超导储能技术及其发展前景-北极星储能网

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随着现代社会活动对电力供给的可靠性和电能品质的要求越来越高，以及风电、光电等间歇性新能源的接入，电能存储技术受到了世界各国的重视。在诸多电能存储技术中，基于超导技术的储能是一种处于发展中、但具有独特技术性能的储能手段。

利用超导的储能技术有2种型式：超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES)将电能以磁场能的形式储存于超导磁体(电感)，超导磁悬浮飞轮储能(Superconducting Flywheel Energy Storage，SFES)将超导技术用于磁悬浮轴承以提升飞轮储能的技术性能。

本文将对SMES和SFES的基本原理、发展现状、应用前景、以及关键技术课题进行简要介绍。

一、超导磁储能技术

1.超导磁储能的原理

超导磁储能是一种电感储能技术。电感储能的运行原理如图1，图1只在(a)图中标注了关键部件的名称，(b)、(c)图中的部件名称与(a)图相同。

① 充电(吸收能量)：开关S2和S3处于开端状态下闭合开关S1，电源对储能电感充电;

② 储能：合上开关S2、断开开关S1，S2与电感L形成闭合回路，此时电感中储存的能量如式(1)。

(1)

式(1)中，E为电感中存储的能量;L为电感值;I为电感中的电流。

③放电(输出能量)：合上开关S3、断开开关S2，电感对负载放电而释放能量。

因为在直流电流下超导体为零电阻，用超导导线制作储能电感(一般称为超导磁体)的超导磁储能可以实现长时间的储能。超导导线的通流能力比铜导线高出1～2个数量级，而且电流恒定时导线(磁体)自身不发热，使用超导磁体能获得远高于常规电感的储能密度、功率密度。

图1仅为电感储能的原理图，根据不同的应用途径，储能电感与电源、负荷的连接方式也不同。本文主要介绍电力系统用SMES。电力系统用SMES需要随时处于待机状态以便即时响应电力系统的动态变化，超导磁体一般需通过电力电子变流器连接到电力系统，变流器对超导磁体实施实时控制。

图1 基于电感的电能存储与能量利用的基本原理

2.系统构成及其技术特性

(1) 系统构成

SMES的系统构成如图2所示，由超导磁体、低温系统、变流器、以及状态监测与控制系统、保护系统等构成。图2中的变压器是为了方便SMES与电力系统连接的电压匹配设备，不是SMES的必需部件。旁路开关平时处于开的状态，只有在紧急情况下才闭合释放超导磁体中的能量以保护磁体的安全。

(2) 关键部件

① 超导磁体

超导磁体是SMES的核心部件，可以采用单螺管、多螺管或环形结构磁体。其中，螺管磁体结构简单、周围杂散磁场较大，环形磁体则相反。

② 电流引线

电流引线需具备从低温环境到室温的绝缘性能，也是超导装置热损耗的主要热源之一，是影响SMES制冷机功率的主要因素。

③ 低温系统

超导磁体只有在足够低的温度环境下才能运行在超导状态，对于高温超导磁体，虽然高温超导的临界温度高于77K(-196)，但由于超导导体在磁场的作用下临界电流会衰减，而为提高储能密度需尽可能的提高磁场强度，高温超导磁体用于储能时，一般需将温度冷却到远低于77K，比如30K以下。现在比较成熟的制冷技术有低温液体浸泡冷却和通过制冷机直接传导冷却。

④ 变流器

超导磁体在储能状态承载的是直流电流，为了实现超导磁体与电网之间的有功功率和无功功率的交换，需要双向变流器进行交、直流的变换与控制。变流器拓扑结构有电压型(VSC)和电流型(CSC)2种，如图3所示。通过变流器的控制，SMES可以实现有功功率、无功功率的四象限独立控制。

(a) 电压型变流器

(b) 电流型变流器

图3 SMES用变流拓扑

① 监控系统

监控系统通过检测电力系统和SMES的运行参数，并由此分析出电力系统的功率补偿需求以及磁体的功率补偿能力，确定功率补偿方案，并指令变流器控制磁体实施动态的功率补偿，必要时也可对保护系统发出指令。

② 保护系统

当电流、磁场强度、温度中的任意一个参数超过临界值时，超导体会从超导态转变为正常态，这称为失超。SMES的超导磁体在功率补偿过程中承载的是动态电流，会在磁体中产生热量而致使温度升高。为保证SMES的安全，需要对超导磁体实施失超保护，也需要对超导磁体、低温系统、变流器以及电力系统的运行状态实时监控，并实施有效的保护。

(1) 技术特性

SMES的超导磁体在储能状态下不会产生焦耳热损耗，可长时间无损耗地储存能量，储能效率高达95%。超导导线的通流能力比铜导线高出1～2个数量级、能实现5T以上的磁场，这使得超导磁体具有很高的储能密度(约0.9～9MJ/m3)。SMES的储能与释能是电磁能量的直接转换，能量转换速度及效率高于电能-化学能、电能-机械能等能量转换型式，这使得SMES的响应速度快、功率密度高、反复充放电次数无限制。在变流器的控制下，SMES的实施功率补偿的响应时间小于10ms，能满足电力系统暂态稳定性、瞬时电压跌落等的功率补偿需求。

3.国内外发展现状

根据所用超导带材的不同，SMES可分类为低温和高温SMES。使用低温超导材料的SMES需要工作于液氦温区(4.2K)，因液氦资源紧缺、制冷成本高，虽然已经研制成功了100MJ的低温SMES，但仍然未能获得推广应用。高温超导体的临界磁场远高于低温超导体，其导线制作技术处于发展期，性能还存在上升空间，可以认为使用高温超导材料的SMES是未来的主要发展方向。本文仅介绍高温SMES的发展现状，如表1所示。相比于电力系统对储能的需求，国内外均已实现的MJ级高温超导SMES的容量仍然偏小，何况有的样机是冷却到4.2K，使得低温系统成本高冷却效率低。为了在电力系统中实现SMES的规模化应用，还需要进一步提高超导导线的性价比、冷却系统的效率、以及整个SMES系统的可靠性。

表1 高温SMES国内外发展现状

原标题：超导储能技术及其发展前景

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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