超导储能系统：提高能源效率的先进技术

1.超导储能系统结构和基本工作原理

图3-50所示为是超导储能系统的基本结构。超导储能（Superconducting Magentic Energy Store，SMES）的提出始于20世纪70年代初石油危机时期，当时只是企图利用SMES在一定的发电设备容量下，平衡电力系统高峰负载和低谷负载的供电，目的是满足高峰负载用电需求，低谷负载时发电机又满载运行，提高发电效率、节约能源。

图3-50 SMES基本系统结构

从减少发电设备装机容量及其自身的成本考虑，由于电力系统容量已经很大，用于负载峰-谷期的SMES工作时间又长，SMES的储能量要求很大，早期超导储能研究的重点在于力图设计开发出储能量在5000MW·h以上的超导电感线圈。以螺线管结构超导线圈为例，储能量为5000MW·h的超导线圈直径大约为1000m，如此庞大的超导线圈不仅比当时的设计制造能力大几个数量级，而且比现在最大的超导线圈还大几十倍。因此，在20世纪70、80年代甚至90年代初，SMES在人们心目中仍是一个可望而不可即的概念。

超导储能实用技术研究始于20世纪90年代初，超导储能所储存的是电磁能，其特点是利用电力电子变换器使电网和超导线圈之间电磁能量交换，向电网输出或从电网吸收的都是电磁功率。与其他形式的储能，如蓄电池储能、压缩空气储能、抽水储能（水位势能）和飞轮惯性动能储能（机械动能）等相比较超导储能有许多明显的优点：储能损耗极小，与交流电网之间的能量交换可以采用电力电子开关电路高效率的实现，能量转换效率高达90%以上（电池储能和抽水储能效率仅70%～75%），且响应速度可快至几个至几十毫秒。此外，超导储能装置还具有调控容易，建造不受地点限制，维护方便以及无污染等优点。

由于超导储能系统与电网的接口是一个双向电力电子变换器（见图3-50），直流侧等效为一个可控的直流电源或直流负载，变流器的交流侧可输出或输入与电网频率同步的电压、电流且幅值、相位均可控的三相交流电，波形也可调控，它可与电网交换可控的有功和无功功率（功率大小、流向均可调控），因此SMES不仅可作为独立的有功和无功电源，或者有功、无功负载，还可作为带直流电源的多种类型的电力电子补偿控制器，即使其储能容量不是很大，也能显著地提高电力系统运行稳定性，改善电力系统电能质量。

SMES系统的AC⇆DC功率变换和调节器一般有两种AC-DC主电路拓扑，图3-51所示为GTO电流源型变流器（Current Source Converter，CSC）和图3-52所示为IGBT电压源型变流器（Voltage Source Converter，VSC）。图中CSC和VSC均可使有功功率在电网和SMES线圈之间双向流动，双向变流器既可向电网输出无功又可从电网输入无功，并且有功、无功相互独立可控。为了减小SMES系统对电网造成的谐波污染，SMES的AC-DC功率调节器的调控策略一般都采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，主电路则采用多个单元变流电路组合成多重化的变流系统。

对图3-51中的6个开关器件依序进行实时、适式的通、断控制，可以控制图3-51中电流源变流器向电网交流电源流出的电流i_A、i_B、i_C幅值和相对于电网电压V_sA、V_sB、V_sC的相位，因而能控制变流器从电网吸取或反送回电网的有功功率P和无功功率Q。当电力系统负载功率较小时，可使电网流入变流器的有功功率P为正值，变流器将交流功率P整流为直流功率对超导线圈充电，I_sc增大，将功率为P的交流电能变为磁能存储在超导线圈中。当电力系统负载功率超过发电机发电容量时可控制电网流入变流器的有功功率P为负值，则超导线圈向电网输出有功功率，这时变流器运行在逆变工况，将超导线圈的磁能从直流侧的直流电功率逆变为交流电功率送回电网。同样，图3-52所示的三相桥电压源型变流器，在高频整流工况运行时，将从电网取得的交流电功率P变为直流功率，再通过后级的直流斩波电路，用直流功率对超导线圈充磁，使I_sc加大，将电网输入的交流电能变为磁能存储起来。当变流器在逆变状态运行时，由斩波电路将超导线圈的磁能变为直流电能再经三相桥电压源变流器逆变为交流电返送回电网。

图3-51 采用GTO的电流源型变流器（CSC）SMES系统原理图

图3-52 采用IGBT的电压源型SMES系统原理图

因此，无论是电流源型变流器还是电压源型变流器都可用于在电网和超导线圈之间交换有功功率，向电网发出或吸收可控的无功功率。

SMES除了用于平衡大电力系统的高峰负载和低谷负载外，还可用于海岛供电系统。由于海岛与大陆联网造价高，一般用柴油发电机或用燃气轮机独立发电或用风力发电机、太阳能发电站独立发电，SMES可参与平衡负载用电。SMES还可用作太阳能发电系统、风力发电的储能环节，风力发电和太阳能发电的随机不稳定性输出给配电网带来的诸多问题都可通过与SMES并网运行得到较好的解决。在这类应用中，SMES所需容量可大可小，一般都不需很大。

2.电流源型SMES电力电子变换器

图3-53a示出了采用门极关断晶闸管GTO作为主开关器件的电流源型变流器SMES装置电路结构。它由电流源型变流器、超导磁体线圈和超导磁体保护器三部分组成，图中VT₇用于I_sc续流（短接超导线圈防止断路过电压），VT₈、R提供放电支路，正常运行时VT₇、VT₈应关断。当三相桥变流器在整流工况运行时，V_PN=V_P-V_N>0，P点电位高于N点，交流电网向SMES供电，对超导线圈充电，i_d=I_sc上升，磁场储能增加，反之当三相桥变流器逆变工况运行时，电压V_PN反向，V_NP=V_N-V_P<0，V_N>V_P，i_d、I_sc方向不变，而超导线圈向三相变流器输出直流功率V_NPi_d=V_NPI_sc，I_sc减小，将磁能变电能返送回电网。图3-53b为电流源型SMES装置与电网系统的连接图，SMES经升压变压器与电网相连，根据电网对功率的需求，SMES装置向电网输出或从电网输入与电网同步的且相位和幅值均可迅速调控的三相基频正弦波电流，向电网输出或从电网输入数值可控的有功和无功功率。

图3-53a中SMES向电网输出的相电流可能是一个幅值为I_m，脉宽为θ的单脉波，也可能是一个幅值为I_m的PWM电流脉波或SPWM脉波。由于采用GTO作开关器件，开关频率一般不可能很高，SMES的容量又较大，通常一个SMES中都由多个三相或单相基本单元电路组合而成，即使每个基本的单元电路的输出仅是单脉波，但可通过多个单元电路的级联、多重化技术和适当的LC高频滤波电路，也可使SMES中向电网输出的交流电流波形接近正弦波。

电网电压为

如果SMES单元电路向电网输出的相电流i_A、i_B、i_C为幅值为I_sc、脉宽为θ的单脉波，则相电流i_A、i_B、i_C的基波分量i_A1、i_B1、i_C1为：

式中，φ₁为输出电流基波i_A1滞后电网电压v_SA的相位角；I_sc为SMES线圈电流；I为基波电流i_A1的有效值，即

图3-53c画出了三相桥电流源型变流器交流侧A相电压v_A、变流器向电网输出的A相基波电流i_A1以及变流器从A点输出的脉宽为θ，幅值为I_sc的方波电流KCDP。

图3-53a和图3-53c中在K点开通VT₁时，I_sc经由VT₁形成正值i_A=i_d=I_sc，VT₁的开通点K对O点触发延迟角为α₁，VT₁导电θ角以后，若在图中的P点关断VT₁，则在i_A的正半周导电的θ期间i_A=I_sc为方波KCDP；然后在负半周，若在J点开通VT₄，则-i_A经VT₄流经超导线圈，即i_A=-I_sc，VT₄导电历时θ角后，在H点关断VT₄，负半周电流-i_A为图中的JEFH波形。图3-53c中幅值为I_sc、脉宽为θ的单脉波电流i_A（KCDP）的基波i_A1的起点B较电网电压v_A的起点O滞后功率因数角φ₁，图中方波KCDP的起点K的相位比的零点（起点）滞后角是α₁。图3-53c中，脉宽θ的中点为E，KE=EP=θ/2，在E点处正弦基波电流i_A1有最大值，A点处为v_A最大值，则AE=OB=φ₁，KA=θ/2-φ₁，BK=BE-KE=90°-θ/2。

由图3-53c可知，VT₁的开通延迟角为

图3-53 电流源型SMES基本电路结构波形图

在图3-53c中的P点关断VT₁，关断角为

β₁=α₁+θ=90°+θ/2+φ₁ （3-70B）

VT₄的开通延时角为α₄=α₁+180°。

VT₄的关断角为β₄=α₄+θ=α₁+θ+180°=β₁+180°。

因此，检测电网电压v_A的过零点，触发延时α₁（90°-θ/2+φ₁）后，在K点开通A相的开关管VT₁，经历导电期θ角，在P点关断VT₁。只要从VT₁的开通和关断时间点推迟180°再去开通和关断VT₄，即在J点和H点开通、关断VT₄，则可得到基波电流i_A的负半波，由此即可由式（3-68）和式（3-69）得到基波幅值为2I、相位滞后V·_Aφ₁的A相基波电流i_A1。SMES向电网输出的有功功率P和无功功率Q为

式中， （3-74）

式（3-72）、式（3-73）中，P为正表示向电网输出有功功率，P为负时表明电网向SMES输出有功功率。Q为正表示SMES向电网输出感性（滞后）无功功率（φ₁为SMES输出电流I·滞后电网电压的相角），Q为负表明SMES向电网输出容性（超前）无功功率，或SMES从电网输入感性（滞后）无功功率。由φ₁=α₁+θ/2-90°可知，改变GTO延迟开通角α₁即可改变φ₁，控制SMES向电网输出或从电网输入的有功功率及无功功率的大小。此外，在α₁角一定时，改变脉宽θ也可调控P、Q值，P、Q还与超导线圈电流I_SC有关。

由式（3-72）、式（3-73）、式（3-70）可得到

功率因数角为

φ₁=arctanQ/P

G₁的触发延迟角为

G₁的关断角为

(www.xing528.com)

图3-53a中VT₁、VT₂、VT₃、VT₄、VT₅、VT₆、VT₁的开通和关断角依序滞后（相差）60°。已知运行要求的指令值P∗、Q∗，按所需的触发延迟角α、关断角β依序开通、关断6个GTO，即可使实际运行的P、Q跟踪指令值：P=P∗、Q=Q∗。

当SMES装置与电网之间交换有功功率时，超导线圈的电流I_sc和磁能E=L_scI²_sc/2将发生变化，由于超导线圈中存储的磁能有限，SMES装置不可能长时间地放电，但却能在短期快速地提供巨大的功率与电网交换、适应电网短时快响应大功率变化的需求，所以储能容量不大的SMES也既能适合于无功功率的调控，又适宜周期性脉动或振荡的有功功率调节。

在图3-53a中当I_sc减小时，超导线圈两端的电势为

E_sc=-L_sc dI_sc/dt （3-77）

超导线圈输出的功率为P_sc=I_scE_sc=-I_scL_sc dI_sc/dt，忽略变流器损耗，超导线圈输出的功率P_sc应与SMES向电网输出的功率P相等，即P=P_sc，由此得到

|P|=I_scL_sc|dI_sc/dt| （3-78）

|dI_sc/dt|越大，则|P|也越大。

超导磁体在超导状态下，由于超导材料本身性能的限制，超导磁体存在一个定值的临界磁场、临界电流、临界温度以及I_sc上升时的临界励磁速度或I_sc下降时临界的退磁速度的上限，如果超过上限值，磁体将会失去其超导性能，这就使得超导磁体运行中SMES与电网交换的输出或输入有功功率P有一个极限值，若超导线圈的额定电流为I∗，额定励磁速度为|di/dt|∗，则SMES装置与电网交换的最大功率应限于：

P_max≤I∗L_sc|di/dt|∗ （3-79）

利用SMES装置调节电网的有功与无功功率，除要求SMES装置除具有较大的功率容量之外还要求有较低的交流输出电压谐波。对于较大容量的SMES变流器来讲，目前电流源型变流器大多选用GTO作开关器件，GTO器件的开关损耗较大，为了减小开关损耗并确保器件的安全运行，GTO的工作频率通常都选在300Hz以下，所以对变流器输出谐波的抑制还不能单纯地依靠PWM方法。变流器多重化和低频PWM技术相结合是扩大装置功率容量和减小谐波的一个有效技术途径。图3-54示出了一种采用GTO作开关器件的电流源型SMES装置多重化电路结构，图中V_sA、V_sB和V_sC为电网三相电压，SMES装置与电网之间等效串联电感为L₁，超导磁体的电感为L_sc，整个SMES装置由m个并联的移相PWM控制的三相桥式电流源型变流器G₁₁、G₂₁、…、G_N1组成，每个变流器的直流测串有平波、均流电感L₂，L₂的使用便于控制各个变流器的均流运行，使每个变流器承担I_sc/N超导线圈电流。若SMES装置总的有功和无功指令为P∗和Q∗，则对每一个变流器的功率指令都是P∗/N、Q∗/N。将各个单元变流器中各个开关的开通，关断相位依序设置一个合适的移相角，使各个单元变流器的输出电流错开一个移相角，可使叠加形成的输出电流基波成倍增大，而低次谐波相互抵消。这种移相、多重化PWM技术已经被广泛应用到实际变流装置并获得了良好的效果。

图3-54 m重化电流型SMES装置主电路

3.电压源型SMES电力电子变换器

图3-55示出了电压源型SMES电路结构图和其控制原理框图。图中V_sA为电网电压，V_rA为变流器交流侧电压，L为输出电感，X=ωL，C不大，仅对高次谐波起作用。图中采用IG_- BT的三相桥式电压型AC↔DC双向变流器，经过LC滤波器接交流电网，直流侧接一个电容，再经一个两象限（L_sc的两端电压V_EF可正、可负，电流I_sc方向不变，V_D的极性（方向）不变，I_D可正可负）DC-DC电压变换器VT₇（VD₇）、VT₈（VD₈）接超导线圈L_sc。

1）当交流电网负载不足、发电机有功功率过剩时，令三相桥式电压型变流器工作在高频整流工作情况，其输出的直流电压V_PN=V_D（电容C电压）为正值，V_P>V_N。三相变流器从交流电网输入交流电能，整流成直流电能，这时DC-DC变换器在一个开关周期T_S的T_on（T_on=DT_S，D为占空比）期间，令VT₇、VT₈导通，直流电压V_D加在超导线圈上，电流i_D对超导线圈供电，v_EF=V_D，超导线圈电流I_sc和储能增加。在DC-DC变换器一个开关周期T_S的剩余时间T_off=T_S-T_on=（1-D）T_S期间，令VT₇阻断，仅VT₈导通，超导线圈电流I_sc经VT₈、VD₇续流，超导线圈端电压v_EF为零。在DC-DC变换器一个开关周期T_S中，L_sc两端直流平均电压V_EF=（T_on/T_S）V_D=DV_D，超导线圈输入的功率平均值为P_DC=V_EFI_sc，这时电网向三相桥变流器输出交流有功功率，三相桥工作在整流状态，DC-DC变换器和超导线圈接收直流功率，图3-55中V_PN为正值，i_D为正值。如果忽略各开关器件和电感、电容功率损耗，超导线圈电感很大以致其电流I_sc在一个开关周期T_S中的脉动可忽略不计，i_D的直流平均值为I_D，则变流器从交流电网输入的交流功率P_AC应等于三相桥式变流器整流输出的直流功率V_DI_D，交流电网输出的交流功率P_AC应等于超导线圈接收的直流功率P_DC，即

P_AC=V_DI_D=I_scV_EF=I_scVDT_on/T_S=DI_scV_D=P_DC （3-80）

VT₇、VT₈同时导电的占空比为

图3-55 电压源型超导磁体储能系统的电力电子变换电路

在V_D一定时，根据所要求的从交流电网输入功率指令值P_A∗_C和检测到的实际I_sc，由式（3-81）即可确定DC-DC变换器开关器件VT₇、VT₈同时导通的占空比D，形成DC-DC变换器VT₇、VT₈的PWM驱动信号，使交流电网输入功率为指令值，超导线圈增加磁能储存。这时，三相桥变流器处于整流状态。在图3-55b所示控制系统框图中，根据所要求输入交流有功功率指令值P_A∗_C和无功功率指令值Q_A∗_C的大小，以及交流电源电压的大小，首先计算出无功电流指令I_q∗=Q_A∗_C/V_s和有功电流指令I_d∗_p=P_A∗_C/V_s。为了使系统在一定得直流电压指令V_D∗下稳定运行，图3-55b中设置了直流电压V_D闭环反馈控制环，将差值ΔV_D=V_D∗-V_D经PI调节器后输出的ΔI_P与I_d∗_p相加，得到三相变流器有功电流指令值I_d∗，再由式（2-101）求得三相变流器输出指令值V_r∗的有功分量V_r∗_d和无功分量V_r∗_q，再求出三相桥变流器所应输出的交流电压指令值的幅值V_R∗和与之间的相位角δ∗。按SPWM控制原理，确定三相桥式变流器六个开关器件VT₁～VT₆的驱动信号或按空间电压矢量SVPWM控制原理对6个开关器件进行通断控制，使交流侧产生三相交流电压矢量，与电源电压之差形成交流电流，与形成的功率跟踪指令值P_A∗_C、Q_A∗_C。

2）当交流电网负载过大，发电机有功功率不够时，应使三相桥式电压型变流器工作在逆变状态，向交流电网输出有功功率。这时DC-DC变换器将超导线圈的磁能变为直流电能，再经三相桥逆变器变为交流电，向交流电网输出有功功率。超导线圈输出功率时，其磁能减少，其电流I_sc方向不变但数值减小，dI_sc/dt为负值，使V_EF=V_E-V_F变为负值。V_FE=V_F-V_E>0为正值，这时三相桥电压源变流器应在逆变工况运行，将直流功率V_D|I_D|变为交流功率返送回电网。由于电容C两端电压V_D方向不变，这时直流电流i_D（I_D）方向为负。在整个开关周期T_S中VT₇都应阻断，对VT₈进行PWM控制。在一个开关周期T_S中的T′_on=D′T_S（D′=T′_on/T_S）期间，VT₇阻断令VT₈导通，超导线圈电流I_sc经VT₈、VD₇续流，v_EF=0，在一个开关周期T_S随后的剩余时期T′_off=T_S-T′_on=（1-D′）T_S期间，令VT₇、VT₈都不导通，超导线圈电流I_sc经VD₈、VD₇输出电流（图3-55中i_D、I_D反向），这时超导线圈端电压V_FE=V_D。所以在一个开关周期T_S中，超导线圈两端的平均直流电压V_FE=（1-D′）T_SV_D/T_S=（1-D′）V_D，超导线圈的平均输出功率为

P_DC=V_FEI_sc=（1-D′）V_DI_sc=P_AC （3-83）

D′=1-P_AC/V_DI_sc （3-84）

根据一定的V_D值和检测到的I_sc，即可由交流电网所需的功率P_AC按式（3-84）确定占空比D′，确定VT₈导通的PWM驱动信号（VT₇在整个周期T_S中都被阻断）。同时也可由交流电网所需的P_AC和Q_AC以及交流电源电压V_s的大小，由图3-55b得到三相桥逆变器所应输出的电压V·_r和相位角δ的指令值，再按SPWM控制原理确定逆变器的6个开关器件的驱动信号或按空间电压矢量SVPWM控制原理对6个开关器件进行通断控制。因此，只要根据交流功率P_A∗_C、Q_A∗_C、直流电压指令值V_D∗以及超导线圈电流检测值I_sc，对三相桥变换器和DC_- DC变换器进行实时、适式地协调控制，就能使图3-58的SMES装置与电网之间实现有功和无功功率双向传送。

由于SMES中变流功率很大，其中的电压源型AC⇌DC双向变流器要扩大容量、提高电压，但既不希望变流器的开关频率过高，又要求输出电压波形好（谐波含量少），为此，通常也采用多重化移相AC⇌DC电压源型组合变流器。电压源型SMES变流系统中的DC-DC双向两象限斩波器，也常采用多重化直流斩波器。图3-56示出了一个N重化移相斩波器电路原理图。图中在直流侧电容C与超导线圈L_sc之间接有1、2、…、N个移相的两象限斩波电路。图中第一个斩波器VT₁₇、VD₁₇、VT₁₈、VD₁₈在P₁、N₁端经均流电感L₁与超导线圈L_sc相连，输出电流i₁，第N个斩波器VT_N7、VD_N7、VT_N8、VD_N8在P_N、N_N端经均流电感L_n与超导线圈L_sc相连，输出电流i_N。第一、第二…第N个斩波器的驱动信号依序有一个相移角，因而i₁、i₂、…、i_N波形相同，但依序有一个相移角，由于图中总的直流电流等于i₁、i₂、…、iN之和，而i₁、i₂、…、iN的波形依序有一个适当的相移角，因此电流、电压i_D、i_DC、VD的脉动频率成倍增大，脉动量减小，这就可使斩波器在不太高的开关频率下工作，又显著地稳定了V_D的数值，改善了电压源变流器交流端电压波形和系统的运行特性。

20世纪末，美国曾设计了一个5000MW·h的SMES装置，它由10个100MW的变流器组成，10个100MW的变流器共同将电网和超导线圈连接起来（总容量1000MW），每个100MW的变流器又由移相多重化的变流单元构成。表3-1给出了该SMES装置的设计参数，图3-57画出了该变流系统的示意图。5个100MW的变流器并联运行对串联的线圈1、2供电，另5个100MW的变流器并联对串联的线圈3、4供电。每个变流器电压范围从2.5kV到8.33kV，电流从12kA到40kA。图3-57中每个100MW的变流器都由一个12相GTO变流器和一个带抽头的变压器构成，带抽头的变压器在线圈增磁时（AC-DC整流变换）调高12相变换器的交流输入电压，在线圈减磁时（DC-AC逆变变换）调低12相变换器的交流输出电压。每个12相变流器由两个并联连接的三相桥变流器组成，通过一个Y-Y/D联结的三相三绕组变压器供电（类似图4-7a结构），两个三相桥的Y、D绕组电压有60°/2=30°的相移，构成12相变流器。

电压源型和电流源型变换器用于SMES时各有优缺点，由于超导线圈是个大电感，I_sc在工作时一个开关周期中可认为是恒定的，因此SMES中采用电流源型AC-DC变流器似为可取，但高压、大容量、多重化的电压源型变流器控制技术更为成熟，而且成本也较低，运行也可靠，许多专业人士也同样看好电压源型变流器在SMES中的应用。

图3-56 N重化移相两象限斩波器电路原理图

表3-1 5000MW·hSMES装置设计参数

图3-57 线圈层和变流器模块示意图

4.中小型储能的SMES应用功能

一个5000MW·h的SMES装置，若用于每天的电力系统负载功率平衡，假若每天用电高峰和低谷的时间各为8h，则SMES与电网间交换的有功功率也不可能超过625MW，这对一个实际的百万千瓦容量的电力系统需求也并不充裕。而一个5000MW·h的SMES能用于实际电力系统的运行，可能还要经历一段相当长的研发阶段，因为20世纪90年代设计和计划的有些大容量SMES项目，至今由于各种原因似已停顿。

20世纪90年代后，随着电力系统及电力市场化趋势的不断发展及用户对电力质量要求的提高，人们迫切需要开发出电力传输及分配的能量管理系统，以保证电力系统运行的稳定性、可靠性及供电质量。超导储能系统以其能快速吸收和释放能量的功能，不再被看成是电力系统长时间段（如日、夜间）发电、用电功率平衡单纯的能量存储装置，它被人们赋予能量管理系统中一个全新的角色，这时的SMES系统更确切的说是超导能量管理系统（Super-conducting Energy Management System，SEMS），如果仅从保证供电质量和系统稳定性功能考虑，而不要求满足很长时段电力系统功率平衡功能，则对SMES的容量要求就小得多，只要求开发容量不很大的SMES装置。

作为能量管理系统，超导储能装置既可用于提高电网的稳定性和可靠性，又可用于改善工业用户的电力质量。用于提高电网的稳定性和可靠性的中型SMES系统的储能量一般为兆瓦时（MW·h）数量级，这意味着SMES在技术及市场可行性方面朝前迈进了一大步，而用于改善工业用户的电力质量的储能量为兆焦（MJ）数量级的小型或微型超导储能（Micro_- SMES）系统现在已经开始进入市场。这种中小型储能的SMES应用功能是：

（1）在柔性交流输电系统中应用SMES提高电力系统稳定性

由于SMES系统对有功和无功功率需求的响应速度很快，它具有以较小的储能量能短时输出大功率的特点。在电网出现瞬态故障时，SMES系统可迅速反应，通过对功率的大量吸收或释放，在较短的扰动期阶段给电网提供电压及频率的强力支持，以保证电网的动态稳定性。对于发电机的突然故障，SMES的迅速响应可以避免电网的频率失控。SMES系统在改善电网稳定性方面的作用还包括无功补偿、抑制次同步振荡、补偿电压波动和支撑负载电压等。以美国Babcook&Wilcok公司1997年开发成功的0.5MW·h/40MW超导储能装置为例，该装置的功能包括在发电机发生故障时输出有功功率，对系统的频率提供支持，阻尼传输线的振荡，无功补偿以支撑系统电压。除此之外，该装置还可以不间断地提供30Mvar的无功功率、10MW的自动发电控制以及6MVA的持续时间不超过20s的系统稳定支持。

（2）在柔性电力系统中应用SMES改善用户电能质量

工业生产过程自动化的持续发展使得越来越多的用户对供电的质量提出更高的要求，低劣的电力质量会干扰生产过程、造成生产系统误操作甚至使生产中断。

世界各国，每年由于电力质量问题给用户所造成的经济损失巨大。对于一个工业用户来说，一年中经历20次引起生产中断的电力故障是常有的事情，而在所有的电力故障中，持续时间1～2s的电压扰动所占的比例高达80%左右。这样的电压扰动给那些高度自动化的工业生产过程带来非常大的危害，造成的经济损失十分严重。电力系统的谐波，过量的无功功率及不平衡负载也给电力系统的安全、经济、高效和优质运行带来严重危害。

1988年N.G.Hingorani提出了基于电力电子技术应用的用户供电电力电子技术（Custom Power Electronics）。这是一个用于改善配电系统的新技术，世界各国电力界都对此给予极大地重视和关注。小型或微型超导磁体储能系统是用户电力电子技术应用方案的一个重要单元。SMES作为直流蓄能设备，它与相应的变流器结合可以作为敏感负载和智能化办公大楼的不间断电源；它与动态电压恢复器（DVR）配合，可以减少或消除短时停电（outage）、电压瞬时突降（sag）、谐波、瞬态脉冲（impulse）或瞬态过电压（swell）等干扰对用户侧的冲击；与静态同步无功补偿器（STATCOM）配合，还可以有效地在低耗下控制二次侧的无功功率和有功功率，同时还能起到有源滤波器的作用，而且其快速的能量补偿功能还可以减少用户中的冲击负荷对配电网的不良影响。中小型超导储能还可以用来补偿大型电动机起动及焊机、电弧炉、机械大锤、轧钢机等冲击性负载所引起的电网电压闪变。