超導磁儲能系統將電磁能存儲在超導儲能線圈中，具有反應速度快、轉換效率高、快速進行功率補償等優點，在提高電能品質、改善供電可靠性及提高大電網的動態穩定性方面具有重要價值。概述了超導儲能系統的工作原理、研究現狀及優缺點，并展望了其未來應用可能性及發展方向。
由于發電資源和負荷資源地理分布不匹配、資源互補和綜合高效利用的要求等原因，現代電網逐漸形成了跨區互聯大電網。在這個大電網中，除了配置少量抽水儲能外，幾乎沒有其他儲能系統，特別是高功率、快速響應的靈活儲能系統。這一方面導致電網峰谷調節困難、使電網的靈活性受到限制，另一方面引起電網的安全可靠性問題：當電網出現瞬態功率不平衡時，必須由電網自身的慣性和控制系統來實現平衡，一旦出現大的瞬態擾動，將導致電網穩定性事故的發生;瞬態擾動還會導致電壓和頻率的波動，從而引起電能質量問題。在電網中配置具有不同功率特性和響應特性的儲能系統是解決上述問題的根本出路，特別是在可再生能源大量接入的情況下更是如此。目前，用于電網的儲能方式主要有6種：抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導磁儲能(superconductingmagneticenergystoragesystem,SMES)、超級電容器儲能和電池儲能。相比于其他儲能方式，SMES具有響應速度快、儲能效率高及有功和無功率輸出可靈活控制等優點，有望在未來電網建設中發揮作用。
本文介紹SMES的基本原理、結構和研發現狀，探討SMES的2個基本核心部件——超導儲能線圈和功率調節系統，分析基于SMES的混合儲能系統。
1 SMES基本原理
SMES是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能回饋電網或其他負載，并對電網的電壓凹陷、諧波等進行靈活治理，或提供瞬態大功率有功支撐的一種電力設施。其工作原理是：正常運行時，電網電流通過整流向超導電感充電，然后保持恒流運行(由于采用超導線圈儲能，所儲存的能量幾乎可以無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放時為止)。當電網發生瞬態電壓跌落或驟升、瞬態有功不平衡時，可從超導電感提取能量，經逆變器轉換為交流，并向電網輸出可靈活調節的有功或無功，從而保障電網的瞬態電壓穩定和有功平衡。
SMES主要包括4部分，即超導儲能線圈、功率變換系統、低溫制冷系統和快速測量控制系統。其中超導儲能線圈和功率變換系統為SMES的核心關鍵部件。超導儲能線圈需要在低溫杜瓦中維持低溫狀態是SMES的能量存儲單元，由于在恒定溫度下運行，其壽命可達30年以上;功率變換系統是電網與SMES進行能量交換的裝置，它主要將電網的能量緩存到超導儲能線圈中，并在需要時加以釋放，同時還可發出電網所需的無功功率，實現與電網的四象限功率交換，進而達到提高電網的穩定性或改善電能質量的作用;低溫制冷系統包括制冷機及相關配套設施，為SMES的正常運行提供所需冷量，可以實現“零揮發模式”運行;快速測量控制系統主要用來檢測電網的主要運行參數，對電網當前的電能質量進行分析，進而對SMES提出運行控制目標，同時還具有自檢和保護功能，保障SMES的安全運行(圖1)。
2 超導儲能線圈研發現狀
超導儲能線圈是SMES設備的核心部件，是由在一定條件下具有超導特性的導體繞制而成，可以在一定條件下無阻、無損地承載穩態直流大電流，是系統中的電磁能量存儲單元。SMES就是基于超導體的無阻高密度載流特性，利用超導電感存儲能量，在響應時間以及瞬間大功率釋放等方面具有優勢。
2.1 低溫超導儲能線圈
20世紀60年代，隨著NbTi線的問世和大規模產業化，GirardB等提出了超導儲能概念，采用不同超導材料、不同構型、容量和用途的超導儲能線圈相繼問世：最初是采用NbTi、Nb3Sn等低溫超導材料研制小型單螺管結構的超導線圈，結構簡單、儲能密度高、相同儲能量超導導體用量最少(美國第一套在電網中應用的儲能系統30MJ/10MW采用的單螺管NbTi線圈，在1983年初次完成勵磁)，但由于漏磁場高、金屬低溫容器內感應出渦流損耗增加制冷負荷等原因未能大規模發展。為降低漏磁場及其影響，多螺管組合儲能線圈系統被研發出來，它的儲能密度比單螺管降低，且漏磁場并沒有很好解決。隨著儲能線圈儲能量的不斷增加，螺繞環構型的儲能線圈有了大規模的發展。1985年開始，美國和日本分別進行5000MW·h/1000MW的儲能系統的設計，隨后日本進行了20MW·h/400MW模型樣機的研制。該種構型的儲能線圈雖然儲能密度和導體利用率都比單螺管儲能線圈低很多，但可以很好地解決漏磁場及其引發的渦流損耗問題。
2.2 高溫超導儲能線圈
隨著高溫超導體的發現及實用化高溫超導帶材的發展，1996年美國超導公司研發出世界第一臺高溫超導儲能線圈，儲能量5kJ，工作溫度提高到25K，從此揭開了高溫超導儲能線圈研發的序幕。由于受高溫超導材料的價格、性能的影響，高溫超導儲能線圈技術的發展緩慢，直到2004年才出現MJ量級儲能線圈樣機，但只見到日本研發團隊研制過程的報道，未見后續進展情況的報道;2008年，中國科學院電工研究所研制成功的1MJ/0.5MW高溫超導儲能線圈，是目前儲能量最大的高溫超導儲能線圈。
2.3 超導儲能線圈的失超保護
超導儲能線圈因為瞬間過流、熱擾動等引發失超，伴隨瞬間電阻增大、過熱、瞬間高壓等狀況，因此超導儲能線圈需要失超保護系統來確保超導儲能線圈的安全。通常用監測超導儲能線圈的電阻、電壓等電器參數來監測超導儲能線圈的失超信號，但由于超導儲能線圈的電感較大，儲能線圈的工作電流處于波動狀態，這給失超信號的檢測帶來較大困難;也有的利用監測制冷劑的揮發量或儲能線圈最容易失超部位的溫度變化來監測超導儲能線圈的失超信號，但由于熱反應有較長時間的滯后，所以工程上同時采用這2種方法。
3 基于SMES的混合儲能系統
現有的儲能介質主要分為能量型和功率型2類：能量型儲能介質主要是以鋰電池、鈉硫電池、液流電池和鉛酸電池等蓄電池為代表，具有能量密度較大、功率密度較小的特點，但充放電次數及放電深度受使用壽命限制;功率儲能介質主要是以超級電容、SMES和飛輪儲能等為代表，具有能量密度較小、功率密度較大、高倍率充放電不會損害其性能的特點。2類儲能技術各有優劣，混合儲能裝置是將2類儲能裝置組合使用，取長補短。
目前研究較多的SMES混合儲能主要是超導-蓄電池混合儲能。超導-蓄電池混合儲能是將SMES與電池儲能系統(batteryenergystoragesystem,BESS)相結合的一種混合儲能裝置。它采用共直流母線的結構，風機通過變流器和變壓器連接到電網，SMES和BESS通過各自的DC/DC斬波器連接到直流母線上(圖14)。
SMES-BESS具有超導儲能響應快、效率高(可達95%)、無噪聲污染、可靠性高的特點，同時又具有蓄電池儲能抑制電壓閃變、價格便宜、可靠性好、技術非常成熟、大容量容易實現等優點，可以穩定電網頻率，控制電網電壓的瞬時波動，提高供電質量，同時能夠減少電池充放電次數和放電深度，延長電池的使用壽命。
SMES-BESS同時具有SMES與BESS的優點，相比于單一的儲能的方式，在應用方面更具優勢。張曉紅等列出了SMES-BESS在微電網儲能中應用的優勢。快速響應和大容量儲能的特點非常適合于微電網孤島和并網的運行狀態，可以穩定微電網頻率，控制微電網電壓瞬時波動，保證給用戶提供不間斷供電等功能，進而提高供電質量。
風力發電存在不連續、不穩定的特點，直接并網會造成電壓閃變、功率頻率波動等不良影響。同時，風電場必須具備低電壓穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)能力，以消除潛在的安全隱患。研究表明，SMES-BESS在穩定電壓波動、平抑風電功率波動及提高低電壓穿越能力方面具有重要作用。圖15為SMES-BESS變流器的拓撲結構。
Li等提出了SMES-BESS用于電動公共汽車儲能的可能性，并提出一種新的控制算法。通過仿真分析，得出SMES-BESS混合儲能系統具有更高的使用效率。SMES作為能量緩沖區，能夠減少電池的充放電頻率，限制電池的峰值電流，從而延長電池的使用壽命。
4 超導儲能系統應用實例
以本研究組研制的0.5MV·A/1MJ的SMES為例，介紹SMES在電網的應用方法。0.5MV·A/1MJSMES安裝在甘肅省白銀市高新技術開發區內的超導變電站內，變電站的下游為3家高新技術企業。這3家企業擁有大量的非線性用電設備，這些設備會產生諧波和閃變，影響電網的電能質量。為了提高對3家企業的供電質量，該SMES采用與電網并聯連接的方式，對下游負載的諧波、無功和功率波動進行補償，同時實現了有源濾波、無功補償和有功平滑的功能。
為了提高SMES有源濾波的效果，需要提高系統的開關頻率，而過高的開關頻率會導致變流器過熱和不穩定的問題。為了解決該問題，SMES功率調節系統采用模塊化的設計方案，共由12個逆變器模塊(invertermodule)和1個斬波器模塊構成，其拓撲結構及與電網的連接方式如圖16所示，功率模塊的實物如圖17所示。逆變器模塊載波頻率5kHz，通過載波移相和單極性調制方式，其等效開關頻率進一步達到40kHz;采樣率也為40kHz。高等效開關頻率和采樣率有效地提高了系統的控制帶寬，從而保證了有源濾波效果。為了進一步提高有源濾波的效果，在控制上采用了比例積分和重復控制相結合的方式。
其儲能線圈由44個鉍系帶材繞制的雙餅線圈構成(圖18)。儲能線圈的中部采用雙帶雙餅串聯連接的方式。由于儲能線圈端部垂直磁場較強，對臨界電流的影響較大，因此在端部采用單帶雙餅與雙帶雙餅并聯連接的方式，保證了其端部臨界電流與中部相匹配。
為了評估該SMES的性能，對其進行了實驗和并網測試。圖19是其有源濾波的實驗波形，自上至下依次為電網電流、負載電流、直流母線電壓和儲能線圈電流。
從圖19中可以看出，其負載電流存在嚴重的諧波畸變，經電能質量分析儀測試，其總諧波畸變率(totalharmonicsdistortion,THD)達到92.2%，而經過SMES進行有源濾波處理后，其電網電流的THD降到4%，有源濾波的效果非常明顯。
圖20是有功平滑的實驗結果。在實驗過程中，非線性負載的功率由50kW跳變到100kW后跳變回50kW。在負荷突增時，儲能線圈的電流從300A下降到260A，從而為突增的負荷提供突變的有功功率;而在負荷突降時，儲能線圈從電網吸收有功功率，儲能線圈的電流逐漸增加到300A。在負荷突增或者突降時，電網電流的幅值沒有明顯變化，這表明負荷突變對電網的沖擊大大減輕，有效地實現了有功平滑的功能。
圖21是并網運行的測試結果，藍色和紅色曲線分別為電網和負載的有功功率和無功功率，圖21(a)、(b)分別為電網和負載的有功和無功功率。從圖21可以看出，加入該SMES后，雖然負荷的有功功率存在劇烈波動，但是電網僅需提供較為平滑的有功功率，有功平滑的效果明顯。同時也可以看出，通過SMES的無功補償，注入電網的無功功率基本為0，無功補償的效果明顯。
5 SMES應用前景和發展方向
5.1 SMES在功率和能量系統中的應用前景
相比于其他儲能方式，SMES最大的優點就是響應速度快，這使SMES在功率和能量系統中具有廣泛的應用前景。
1)能量存儲。一個SMES單元最大能存儲5000MW·h能量，存儲效率可達95%。對于能量的快速變化，SMES的跟隨速度達毫秒級別。對于電網系統的削峰填谷，SMES是個理想的器件，同時能減少設備的旋轉備用需求(spinningre?verserequirements)。
2)穩定電壓動態性能。線路嚴重過載或者動態無功補償不足會造成電壓失衡，出現電壓驟升或驟降。SMES通過提供瞬時有功和無功功率補償，穩定電壓的動態性能。
3)穩定風力發電機。現代風力發電系統主要面臨2個主要問題：風力發電的輸出功率受風速影響較大，輸出功率隨機波動;電網電壓跌落時，若單純切斷風力發電設備，會給電網穩定性帶來嚴重影響。基于具有自換相能力逆變器的SMES單元能夠對有功和無功功率進行實時控制。因此，SMES對于穩定風力發電系統具有重要作用。
4)次同步諧振阻尼。發電機傳輸線路上一般有高階串聯補償裝置，提供功率補償，調節功率因數。高階串聯補償裝置將會引發次同步諧振現象，對發電機產生嚴重損害。SMES作為有源器件，能夠緩解次同步諧振的影響，允許更高階串聯補償裝置的安裝。
5)聯絡線功率控制。電網輸出功率與實際消耗功率之間的匹配控制十分重要。一般情況下，電網輸出功率等于用電設備的消耗功率。而當發電機輸送功率時，控制區域與執行區域的不統一造成系統負載發生變化，實際輸送功率與設定功率產生誤差，影響發電機工作效率。SMES可以通過適當控制算法，注入功率補償來消除誤差，保證發電機的工作效率和功率相匹配。
6)黑啟動能力。SMES單元能為發電單元提供啟動功率，不需要從電網吸收能量。當電網發生故障時，SMES的黑啟動能力能維持發電機繼續工作，能夠有效保護電網。
7)多功能超導儲能裝置。將超導儲能與統一電能質量控制器相結合，可形成具有儲能功能的動態電壓恢復器[72]、統一電能質量控制器，與故障限流器相結合，形成超導限流儲能系統。應用于單臺分機的超導限流-儲能系統拓撲結構，可同時提高單臺風力發電機的低電壓穿越能力和功率輸出穩定性;對超導限流-儲能系統在風電場中的應用進行了初步的仿真分析，進一步提出應用于風電場的超導限流-儲能系統拓撲結構，實現對風電場的保護，并開展相關樣機的研制。
5.2 SMES磁體研究的新方向
儲能磁體的結構主要有單螺管、組合螺管、環形螺管3種。以往單螺管磁體的設計，大多使用矩形截面的磁體，其結構簡單，但超導帶材的利用率相對較低。研究者分析如何改變磁體的結構，一種思路是采用階梯形截面磁體。相比于矩形截面磁體，階梯形截面磁體在優化設計方面比較復雜，但是采用階梯型磁體結構可以減小垂直于帶材磁場的作用，從而提高磁體的臨界電流，最終提高其儲能量和穩定裕度。階梯形截面儲能磁體的結構可分為內階梯截面磁體和外階梯截面磁體。由于在不同溫區磁場對氧化釔鋇銅(YB?CO)超導帶材臨界電流的影響規律有所不同，Sun等通過研究發現：在20K溫區，采用內階梯截面結構更省帶材，在77K溫區，采用外階梯截面結構更省帶材。
另外，對于需要頻繁充放電的超導儲能磁體或者低頻交流磁體，由于磁體自身交流損耗且在低溫容器及金屬部件上產生的渦流損耗較大，運行于過冷液氮溫區，相對于在液氫和液氦溫區而言具有較低的制冷成本和較高的運行經濟性，只是超導材料的用量相對較大。在過冷液氮溫區，超導磁體的中心場強可達2T左右。
儲能磁體在工作時，磁體外部的磁場呈軸對稱狀分布在空氣中，漏磁較大，成為變電站內電磁污染的主要來源之一。儲能磁體的強磁場不僅對周圍其他電氣設備產生影響，而且對人體存在潛在危害。采用磁屏蔽或電磁屏蔽的方法抑制磁體漏磁雖然可以將空間磁污染抑制到可接受的水平，但是各種屏蔽方法均會導致磁體運行損耗的增加，并引起電感參數的變化。為了降低空心電抗器或儲能線圈的空間漏磁，通常采用2種方式：一種是采用多螺管平行排列，一種是采用多螺管或線餅環形排列。國際對多個螺管和雙餅串聯連接方式超導儲能磁體展開了大量研究工作。日本九州電力公司完成了1GJ環形結構高溫超導儲能磁體的概念設計，韓國、印度分別對2.5MJ、4.5MJ環形結構高溫超導儲能磁體進行了概念設計，在中國華中科技大學也開始進行10MJ儲能磁體的概念設計。在高壓、大電流應用場合，采用上述結構面臨諸多線圈間的均壓均流問題。
5.3 SMES面臨的挑戰和發展方向
雖然SMES在提高電力系統穩定性和改善供電質量方面具有明顯優勢，但是受限于其身高昂的費用，SMES還未能大規模進入市場，技術的可行性和經濟價值將是SMES未來發展面臨的重大挑戰。今后SMES的研究重點將集中在如何降低成本、優化高溫超導線材的工藝和性能、開拓新的變流器技術和控制策略、降低超導儲能線圈交流存耗和提高儲能線圈穩定性、加強失超保護等幾方面。高溫超導材料的不斷發展，極大推動了SMES的發展，許多國家采用高溫超導材料進行SMES系統的研究實驗，包括日本和韓國，得出結論：高溫超導材料會極大降低SMES的成本，并提高性能。可以預見，高溫超導材料的不斷發展成熟，將會降低整個SMES系統的價格，極大地簡化冷卻手段和運行條件，提高其性能和壽命。SMES技術將加速發展，并可望成為主要電力基礎應用裝備之一。
6 結論
經過幾十年的發展，SMES在技術研究和應用方面都取得大量成果。相比于其他儲能方式，SMES的性能更加優越，應用前景更加廣泛。在未來幾十年、甚至更長的時間內，SMES將會是一個持續的研究熱點。隨著超導技術的進步，SMES的發展已進入一個新階段，推動著電力系統的發展與革新。
