什么是超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)及其組件

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種利用超導(dǎo)線圈直接儲(chǔ)存電磁能，然后在需要時(shí)將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的電力設(shè)施。本文將從工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景、挑戰(zhàn)、發(fā)展等方面介紹超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置通常由以下部分組成：

● 超導(dǎo)磁體

● 低溫系統(tǒng)

● 磁鐵保護(hù)系統(tǒng)

● 功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

● 監(jiān)控系統(tǒng)

這種結(jié)構(gòu)最早是由美國(guó)阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室（LANL）提出的，后來(lái)的設(shè)備研究通常以此為參考。

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是如何工作和傳遞能量的

在正常運(yùn)行期間，電網(wǎng)電流通過(guò)整流對(duì)超導(dǎo)電感器充電，然后保持恒定電流運(yùn)行。由于超導(dǎo)線圈用于能量存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的能量幾乎可以永久存儲(chǔ)而不會(huì)損失，直到需要釋放為止。

在電網(wǎng)中出現(xiàn)瞬態(tài)電壓下降或突然上升以及瞬態(tài)有功功率不平衡的情況下，可以從超導(dǎo)電感器中提取能量，通過(guò)逆變器將能量轉(zhuǎn)換為交流電，并向電網(wǎng)輸出靈活可調(diào)的有功或無(wú)功功率，從而確保電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓穩(wěn)定性和有功功率平衡。

 

原理圖如下：

 

 

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置利用超導(dǎo)磁體將電能轉(zhuǎn)換為電磁能進(jìn)行存儲(chǔ)（通過(guò)轉(zhuǎn)換器從電網(wǎng)供電和勵(lì)磁，線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)），然后在必要時(shí)將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載，并通過(guò)功率轉(zhuǎn)換器控制能量交換。

 

超導(dǎo)磁性儲(chǔ)能材料的類型

根據(jù)工作溫度的不同，超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈中使用的超導(dǎo)材料可分為：

● 低溫超導(dǎo)材料

● 高溫超導(dǎo)材料

● 室溫超導(dǎo)材料

其中，高溫超導(dǎo)材料的研發(fā)可以提高超導(dǎo)儲(chǔ)能的實(shí)用性，擴(kuò)大超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用范圍。

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的優(yōu)缺點(diǎn)

超導(dǎo)儲(chǔ)能是一種輸出功率大、響應(yīng)快、安全性高、壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)。它是目前唯一可以直接將電能作為電流存儲(chǔ)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。它具有一系列其他儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：

● 與氫儲(chǔ)能的高消耗率相比，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能可以長(zhǎng)期無(wú)損地儲(chǔ)能，轉(zhuǎn)換效率超過(guò)90%；

● 超導(dǎo)儲(chǔ)能采用電力電子器件的電流轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）；

● 由于其儲(chǔ)能和功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可以在大范圍內(nèi)獨(dú)立選擇，因此該系統(tǒng)可以構(gòu)建成所需的大功率、大能量系統(tǒng)。

● 除了真空和制冷系統(tǒng)外，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，使用壽命長(zhǎng)。

● 該系統(tǒng)不受位置限制，維護(hù)簡(jiǎn)單，污染小。

 

 

同時(shí)，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的缺點(diǎn)也不容忽視：

● 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)成本相對(duì)較高，存在經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題；

● 超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)需要在低溫下運(yùn)行，這樣超導(dǎo)材料才能達(dá)到零電阻。低溫環(huán)境維護(hù)困難；

● 由于技術(shù)和成本的限制，即使超導(dǎo)儲(chǔ)能可以不受地理限制，也沒(méi)有足夠的商業(yè)場(chǎng)景可以實(shí)際實(shí)施。

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括：

● 穩(wěn)定的風(fēng)力渦輪機(jī)

● 次同步諧振阻尼

● 聯(lián)絡(luò)線功率控制

● 多功能超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置

● 通過(guò)提供瞬時(shí)有功和無(wú)功功率補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓動(dòng)態(tài)性能

● 儲(chǔ)能（一臺(tái)SMES機(jī)組最多可儲(chǔ)存GJ級(jí)能量，儲(chǔ)能效率可達(dá)95%）

 

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能面臨哪些挑戰(zhàn)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求越來(lái)越大，隨之而來(lái)的是電力系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的增加。超導(dǎo)儲(chǔ)能將面臨許多重大技術(shù)問(wèn)題，包括：

● 電網(wǎng)崩潰

● 諧波

● 短時(shí)電源故障

● 斷路器不能有效排除短路故障

● 不連續(xù)和不穩(wěn)定的可再生能源

 

 

世界超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的Heike Kamoline Onnes發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汞溫度降至4.2 K時(shí)，電阻降至零，許多金屬和合金都具有類似的在低溫下失去電阻的特性。它將這種特殊的導(dǎo)電性稱為“超導(dǎo)狀態(tài)”，將處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為“超導(dǎo)體”。

1969年，F(xiàn)errier首次提出了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）的概念，將其作為電力系統(tǒng)中平衡電力負(fù)載的裝置。

目前，全球超導(dǎo)儲(chǔ)能研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)主要分布在北美、西歐和東亞，如美國(guó)SuperPower、德國(guó)ACCEL集團(tuán)、日本中央電力、日本東芝、中國(guó)華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電氣工程研究所、，等

其中，美國(guó)在超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，技術(shù)水平最為先進(jìn)。它是世界上最大的超導(dǎo)儲(chǔ)能市場(chǎng)。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能在支持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高電網(wǎng)質(zhì)量和大功率設(shè)備脈沖供電方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。它是近年來(lái)超導(dǎo)應(yīng)用研究的新方向之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能將促進(jìn)電力系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。