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2 超导储能线圈研发现状
超导储能线圈是SMES设备的核心部件,是由在一定条件下具有超导特性的导体绕制而成,可以在一定条件下无阻、无损地承载稳态直流大电流,是系统中的电磁能量存储单元。SMES就是基于超导体的无阻高密度载流特性,利用超导电感存储能量,在响应时间以及瞬间大功率释放等方面具有优势。
2.1 低温超导储能线圈
20世纪60年代,随着NbTi线的问世和大规模产业化,GirardB等提出了超导储能概念,采用不同超导材料、不同构型、容量和用途的超导储能线圈相继问世:最初是采用NbTi、Nb3Sn等低温超导材料研制小型单螺管结构的超导线圈,结构简单、储能密度高、相同储能量超导导体用量最少(美国第一套在电网中应用的储能系统30MJ/10MW采用的单螺管NbTi线圈,在1983年初次完成励磁),但由于漏磁场高、金属低温容器内感应出涡流损耗增加制冷负荷等原因未能大规模发展。为降低漏磁场及其影响,多螺管组合储能线圈系统被研发出来,它的储能密度比单螺管降低,且漏磁场并没有很好解决。随着储能线圈储能量的不断增加,螺绕环构型的储能线圈有了大规模的发展。1985年开始,美国和日本分别进行5000MW˙h/1000MW的储能系统的设计,随后日本进行了20MW˙h/400MW模型样机的研制。该种构型的储能线圈虽然储能密度和导体利用率都比单螺管储能线圈低很多,但可以很好地解决漏磁场及其引发的涡流损耗问题。
2.2 高温超导储能线圈
随着高温超导体的发现及实用化高温超导带材的发展,1996年美国超导公司研发出世界第一台高温超导储能线圈,储能量5kJ,工作温度提高到25K,从此揭开了高温超导储能线圈研发的序幕。由于受高温超导材料的价格、性能的影响,高温超导储能线圈技术的发展缓慢,直到2004年才出现MJ量级储能线圈样机,但只见到日本研发团队研制过程的报道,未见后续进展情况的报道;2008年,中国科学院电工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高温超导储能线圈,是目前储能量最大的高温超导储能线圈。
2.3 超导储能线圈的失超保护
超导储能线圈因为瞬间过流、热扰动等引发失超,伴随瞬间电阻增大、过热、瞬间高压等状况,因此超导储能线圈需要失超保护系统来确保超导储能线圈的安全。通常用监测超导储能线圈的电阻、电压等电器参数来监测超导储能线圈的失超信号,但由于超导储能线圈的电感较大,储能线圈的工作电流处于波动状态,这给失超信号的检测带来较大困难;也有的利用监测制冷剂的挥发量或储能线圈最容易失超部位的温度变化来监测超导储能线圈的失超信号,但由于热反应有较长时间的滞后,所以工程上同时采用这2种方法。
3 基于SMES的混合储能系统
现有的储能介质主要分为能量型和功率型2类:能量型储能介质主要是以锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池等蓄电池为代表,具有能量密度较大、功率密度较小的特点,但充放电次数及放电深度受使用寿命限制;功率储能介质主要是以超级电容、SMES和飞轮储能等为代表,具有能量密度较小、功率密度较大、高倍率充放电不会损害其性能的特点。2类储能技术各有优劣,混合储能装置是将2类储能装置组合使用,取长补短。
目前研究较多的SMES混合储能主要是超导-蓄电池混合储能。超导-蓄电池混合储能是将SMES与电池储能系统(batteryenergystoragesystem,BESS)相结合的一种混合储能装置。它采用共直流母线的结构,风机通过变流器和变压器连接到电网,SMES和BESS通过各自的DC/DC斩波器连接到直流母线上(图14)。
SMES-BESS具有超导储能响应快、效率高(可达95%)、无噪声污染、可靠性高的特点,同时又具有蓄电池储能抑制电压闪变、价格便宜、可靠性好、技术非常成熟、大容量容易实现等优点,可以稳定电网频率,控制电网电压的瞬时波动,提高供电质量,同时能够减少电池充放电次数和放电深度,延长电池的使用寿命。
SMES-BESS同时具有SMES与BESS的优点,相比于单一的储能的方式,在应用方面更具优势。张晓红等列出了SMES-BESS在微电网储能中应用的优势。快速响应和大容量储能的特点非常适合于微电网孤岛和并网的运行状态,可以稳定微电网频率,控制微电网电压瞬时波动,保证给用户提供不间断供电等功能,进而提高供电质量。
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