太阳能光伏技术：电磁储能与超导储能方案

1）超导储能的原理与特点

1911年，荷兰莱顿大学海克·卡末林·昂内斯发现，汞温度降至4．2K时电阻降为零［42］。且许多金属和合金都具有与汞相类似的低温下失去电阻的特性。这种特殊的导电性能，昂内斯称之为“超导态”。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作“零电阻效应”。用超导体导线制成螺旋形线圈，线圈通电时产生磁场，其所储能量与电流的平方和电感的乘积成正比。若线圈导体有电阻，能量会以焦耳热的形式消耗，而超导体在深冷状态下电阻为零，不存在焦耳热损耗，将螺线管两端短接，磁能可被永久储存。需要时将线圈两端外接负载，即可将储存于线圈内的磁能转化为电能，随时取出［43］。

超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）是采用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，是一种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。它利用了超导体的电阻为零特性，不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以达到大容量储存电能、改善供电质量、提高系统容量等诸多目的，且可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高整个电力系统稳定性、改善供电品质。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成（其系统控制及功率线路布局如图16．14所示）。

超导储能在电力系统中的应用首先是作为一种平衡电力负荷的装置提出的［44～46］。1969年Ferrier［44］首先构想用一个很大的超导磁储能装置来平衡法国电力系统中的日负荷变化，调节电力系统峰谷。由于其与电网的功率交换非常迅速，加上电力电子技术的发展，超导储能能同时与系统分别独立地进行四象限有功功率、无功功率的交换，人们提出了将超导储能用于抑制远距离交流输电系统上发生的低频振荡现象，可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。

图16．14　超导储能系统控制及功率线路布局

近年来，人们又把注意力投向利用小型超导储能提高电能质量的研究。比如，应付短时间的电压突降和突然停电。因为解决这样的问题需要功率巨大而不是能量巨大的储能系统，因此实现起来较为容易［47］。现阶段的设计表明，超导储能电站的储存容量可在0．1MWh～10GWh范围内（1MWh＝3．6×109 J），其储存容量相当大。不同容量的储存系统适用于不同目的应用。

由于超导体电阻为零，能量储存时的损耗极小，超导储能的效率可达90%以上，比抽水储能、飞轮储能和蓄电池储能的效率高得多。超导储能的优点主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等。超导储能系统具有一系列其他储能技术无法比拟的优越性：

（1）可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%。

（2）可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）。

（3）由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统。

（4）除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长。

（5）建造时不受地点限制，维护简单、污染小。

2）超导储能的发展现状

目前，国际上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，主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100kWh等级的微型超导储能装置的建议，如用于磁浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统；美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置（1～10MJ）已经商品化，AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES（D－SMES）用于功率调节。

（1）美国超导储能研究状况。

美国对超导储能系统的研究较早。1971年在Wisconsin大学发明了一个由超导电感线圈和三相AC／DC格里茨（Graetz）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，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［48］。

1974年第1台并网运行的SMES在洛斯阿拉莫斯实验室（LASLD）进行了测试［49］。1976年到1982年LASL和BPA（Bonneville Power Administration）合作建成了30MJ／10MW的超导储能，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 500km的双回交流500kV输电线路的低频0．35Hz自发功率振荡［50］。

美国从1978年开始研究容量为30MJ（8．3kWh）的超导蓄能电站，于1983—1984年与美国西岸的电力系统并网试验运行，目的是为了验证系统的稳定性。1987年，美国设计了容量为21MWh的超导蓄能电站，用于地上的激光电源，可在100s时间内释放出400MW的电力（低速运行方式）。该电站从1991年起开始建造，1993年进行各种试验。其超导线圈直径约130m，高约5m，采用螺旋形，线圈电流为200kA。

在20世纪70年代，美国等主要致力于大型超导储能技术的研究，其目的是用于电力系统负载调节和其他如军事应用。70年代末，美国曾研制出一台30MJ超导储能装置并安装在西海岸的一条500kV输电线路上，用以消除其0．35Hz负阻尼振荡和提高其输送功率。试验取得了满意的结果，但因低温系统达不到运行要求并出现故障，致使该储能装置未能继续运行。80年代，美国军方提出一个研制20．4MWh的超导储能工程实验模型计划，并开展了预研工作，后因冷战结束，该计划也随之中止。90年代，美国为改善阿拉斯加电网的可靠性，曾提出研制1．8GJ超导储能装置计划，该项目完成了设计并开始进行预研。后因经费等原因，研制计划中止。(www.xing528.com)

（2）日本超导储能研究状况。

日本关于超导储能技术的开发是从70年代后期开始以大学和国立研究机构为主进行的。1986年日本成立了超导储能研究会，它的任务是实现超导储能的实际应用，推动日本超导储能技术的独立发展。该会成员单位达到50个，包括日本著名的大学、研究机构、公司和工厂。自80年代中期以来，进行了大量的分析、设计和试验研究工作［51］。后来日本的各研究机构也相继开始进行研究，日本的超导蓄能研究会、国际超导工业技术研究中心以及中央电力协会等都纷纷进行超导储能技术的实用化研究。1985年九州（Kyushu）大学设计了一台100kJ的SMES用于研究在直流电网中的应用和系统稳定。九州（Kyushu）电力公司于1991年将一台30kJ的超导储能系统连接到一台60kW的水力发电机上进行了改善发电机稳定性的试验，并取得了较好的实验结果［52］；而且九州电力公司与九州大学合作开展了36MJ的SMES试验并正在设计建造一台360MJ／20MW的SMES并网后进行示范运行，继而研制1 260MJ／500MW的多功能SMES。九州电力公司在其所属的Ariuragawa水电站进行了超导储能用于系统稳定的一系列现场实验，表明单机系统可由其发电机容量10%～50%的超导储能装置进行稳定控制。

（3）俄罗斯超导储能研究情况。

俄罗斯对SMES的研究开始于苏联时期。1988年建成的超导托卡马克T15超导磁体储能达370～760MJ。20世纪90年代以来，俄罗斯国家实验室建成了12MJ 的SMES，进行了储能100MJ／电感8H／电流5kA／最强磁场5．4T的超导储能设计，并建成900MJ的超导储能系统［53］。

（4）中国超导储能研究情况。

我国20世纪60年代起就开始低温超导研究工作。到80年代中期，在高能加速器、超导磁流体推进、磁流体发电、磁分离、核聚变、磁共振成像、磁悬浮列车和超导强磁场等方面开展了大量的工作，并在超导材料、超导磁体和低温技术等方面奠定了一定的基础。

在1997年，中国科学院电工研究所电工所就成功研制出一台25kJ（300A／220V）超导储能样机，2005年应用超导重点实验室又完成了100kJ／25kW超导限流－储能系统的研制，并进行短路和电压补偿实验。这是完全具有自主创新的新型超导电力装置，实现了多种功能的集成。随后开展了1MJ／0．5MVA高温超导储能系统的研制，它包括高温超导磁体系统、制冷系统、电力电子系统和在线监测系统等。其储能线圈是由44个Bi－2223双饼线圈组成，电感为6．4H，运行电流560A，运行在4．2K下。该储能系统已于2007年安装在门头沟变电站，并进行改善电能质量的试验运行，成为我国首座超导变电站。

2011年4月19日，由中科院电工研究所承担研制的世界首座配电级超导变电站在甘肃省白银市国家高新技术产业开发区投入实际配电网进行工程示范运行，这也是目前世界上唯一投入示范运行的超导变电站。变电站运行电压等级为10．5kV，集成了1MJ／0．5MVA高温超导储能系统、1．5kA三相高温超导限流器、630kVA高温超导变压器和75m长1．5kA三相交流高温超导电缆等多种新型超导电力装置。成为当时世界上并网运行的第一套高温超导储能系统，其核心部件高温超导磁体也是当时世界上最大的，10．5kV／1．5kA三相高温超导限流器是我国第一台、世界第四台并网运行的高温超导限流器。630kVA／10．5kV／0．4kV高温超导变压器是我国第一台、世界第二台并网运行的高温超导变压器，也是当时世界上最大的非晶合金变压器，具有重量轻、体积小、效率高、无火灾隐患以及无环境污染等优点，同时还有一定的限流作用。75m长10．5kV／1．5kA三相交流高温超导电缆是当时世界上最长的三相交流高温超导电缆，采用了分段设计、插接集成的设计和实施方案。这是我国乃至世界首座超导变电站。它标志着我国在国际上率先实现完整超导变电站系统的运行，第一次集成众多超导电力装置建成完整的超导变电站。

2012年，中国电力科学研究院历时两年时间自主研发的高温超导储能系统，在国家电网公司电力系统动模实验室成功实现了并网功率补偿。实验的成功表明我国已自主掌握了第二代高温超导储能系统单元构造、集成、控制、保护和输配电工程实际应用等关键技术，其研究成果可为下一阶段开展超导电力应用技术的科研、试验示范运行、系统分析与评估奠定坚实的基础。

3）超导材料研究进展

超导储能系统的核心部件是超导线圈，它也是超导储能装置中的储能元件，可分为螺管形和环形两种。超导线圈的性能取决于超导材料，因此超导材料技术开发是超导储能技术的重中之重。超导材料大致可分为低温超导材料（low temperature superconducting material）［54，55］、高温超导材料（high temperature superconducting material）［56，57］和室温超导材料。

低温超导材料主要为NbTi，Nb3Sn。目前低温超导线材已基本达到了可以在中小型SMES上使用的水平。然而低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵的液氦系统下使用，严重限制了低温超导在电力能源系统中的应用。因此，企业和研究机构正在积极开发成本更低的高温超导材料。目前，已出现的高温超导材料通常被分为两代。

第1代为Bi（铋）系高温超导材料［58］，已经实现了商业化应用。Bi系超导线材具有更高的上临界场，可以用来获得更高的磁场。包括中国在内的多家企业可以批量生产出长度为千米级的铋系多芯超导线材。然而Bi系材料在液氮温区的不可逆场较低，只有在较低温度时才适于强电应用。此外，其交流损耗太大，不符合交流传输和变化磁场的应用。

第2代高温超导材料为YBCO（或NdBCO）［59～62］，具有一系列明显的优势：物理特性上电流密度更高，发生超导的临界温度有进一步提高的潜能；交流损耗低，较容易通过一定形式来限制故障电流。与第1代高温超导带材相比，Y系带材具有较高的不可逆场，在磁场中临界电流密度可维持在很高的水平。突破了Bi系材料只能实用于直流和低温的限制，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。更为可贵的是第2代高温超导材料以价廉的Ni或者Ni合金为基带，甚至以一般的不锈钢为衬底，材料成本明显优于第1代导体的Bi－2223系线带材，性能价格比优势明显，使高温超导在电力工程中的广泛应用成为可能。但目前第2代材料的技术还不成熟，实际成本还要高于第1代。

4）超导储能的展望

SMES由于具有快速响应特性，因而不仅能用于调节峰值，而且可以储存应急的备用电力，提高容许输电容量（例如对于我国资源分布很不均衡的情况，用超导储能系统可更好地实施西电东送），提高系统的稳定性，改善供电质量。从这个意义上讲，超导储能可以看成是一种能与电网交换有功功率的灵活交流输电系统（FACTS）装置，因而功能更加强大，可以实现电力系统由被动致稳转变为主动致稳。

当然，目前超导储能的实用技术上仍有一定的困难。超导储能的主要缺点明显，这些不足限制了它的产业化和应用。超导电力技术的应用和产业化面临三个方面的问题：①超导材料的临界温度还有待提高；②超导材料的价格还比较高，有的比常规材料高几十倍甚至上百倍；③超导技术所应用的低温制冷系统的制备还比较复杂，且制冷机的免维护寿命较短。与此同时，超导装备的低温高电压绝缘技术、实时检测技术、集成技术以及与常规系统的匹配协调运行等，也还需要进一步研究。

为加速SMES的实用化进程，今后的研究方向主要是：①降低成本。目前SMES，特别是小型SMES的成本比其他相应技术要高，开发低成本的SMES十分重要；②开发高温超导线材（HTS），提高线材的临界电流密度；③研究变流器。进一步研究电流均分化的并联技术、减少高次谐波以降低变流器损耗和安全性问题；④研究控制策略。根据系统容量、SMES参数、控制目的等多项指标，特别是从电力系统的角度，选择和设计出优良的控制策略；⑤降低损耗和提高稳定性。提高SMES储能效率就要减少交流损失；为了减少交流损耗就要增加冷冻机的功率。同时，为了提高超导线圈的稳定性也需要降低交流损耗；⑥研究失超保护技术。开发出可靠、灵活的直流断路器和永久电流开关，以提高SMES的安全性。