超导磁储能的发展现状及其面临的挑战

低温系统：
绝热优化
制冷性价比 超导导线： 提高性价比
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
四、面临的挑战

超导磁储能的发展方向

高温超导磁储能 模块化、分散化的协调应用方式 多元复合储能的协调动作
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
3
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
一、引言

电力系统面临的重大课题

用户端对电力供给的品质提出更高要求
信息系统

冶炼
精密制造
信息系统、冶炼行业、金融行业：对供电可靠性的要求提高 信息系统、精密制造：对供电品质的要求提高 节能减排、经济效益：对功率因素、分时电价的要求提高
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
内部：交流损耗、涡流损耗 外部：杜瓦、电流引线、支撑结构 低温系统设计
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
装置与系统相互关联的动态需求
超导磁储能
三、技术课题

4、装置本体相关：系统设计与研制的基础课题

研究实例：磁体多场耦合设计
5T 5T
螺 管 型 磁 体 某 垂 直 截 面
2.5T
2.5T
0
0
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
四、面临的挑战

制约超导储能的因素

超导材料 ——期待更高性价比的导线、更高临界温度的材料 相关设备——低温设备、电力电子器件的性能提高、成本下降 自身的课题：

设备系统运行相关 设备设计研制相关
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超导磁储能
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

平滑负荷波动
日本中部电力公司 10MVA/20MJ SMES
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

提供不间断电源
德国ACCEL：2MJ 低温超导SMES
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
主要参数
用途 补偿方式 额定功率 充电发电周期 最大储能 标准储能 最小储能 标准电流 最小电流 超导带材类型 补偿负载波动 有功和无功补偿 100MVA 18s 2.4GJ 1.5GJ 0.6GJ 最大电流的79% 最大电流的50% YBCO
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状
研制阶段 预研阶段
研究开发单位
2005年完成
150kJ/100kW/20K，直接冷却，Bi-2223和YBCO，单 2014年完成 螺管 478J/77K，液氮浸泡，YBCO，单螺管 14
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

启动、研制、完成了一些高温超导磁储能系统

日本中部电力 2GJ/100MVA SMES
2014电机工程学会年会
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
唐跃进
华中科技大学 2014.11
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
2014电机工程学会年会
超导磁储能系统
内
一、引言 一、引言
容
二、超导磁储能的发展现状 二、超导磁储能的发展现状 三、超导磁储能相关技术课题 三、超导磁储能相关技术课题 四、结束语：超导磁储能面临的挑战 四、结束语：超导磁储能面临的挑战
Bx
By
Flux angle

磁场、应力等的不均匀分布直接影响磁体的临界电流
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

4、装置本体相关：系统设计与研制的基础课题

研究实例：基于磁体动态热损耗的低温系统优化设计

基础热量：杜瓦漏热 与补偿功率相关的动态热量

电流引线漏热 磁体交流损耗 结构件涡流损耗

研究实例：与发电机励磁PSS的协调控制
1
Eq
xd xd
Pe xT
US
2
△ δ 0 -0.5 0 2 4 6 8 10
PL
xL
U 0 0
0.5
1
t/s
15 10
PES , QES iP , iq
△ ω
0 -10 -15 0
2
4
t/s
6
8
10
结果：提高了稳定性 降低SMES的参数
实线--自适应无源协调控制曲线 虚线--PSS励磁控制曲线 20
18
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超导磁储能
三、技术课题

2、系统运行相关：与其他设备的协调控制

与系统中其他设备协调动作
与发电机的励磁系统 超 导 磁 储 能
与其他形式储能系统
与其他柔性输电设备 压力分担、各尽所长
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

2、系统运行相关：与其他设备的协调控制
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战

对供电可靠性和电能质量的作用
超导磁储能
一、引言

超导磁储能系统的原理与特点
I
信号采集 电力系统 变压器 控制器 保护系统 低温系统 变流器 超导磁体
换流器
系 统

四象限功率调节能力 快速的功率相应速度（ms级）

能实现大功率补偿 充放电次数不受限制
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
直流绝缘电阻 交流绝缘水平 冲击绝缘水平 整流脉冲绝缘 不同电流、温度下的电感及时间常数 不同功率、能量输出下的温度变化
储能能力 变流器控制性能
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
2014电机工程学会年会
超导磁储能系统
内
一、引言 一、引言
容
二、超导磁储能的发展现状 二、超导磁储能的发展现状 三、超导磁储能面临的挑战 三、超导磁储能面临的挑战 四、结束语 四、结束语
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

补偿电压跌落
5MJ/5MW，低温SMES
GM-JT 制冷机 GM-JT 制冷机 （用于辐射屏） GM-JT 制冷机 （用于电流引线） 高温超导电流引线 杜瓦 辐射屏 氦容器 超导磁体
日本中部电力
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
2014电机工程学会年会
超导磁储能系统
内
一、引言 一、引言
容
二、超导磁储能的发展现状 二、超导磁储能的发展现状 三、超导磁储能相关技术课题 三、超导磁储能相关技术课题 四、结束语 四、结束语
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

抑制低频振荡
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

2、系统运行相关：与其他设备的协调控制

研究实例：与电池类储能协调作用
大扰动时配置 SMES
目标系统 稳定指标
小扰动时配置 蓄电池
+
多目标进化 算法
初次优化 综合优化
分别进行容量优化配置
两个Pareto 最优集的解
+
同一仿真 环境中
+ 经济性指标
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

1、系统运行相关：入网的规划与配置

超导装置的成本高昂，需要合理地规划与配置
SMES SMES SMES
规 划 与 配 置
位置优化

最佳节点 最佳线路
SMES
参数优化

SMES
最佳参数 最佳控制
例：无功功率的敏感节点 超导磁储能系统的接入点及其容量配置
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得到SMES-蓄电池最优容量
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

来自百度文库
3、系统运行相关：状态检测与控制

评估超导装置的运行状态并制定相应控制策略
Jc 电流密度J Hc 超导线的特性：与温度、磁场、电流限相关
Tc 温度T
磁场H
超导装置特性：与温度、磁场、电流限相关
例：超导磁体电感值随温度的变化
四、面临的挑战

发展超导磁储能系统的研究课题
并网运行：
电力系统的需求分析 应用方案及应用效果分析
电力系统 超导磁储能系统
监控系统：
系统控制策略与实现 各类参数的检测分析与应用
变流器：
大容量变流器拓扑结构 变流器控制策略与实现
电子器件：
大功率器件
超导磁体：
磁体电磁热力耦合优化 电流引线绝缘及导热优化 超导磁体失超保护技术 超导磁体制作工艺
不同磁体储能电流下的可输出功率
不同磁体温度下的可输出频率
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

4、装置本体相关：系统设计与研制的基础课题

超导磁体需要多场耦合、场路耦合的动态优化设计
J Ic T H F 导线应力特性 热损耗 x 导线失超传播
T
导线临界特性 发电机 输电线等效电感
启动、研制、完成了一些高温超导磁储能系统
主要技术参数 2.5MJ/20kW，液氦浸泡，YBCO，环形磁体 2.4GJ/100MVA/20K，YBCO，环形磁体 2.5kV/1MJ/1MW，高温超导 4.5kV/22MJ/10MW，高温超导 2.6MJ/14K，直接冷却，YBCO，环形 200kJ/160kW，环形结构 34.8kJ/13K，直接冷却，Bi-2223，单螺管 250V/35kJ/7kVA，高温超导 10.5kV/1MJ/25kVA，高温超导 2005年完成 2011年完成 状况
2
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超导磁储能
一、引言

电力系统面临的重大课题

电力安全已成为国家安全的重要内容 2003年“8·14”事故(美国-加拿大停电事故)

美国的8个州和加拿大的安大略、魁北克等省受到严重影响； 事故共计损失负荷6180万千瓦； 事故中共有超过100座电厂停机，其中包括22座核电站； 纽约市在停电29小时后才恢复供电
超导磁储能
一、引言

电能存储技术应对电网技术难题的预期
作用机理：按需调节能量；动态补偿功率
电场：平波、抑制振荡
系统：调峰、抑制振荡
用户：补偿电压、功率；备用电源

对电网安全的作用
提高系统稳定性、抑制低频振荡 平滑风电输出，减小出力波动对电网安全稳定性的影响； 提高风电的低电压穿越能力，增加电网安全运行裕度； 快速有功调节和无功控制，消除电压凹陷和凸起； 平稳负荷的母线电压，保证用户电压波形的平滑性； 作为备用和应急电源，提高供电可靠性，减小停电损失。
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
四、面临的挑战

综合判断：



超导磁储能的原理及诸多应用模式已得到验证 提高暂态稳定性、抑制低频振荡、改善电源品质 低温超导磁储能系统已达商品水平，但难以推广 成本、冷却技术、液氦资源 高温超导磁储能系统仍在发展阶段，面临挑战： 降低成本是根本的期望 面向应用仍存在基础性的技术课题 超导磁储能的直接和间接竞争对手发展迅速 超级电容器、飞轮储能 —— 响应快速 控制技术、柔性输电及电力电子技术
美国BPA：30MJ/10MW，低温超导 SMES
图 4.19 30MJ SMES 磁体 低温超导磁体
图 4.20 SMES 磁体的杜瓦及支撑 安置现场
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

提高系统稳定性 日本九州电力公司 ESK 3.6MJ/1MW、低温超导SMES

启动、研制、完成了一些高温超导磁储能系统

直接冷却高温超导磁储能系统
@华中科技大学（M-SMES）

35kJ / 7kW(863) 150kJ / 100kW(国网)
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
2014电机工程学会年会
超导磁储能系统
内
一、引言 一、引言
容
二、超导磁储能的发展现状 二、超导磁储能的发展现状 三、超导磁储能相关急速课题 三、超导磁储能相关急速课题 四、结束语 四、结束语
课题：
参数检测 状态评估 出力控制
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
三、技术课题

3、系统运行相关：状态检测与控制

研究实例：在线评估磁体状态确定输出功率
P2
PSMES_max(kW)
f 1>f 2>f 3
P1 T1 Initial Magnet Temperature, T0(K) T2

制冷量的技术经济性判据 × × 经济性指标
1 f ( Pcs )
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超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
技术性指标
1 t g(Tmax Tsteady )
超导磁储能
三、技术课题

5、装置本体相关：性能检测规范化

需要确定规范的检测程序与方法
绝缘性能 输出特性 稳定裕度
通流能力

研究实例：超导磁储能的实验项目
超导磁储能
二、发展现状

低温超导磁储能系统及其应用模式已得到验证

分散布局SMES
WPS Northern Loop (No. Wisconsin) SMES SMES SMES
SMES
100 miles
SMES SMES
超导磁储能的发展现状及其面临的挑战
超导磁储能
二、发展现状

美国 日本 日本中部电力 法国EC 韩国 德国 波兰 中国华中科技大学 中国电工研究所 中国华中科技大学 北京电科院