超導磁儲能系統發展現狀與展望

戴少濤，王邦柱，馬韜

(北京交通大學電氣工程學院，北京市100044)

超導磁儲能系統發展現狀與展望

戴少濤，王邦柱，馬韜

(北京交通大學電氣工程學院，北京市100044)

超導磁儲能(superconducting magnetic energy storage，SMES)技術具有響應時間快、功率密度高、生命周期長等特點，在電網電壓質量調節、頻率控制、脈沖負載供電等方面具有重要的應用價值，被列為《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》之先進儲能技術的主要突破方向。介紹了SMES的系統組成原理和系統先進性，概述了SMES在電力系統、艦船供電等場景的應用，綜述了SMES近期有代表性的大型項目和研究狀態，并從特性互補、提高性能的角度討論了2種與氫電池和電化學電池組合使用的SMES混合系統。最后，指出了SMES發展和大規模應用所面臨的幾點挑戰，并給出了相應的應對策略。

超導磁儲能；混合儲能；研究進展；前景展望

0 引 言

儲能是飛速發展的電力系統、新能源發電、清潔能源動力汽車等行業不可或缺的關鍵環節。儲能技術在解決可再生能源發電不連續、不穩定特性，改善電能供需平衡，調控系統電壓、頻率，實現節能減排和國家能源安全等方面的關鍵性作用已經成為普遍共識[1-2]。

在多個國家科技與能源戰略規劃中，都將儲能技術作為重點發展方向之一?！赌茉窗l展戰略行動計劃(2014—2020)》中，儲能首次被明確為“9個重點創新領域”和“20個重點創新方向”之一。2016年4月，發改委、能源局印發的《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》中，將“先進儲能技術創新”列入15項重點任務，并在與之同時發布的《能源技術革命重點創新行動路線圖》中給出了明確的路線圖。

客觀的迫切需要加上宏觀層面的大力支持，吸引了發供電企業、相關設備和技術企業、金融資本的強烈關注，儲能產業發展進入了健康快速發展的快車道。預計到2020年底，國內電力輔助市場、基站備用電源等六大領域配套儲能系統累計裝機容量將達到53 GW，未來5年年復合增長率可達9.5%[3]。

以物理過程分，儲能的主要方式包括機械儲能、電化學儲能、電磁儲能等。電磁儲能不需要進行能量形式轉換，具有響應快、效率高的天然優勢，常見的電磁儲能技術是超導磁儲能(superconducting magnetic energy storage, SMES)和超級電容器儲能。其中，超導磁儲能具有響應時間快、能量密度高、充放電次數多等多種優勢，在提高電力系統穩定性和調節電能質量等領域具有重要價值[4]。《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》的“先進儲能技術創新”任務明確將“高溫超導儲能技術”、“基于高溫超導磁的新型混合儲能系統”作為物理儲能的創新重點，要求掌握具有自主知識產權的高溫超導儲能技術，達到國際先進水平，建立完善的物理儲能技術標準。

本文第1部分介紹超導磁儲能系統的原理、特點和應用領域，綜述超導磁儲能系統的研究進展并指出了超導磁儲能的一些局限性；第2部分討論以超導磁儲能為核心的2種混合儲能方案；第3部分討論超導磁儲能面臨的挑戰及可行的應對方法；最后展望了未來的發展。

1 超導磁儲能系統

盡管超導現象在1911年就已經發現，但直到上世紀70年代，才有人提出使用超導體制作儲能磁體應用于電力系統。因為具有快速的電磁響應特性和很高的儲能效率，此概念一經提出，很快吸引了電力工業和軍事工業的注意。

1.1 組成與特性

超導磁儲能利用超導材料制成磁體，由電網經變流器供電勵磁在磁體中產生磁場而儲存能量，在需要時再將能量經逆變送回電網或作其他用途。

SMES的典型系統構成如圖 1所示。超導磁體由制冷系統將之維持在超導態，經電能變換單元與交流電網相連接。測量控制系統實時獲得網側、超導磁體等單元的狀態數據，對系統進行充放電控制，從而實現能量存儲和對電網的調節。

圖1 SMES系統結構Fig.1 Structure of SMES system

SMES磁體是儲能的關鍵部件，能夠存儲的電磁能量為

(1)

(2)

式中：L是磁體的電感，依賴于磁體的大小和幾何形狀；I是磁體中通過的直流載流，隨時間衰減。實驗表明，閉合低溫超導磁體通過電流的衰減時間常數可達105年。對于存在非超導接頭的高溫超導磁體，時間常數略小，但仍遠高于其他儲能形式?；旧峡梢哉J為，超導磁儲能系統所儲存的能量可無損耗地永久儲存下去，直到需要釋放為止[5]。

與其他儲能系統相比，SMES具有以下顯著優點：(1)能效利用率高，在95%以上；(2)響應時間短，在ms級，僅為電池的0.1%～1%；(3)能量密度(1～10 W·h/kg或0.25～2.50 kW·h/m3)和功率密度(0.5～2 kW/kg或1～4 MW/m3)之間的均衡性好；(4)單位功率價格適中，為200～500 $/kW，略高于飛輪儲能而遠低于鋰離子電池儲能；(5)再充電性能好，不因充放電循環而性能退化；(6)生命周期長，約為15～25年。此外，SMES系統還具有選址基本不受地點空間限制、運行溫區廣、自放電率低、可兼具故障限流功能等優勢[2]。

1.2 功能與應用

SMES是一種典型的高功率型儲能系統，即能在一個較短時間內釋放很大的功率。這種特性在提高電力系統穩定性和改善電能質量兩大方面具有重要應用價值，特別是對于新能源不斷接入的現代電網，作用更為凸顯。具體而言，SMES在電網中可發揮以下作用：(1)消除因新能源接入或甩大負荷引起的電力系統的0.5～1 Hz低頻振蕩，提高系統穩定性；(2)對電網頻率進行調節控制，特別是一次調頻；(3)四象限運行的SMES可以調控無功功率，控制系統電壓和功率傳輸能力；(4)可用于配電系統或大的負載側以減少波動和平衡尖峰負載，控制初次功率和提高瞬態穩定性；(5)可用來補償大型電動機、焊機、電弧爐、大錘等啟動或運行的波動負載，從而減少電網燈光閃爍現象；(6)用于對分布式電源(如風能、太陽能)系統，進行功率暫態調節與輸出平滑等[6-10]。

SMES在脈沖負載領域也有很好的應用潛力[11]。在艦船、飛行器等系統中，有不少負載如電磁軌道炮、電磁彈射器、電磁助推發射器等，都具有即時功率高但平均功率低的特點。這類設備平時工作于較低的功率狀態，一旦某種條件觸發，通常需要在幾百ms到幾s內消耗大量功率。應用SMES作為脈沖工作時間的電源，能夠很好地滿足此類設備的要求。

1.3 歷史與現狀

高溫超導體發現之前以及之后的很長時間，SMES的研發都主要集中于低溫SMES。美國、日本等國家先后開發出示范系統，目前0.1～10 MW的系統已經在電能質量調節領域實現了小規模商業化運行。

隨著高溫超導帶材的商業化生產，高溫SMES逐漸成為研究焦點。1993年，美國學者提出了高溫SMES的概念設計。1997年，美國超導公司研制成功一臺采用Bi-2223帶材5 kJ高溫SMES，這是世界第1臺具有一定規模的高溫SMES。受此激勵，此后幾百到幾MJ的高溫SMES如雨后春筍一樣在世界各主要超導研究國家和地區相繼被建造。早期主要采用Bi系帶材，后來ReBCO帶材成為主流。MgB2發現后，由于具有良好的磁場性和機械性能，也很快就有學者將之用于SMES磁體的建造[12-14]。

近年來，有代表性的高溫SMES項目如表 1所示。

表1 近年來代表性的高溫超導SMES項目
Table 1 HTS (high temperature superconductor) SMES projects in recent years

除了SMES系統的開發和制造工作外，也有不少學者在新結構概念設計、磁體仿真優化、系統控制算法、磁體失超保護、制冷系統設計、系統并網運行效果、系統可靠性提高、系統經濟性評估等方面做出了不少有意義的工作[15-18]。

1.4 約束與局限

SMES具有很高的功率密度，如果能夠進一步提高其能量密度，那么SMES的應用領域將會進一步擴大。然而，這塊“短板”卻一直未能解決。SMES的能量密度受到磁場限制：

(3)

式中：Wmag是存儲的磁場能；Vol是磁體體積；B是磁體產生的磁場；μ0是真空磁導率。根據上式，B=10 T時，能量密度最大為40 MJ/m3。

此外，Virial定理更是指出了機械結構的最小質量Mmin和儲能量的關系，對螺管型磁體，有

(4)

σ=JBR

(5)

式中：ρ是結構材料的密度；σ是所承受的工作應力；J是電流密度；R是半徑。根據本定理，最大應力為100 MPa的金屬結構所能承受的儲能能力為12.5 kJ/kg。從材料特性的角度看，金屬結構的儲能極限約為30～50 kJ/kg，復合材料結構的儲能極限為150 kJ/kg[19]。

SMES存在制冷系統。盡管儲能磁體本身沒有能量耗散，但是制冷系統卻不可避免地要耗費能量，降低了系統效率。相較于磁體系統，制冷系統的最小維護時間和生命周期更短，給SMES系統的生命周期大打折扣。此外，制冷系統還增加了SMES的占地需求。

超導材料具有強非線性，一旦失超對系統危害很大。對儲能超導磁體失超監測和保護需要一個較為先進的測控系統。再有，目前因超導材料(特別是高溫超導)價格高導致的SMES一次性投入費用高昂也制約了SMES的應用。

2 超導磁儲能混合系統

受SMES自身的物理特性所約束，單獨部署使用的SMES系統應用場景有限，也有一些不足。事實上，每種儲能方式都有其局限性，目前還沒有一種能夠同時滿足能量密度高且功率密度也高、響應速度快、安全可靠、生命周期長等多種要求[20]。選擇2種或多種不同儲能方案組成混合儲能系統，令其在某些技術指標上形成互補性，則可能構造出應用更為“廣譜”、性能更優越、生命周期更長、經濟性和可靠性更好的儲能系統[21]。

2.1 SMES+氫電池

SMES無論是采用液氮還是液氦制冷，制冷工質都僅用于維持低溫環境，是制約SMES經濟性的一個關鍵因素。液氫溫區為14～20 K，低于高溫超導體(如BSCCO、ReBCO、MgB2)的臨界溫度，在液氫溫區下，超導體具有比液氮下更好的性能。采用液氫作為SMES的制冷劑，可配置為一種新型混合儲能系統。

此種混合系統的典型工作方式為：(新能源儲能場景)多余能量中的短時波動由SMES吸收存儲；長時波動能量用于電解水生成氫，并經制冷設備成為液氫。液氫一方面作為SMES磁體的制冷劑，一方面本身也是高能量密度能源。(新能源、氫能汽車等場景)當系統需要儲能系統響應輸出時，短時的電能質量、頻率控制、電機啟動等大功率輸出由SMES實現，長時的能量輸出由氫電池實現[22-24]。

SMES和氫電池在能量、功率和響應時間上的互補性如圖 2所示。此混合系統具有兩者的優點，如響應時間快，可長時間穩定提供能量，綠色清潔環保等。由于2個儲能系統深度耦合，此混合系統具有比2種簡單相加更好的經濟性。

圖2 SMES+氫電池特性Fig.2 Property of SMES-hydrogen battery hybrid system

2.2 SMES+電化學電池

隨著電動汽車等電動交通運輸工具的快速發展，電化學電池如鋰離子電池成為目前發展最快也是使用最廣泛的儲能方式。

交通運輸系統通常需要高能量型儲能設備，長時間的放電以獲得長時間的續航能力，從而最大化系統效率并最小化系統費用和質量。不過，在啟動和加速階段，電池的放電速度較慢。且電池系統的頻繁充電會嚴重影響電池生命周期。如果配合一個高功率型的SMES，作為主儲能電池的緩沖，組成混合儲能系統，電池不必經受頻繁的充放電，電機啟動等脈沖大電流也不必由電池供給。

SMES和電化學電池在能量、功率和響應時間上的互補性如圖 2所示。此混合儲能系統有響應時間快、功率密度高、能量密度高、效率高、近乎無限次的充放電周期等特性。系統的性能也有提高，電池的生命周期被延長，整體效率也將提高。混合系統的SMES由于主要用于快速功率響應，其額定能量密度可以降低，從而降低投資費用，提高系統的經濟性[25-27]。

圖3 SMES+電化學電池互補特性Fig.3 Property of SMES-electrochemical battery hybrid system

3 挑戰與應對

毫無疑問，超導磁儲能系統以及基于高溫超導磁的新型混合儲能系統是具有良好發展潛力的儲能技術分支。超導磁儲能技術目前尚處于研發示范階段，在走向規模化部署階段的路上，面臨以下幾個挑戰。

3.1 價格

SMES的投資成本很大程度是由超導材料的費用決定的。而高溫超導材料價格一直居高不下，成為限制SMES發展的一個重要瓶頸。SMES在發展中，應當聯合超導材料生產企業，針對性地開展超導材料的研發，提高材料性能，降低價格。SMES的關鍵技術多未定型，制造過程大量使用了價格昂貴的定制部件。這就要求進行關鍵技術標準化工作，以降低制造過程的成本。目前的SMES多用于工程示范，對于生命周期費用尚無一手實證數據。必須開展生命周期費用模型研究，從生命周期的角度獲得SMES的經濟性特征。

3.2 可靠性

可靠性是實用化的關鍵要求之一。SMES的可靠性目前尚停留在示范層面的預計，還沒得到實證性證實。應當通過加速老化研究，獲取SMES系統退化和失效機制；在高度相似模擬實際工況條件下，制定標準測試方案和可靠性檢驗標準；以產業戰略發展的眼光，在已安裝儲能系統的負責單位之間結成聯盟，共享運行數據，共享系統追蹤文檔。

3.3 政策

國家政策層面上，已經給了超導儲能大力支持，釋放了積極信號。與此配套的，應加大國家投入，并采取一定的導向性措施鼓勵民間資本進入。由政府機構協調，制定產業界和管理部門都能接受的選址、并網、維護、性能評價標準。

3.4 市場接受

出于包括上述已經提及的多種原因，SMES商業化和大規模部署的道路依然不平坦。為了得到市場認可，應當聯合設備制造商、市場需求方等各環節，共同實施現場試驗和示范運行，積累經驗，評估性能；應當采用產業界接受的規劃和運行工具來進行儲能設計開發。各方在此過程中獲得的第一手經驗和數據，以及形成的良好市場反饋機制，將加快產業發展和市場化。

4 結 論

超導磁儲能具有得天獨厚的物理性能優勢。超導磁儲能系統及由其組成的混合儲能系統在電網暫態調節、新能源并網、新能源交通工具、特種電源等領域具有巨大的應用潛力。面向未來，超導磁儲能技術研發和產業化生產應用要重點解決價格、可靠性、政策和市場化等幾個問題。我們可以樂觀地預計，超導磁儲能及其混合儲能系統必將在未來儲能應用領域占據一個關鍵的位置。

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(編輯 劉文瑩)

Superconducting Magnetic Energy Storage System: Status and Prospect

DAI Shaotao, WANG Bangzhu, MA Tao

(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Superconducting magnetic energy storage system (SMES) has the merits of quick response, high power density, and long life-time cycle, etc Its has important applications in voltage quality control, frequency regulation, load balance and pulse power supply. SMES is listed as one of the major breakthrough directions of advance energy storage technology in “Innovative Action Plan for Energy Technology Revolution (2016-2030)”. This paper introduces the system structure of SMES and its advancement, sums up the application in the scenarios suitable for the characteristics of SMES such as power system and ship power supply, reviews the representative large-scale projects and research status of SMES, and discusses two classes of hybrid energy storage systems combined with hydrogen or electrochemical cells focusing on complementation and performance enhancement. Finally, this paper points out some challenges for the development and large-scale application of SMES, as well as the corresponding measures.

superconducting magnetic energy storage (SMES); hybrid energy storage; research progress; prospect

國家自然科學基金資助項目(51477165)

TM 916

A

1000-7229(2016)08-0018-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.003

2016-04-25

戴少濤(1972)，男，博士，教授，主要研究方向為應用超導技術；

王邦柱(1988)，男，碩士，助理研究員，主要研究方向為超導電力技術；

馬韜(1984)，男，博士，副教授，主要研究方向為測控技術與自動控制。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51477165)