超导磁储能

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(SubSynchronous Resonance，SSR)和次同步振荡 (Sub Synchronous Oscillation，SSO)。此外，SMES还可 以灵活调控无功功率，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。
由于超导磁体固有的电流源特性，CSC的直流侧可以与超导 磁体(Superconducting Coil，SC)直接连接，而VSC用于 SMES时在其直流侧必须通过斩波器(Chopper)与超导磁体相 连。
图1—2 SMES电流源型和电压源型变流器
(4)监控系统。
监控系统由信号采集、控制器两部分构成，其主 要任务是从系统提取信息，根据系统需要控制SMES的 功率输出。信号采集部分监测电力系统及SMES的各种 技术参量，并提供基本电气数据给控制器进行电力系 统状态分析。控制器根据电力系统的状态计算功率需 求，然后通过变流器调节磁体两端的电压，可以对磁 体进行充、放电。控制器的性能必须和系统的动态过 程匹配才能有效地达到控制目的。SMES的控制分为外 环控制和内环控制。外环控制器作为主控制器用于提 供内环控制器所需要的有功和无功功率参考值，是由 SMES本身特性和系统要求决定的；内环控制器则是根 据外环控制器提供的参考值产生变流器开关的触发信 号。
3.超导磁流体储能在电力系统中 的应用
（1）提高电力系统的稳定性
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、继电保护和其他 自动控制装置，基本属于被动致稳。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。
1970年，应用超导理论建设了超导电磁设备进行磁流体 发电。为了冷却发电机、电机和变压以及输配电设施采用了 许多泡状室。20世纪70年代曾采用高纯度铝在70K下工作。技 术成功一方面取决于所用金属和绝缘系统，另一方面取决于 运行操作。
超导磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉 冲能量储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是 电能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导材料制成， 即保持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰 减。线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。
超导磁储能系统 SMES 及其在 电力系统中的应用
SMES在电力系统中的应用首先是由Ferrier在1969年 提出的。最初的设想是将超导储能用于调节电力系统的日 负荷曲线。但随着研究的深入，人们逐渐认识到调节现代 大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈，在技术和经 济上存在着困难。现在，SMES在电力系统应用中的研究重 点主要着眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应 能力，提高电力系统稳定性、改善供电品质等。
电流I循环储存在线圈中的能量E为
E=0.5LI²
式中，E为能量，J(J=W*s)；L为电感， H[1亨利=(电压×s)／A]。
超导磁体是SMES系统的核心，它在通过直流电流时没 有焦耳损耗。超导导线可传输的平均电流密度比一般常规 导体要高1～2个数量级，因此，超导磁体可以达到很高的 储能密度，约为10^8J／m3。与其他的储能方式，如蓄电 池储能、压缩空气储能、抽水蓄能及飞轮储能相比，SMES 具有转换效率可达95％、毫秒级的响应速度、大功率和大 能量系统、寿命长及维护简单、污染小等优点。
SMES一般由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、 功率调节系统和监控系统等几个主要部分组成。图 1—1是SMES装置的结构原理图，该结构是由美国洛斯 阿拉莫斯实验室首先提出的，以后SMES装置的研究设 计一般都是以此结构作为参考原型。图中的变压器只 是为了选择适当的电压水平以方便连接SMES与电力系 统，是非必要部件。
图1—1 SMES装置原理环形两种。螺管 线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；环形线圈周围 杂散磁场小，但结构较为复杂。由于超导体的通流能 力与所承受的磁场有关，在超导磁体设计中第一个必 须考虑的问题是应该满足超导材料对磁场的要求，包 括磁场在空间的分布和随时间的变化。除此以外，在 磁体设计中还需从超导线性能、运行可靠性、磁体的 保护、足够的机械强度、低温技术与冷却方式等几个 方面考虑。
(2)低温系统。
低温系统维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境。 超导磁体的冷却方式一般为浸泡式,即将超导磁体直接置于 低温液体中。对于低温超导磁体,低温液体多采用液氦 (4．2K)。对于大型超导磁体,为提高冷却能力和效率,可采 用超流氦冷却，低温系统也需采用闭合循环,设置制冷机回 收所蒸发的低温液体。基于Bi系的高温超导磁体冷却至 20～30K以下可实现3～5T的磁场强度,基于Y系的高温超导 磁体即使在77K也能实现一定的磁场强度。冷却温度的提升 带来的直接好处是低温系统成本的降低和冷却效率的提高。 在20～30K以上可选用液氦之外的低温液体或低温气体冷却， 直接冷却也是超导磁体的一种冷却方式。
直接冷却不需要低温液体，靠制冷机与超导磁体的 固体接触实现热传导。随着低温技术的进步，采用 大功率制冷机直接冷却超导磁体可成为一种现实的 方案，但按目前的技术水平，还难以实现大型超导 磁体的冷却。低温系统是保证超导磁体处于低温的 必要条件，其冷却效果的高低也直接影响到超导磁 体的技术性能，如热稳定性，同时，低温系统成本 和可靠性在SMES中也有着重要的地位。
（2)改善电能质量。 由于SMES可发出或吸收一定的功率，
可用来减小负荷波动或发电机出力变化对 电网的冲击，SMES可作为敏感负载和重要 设备的不问断电源，同时解决配电网中发 生异常或因主网受干扰而引起的配电网向 用户供电中产生异常的问题，改善供电品 质。
(3)提供系统备用容量
系统备用容量的存在及其大小，既是一个经济问题， 又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全裕度、 事故后快速恢复供电具有重要作用。当前我国部分地区供 电形势紧张，电网运行处于备用不足的状态，SMES高效储 能特性可用来储存应急备用电力。以目前的技术水平， SMES还不足以作为大型电网的备用容量。但在局部区域、 微网孤岛运行状态，特别是对于个别重要负荷，SMES可以 作为备用容量以提高电网的安全稳定运行水平。
3)功率调节系统。
功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转 换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目 前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的 PWM变流器，它能够在四象限快速、独立地控制有功 和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特 点。根据电路拓扑结构，功率调节系统用变流器可分 为电流源型(Current Source Converter，CSC)和电 压源型(Voltage Source Converter，VSC)两种基本 结构，如图1—2所示。