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。
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，这二极管可置于低温容器内，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。
3.2 冷却系统 低温冷却装置由不锈钢制冷器、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; 真空装置; 压力 过高时的安全阀;备用氦罐和冷却箱。
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。
内部分段并联电阻原理图
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。电阻可以安置在低温容器内, 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。
在高温超导线材方面, 美国、日本等发 达国家已制造出50 m～ 1 km 的B i 系超导线 材, 并具有制造J C> 20 kA ö cm 2、交流损耗 < 3W ö(kA · )、线长> 1 km 的B i 系超导线 m 材的能力。由于高温超导线材价格昂贵,所以 在高温超导磁体的设计中,总是力求降低高温 超导线材的用量,以降低磁体成本。在设计中 就力求减小磁体体积，减小杂散场对环境的 影响。
（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 导储能装置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，超导储能装置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
整个检测电路分为三组桥路：桥1为主 桥，负责检测整个磁体，因此覆盖所有双桥， 叫2为局部焦炉检测，负责检测钱一般的双饼 的失超情况，由于可能因为发生对称失超， 前两个桥路均不能检测出来，所以增加了桥3， 在磁体发生对称失超时获取失超信号。这样 既可以更为精确地检测到局部失超，又可避 免遗漏检测桥路对称失超。
4、总结 SM ES 装置以其高效性、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。它将和其他电力装置一起, 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。
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
为了精确地检测磁体局部失超，可采用 如下所示电路。
（4）、超导储能装置除了真空和制冷系统外没 有转动磨损部分，因此装置使用寿命长。 （5）、超导储能装置可不受地点限制，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 导储能装置中的储能元件，其储存的能量可 由下式表示： ESMES=0.5LI2 式中，ESMES 为电磁能，J;L 为超导线圈电感， H;I为超导线圈电流。
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 定出原始失超位置。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。
电压源型变流器
为电压源型变流器的基本电路拓扑, 它主 要由电压源型变换器和DC/DC 斩波器构成。 配合图中变流器的DC/DC 斩波器对超导线圈 电流的斩波, 同时调节电压源型变换器对AC 电网输出电压的幅值和相位, 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。
3.4 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)。
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
桥式电路的误差应低于0.5%。它较之匝 间电压检测要方便且易实现, 不需要安装电压 传感器。但是桥式电路同样存在噪声干扰的 问题, 而且, 对于交流电路, 外接电阻会消耗一 部分能量。
而有源功率检测法可以很好地解决这些 问题。它对交流和直流电路同样适用, 且不受 噪声的影响。图中,L1=L2 ,R1 和R2为两半绕 组失超后产生的电阻。定义：P=(u1-u2)i。
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பைடு நூலகம்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。
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
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。
未失超时, R1和R2均为零, 故P值也为零。 失超后, P=(R1-R2)i2, 即除了R1= R2的情况, 失超均可通过P值检测到。R1= R2是极其罕见 的特殊情况, 通常可不予考虑。监测时, P的 信号里常伴有噪声, 例如电磁噪声。可附加一 个低通滤波器(LPF)以排除噪声干扰。整个检 测系统的原理框间下图。
超导电磁储能
1、简介
超导电磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage ,SMES)装置（简 称超导储能装置），是利用超导线圈将电能 直接以电磁能的形式储存起来，在需要的时 再将电能输出给负载的储能装置。
2、超导储能装置的有点
（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，而出 电池储能重复次数一般在千次一下。