超导储能

超导储能•历史背景：在1970年,美国威斯康星大学应用超导中心H.Peterson和R.Boom发明了一个超导电感线圈和三相AC/DC格里茨桥路组成的电能储存系统并获得了美国专利,也由此开始了超导储能电力应用的研究与开发阶段。超导储能应用类型到目前为止，人们研究利用超导技术发展两类超导储能装置，一种是超导磁储能系统（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，常缩写为SMES），另一种是使用超导体做为悬浮轴承的飞轮储能系统。超导磁储能系统的工作原理是利用超导绕组把电能以电磁能的形式储存起来，绕组中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导飞轮储能系统中是利用了超导体的迈斯纳效应实现飞轮的磁悬浮。用做悬浮轴承的超导体是高温超导体，被冷却到77K或更低一些的温度。为了减低空气摩擦，飞轮的腔体被抽真空。这种飞轮能耗很小，每天仅耗掉储能的2％。超导储能原理•超导磁储能电流I循环储存在线圈中的能量E为：E=0.5LI²式中，E为磁能;I为电流;L为电感。•超导飞轮储能中飞轮是一个作定轴转动的物体，其储存的能量E可以表示为：E=0.5Jω2式中,J为飞轮转子的转动惯量;ω为角速度。下图左图是一个SMES结构示意图，右图是由日本中部电力（ChubuElectricPower）公司与东芝电气（ToshibaElectric）公司合作在2003年完成。飞轮超导悬浮飞轮储能系统结构及照片（5kWh,日本四国通用研究院）超导磁储能装置的原理示意图1、超导线圈2、制冷剂3、低温容器4、直流电源5、持续电流回路超导储能系统用快速充放电高温超导磁体超导储能结构图信号采集电力系统控制器变压器变流器磁体保护系统超导磁体低温系统用于电力系统的超导储能一般由超导磁体、低温系统、功率调节系统、监控系统、保护系统等几个部件组成。如下图所示：(1)超导磁体。超导线圈是超导磁储能装置的核心部件，它可以是一组螺旋管线圈或是不同形状的环形线圈。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。螺管形环形(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。用于维持超导磁体低温环境的低温杜瓦，将与外部的热交换降至最低超导储能系统用低温制冷系统，可以实现系统运行时的零液氦挥发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。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(CurrentSourceConverter，CSC)和电压源型(VoltageSourceConverter，VSC)两种基本结构。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(SuperconductingCoil，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。SMES电流源型和电压源型变流器电力电子系统采用新型拓朴结构以及多重化级联模块设计，确保系统高效、安全、可靠，易于维护和实现规模化生产(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对磁体进行充、放电。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；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。超导储能系统在线监控装置，可以实现系统运行的完全计算机检测、控制、故障诊断和报警、波形录制等功能超导储能系统运行现场内部超导磁储能在电力系统中的应用提高电力系统的稳定性•调节滑行失步•调节震荡失步•缩短暂态过渡过程•提供电压支撑防止电压崩溃改善电力系统的电能质量•瞬时电压跌落•超导储能的动态电压补偿基本原理是在电网电压正常时，其从电网吸收有功为超导磁体充电，补偿电路中的损耗并维持超导磁体的电流．此时能量就储存在超导磁体的磁场中。当电网电压发生跌落时，超导磁体将储存的能量释放出来，能量从超导线圈流向负荷，以维持负荷的电压。•超导储能的有源滤波装置SMES在系统和用电设备之间界面上作用：1、减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击2、不间断电源超导磁储能优缺点优点：无损耗、储能密度高储能效率高、响应速度快改善供电品质，提高电网稳定性、使用寿命长超导储能装置可不受地点限制，且维护简单污染小。缺点：由于现有超导材料的局限性，目前还不具备大规模工业应用的条件。使用低温超导材料制做的超导磁储能装置因需要在液氦温区（4.2K）附近工作，与之配套的制冷成本很高。谢谢！