高温超导储能系统

一、什么是超导储能系统?

超导储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成。

超导储能系统可用于调节电力系统峰谷(例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网)，也可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性：

(1)超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%;

(2)超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快(毫秒级);

(3)由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统;

(4)超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长;

(5)超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。

目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家(例如美国、日本、德国等)在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐。

二、开发超导储能系统的必要性

由于电力系统的“电能存取”这一环节非常薄弱，使得电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制;同时，电能在“发、输、供、用”运行过程中必须在时空两方面都达到“瞬态平衡”，如果出现局部失衡就会引起电能质量问题(闪变)，瞬态激烈失衡还会带来灾难性电力事故，并引起电力系统的解列和大面积停电事故。要保障电网安全、经济和可靠运行，就必须在电力系统的关键环节点上建立强有力的电能存取单元(储能系统)对系统给与支撑。基于以上因素，电能存取技术越来越受到各国能源部门和电力部门的重视。

超导储能系统由于其存储的是电磁能，这就保证超导储能系统能够非常迅速以大功率形式与电网进行能量交换。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可以做的很大，并具有系统效率高、技术较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点。对于其它储能技术，无论其如何发展，都不可能消除能量形式转换这一过程，所以无论是现在或将来，超导储能技术将始终在功率密度和响应速度这两方面保持绝对优势。所以，作为电能存取的技术，超导储能技术的应用价值极高，在进行输/配电系统的瞬态质量管理、提高瞬态电能质量及电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有不可替代的作用，并将为打造新的电力市场机制提供技术基础，具有广阔的应用前景。

由于电力技术的发展，长时间的电力中断事故发生几率很小，而瞬态电力故障，如闪变、电压骤升/骤降以及瞬态断电日渐突出。而瞬态电力故障对于依赖智能设备的许多商业用户和制造企业危害极大。从技术角度讲，治理瞬态电能质量问题的有效手段是利用快速响应的有功功率补偿技术。由于超导储能系统具有功率快速补偿这一独特优势，弥补了常规电力系统中缺乏电能存取的弱点，它对瞬态电能质量所有故障问题都能起到很好的改善作用。

三、超导储能系统的应用前景

超导储能系统在进行输/配电系统的瞬态质量管理、提高瞬态电能质量及电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有不可替代的作用，并将为打造新的电力市场机制提供技术基础，具有广阔的应用前景。其应用场合主要包括：

(1)可用来消除电力系统中的低频振荡，用于稳定系统的频率和电压;

(2)可用于无功功率控制和功率因数的调节，以提高输电系统的稳定性和功率传输能力;

(3)由于它可迅速向电网加入或吸收有功功率，具有超导储能装置的系统可看成是灵活交流输电系统;

(4)如果不仅将它看成是一个储能装置，而且将它看成是系统运行和控制时的有功功率源，它将显得更有用和有效，因此可以用作超导能量管理系统;

(5)在AGC系统中具有自动发电控制作用，而且局部控制错误可减到最小;

(6)可用于配电系统或大的负载边以减少波动和平衡尖峰负载、控制初次功率和提高瞬态稳定性，并可得到很好的效益;

(7)可用于海岛供电系统，因为海岛与大陆联网的造价高，一般采用燃气轮机独立发电并成网，超导储能装置可用来进行负载调节等;

(8)可用来补偿大型电动机起动、焊机、电弧炉、大锤、扎机等波动负载从而减少电网灯光闪烁现象;

(9)还可用作太阳能和风力田的储能。风力发电将产生脉动的功率输出并将为配电网带来很多问题，而超导储能装置可使风力发电系统的输出平滑而满足配电电网的要求，并为系统提供备用功率和控制频率;

(10)可作为其它分布式电源系统的储能装置;

(11)可用作为重要负载提供高质量电力的不间断电源，并在负荷侧发生短路时限制短路电流。

总之，现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量提出了越来越高的要求。例如现代企业中变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工工具、可编程控制器、计算机信息系统等设备，对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。随着我国新技术、新设备的不断引进和广泛应用，以及我国电力市场商业化运营的实施和分布式发电技术的发展，对电能质量的控制提出了日益严格的要求，对电能质量敏感的电力用户或需要特殊供电的场合也会越来越多。随着我国电网的不断扩大，也迫切需要解决大电网的稳定性问题，超导储能系统在这方面也将具有重要的应用价值。

四、1MJ高温超导储能系统简介

中国科学院电工研究所目前已经完成了1.0MJ超导储能系统的全部研制工作，完成了在北京市门头沟供电公司石龙开闭所所开展的并网运行前的最后测试工作，测试结果表明，超导储能系统已经具备了并入10.5kV配电网进行载荷试验运行的条件。

在超导储能系统的研制过程中，在快速充放电高温超导磁体技术、低温制冷技术、具有新型拓扑结构的电力电子技术、在线监控技术以及系统集成技术等方面做了大量的研究工作，解决了一系列关键科学技术问题以及超导储能系统与电网匹配协调运行等关键科学技术问题，取得了多项自主知识产权，其技术成果的应用将为提高我国电能质量并改善大电网的动态稳定性发挥重要作用。

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五、在潍坊国家高新技术产业开发区并网运行的意义

2008年7月1日，由中国科学院电工研究所与山东乐航节能科技股份有限公司共同组建的“中科乐航节能技术联合研究开发中心”(以下简称联合研究开发中心)在山东省潍坊国家高新技术产业开发区正式签约和挂牌，并且启动了双方合作的切入点项目――感应加热技术的研究开发。联合研究开发中心立足潍坊，服务全国，通过共同开发、成果转化和产业化的方式，形成全国一流的规模化节能技术的研究开发中心和成果转化基地，推动行业科技进步，为国家节能技术的发展以及节能减排目标的实现提供技术支撑。

联合研究开发中心的运行和发展依托于山东省潍坊国家高新技术产业开发区。作为国家级高新技术产业开发区，山东省潍坊国家高新技术产业开发区在全国布局中具有独特的优势和地位，开发区致力于投资环境的全面优化，致力于自主创新能力的提高，致力于和谐社会的构建，实现了经济社会的健康快速发展;成为了新技术、新产品和新型企业不断孵化、成长和腾飞的基地。开发区拥有一批在国际国内均处于业界领先水平的优秀企业，其中不乏一些生产高、精、尖产品的高新技术企业。这些企业所生产产品质量首先取决了企业优秀的管理和技术创新能力，但与所提供的电能质量的高低也有很大的关联性，高质量的电能供给将为生产高质量和畅销的高新技术产品提供可靠的保障。而超导储能系统及其全套技术解决方案无疑是为这些企业提供可靠和高质量电能的最佳选择。

为此，基于已经完成研制的超导储能系统，为推动中科乐航节能技术联合研究开发中心朝着创建全国一流研究开发中心的发展目标前进，结合山东省潍坊国家高新技术产业开发区所具有的独特优势和地位，将1MJ超导储能系统的并网运行地点由北京市门头沟改为山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区，将带来巨大的经济和社会效益：

(一)超导储能系统将直接服务于开发区的高新技术企业，将提高企业的电力瞬态质量管理、提高瞬态电能质量及电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等能力，将大幅稳定系统的频率和电压，在无功功率控制和功率因数调节上提高输电系统的稳定性和功率传输能力，从根本上改善对供电质量敏感的企业或部门的电能质量，同时可以作为短时备用电源使用，为企业生产保驾护航。通过运行，在对超导储能系统进行长期考验、数据和技术经验积累的基础上，实现超导储能系统向实用化和产业化的过渡。

(二)投入到山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区的1MJ高温超导储能系统将是世界首套投入到实际电网运行的高温超导储能系统，是全世界超导界的一件大事，具有十分重大的显示度，将提升山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区和地方的形象和地位，推动开发区和地方的创新发展。

(三)由于1MJ超导储能系统的研究开发工作已经基本完成，将为开发区节省大约2000万元的研究开发费用，使开发区以及相关企业直接共享了由研究开发所形成的技术成果及其效益。

六、超导储能系统如何实现在开发区的并网运行

已经研制成功的1MJ高温超导储能系统作为一个试验产品，在设计和技术实施中留出了很大的裕度。对于投入到山东省潍坊市潍坊国家高新技术产业开发区并网运行的超导储能系统，将在已经研制成功的1MJ超导储能系统的基础上进行局部调整和优化，在全部保留超导储能系统的核心部件――超导磁体系统的基础上，对电力电子系统进行结构更加优化、运行更加可靠、体积更加紧凑、控制更加灵活、操作更加简便的技术改造，使之成为一套商业化前期产品，更快地推动超导储能系统向实用化和产业化方向发展。