高溫超導儲能系統

一、什么是超導儲能系統?

超導儲能系統(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)是利用超導線(xiàn)圈將電磁能直接儲存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設施，一般由超導線(xiàn)圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統部件組成。

超導儲能系統可用于調節電力系統峰谷(例如在電網(wǎng)運行處于其低谷時(shí)把多余的電能儲存起來(lái)，而在電網(wǎng)運行處于高峰時(shí)，將儲存的電能送回電網(wǎng))，也可用于降低甚至消除電網(wǎng)的低頻功率振蕩從而改善電網(wǎng)的電壓和頻率特性，同時(shí)還可用于無(wú)功和功率因素的調節以改善電力系統的穩定性。超導儲能系統具有一系列其它儲能技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性：

(1)超導儲能系統可長(cháng)期無(wú)損耗地儲存能量，其轉換效率超過(guò)90%;

(2)超導儲能系統可通過(guò)采用電力電子器件的變流技術(shù)實(shí)現與電網(wǎng)的連接，響應速度快(毫秒級);

(3)由于其儲能量與功率調制系統的容量可獨立地在大范圍內選取，因此可將超導儲能系統建成所需的大功率和大能量系統;

(4)超導儲能系統除了真空和制冷系統外沒(méi)有轉動(dòng)部分，使用壽命長(cháng);

(5)超導儲能系統在建造時(shí)不受地點(diǎn)限制，維護簡(jiǎn)單、污染小。

目前，超導儲能系統的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為國際上在超導電力技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面的一個(gè)競相研究的熱點(diǎn)，一些主要發(fā)達國家(例如美國、日本、德國等)在超導儲能系統的研究開(kāi)發(fā)方面投入了大量的人力和物力，推動(dòng)著(zhù)超導儲能系統的實(shí)用化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)化步伐。

二、開(kāi)發(fā)超導儲能系統的必要性

由于電力系統的“電能存取”這一環(huán)節非常薄弱，使得電力系統在運行和管理過(guò)程中的靈活性和有效性受到極大限制;同時(shí)，電能在“發(fā)、輸、供、用”運行過(guò)程中必須在時(shí)空兩方面都達到“瞬態(tài)平衡”，如果出現局部失衡就會(huì )引起電能質(zhì)量問(wèn)題(閃變)，瞬態(tài)激烈失衡還會(huì )帶來(lái)災難性電力事故，并引起電力系統的解列和大面積停電事故。要保障電網(wǎng)安全、經(jīng)濟和可靠運行，就必須在電力系統的關(guān)鍵環(huán)節點(diǎn)上建立強有力的電能存取單元(儲能系統)對系統給與支撐?；谝陨弦蛩?，電能存取技術(shù)越來(lái)越受到各國能源部門(mén)和電力部門(mén)的重視。

超導儲能系統由于其存儲的是電磁能，這就保證超導儲能系統能夠非常迅速以大功率形式與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。另外，超導儲能系統的功率規模和儲能規?？梢宰龅暮艽?，并具有系統效率高、技術(shù)較簡(jiǎn)單、沒(méi)有旋轉機械部分、沒(méi)有動(dòng)密封問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。對于其它儲能技術(shù)，無(wú)論其如何發(fā)展，都不可能消除能量形式轉換這一過(guò)程，所以無(wú)論是現在或將來(lái)，超導儲能技術(shù)將始終在功率密度和響應速度這兩方面保持絕對優(yōu)勢。所以，作為電能存取的技術(shù)，超導儲能技術(shù)的應用價(jià)值極高，在進(jìn)行輸/配電系統的瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩定性和緊急電力事故應變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場(chǎng)機制提供技術(shù)基礎，具有廣闊的應用前景。

由于電力技術(shù)的發(fā)展，長(cháng)時(shí)間的電力中斷事故發(fā)生幾率很小，而瞬態(tài)電力故障，如閃變、電壓驟升/驟降以及瞬態(tài)斷電日漸突出。而瞬態(tài)電力故障對于依賴(lài)智能設備的許多商業(yè)用戶(hù)和制造企業(yè)危害極大。從技術(shù)角度講，治理瞬態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段是利用快速響應的有功功率補償技術(shù)。由于超導儲能系統具有功率快速補償這一獨特優(yōu)勢，彌補了常規電力系統中缺乏電能存取的弱點(diǎn)，它對瞬態(tài)電能質(zhì)量所有故障問(wèn)題都能起到很好的改善作用。

三、超導儲能系統的應用前景

超導儲能系統在進(jìn)行輸/配電系統的瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩定性和緊急電力事故應變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場(chǎng)機制提供技術(shù)基礎，具有廣闊的應用前景。其應用場(chǎng)合主要包括：

(1)可用來(lái)消除電力系統中的低頻振蕩，用于穩定系統的頻率和電壓;

(2)可用于無(wú)功功率控制和功率因數的調節，以提高輸電系統的穩定性和功率傳輸能力;

(3)由于它可迅速向電網(wǎng)加入或吸收有功功率，具有超導儲能裝置的系統可看成是靈活交流輸電系統;

(4)如果不僅將它看成是一個(gè)儲能裝置，而且將它看成是系統運行和控制時(shí)的有功功率源，它將顯得更有用和有效，因此可以用作超導能量管理系統;

(5)在A(yíng)GC系統中具有自動(dòng)發(fā)電控制作用，而且局部控制錯誤可減到最小;

(6)可用于配電系統或大的負載邊以減少波動(dòng)和平衡尖峰負載、控制初次功率和提高瞬態(tài)穩定性，并可得到很好的效益;

(7)可用于海島供電系統，因為海島與大陸聯(lián)網(wǎng)的造價(jià)高，一般采用燃氣輪機獨立發(fā)電并成網(wǎng)，超導儲能裝置可用來(lái)進(jìn)行負載調節等;

(8)可用來(lái)補償大型電動(dòng)機起動(dòng)、焊機、電弧爐、大錘、扎機等波動(dòng)負載從而減少電網(wǎng)燈光閃爍現象;

(9)還可用作太陽(yáng)能和風(fēng)力田的儲能。風(fēng)力發(fā)電將產(chǎn)生脈動(dòng)的功率輸出并將為配電網(wǎng)帶來(lái)很多問(wèn)題，而超導儲能裝置可使風(fēng)力發(fā)電系統的輸出平滑而滿(mǎn)足配電電網(wǎng)的要求，并為系統提供備用功率和控制頻率;

(10)可作為其它分布式電源系統的儲能裝置;

(11)可用作為重要負載提供高質(zhì)量電力的不間斷電源，并在負荷側發(fā)生短路時(shí)限制短路電流。

總之，現代工業(yè)的發(fā)展對供電的可靠性、電能質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。例如現代企業(yè)中變頻調速驅動(dòng)器、機器人、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、精密加工工具、可編程控制器、計算機信息系統等設備，對電源的波動(dòng)和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會(huì )造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。隨著(zhù)我國新技術(shù)、新設備的不斷引進(jìn)和廣泛應用，以及我國電力市場(chǎng)商業(yè)化運營(yíng)的實(shí)施和分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴格的要求，對電能質(zhì)量敏感的電力用戶(hù)或需要特殊供電的場(chǎng)合也會(huì )越來(lái)越多。隨著(zhù)我國電網(wǎng)的不斷擴大，也迫切需要解決大電網(wǎng)的穩定性問(wèn)題，超導儲能系統在這方面也將具有重要的應用價(jià)值。

四、1MJ高溫超導儲能系統簡(jiǎn)介

中國科學(xué)院電工研究所目前已經(jīng)完成了1.0MJ超導儲能系統的全部研制工作，完成了在北京市門(mén)頭溝供電公司石龍開(kāi)閉所所開(kāi)展的并網(wǎng)運行前的最后測試工作，測試結果表明，超導儲能系統已經(jīng)具備了并入10.5kV配電網(wǎng)進(jìn)行載荷試驗運行的條件。

在超導儲能系統的研制過(guò)程中，在快速充放電高溫超導磁體技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、具有新型拓撲結構的電力電子技術(shù)、在線(xiàn)監控技術(shù)以及系統集成技術(shù)等方面做了大量的研究工作，解決了一系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題以及超導儲能系統與電網(wǎng)匹配協(xié)調運行等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，取得了多項自主知識產(chǎn)權，其技術(shù)成果的應用將為提高我國電能質(zhì)量并改善大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩定性發(fā)揮重要作用。

五、在濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區并網(wǎng)運行的意義

2008年7月1日，由中國科學(xué)院電工研究所與山東樂(lè )航節能科技股份有限公司共同組建的“中科樂(lè )航節能技術(shù)聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心)在山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區正式簽約和掛牌，并且啟動(dòng)了雙方合作的切入點(diǎn)項目DD感應加熱技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心立足濰坊，服務(wù)全國，通過(guò)共同開(kāi)發(fā)、成果轉化和產(chǎn)業(yè)化的方式，形成全國一流的規?；澞芗夹g(shù)的研究開(kāi)發(fā)中心和成果轉化基地，推動(dòng)行業(yè)科技進(jìn)步，為國家節能技術(shù)的發(fā)展以及節能減排目標的實(shí)現提供技術(shù)支撐。

聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心的運行和發(fā)展依托于山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區。作為國家級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區，山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區在全國布局中具有獨特的優(yōu)勢和地位，開(kāi)發(fā)區致力于投資環(huán)境的全面優(yōu)化，致力于自主創(chuàng )新能力的提高，致力于和諧社會(huì )的構建，實(shí)現了經(jīng)濟社會(huì )的健康快速發(fā)展;成為了新技術(shù)、新產(chǎn)品和新型企業(yè)不斷孵化、成長(cháng)和騰飛的基地。開(kāi)發(fā)區擁有一批在國際國內均處于業(yè)界領(lǐng)先水平的優(yōu)秀企業(yè)，其中不乏一些生產(chǎn)高、精、尖產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)。這些企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量首先取決了企業(yè)優(yōu)秀的管理和技術(shù)創(chuàng )新能力，但與所提供的電能質(zhì)量的高低也有很大的關(guān)聯(lián)性，高質(zhì)量的電能供給將為生產(chǎn)高質(zhì)量和暢銷(xiāo)的高新技術(shù)產(chǎn)品提供可靠的保障。而超導儲能系統及其全套技術(shù)解決方案無(wú)疑是為這些企業(yè)提供可靠和高質(zhì)量電能的最佳選擇。

為此，基于已經(jīng)完成研制的超導儲能系統，為推動(dòng)中科樂(lè )航節能技術(shù)聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)中心朝著(zhù)創(chuàng )建全國一流研究開(kāi)發(fā)中心的發(fā)展目標前進(jìn)，結合山東省濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區所具有的獨特優(yōu)勢和地位，將1MJ超導儲能系統的并網(wǎng)運行地點(diǎn)由北京市門(mén)頭溝改為山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟和社會(huì )效益：

(一)超導儲能系統將直接服務(wù)于開(kāi)發(fā)區的高新技術(shù)企業(yè)，將提高企業(yè)的電力瞬態(tài)質(zhì)量管理、提高瞬態(tài)電能質(zhì)量及電網(wǎng)暫態(tài)穩定性和緊急電力事故應變等能力，將大幅穩定系統的頻率和電壓，在無(wú)功功率控制和功率因數調節上提高輸電系統的穩定性和功率傳輸能力，從根本上改善對供電質(zhì)量敏感的企業(yè)或部門(mén)的電能質(zhì)量，同時(shí)可以作為短時(shí)備用電源使用，為企業(yè)生產(chǎn)保駕護航。通過(guò)運行，在對超導儲能系統進(jìn)行長(cháng)期考驗、數據和技術(shù)經(jīng)驗積累的基礎上，實(shí)現超導儲能系統向實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的過(guò)渡。

(二)投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區的1MJ高溫超導儲能系統將是世界首套投入到實(shí)際電網(wǎng)運行的高溫超導儲能系統，是全世界超導界的一件大事，具有十分重大的顯示度，將提升山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區和地方的形象和地位，推動(dòng)開(kāi)發(fā)區和地方的創(chuàng )新發(fā)展。

(三)由于1MJ超導儲能系統的研究開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)基本完成，將為開(kāi)發(fā)區節省大約2000萬(wàn)元的研究開(kāi)發(fā)費用，使開(kāi)發(fā)區以及相關(guān)企業(yè)直接共享了由研究開(kāi)發(fā)所形成的技術(shù)成果及其效益。

六、超導儲能系統如何實(shí)現在開(kāi)發(fā)區的并網(wǎng)運行

已經(jīng)研制成功的1MJ高溫超導儲能系統作為一個(gè)試驗產(chǎn)品，在設計和技術(shù)實(shí)施中留出了很大的裕度。對于投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區并網(wǎng)運行的超導儲能系統，將在已經(jīng)研制成功的1MJ超導儲能系統的基礎上進(jìn)行局部調整和優(yōu)化，在全部保留超導儲能系統的核心部件DD超導磁體系統的基礎上，對電力電子系統進(jìn)行結構更加優(yōu)化、運行更加可靠、體積更加緊湊、控制更加靈活、操作更加簡(jiǎn)便的技術(shù)改造，使之成為一套商業(yè)化前期產(chǎn)品，更快地推動(dòng)超導儲能系統向實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。