丘 明，諸嘉慧，魏 斌，張宏杰

（中國電力科學研究院，北京 100192）

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)“電能存取”環(huán)節(jié)薄弱，使運行和管理過程中的靈活性和有效性受到極大限制；而電能在“發(fā)、輸、供、用”過程中必須在時空上達到“瞬態(tài)平衡”，如果出現(xiàn)局部失衡就會引起電壓波動、頻率振蕩或閃變，造成系統(tǒng)的解列，導致大面積停電事故。靜態(tài)無功補償、動態(tài)電壓調節(jié)、諧波濾除等裝置的使用，在一定程度上緩解了電網穩(wěn)定和電能質量問題，但各自仍存在問題。保障電網長期安全、經濟和可靠運行，就必須在電力系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)點上建立強有力的“電能存取”儲能單元對系統(tǒng)給予支撐。

超導磁儲能（superconducting magnetic energy storage，SMES）直接存儲電磁能，功率輸送時無需能源形式的轉換，與蓄電池等其它儲能方式相比較，具有響應速度快、轉換效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105kW/kg）大等優(yōu)點，可以實現(xiàn)與系統(tǒng)的瞬時大容量能量和功率交換，滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節(jié)和提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，自20世紀70年代起一直受到世界各國政府、能源電力等機構的廣泛重視[1-4]。

如今，世界上30 MJ 低溫SMES已投入高壓輸電網實際運行，5 GW·h的SMES通過了可行性分析和技術論證，但液氦系統(tǒng)復雜，技術要求高，SMES的經濟容量和運行成本制約了一般場合的應用和推廣；高溫超導鉍系線材采用Ag基體成本高，臨界電流隨磁場增加迅速減小，SMES極限容量受到其高場載流特性和機械強度的限制，為提高工程電流密度選擇通常采用G-M制冷機冷卻至20～30 K運行[5-6]，該溫區(qū)制冷效率低，磁體穩(wěn)定裕度??；若采用零揮發(fā)液氦制冷技術，工作在4.2 K，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到改善，但與低溫SMES相比較其經濟性又受到嚴重挑戰(zhàn)。

采用Ni-W基帶的YBCO涂層導體成本低，隨著IBAD/PLD、RABITS/MOD等工藝的不斷改進已有美國超導、SUPERPOWER、日本住友、藤倉等多家公司可以提供單根100～800 m長、4～5 mm寬、77 K自場載流能力70～250 A的商品化帶材[7-10]；462 m單帶繞制的口徑φ19.1 mm磁體64 K中心場強2.4 T，4.2 K場強中心9.81 T，19 T背場下產生26.8 T磁場；商業(yè)化涂層導體的性能已基本滿足SMES應用的要求。

1 涂層導體性能測試與比較

圖1顯示了超導線材傳輸電流特性測試平臺，該平臺通過減壓降溫獲得65～77 K過冷液氮環(huán)境，借助旋轉聯(lián)動機構改變導體帶面與背景磁場之間夾角，利用電壓四引線法即可測量涂層導體在不同磁場下的載流特性。圖2和圖3分別顯示了69 K和77 K溫度下4 mm帶寬YBCO涂層導體臨界電流及其密度隨磁場的變化曲線，可以看出磁場下導體臨界電流減小，帶面與磁場夾角 30°～40°附近出現(xiàn)極小值，極值所對應夾角隨磁場的增加而減小，整體表現(xiàn)出明顯的各向異性和非單調特征，與鉍系高溫超導帶材相比存在一定差異；在5～8 T磁場下仍保持104A/cm2量級臨界電流密度。

圖1 高溫超導線材傳輸特性測試平臺Fig.1 Measurement platform for transport characteristic of high-Tc superconducting wire

圖2 YBCO涂層導體臨界電流隨磁場夾角的變化Fig.2 The change of critical current with the angles of magnetic fields for YBCO coated conductor

圖3 涂層導體和鉍系帶材臨界電流密度隨磁場的變化Fig.3 The changes of critical current density with magnetic fields for YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire

磁體繞制、勵磁和運行過程中涂層導體將經受彎曲和拉壓，并受到電磁力的作用。為了考察其機械特性，通過力學測試得到77 K溫度下涂層導體和鉍系帶材拉伸應力-應變關系曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，涂層導體楊氏模量86.767 GPa，屈服強度超過 350 MPa，明顯高于鉍系帶材的54.118 GPa和330 MPa，表現(xiàn)出良好的力學性能。

YBCO涂層導體商品化長度均勻度已達到7.9%，高溫、強場載流特性及其成材技術的發(fā)展，為SMES液氮溫區(qū)高效運行、進一步提高比容量并在電力系統(tǒng)獲得廣泛應用提供了可能。2007年，韓國研究者利用1.2 m長YBCO涂層導體制作40 mm線圈，并實現(xiàn)了閉環(huán)運行，中心磁場持續(xù)測量72 h沒有變化；而美國MIT則用10 m長YBCO涂層導體制作內徑100 mm儲能繞組，77 K運行電流60 A，儲能量27.5 J。

圖4 YBCO涂層導體和Bi-2223帶材拉伸狀態(tài)應力-應變曲線Fig.4 Strain-stress curves of YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire at tensile strains

為掌握高溫運行SMES技術，積極推動超導電力技術的發(fā)展和現(xiàn)實應用，借鑒歐美SMES研發(fā)經驗并考慮到YBCO涂層導體目前成本，本項目立足千焦特征容量等級，嘗試構造適于高溫區(qū)運行Micro-SMES，有針對性地開展了儲能線圈電磁和結構優(yōu)化、繞制工藝、低溫系統(tǒng)設計及其一體化集成研究，并深入探討狀態(tài)監(jiān)測、失超保護、功率控制與調節(jié)方法等前沿技術，以便從中發(fā)現(xiàn)、分析和解決涂層導體SMES儲能單元設計、構造、控制和保護等普適性問題。

2 Micro-SMES系統(tǒng)優(yōu)化設計和構造

2.1 儲能磁體

儲能磁體是SMES系統(tǒng)核心，其尺寸由儲能量和結構決定。為了簡單起見，設計時忽略位移電流和有源電流區(qū)渦流，采用全場域三維靜磁場進行分析，轉化為矢量磁位A表示的邊值問題，即

式中，μ為材料的磁導率；Γ為磁體外部空氣邊界，滿足第一類邊界；J為載流密度。

與常規(guī)磁體不同，超導磁體的運行電流由超導體載流特性和磁體勵磁曲線決定，而勵磁曲線則取決于繞組的大小和形狀。為了確定磁體所允許的最大運行電流Im大小，依據(jù)涂層導體臨界電流與磁場依賴關系，應用迭代原理優(yōu)化得到式（2）、式（3），即

式中，ε為迭代因子，Imk、Imk+1為第k和k+1次迭代下所允許的最大運行電流，OF為收斂判斷式。

圖5所顯示的為兩種典型儲能磁體構型，針對其結構設定單個繞組線圈線長 200 m，考慮到YBCO層導體磁場下臨界電流的各向異性，進行磁體的優(yōu)化設計。圖6給出了運行電流60 A時內部磁場分布，可以看出螺管磁體比環(huán)形磁體具有更高的磁密，但漏磁場大；而環(huán)形磁體結構復雜，儲能效率低。圖7則給出了螺管磁體內部自場方向與導體帶面夾角40°的幾何區(qū)域及其二維剖視圖，圖中1、2點處磁密幅值分別達到1.53 T和0.109 T，這些區(qū)域的導體由于受到磁場的作用具有較低的臨界電流，限制了磁體的最大載流能力和儲能值。

圖5 螺管和環(huán)形磁體構型Fig.5 Toroidal and annular configurations of magnet

圖6 螺管和環(huán)形磁體內部磁密分布Fig.6 Flux distributions of toroidal and annular magnets

圖7 約束螺管磁體載流能力的幾何空間及其二維剖視圖Fig.7 Geometrical space and its 2D cross-section in toroidal magnet restricting working current level

為了節(jié)約成本、盡可能地提高儲能磁體容量大小，提出了混合螺管磁體構型，采用美國Superpower公司生產的12 mm和4 mm帶寬兩種規(guī)格涂層導體設計并繞制儲能磁體，以改變內部磁場分布，使約束電流區(qū)域位于具有高臨界電流的 12 mm寬導體處，獲得性能的優(yōu)化。表1和圖8分別給出了優(yōu)化后的混合和單一螺管磁體的設計參數(shù)、性能比較和磁體內部場分布，可以看出雖然混合磁體總電感減小至2.5 H，但最大允許運行電流增加近1.3倍，導體用線僅為單一螺管磁體的67%，50 K溫度儲能量達到3.5 kJ，顯示出較好的經濟性。同時，電感減小有助于減小磁體充電/釋能所需時間，提高SMES系統(tǒng)響應速度。

表1 混合和單一螺管磁體優(yōu)化設計參數(shù)及其性能比較Table 1 Optimized design parameters and performances of hybrid and single toroidal magnets

圖8 混合和單一優(yōu)化螺管磁體內部磁密分布Fig.8 Flux distribution of optimized hybrid and single toroidal magnets

2.2 低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)由杜瓦、導熱筒、熱輻射屏、AL600制冷機等部分組成，如圖9所示。其功能是冷卻涂層導體儲能磁體，使之保持在特定工作溫區(qū)，存在兩種工作模式：①液氮浸泡磁體，液面高度和磁體溫度通過液面計和傳感器監(jiān)控，制冷機冷量通過柔性連接和導熱筒傳入液氮，使之處于63～70 K過冷液氮溫區(qū)，通過控制氦-氮混合氣體壓力加以調節(jié)，氣壓維持在10 kPa以上以防止液氮固化（如圖10所示）；②傳導冷卻儲能磁體，使之冷卻并保持在40～60 K溫區(qū)。

圖9 Micro-SMES低溫系統(tǒng)布局Fig.9 The layout of cryogenic system for Micro-SMES

圖10 低溫氮相圖Fig.10 Phase diagram for low temperature nitrogen

低溫系統(tǒng)的性能和運行狀態(tài)直接關系到 SMES最低工作溫度點、效率和可靠性，為此除采用多層絕熱工藝制做杜瓦、并在內部設置熱輻射屏來減少腔體輻射漏熱外，理論分析和實驗研究了低溫高壓絕緣和變截面氣冷復合高溫超導電流引線的設計方法。結果表明，變截面常規(guī)電流引線傳導漏熱可以按平均截面積相等的等截面電流引線來處理，確定高溫超導引線上端平衡溫度點，并通過杜瓦漏熱-氮氣流量曲線與液氮蒸發(fā)率-潛熱函數(shù)關系獲得自冷引線的液氦蒸發(fā)率值后，基于阮耀鐘分段法就可以計算出一定截面半徑變化步長條件下常規(guī)引線的優(yōu)化幾何參數(shù)，如圖 11所示。結合磁體勵磁/釋能和閉環(huán)時能耗、低溫系統(tǒng)漏熱、冷卻機效率和磁體安全穩(wěn)定裕度等綜合性能分析（圖12），從而獲得涂層導體Micro-SMES的最佳運行溫度。

圖11 引線優(yōu)化長度與室溫端截面關系曲線Fig.11 Optimized length of current lead with its cross-section in 300 K

圖12 Micro-SMES最佳運行溫度確定流程Fig.12 Procedure to optimize the operating temperature for Micro-SMES

2.3 功率變換裝置

功率變換裝置是儲能磁體和電網間能量/功率傳遞的橋梁，考慮到技術的成熟度，涂層導體Micro-SMES選擇電壓型變流器（VSR），其主電路拓撲如圖 13所示，其中 L為濾波器電感，S1～S6為整流/逆變單元的IGBT單元，Cd1為直流母線側并聯(lián)電容，S7、S8為直流斬波器IGBT單元，VD1和VD2為續(xù)流回路①和②中的續(xù)流二極管。

圖13 變流器主電路拓撲圖Fig.13 Main topological diagram of Micro-SMES converter

VSR功率變換過程中，基于TMS320F2812 DSP采用SVPWM脈沖觸發(fā)方式和雙環(huán)反饋的控制策略對整流和逆變單元進行控制，通過斬波器單元中IGBT S7和S8的導通/斷開時間控制超導線圈的充電、續(xù)流和放電過程，從而實現(xiàn)快速的動態(tài)響應和電能單位功率因數(shù)的轉換。同步旋轉坐標系d軸與電網a相電壓矢量重合時 uq= 0，VSR同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型可以表征為

式中，Uid、Uiq為三相電網電壓在同步旋轉坐標系下的投影，iid、iiq為整流器側電感電流在同步旋轉坐標系下的投影?？梢钥闯觯瑪?shù)學模型中存在交叉耦合項，將不利于電流的控制，為此電流調節(jié)器采用PI控制，忽略 ωeL∑id和 ωeL∑iq，以便實現(xiàn)dq軸電流內環(huán)的解耦控制，dq軸電流可以通過式（5）求得，解耦控制原理和VSR系統(tǒng)整流控制系統(tǒng)如圖14、圖15所示。逆變運行時，則根據(jù)磁體回饋電網的儲能量得出電網側三相電流值作為給定的控制目標量，如圖16所示。

圖14 VSR電流環(huán)解耦Fig.14 Decoupling control system of VSR currents

Micro-SMES VSR設計參數(shù)見表2，通過控制實現(xiàn)直流母線側穩(wěn)定輸出電壓600 V，其波形如圖17所示，其中q軸電壓為零，d軸電壓為相電壓值。圖18顯示了充電過程中電網側A相電流，可以看出三相電流穩(wěn)定，THD比較小，且與電壓同相位，體現(xiàn)出單位功率因數(shù)控制的思想。圖19則顯示了斬波器在整流和逆變狀態(tài)下磁體充電至 30 A和進入續(xù)流狀態(tài)時的電流變化。為防止儲能磁體開環(huán)、補償續(xù)流回路中器件/線路損耗，VSR附加補償用電流源，以確保 VSR快速有效地從三相電網中吸收/回饋能量。

圖15 VSR整流控制系統(tǒng)Fig.15 Rectify control system of VSR

圖16 VSR逆變控制系統(tǒng)Fig.16 Inverter control system of VSR

表2 Micro-SMES VSR設計參數(shù)Table 2 Design parameters of Micro-SMES VSR

圖17 直流母線側電壓波形Fig.17 Voltage waveform of DC bus bar

圖18 磁體勵磁時電網側A相電流波形Fig.18 Phase A current waveform during charging

圖19 磁體充電電流波形Fig.19 Charging current waveform of the magnet

2.4 監(jiān)測與保護

在實際運行過程中，電力裝置難免會遇到諸如系統(tǒng)短路故障等動態(tài)過程，本體將承受短路電流、不平衡電流沖擊以及由此而產生電磁、機械和熱應力的作用，因此為確保電力系統(tǒng)的長期安全、可靠運行，必須實時監(jiān)控SMES狀態(tài)、施加必要保護、維護SMES性能的穩(wěn)定。

實驗發(fā)現(xiàn)，由于高溫超導體磁擴散速率遠大于熱擴散速率，最小正常態(tài)傳遍區(qū)域（MPZ）小，失超傳播速度緩慢，77 K溫度下僅為0.1～10 mm/s，具體數(shù)值依賴于冷卻環(huán)境，失超點位置和狀態(tài)的嚴格判定存在相當困難。狀態(tài)監(jiān)測和失超判斷通常采用溫升、電壓、壓力、流速、超聲波和橋式電路檢測等方法，但各自存在一定問題，如電壓信號檢測法需要根據(jù)預先得到的繞組不同區(qū)段失超時磁體端電壓隨時間的變化曲線，確定失超點位置，而橋式電路檢測法則是基于匝間電壓檢測法的改進，兩者都易受到噪聲干擾，產生錯誤判斷；同時，交流電路外接電阻也將消耗部分能量；為此，我們提出有源功率檢測法以避免上述問題，實現(xiàn)涂層導體 Micro-SMES儲能磁體實時狀態(tài)監(jiān)測和快速失超檢測。

如圖20所示，選擇中點使兩側繞組電感相同，即L1=L2，定義功率P=（v1–v2）i，磁體未發(fā)生失超時，兩側繞組沒有電阻，P值為零；若局部失超則兩側出現(xiàn)電阻 r1和r2，P=（v1–v2）i2將不再為零，通過P值大小和變化即可判定失超與否及其發(fā)展趨勢。由于儲能磁體在杜瓦內熱流分布存在空間分布，完全對稱失超可以暫且不予考慮。在具體檢測電路中，繞組電壓經過校正、隔離后差分運算放大，同時磁體電流采樣，以實現(xiàn)磁體繞組瞬時功率比較，信號檢測過程中利用二階巴特沃思低通濾波器（LPF）排除噪聲干擾，所有數(shù)據(jù)輸出至 DSP進行處理和判斷，圖21顯示了實際流程。

圖20 有源功率檢測法Fig.20 A partial active power detecting method

圖21 Micro-SMES儲能磁體狀態(tài)檢測流程Fig.21 Schematic for state detection in Micro-SMES magnet

試驗中通過狀態(tài)監(jiān)測，一旦判斷失超，涂層導體Micro-SMES儲能磁體將主動和被動保護技術相結合，大部分能量通過外部釋能電阻轉移出去，而內部消耗的部分能量則加速失超速度，以免局部過熱，燒毀或熔化部分繞組。

3 SMES仿真建模

基于 VSR及其控制策略研究，實現(xiàn)了 SMES系統(tǒng)建模，通過仿真較為系統(tǒng)地探討了SMES的可控變阻尼特性，并借此分析了SMES對電力系統(tǒng)實時功率調節(jié)的方法。圖22顯示了SMES有功和無功功率調節(jié)特性的仿真波形，可以看出在 10～27 s的18 s時間內SMES能夠對外部功率參考指令P和Q進行準確的功率跟蹤，基于有功功率對發(fā)電機電磁轉矩增量的影響，SMES可以通過提供發(fā)電機可控阻尼力矩來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖22 SMES功率調節(jié)特性Fig.22 Power control characteristics of SMES

圖23 SMES提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)模型Fig.23 SMES application model for improving the transient stability of power system

圖23和圖24分別顯示了含SMES系統(tǒng)仿真模型和其中三相輸電線路發(fā)生對地短路故障后發(fā)電機在有/無配置SMES情況下的暫態(tài)響應，圖25則顯示了該故障下SMES輸出功率和超導磁體電流的變化。可以看出未配置SMES時，系統(tǒng)將因缺乏阻尼而發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)；而配置SMES后，通過SMES與系統(tǒng)適時有功功率Psm交換，改善了系統(tǒng)阻尼，抑制了機端功率振蕩，并使機端電壓快速恢復穩(wěn)定。

圖24 SMES對系統(tǒng)三相接地故障時的暫態(tài)響應Fig.24 Transient response characteristic of SMES for 3 phase ground fault

圖25 SMES輸出功率和磁體電流變化Fig.25 Output power and magnet current of SMES

圖26顯示了含SMES系統(tǒng)仿真模型，該系統(tǒng)突然發(fā)生三相接地故障，造成母線電壓瞬時跌落。圖27顯示了0.75 s后故障切除有/無配置SMES母線電壓和輸出有功/無功功率變化。可以看出，故障期間SMES向系統(tǒng)進行快速準確的無功功率補償，有效地抑制了母線電壓的瞬時跌落；SMES可控變阻尼特性不僅能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，而且可以增大系統(tǒng)的傳輸功率極限。

圖26 SMES抑制母線電壓瞬時跌落的電力系統(tǒng)模型Fig.26 SMES application model for improving the transient voltage drop of bus bar

4 應用可行性分析

自19世紀80年代，大規(guī)模系統(tǒng)制冷技術基本成熟，SMES在美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)電力系統(tǒng)中逐步得到應用，在維持電網穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質量等方面發(fā)揮出極其重要的作用，表3顯示了其中一些應用實例。2003年，美國電力科學研究院就技術和經濟層面研究了各種儲能技術在維持電網動態(tài)穩(wěn)定性的作用和影響，并與常規(guī)技術進行了比較，圖28顯示了其中維持電網功角和電壓穩(wěn)定性、提高短時電能質量的部分經濟性結果，可以看出SMES具有較強的市場競爭力。

圖27 SMES的母線電壓和功率輸出變化Fig.27 Bus bar voltage and output power of SMES

SMES毫秒量級響應、大容量功率/能量傳遞，決定了其在提高電網動態(tài)穩(wěn)定性方面優(yōu)勢地位。而在我國，電網已基本形成“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網”的格局，當系統(tǒng)中出現(xiàn)故障或者大擾動時，同步發(fā)電機并不總是能夠足夠快地響應擾動以保持系統(tǒng)功率平衡和穩(wěn)定，SMES可以在系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時能夠快速地吸收/發(fā)出功率，減小和消除擾動對電網的沖擊，消除互聯(lián)電力系統(tǒng)中的低頻振蕩，抑制同步振蕩和諧振，并在擾動消除后縮短暫態(tài)過渡過程，使系統(tǒng)迅速恢復穩(wěn)定狀態(tài)，提高運行的可靠性。

表3 SMES應用實例Table 3 Part projects of SMES applied in power system

續(xù)表

圖28 儲能技術在維持電網動態(tài)穩(wěn)定的經濟性比較Fig.28 Economic comparisons of energy storage technologies to maintain dynamic stability of power system

“九五”至“十一五”期間，我國就先后研制成功25 kJ～1 MJ SMES系統(tǒng)，在系統(tǒng)設計、構造、集成和并網應用上積累了一定經驗。2011年，20 K、35 kJ/7 kW 鉍系高溫超導SMES在湖北長陽水電站進行了測試，4.2 K、1MJ/0.5 MW 鉍系高溫超導SMES在甘肅白銀高技術開發(fā)區(qū)超導變電站投入試運行。圖29顯示了國際上高溫超導SMES的發(fā)展趨勢，可以看出 YBCO涂層導體的發(fā)展必將帶來SMES相關技術的變革。

圖29 溫超導SMES發(fā)展趨勢Fig.29 Development tendency of high-Tc superconducting SMES

5 展 望

2011年，日本藤倉公司制備出 816.4 m長YBCO涂層導體，其臨界載流能力已達到572 A/cm，我國同樣也研制出百米長帶，YBCO涂層導體正朝千米級、千安級方向發(fā)展，并在強場應用領域逐步替代鉍系高溫超導線材。預計2020年前后涂層導體超導電工裝備將進入實用化階段，SMES等先進電力裝備的應用將有效地確保我國以特高壓電網為骨干的互聯(lián)大電網安全，提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，改善區(qū)域供電品質和綠色能源電力輸出特性，其市場前景、隨之帶來的經濟價值和社會效益無法估量。

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