度,基于Y系的高温超导 磁体即使在77K也能实现一定的磁场强度。冷却温度的提升 带来的直接好处是低温系统成本的降低和冷却效率的提高。 在20～30K以上可选用液氦之外的低温液体或低温气体冷却， 直接冷却也是超导磁体的一种冷却方式。
直接冷却不需要低温液体，靠制冷机与超导磁体的 固体接触实现热传导。随着低温技术的进步，采用 大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的 方案，但按目前的技术水平，还难以实现大型超导 磁体的冷却。低温系统是保证超导磁体处于低温的 必要条件，其冷却效果的高低也直接影响到超导磁 体的技术性能，如热稳定性，同时，低温系统成本 和可靠性在SMES中也有着重要的地位。
（2)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可作为敏感负载和重要 设备的不问断电源，同时解决配电网中发 生异常或因主网受干扰而引起的配电网向 用户供电中产生异常的问题，改善供电品 质。
(3)提供系统备用容量
系统备用容量的存在及其大小，既是一个经济问题， 又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全裕度、 事故后快速恢复供电具有重要作用。当前我国部分地区供 电形势紧张，电网运行处于备用不足的状态，SMES高效储 能特性可用来储存应急备用电力。以目前的技术水平， SMES还不足以作为大型电网的备用容量。但在局部区域、 微网孤岛运行状态，特别是对于个别重要负荷，SMES可以 作为备用容量以提高电网的安全稳定运行水平。
3)功率调节系统。
功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转 换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目 前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的 PWM变流器，它能够在四象限快速、独立地控制有功 和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特 点。根据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器可分 为电流源型(Current Source Converter，CSC)和电 压源型(Voltage Source Converter，VSC)两种基本 结构，如图1—2所示。