关于超导储能技术论文

超导储能技术及其应用简介
于治广1043031386
电气信息学院2010级17班
摘要:近年来，由于超导储能技术的发展，以及其在很多方面的优点，其在电气工程中的重要性越来越明显。

文章阐述了超导储能技术的基本原理，以及其技术优势，对超导储能技术在电力系统中的应用做了一些简要介绍，智能电网中超导储能应用。

关键词:超导储能;智能电网;电力系统;电能质量
Introduction of Superconducting Magnetic Energy
Storage Technology
Yu Zhiguang ,School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University Abstract: In recent years, with the development of SMES(superconducting magnetic energy storage ) technology and its advantages in many respects, it is the importance of electrical engineering has become increasingly apparent. Article explains the basic principles of Superconducting magnetic energy storage technology and its technical advantages, made a brief introduction of the superconducting energy storage technologies in power system applications, and finally introduced it in
the smart grid in the application.
Key Words: SMES, Smart grid,Power systems, Power Quality
20世纪70年代初期第一次石油危机爆发，于是节约能源、新能源的成了当时科学界很时髦的话题，超导储能（SMES）的概念就产生此背景下，人们提出了利用SMES来调节电力系统的日负荷曲线。

90年代初以来，随着电力系统的不断发展，电力市场对能量管理系统提出来更高的技术要求，超导储能以其快速吸收释放能量的功能，被寄予了新的希望。

SMES作为能量管理系统，可以承担起提高电力系统稳定性和可靠性，还可以改善工业用户的电力质量。

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。

1.超导储能的基本原理
SMES的基本原理是对超导电感线圈通以直流电流从而将能量储存于线圈的磁场中，其储存在超导电感线圈中的能量可以表示为（其中E 是储存在线圈中的能量；L 为线圈电感；I 为线圈电流）。

如果储能线圈是由常规导线绕制而成，那么线圈所储存的磁能将以热的方式损耗在导线的电阻上。

由于超导体的直流电阻为零，其电流密度仅受临界值的限制，可比普通铜导线高两个数量级，所以超导线圈具有很高的储能密度且其储存的能量可永久不衰减，直到需要释放时为止。

既然超导储能线圈是一种直流元件，而SMES在电力系统中的应用却是面向交流电网的，那么在交直流的界面就需要一种功率变换装置，这种功率变换装置通常是可控固态交流/直流AC/DC 变换器。

其中包括超导储能磁体及多低温容器、连接超导磁体和室温电缆的电流引线，以及功率调节装置（AC/DC变换器）等。

另外，SMES系统的辅助设备还有超导磁体的低温制冷系统。

系统的基本结构如图1-1。

图1-1 SMES系统的基本原理
1.1超导线圈
SMES系统的核心是超导线圈。

SMES有两种结构，螺线结构和环形结构。

线圈有高温超导储能线圈和低温超导线圈，目前由于技术局限，SMES线圈主要还是指运行在液态氦（4.2K）或超流态氦（1.8K）温度下的低温超导线圈。

对于较大的SMES系统，选用超流态氦更为经济，冷却效果也很好。

图1-2位超导磁体结构图，图1-3为1 MJ高温超导储能线圈。

图1-2 磁体结构图1-3 1MJ高温超导储能线圈
1.2功率调节器
SMES在电力系统中的应用大多是面向交流电网的，所以交直流的界面就需要一种功率变换装置。

SMES系统的功率调节器一般有两种，电流源型变流器（CSC）和电压源型变流器（VSC）。

图1-4为CSC型SMES结构框图。

图1-4 电流型图1-5 电压型
电压源型变流器，如图1-5，电压源型变流器的主电路结构的特点是采用电容作为直流侧电压的支撑元件，在电容与SMES 线圈之间用一个斩波器来控制电容上的电压。

电压源型SMES 装置的优点是可以较容易地实现电压的有源滤波功能，其控制理论比较成熟；然而同电流源型的SMES装置相比，它的缺点是无功的调节能力较低，而且，超导线圈工作在脉冲电压下，交流损耗较大。

2.超导储能的优势
SMES装置是利用超导线制成的线圈将交流电网供电励磁所产生的磁场能量储存起来。

在需要时再将储存的能量送回交流电网或用作它用。

SMES 系统一般在超导线圈内储存一
定的能量(最大储存电能的25 %～75 %)，然后根据系统需求来控制功率调节系统实现SMES 与系统的有功、无功交换。

表2-1 主要储能装置性能比较
由上表可以看出，超导磁储能在储能效率、响应时间上均具有一定的优势。

同时，SMES 储能持续时间范围较大，可以在较大范围内对能量释放速度进行控制，这位满足电力系统的不同需求提供了有力的条件。

具体地讲，SMES 具有以下优点：(1) 超导磁体储能不经过其他形式的能量转换，可以长期无损耗地储存能量，其返回效率高达95 %；(2) SMES 能与系统快速独立地在四象限内进行有功和无功功率交换；(3) SMES 功率调节系统采用灵活的现代电力电子装置,其响应
速度很快(几毫秒至几十毫秒) ；(4) SMES 除真空和制冷系统外没有转动部分，故装置寿
命长；(5) SMES 的建造不受地点限制，且维护简单、污染小。

3.超导储能在电力系统中的应用
SMES装置作为FACTS家族中重要一员，能为高压输电系统提供快速响应容量，提高系统稳定性、提高输电线路输送功率极限，抑制频率和电压波动、改善电能质量。

如果将SMES线圈与现有的柔性交流输电装置相结合，可有效降低变流单元的费用，这部分费用在整个SMES成本中占最大份额，对输配电应用而言，微型和中型SMES系统可能更为经济。

使用高温超导体能有效降低储能系统对低温和制冷的要求，使SMES的成本进一步降低。

目前，国内外有许多SMES工程正在进行或者处于研制阶段。

3.1 超导储能提高电力系统稳定性
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、继电保护和其它自动控制装置，基本属于被动致稳，已远不能适应具有上述特点的电力系统的发展。

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。

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SSR ( SubSynchronous Resonance) 和次同步振荡SSO ( SubSynchronousOscillation) 。

随着电网互联、远距离大容量交直流输电在电力系统中的应用和电力负荷的持续增长，电网的无功和电压问题越来越突出。

由以上对意大利大停电和美加大停电事故的分析可以看出,电压不稳定是造成停电事故的主要原因之一。

SMES 在调控有功功率的同时，还能灵活
地调控无功功率，可以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。

SMES 的引入，彻底改变了传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率手段的状况，形成了主动致稳的新思想,有效提高了电力系统运行的稳定性和可靠性。

3.2 系统备用和紧急备用电源
SMES 高性能的储能特性可用来储存应急的备用电力，作为系统备用容量以提高发电机的利用率，为电网的安全稳定运行提供可靠的保障，或用作敏感负载和重要设备的不间断电源。

3.3 改善电能品质
在配电网中或用户侧，SMES可以通过快速的有功、无功补偿改善供电品质。

由于电力技术的发展，长时间电力中断事故发生几率较小，而瞬态电力故障如电压骤降/ 升、闪变等瞬间断电日渐突出，对许多电能质量要求高的工业用户危害极大, 造成大量产品的次品率。

由于超导储能系统具有响应速度快、功率密度大的优势，它对瞬态电能质量故障问题能起到很好的改善作用。

3.4 分布式能源
将SMES 应用于风力发电、太阳能发电等分布式发电系统，利用其高效储能和快速响应特性，可以提高系统的发电效率并平滑发电系统的输出,有效改善可再生能源发电系统的技术经济性能。

4.智能电网中的SMES
发展智能电网的主要目的就是解决新能源发电的接入问题。

世界上各个国家都在积极研究并尝试应用新能源进行发电，但是随着新能源发电并入电网，传输系统由单向潮流向双向潮流转变，再加上新能源发电的不稳定性，将导致配电系统节点电压波动不止，甚至偏移极限范围。

随着电力电子技术的发展，新能源并网发电成为可能。

新能源发电主要指风能、太阳能、潮汐能等，受地理环境的影响很大，具有明显的间歇性和不连续性。

这种不连续性将会使得发电系统输出的功率不稳定，快速频繁的功率变化将会导致节点电压不断波动，甚至导致无功调节装置频繁动作。

导致电能质量下降和系统装置的使用寿命。

当在配电网中加入SMES装置后, 因为SMES装置具有非常快捷的功率调节功能，可以补偿电压跌落、调节电力系统因数等功能。

当含有SMES装置的新能源发电系统正常工作时，可为系统提供有功、无功的补偿，以平滑节点电压的波动。

同时可以吸收多余电能，系统电能不足时可以为系统提供功率支撑。

当配电网端发生故障时，可以抑制发电机端电压的跌落，提高供电的可靠性。

SMES装置的接入不仅提高了资源利用率，也提高了电网的兼容性和可靠性，为智能电网的发展起到了推动作用。

5.结束语
近年来超导储能技术在超导电力技术领域展现出来了很大的市场潜能，现在已经有很多套的Micro-SMES系统投入了商业运行，他们在电力系统中占据的地位将越来越重要。

但是我们也看到了超导储能技术在很多方面还需要突破，在政策的引导与投资方的共同支持下，超导材料、高温低温超导技术的发展还需要加快步伐。

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