概述
超导储能( superconducting magnetic energy storage ———SMES) 的概念诞生于20 世纪70 年代初石油危机时期。
超导储能又名为超导磁储能，是超导应用研究的热点。超导磁储能利用超导磁体储存能量时所具有的低损耗和快速响应的能力，通过电力电子变流器与电力系统连接，组成既能储存电能整流方式又能释放电能逆变方式的多种快速响应装置，从而达到储存一定容量的电能、改善供电质量、提供快速响应容量和提高系统稳定性等诸多目的。从储能的角度来看,SMES 装置在概念上非常简单,其基本原理就是对超导线圈通以直流电流从而将能量存储在线圈的磁场中。如果储能线圈是由常规导线绕制而成,那么线圈所存储的磁能将不断地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0 ,超导线圈中的能量会永久存储在其磁场中,直到需要释放时为止。
图1为SMES 装置的基本结构, 包括超导线圈、连接超导线圈和室温电缆的电流引线及可控AC/DC 变流器。另外,SMES 装置的辅助设备还有放置超导线圈的低温容器及为其补充冷却剂的低温制冷系统。
技术原理
（1）超导磁体：
磁体系统包括一个低温SMES 线圈、一对高温超导电流引线和一个液氦实验杜瓦( 低温容器) 。图2 为磁体系统的结构图。
能量存储在NbTi绕制的螺线管线圈中, 线圈内径为281 mm, 外径315.5 mm, 高度477 mm, 电感1.85 H, 额定电流600 A下的储能量为0.3 MJ。磁体的主要热损耗是电流引线的焦耳热以及传导热损耗。为了降低热损耗, 设计了一对高温超导电流引线, 主要由黄铜、不锈钢和铜管组成, 14条Bi2333 导带贴在不锈钢管的四周。电流引线使用氦蒸汽冷却, 顶部的液氮用来降低传导热损耗。实验证明高温超导电流引线将热损耗降低了30%~50%。此外, 磁体内还安装有氦液面计及铂金电阻传感器, 以便监测液面高度和磁体温度。磁体使用前必须通过锻炼实验, 其实验电路见图3。电源通过IGBT 和二极管对SMES 磁体进行充电。当失超发生时,保护电路工作, 打开晶闸管T2 使线圈通过放电电阻放电, 同时T1关断以保护电源。通过两次失超, 磁体达到额定电流600 A, 此后不会再度发生失超。
（2）AC/DC 变流器：
SMES系统中的AC/DC 变流器主要有电压源型逆变器和电流源型逆变器两种。与电压源型逆变器相比, 电流源型逆变器具有以下优点: 因超导磁体本身是以电流形式储存能量的, 故与电网之间的有功和无功功率转换更加迅速; 少一个DC/DC 电路, 控制更加容易; 在相同的功率下可得到更大的无功功率调节范围, 同时超导线圈所承受的电压纹波更小,减小了磁体的交流损耗; 在大功率应用场合更容易实现多桥并联运行。两种常用的拓扑为双桥式电流源型逆变器和三端口式电流源型逆变器。
双桥式电流源型逆变器拓扑如图4所示。双桥结构可以有效消除输出电流的12k±7 ( k=0, 1, 2,……) 次谐波分量, 而23次以上的谐波可以通过LC 滤波电路滤除, 使用优化PWM( Pulse Width Modulation, 脉冲宽度调制) 策略可以在不同M之下消除对电力系统影响最严重的5, 7, 11, 13 次谐波, 从而达到较小的总谐波畸变率(THD) 水平。
三端口式电流源型逆变器的主电路拓扑如图5所示, 由单一逆变器组成, 在线式工作。当电压正常时, 逆变器不输出有功功率, 它通过电感Ls 产生的电压相移和幅值补偿完成对输出电压的调整和稳定作用。使用直接电流PWM控制策略可以实现输出电流的瞬时控制, 具有较快的响应速度。
缓冲吸收电路对提高系统的可靠性, 减小开关器件的开关损耗具有十分重要的作用。与电压源型变流器相比, 电流源型变流器中缓冲吸收电路的工作过程更加复杂。通过建立包括所有缓冲吸收电路和开关器件在内的变流器电路的完整模型, 求解状态方程, 可以仿真研究缓冲吸收电路的详细工作过程, 得到不同结构缓冲吸收电路的功率损耗。
（3）控制系统：
AC/DC变流器的控制系统基于DSP实现, 使用双DSP的控制系统结构框图如图6。其中主控制器和从控制器均采用32位浮点DSP(TMS320C32, 40 MHz) 。主DSP 作为中央控制器负责接收采样数据和完成控制算法的计算, 而从DSP 则负责产生相应的PWM开关信号。主控制器可以通过RS- 232 接口实现和上位机的通信。SMES 系统的保护电路包括SMES线圈保护和变流器保护两部分。保护电路检测失超、过流、过压信号, 在发生错误时接通超导磁体的放电通路, 使超导磁体对放电电阻放电, 并封锁变流器的PWM触发信号, 使变流器停止工作。
单DSP 的控制系统框图如图7 所示, 其工作原理与双DSP 的控制系统类似。
国内发展和应用现状
随着我国经济和社会的高速发展，用户对电能质量提出了越来越高的要求。基于超导储能的柔性交流输电系统司，具有储能效率高、储能密度大、释放能量快速，可以对系统的有功功率和无功功率进行灵活控制，提高电力系统运行的稳定性和可靠性。因此，将超导储能技术、电力电子技术和现代控制技术有机地结合而形成的柔性交流输电技术将具有广阔的应用前景。
我国的超导储能技术研究则刚起步。中国科学院电工研究所年研制出一台（300A/220V）25kW的SMES试验装置。清华大学和一些科研机构的SMES研究工作也处于初级摸索阶段。而对于阻尼高压输电线路的振荡，改善线路稳定性及供电质量的中、大规模的研究还处于计算机仿真研究阶段。
近年来，超导科学与材料技术的进步，使超导技术的应用、尤其是在电力方面的应用具有了更高的可行性。据美、日等国的调查研究机构预测，到年，新兴的超导产业市场将超过亿美元，其中在电力系统中为亿美元，占到年超导产业市场将达到亿美元在年左右，几乎各种超导电力产品都可达到商品化水平。在超导的电力应用中，技术相对简单，具有诱人的应用前景，是超导电力应用的主选课题之一。
国外发展和应用现状
随着人们对SMES装置功能和特点认识的不断深入以及电力市场化的趋势,越来越多的国家开始致力于超导储能的研究。SMES 技术在较短的时间内便得到长足的发展。
近年来,用于改善用户电能质量、起瞬间电压跌落补偿作用的MicroSMES 系统由ASC 推入市场,投入实际商业运行。其用户包括半导体芯片生产公司、数据处理中心、造纸厂、塑料厂等。此外,ASC 和GE 自2000 年起联合推广用于提高电网稳定性和可靠性的D2SMES 产品,使其成为可控SMES 在电力系统中应用的又一个亮点。像美国的Wisconsin Public Service , Alliant Energy , Entergy ,TVA , PacifiCorp , BC Hydro , Rayburn Country Electric以及Northeast Utilities 等电力公司纷纷成为DSMES的用户,在美国威斯康星、得克萨斯和康涅狄格等州也已安装有十几套D2SMES ,使电网的稳定性和可靠性得到了较大提高。然而,同任何一项新技术一样,SMES 在电力系统中的进一步推广应用也面临着技术以及市场的挑战。
供应商信息
美国超导公司
美国西屋公司
美国通用电气公司
日本关西电力公司
德国西门子公司
中国上海发电设备成套设计研究所
经典案例
超导储能技术对智能电网电压稳定的影响
超导储存装置(superconducting magnetic energy storage，SMES)能够有效提高风力场并网后电网电压稳定性。早在电力工业发展初期，储能技术就有了应用。目前，超导储能装置因其容量大、效率高、响应快、无污染、控制方便、使用灵活等诸多优点开始在电力调峰、保障系统稳定和提高电能质量上发挥作用。随着智能电网研究和建设力度的加大，超导储能技术迎来了蓬勃发展的新机遇¨3I。特别与如风能等可再生能源和分布式发电领域结合，可以成为对提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种强有力的手段。
针对风力场并网后，因风速等随机变化因素对电网电压暂态稳定的影响，提出在并网点利用超导储能装置SMES提高电压稳定性，通过EPRI一36节点系统作为算例，并模拟风速的影响，对比验证了超导储能装置对控制风力场并网口电压稳定的有效性，说明了超导储能技术在构建智能电网的作用。
1风力发电机模型
1．1风力机空气动力模型
稳态情况下，风力机从风能中捕获的功率由风速决定。
其中，ρ是空气密度(kg／m3)；S=πR2是风机叶片的桨叶扫风面积(m2)；Cp是与气动性能有关的风能利用系数，即单位时间内风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能之比。它是叶尖速比λ的函数。其定义为
其中，ω为风力机转速(rad／s)。
Cp与A的关系如图1所示。
图1 Cp与λ的关系
在实际工程中，λ和β与风能利用系数Cp有关系，可以用下式表示。
其中，α=2，c1=0.5，c2=λ，c3=0，c4=0.22，c6=0.17λ，这是通过风机的实际测量数据拟合的函数。
1．2异步风力发电机RX模型
传统电力系统潮流计算将风力发电机组等值成为PQ节点，并认为风力场的功率因素恒定不变。但是风电场多采用异步风力发电机，发出有功的同时要吸收一定的无功，必须在接入点加上无功补偿设备，而吸收无功功率的大小和机端电压、发出的有功功率以及滑差等有关，因此简单的将风力机处理成功率恒定的PQ节点会忽视风力场对电网特有的影响。
相对PQ模型，RX模型把异步发电机的滑差表示成机端电压和有功功率的函数，在给定初始滑差和风速的情况下，将发电机看成阻抗型负荷加入潮流，得到风力发电机的电磁功率，再由风速计算出风电机的机械功率，从而由两个功率之差值修正滑差，反复迭代，最终使得风电机机械功率与发电机电磁功率达到平衡。
1．3风力场模型
对一个安装有ｎ台风力发电机的风电场，为了简化计算，忽略风电场内部线路损耗和变压器损耗，不考虑风力发电机组分布的相对位置、风力场内部电网结构对计算的影响，并假定所有机组具有相同的机端电压，并且等于待求的风场母线电压。这样，再则可以用一台发电机模型来表示风力场。
风力场总的有功功率就等于风力场内每台机组的有功功率之和，总的无功功率等于风力场内每台机组的无功功率之和。
其中，Pf、Qf分别为风电场总的有功和无功功率；Pei、Qei分别为第i台风电机组注入电网的有功和无功功率；vi为第i台风力机处的风速。
1．4风速模型
风速对风力场出力影响最大，目前一般采用简化的四分量模型来模拟风速随时间变化的特征。这里只简单介绍后面算例将会考虑的阵风模型。
阵风用于描述风速突变的特性。在风电系统的动态仿真中，通常可以用它来考察风电系统在突变性风速扰动下的动态特性。
其中，
分别表示阵风风速、阵风启动时间、结束时间、阵风幅值。
2超导储能装置模型(SMES)
超导储能装置是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种储能装置。与其他储能装置相比，SMES具有容量大、效率高、响应快、无污染、控制方便、使用灵活等诸多优点，在风力场并网处使用SMES能够起到稳定电压的作用。
2．1超导储能装置的原理
SMES的基本原理图如图2所示。当开关K1闭合、K2打开时，超导线圈处于充放电状态；当K1打开、K2闭合时，超导线圈处于短路状态。因为超导线圈的电阻为R=0，所以电流可以在线圈中无衰减地永久流通。而超导储能装置一般可分为滤波器、超导线圈、变流器、制冷装置、失超保护及监控系统等7部分。
2．2采用超导储能的风力场系统
具有超导储能装置的风力场系统如图3所示，SMES单元接在异步发电机母线后，再与大电网相连接。
3算例仿真计算与分析
3．1算例模型
结合电力系统综合程序(PSASP)，以软件自带的EPRI一36节点系统为算例，分析风力场接入对电网电压影响情况，并对比拥有超导储能装置情况下电压波动情况，以说明超导储能装置对提高电压稳定性的作用。EPRI一36节点系统如图4所示。
3．2模型的处理
对于风速突变对电压的影响，将异步风力发电机按照RX模型处理，并模拟风力场在阵风扰动下的响应，以0．05 s为抽样步长，得出风力场的输出功率随风速的变化拟合曲线，用以模拟风速突变引起发电机出力的变化。
风力场的输出功率在阵风扰动时，功率变化的拟合曲线如图5和图6所示。
对于装有超导储能装置SMES的风力场，采用PO模型以简化计算，并选取适当的接入电网的容量。
3．3仿真计算
EPRI一36节点系统基准容量为100 MVA，风力场采用容量为1 MW的异步电机，设定台数为50台，全部投入使用时，总装机容量为50 MW，占系统最大负荷1％，并将风力场通过34节点接入系统。
在PSASP软件上，将风力场在阵风扰动下有功和无功短时的变化情况以节点扰动形式输入软件仿真，并和装有超导储能装置情况经运行对比，最后仿真结果和对比情况如图7所示。
3．4结果分析
从上面仿真结果看出，风速的变化对系统电压影响较大。随风速的增加，母线电压增加，随后逐渐才稳定。而装备有超导储能装置的风力场能够有效地控制电压的波动。
参考文献
[1] 曹彬，蒋晓华. 超导储能在改善电能质量方面的应用[J].科技导报，2008，26（1）：47-52.
[2] 蒋晓华. 赋予能量管理角色的可控超导储能技术[J].电力系统自动化，2003，27（17）：1-3，67.
[3] 程强. 超导储能装置用电压型变流器关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2009.
[4] yong. 美国超导公司收到韩国LS电缆公司订购的300万米订单[EO/OL]. http://escn.com.cn/2010/1015/530.html. 2010-10-15.