高温区运行Micro-SMES研发及其系统仿真分析

丘 明，诸嘉慧，魏 斌，张宏杰

（中国电力科学研究院，北京 100192）

传统电力系统“电能存取”环节薄弱，使运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制；而电能在“发、输、供、用”过程中必须在时空上达到“瞬态平衡”，如果出现局部失衡就会引起电压波动、频率振荡或闪变，造成系统的解列，导致大面积停电事故。静态无功补偿、动态电压调节、谐波滤除等装置的使用，在一定程度上缓解了电网稳定和电能质量问题，但各自仍存在问题。保障电网长期安全、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”储能单元对系统给予支撑。

超导磁储能（superconducting magnetic energy storage，SMES）直接存储电磁能，功率输送时无需能源形式的转换，与蓄电池等其它储能方式相比较，具有响应速度快、转换效率高（≥96%）、比容量（1～10 Wh/kg）/比功率（104～105kW/kg）大等优点，可以实现与系统的瞬时大容量能量和功率交换，满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节和提高系统暂态稳定性的要求，自20世纪70年代起一直受到世界各国政府、能源电力等机构的广泛重视[1-4]。

如今，世界上30 MJ 低温SMES已投入高压输电网实际运行，5 GW·h的SMES通过了可行性分析和技术论证，但液氦系统复杂，技术要求高，SMES的经济容量和运行成本制约了一般场合的应用和推广；高温超导铋系线材采用Ag基体成本高，临界电流随磁场增加迅速减小，SMES极限容量受到其高场载流特性和机械强度的限制，为提高工程电流密度选择通常采用G-M制冷机冷却至20～30 K运行[5-6]，该温区制冷效率低，磁体稳定裕度小；若采用零挥发液氦制冷技术，工作在4.2 K，系统稳定性得到改善，但与低温SMES相比较其经济性又受到严重挑战。

采用Ni-W基带的YBCO涂层导体成本低，随着IBAD/PLD、RABITS/MOD等工艺的不断改进已有美国超导、SUPERPOWER、日本住友、藤仓等多家公司可以提供单根100～800 m长、4～5 mm宽、77 K自场载流能力70～250 A的商品化带材[7-10]；462 m单带绕制的口径φ19.1 mm磁体64 K中心场强2.4 T，4.2 K场强中心9.81 T，19 T背场下产生26.8 T磁场；商业化涂层导体的性能已基本满足SMES应用的要求。

1 涂层导体性能测试与比较

图1显示了超导线材传输电流特性测试平台，该平台通过减压降温获得65～77 K过冷液氮环境，借助旋转联动机构改变导体带面与背景磁场之间夹角，利用电压四引线法即可测量涂层导体在不同磁场下的载流特性。图2和图3分别显示了69 K和77 K温度下4 mm带宽YBCO涂层导体临界电流及其密度随磁场的变化曲线，可以看出磁场下导体临界电流减小，带面与磁场夹角 30°～40°附近出现极小值，极值所对应夹角随磁场的增加而减小，整体表现出明显的各向异性和非单调特征，与铋系高温超导带材相比存在一定差异；在5～8 T磁场下仍保持104A/cm2量级临界电流密度。

图1 高温超导线材传输特性测试平台Fig.1 Measurement platform for transport characteristic of high-Tc superconducting wire

图2 YBCO涂层导体临界电流随磁场夹角的变化Fig.2 The change of critical current with the angles of magnetic fields for YBCO coated conductor

图3 涂层导体和铋系带材临界电流密度随磁场的变化Fig.3 The changes of critical current density with magnetic fields for YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire

磁体绕制、励磁和运行过程中涂层导体将经受弯曲和拉压，并受到电磁力的作用。为了考察其机械特性，通过力学测试得到77 K温度下涂层导体和铋系带材拉伸应力-应变关系曲线，如图4所示。从图4中可以看出，涂层导体杨氏模量86.767 GPa，屈服强度超过 350 MPa，明显高于铋系带材的54.118 GPa和330 MPa，表现出良好的力学性能。

YBCO涂层导体商品化长度均匀度已达到7.9%，高温、强场载流特性及其成材技术的发展，为SMES液氮温区高效运行、进一步提高比容量并在电力系统获得广泛应用提供了可能。2007年，韩国研究者利用1.2 m长YBCO涂层导体制作40 mm线圈，并实现了闭环运行，中心磁场持续测量72 h没有变化；而美国MIT则用10 m长YBCO涂层导体制作内径100 mm储能绕组，77 K运行电流60 A，储能量27.5 J。

图4 YBCO涂层导体和Bi-2223带材拉伸状态应力-应变曲线Fig.4 Strain-stress curves of YBCO coated conductor and Bi-2223/Ag wire at tensile strains

为掌握高温运行SMES技术，积极推动超导电力技术的发展和现实应用，借鉴欧美SMES研发经验并考虑到YBCO涂层导体目前成本，本项目立足千焦特征容量等级，尝试构造适于高温区运行Micro-SMES，有针对性地开展了储能线圈电磁和结构优化、绕制工艺、低温系统设计及其一体化集成研究，并深入探讨状态监测、失超保护、功率控制与调节方法等前沿技术，以便从中发现、分析和解决涂层导体SMES储能单元设计、构造、控制和保护等普适性问题。

2 Micro-SMES系统优化设计和构造

2.1 储能磁体

储能磁体是SMES系统核心，其尺寸由储能量和结构决定。为了简单起见，设计时忽略位移电流和有源电流区涡流，采用全场域三维静磁场进行分析，转化为矢量磁位A表示的边值问题，即

式中，μ为材料的磁导率；Γ为磁体外部空气边界，满足第一类边界；J为载流密度。

与常规磁体不同，超导磁体的运行电流由超导体载流特性和磁体励磁曲线决定，而励磁曲线则取决于绕组的大小和形状。为了确定磁体所允许的最大运行电流Im大小，依据涂层导体临界电流与磁场依赖关系，应用迭代原理优化得到式（2）、式（3），即

式中，ε为迭代因子，Imk、Imk+1为第k和k+1次迭代下所允许的最大运行电流，OF为收敛判断式。

图5所显示的为两种典型储能磁体构型，针对其结构设定单个绕组线圈线长 200 m，考虑到YBCO层导体磁场下临界电流的各向异性，进行磁体的优化设计。图6给出了运行电流60 A时内部磁场分布，可以看出螺管磁体比环形磁体具有更高的磁密，但漏磁场大；而环形磁体结构复杂，储能效率低。图7则给出了螺管磁体内部自场方向与导体带面夹角40°的几何区域及其二维剖视图，图中1、2点处磁密幅值分别达到1.53 T和0.109 T，这些区域的导体由于受到磁场的作用具有较低的临界电流，限制了磁体的最大载流能力和储能值。

图5 螺管和环形磁体构型Fig.5 Toroidal and annular configurations of magnet

图6 螺管和环形磁体内部磁密分布Fig.6 Flux distributions of toroidal and annular magnets

图7 约束螺管磁体载流能力的几何空间及其二维剖视图Fig.7 Geometrical space and its 2D cross-section in toroidal magnet restricting working current level

为了节约成本、尽可能地提高储能磁体容量大小，提出了混合螺管磁体构型，采用美国Superpower公司生产的12 mm和4 mm带宽两种规格涂层导体设计并绕制储能磁体，以改变内部磁场分布，使约束电流区域位于具有高临界电流的 12 mm宽导体处，获得性能的优化。表1和图8分别给出了优化后的混合和单一螺管磁体的设计参数、性能比较和磁体内部场分布，可以看出虽然混合磁体总电感减小至2.5 H，但最大允许运行电流增加近1.3倍，导体用线仅为单一螺管磁体的67%，50 K温度储能量达到3.5 kJ，显示出较好的经济性。同时，电感减小有助于减小磁体充电/释能所需时间，提高SMES系统响应速度。

表1 混合和单一螺管磁体优化设计参数及其性能比较Table 1 Optimized design parameters and performances of hybrid and single toroidal magnets

图8 混合和单一优化螺管磁体内部磁密分布Fig.8 Flux distribution of optimized hybrid and single toroidal magnets

2.2 低温系统

低温系统由杜瓦、导热筒、热辐射屏、AL600制冷机等部分组成，如图9所示。其功能是冷却涂层导体储能磁体，使之保持在特定工作温区，存在两种工作模式：①液氮浸泡磁体，液面高度和磁体温度通过液面计和传感器监控，制冷机冷量通过柔性连接和导热筒传入液氮，使之处于63～70 K过冷液氮温区，通过控制氦-氮混合气体压力加以调节，气压维持在10 kPa以上以防止液氮固化（如图10所示）；②传导冷却储能磁体，使之冷却并保持在40～60 K温区。

图9 Micro-SMES低温系统布局Fig.9 The layout of cryogenic system for Micro-SMES

图10 低温氮相图Fig.10 Phase diagram for low temperature nitrogen

低温系统的性能和运行状态直接关系到 SMES最低工作温度点、效率和可靠性，为此除采用多层绝热工艺制做杜瓦、并在内部设置热辐射屏来减少腔体辐射漏热外，理论分析和实验研究了低温高压绝缘和变截面气冷复合高温超导电流引线的设计方法。结果表明，变截面常规电流引线传导漏热可以按平均截面积相等的等截面电流引线来处理，确定高温超导引线上端平衡温度点，并通过杜瓦漏热-氮气流量曲线与液氮蒸发率-潜热函数关系获得自冷引线的液氦蒸发率值后，基于阮耀钟分段法就可以计算出一定截面半径变化步长条件下常规引线的优化几何参数，如图 11所示。结合磁体励磁/释能和闭环时能耗、低温系统漏热、冷却机效率和磁体安全稳定裕度等综合性能分析（图12），从而获得涂层导体Micro-SMES的最佳运行温度。

图11 引线优化长度与室温端截面关系曲线Fig.11 Optimized length of current lead with its cross-section in 300 K

图12 Micro-SMES最佳运行温度确定流程Fig.12 Procedure to optimize the operating temperature for Micro-SMES

2.3 功率变换装置

功率变换装置是储能磁体和电网间能量/功率传递的桥梁，考虑到技术的成熟度，涂层导体Micro-SMES选择电压型变流器（VSR），其主电路拓扑如图 13所示，其中 L为滤波器电感，S1～S6为整流/逆变单元的IGBT单元，Cd1为直流母线侧并联电容，S7、S8为直流斩波器IGBT单元，VD1和VD2为续流回路①和②中的续流二极管。

图13 变流器主电路拓扑图Fig.13 Main topological diagram of Micro-SMES converter

VSR功率变换过程中，基于TMS320F2812 DSP采用SVPWM脉冲触发方式和双环反馈的控制策略对整流和逆变单元进行控制，通过斩波器单元中IGBT S7和S8的导通/断开时间控制超导线圈的充电、续流和放电过程，从而实现快速的动态响应和电能单位功率因数的转换。同步旋转坐标系d轴与电网a相电压矢量重合时 uq= 0，VSR同步旋转坐标系下的数学模型可以表征为

式中，Uid、Uiq为三相电网电压在同步旋转坐标系下的投影，iid、iiq为整流器侧电感电流在同步旋转坐标系下的投影。可以看出，数学模型中存在交叉耦合项，将不利于电流的控制，为此电流调节器采用PI控制，忽略 ωeL∑id和 ωeL∑iq，以便实现dq轴电流内环的解耦控制，dq轴电流可以通过式（5）求得，解耦控制原理和VSR系统整流控制系统如图14、图15所示。逆变运行时，则根据磁体回馈电网的储能量得出电网侧三相电流值作为给定的控制目标量，如图16所示。

图14 VSR电流环解耦Fig.14 Decoupling control system of VSR currents

Micro-SMES VSR设计参数见表2，通过控制实现直流母线侧稳定输出电压600 V，其波形如图17所示，其中q轴电压为零，d轴电压为相电压值。图18显示了充电过程中电网侧A相电流，可以看出三相电流稳定，THD比较小，且与电压同相位，体现出单位功率因数控制的思想。图19则显示了斩波器在整流和逆变状态下磁体充电至 30 A和进入续流状态时的电流变化。为防止储能磁体开环、补偿续流回路中器件/线路损耗，VSR附加补偿用电流源，以确保 VSR快速有效地从三相电网中吸收/回馈能量。

图15 VSR整流控制系统Fig.15 Rectify control system of VSR

图16 VSR逆变控制系统Fig.16 Inverter control system of VSR

表2 Micro-SMES VSR设计参数Table 2 Design parameters of Micro-SMES VSR

图17 直流母线侧电压波形Fig.17 Voltage waveform of DC bus bar

图18 磁体励磁时电网侧A相电流波形Fig.18 Phase A current waveform during charging

图19 磁体充电电流波形Fig.19 Charging current waveform of the magnet

2.4 监测与保护

在实际运行过程中，电力装置难免会遇到诸如系统短路故障等动态过程，本体将承受短路电流、不平衡电流冲击以及由此而产生电磁、机械和热应力的作用，因此为确保电力系统的长期安全、可靠运行，必须实时监控SMES状态、施加必要保护、维护SMES性能的稳定。

实验发现，由于高温超导体磁扩散速率远大于热扩散速率，最小正常态传遍区域（MPZ）小，失超传播速度缓慢，77 K温度下仅为0.1～10 mm/s，具体数值依赖于冷却环境，失超点位置和状态的严格判定存在相当困难。状态监测和失超判断通常采用温升、电压、压力、流速、超声波和桥式电路检测等方法，但各自存在一定问题，如电压信号检测法需要根据预先得到的绕组不同区段失超时磁体端电压随时间的变化曲线，确定失超点位置，而桥式电路检测法则是基于匝间电压检测法的改进，两者都易受到噪声干扰，产生错误判断；同时，交流电路外接电阻也将消耗部分能量；为此，我们提出有源功率检测法以避免上述问题，实现涂层导体 Micro-SMES储能磁体实时状态监测和快速失超检测。

如图20所示，选择中点使两侧绕组电感相同，即L1=L2，定义功率P=（v1–v2）i，磁体未发生失超时，两侧绕组没有电阻，P值为零；若局部失超则两侧出现电阻 r1和r2，P=（v1–v2）i2将不再为零，通过P值大小和变化即可判定失超与否及其发展趋势。由于储能磁体在杜瓦内热流分布存在空间分布，完全对称失超可以暂且不予考虑。在具体检测电路中，绕组电压经过校正、隔离后差分运算放大，同时磁体电流采样，以实现磁体绕组瞬时功率比较，信号检测过程中利用二阶巴特沃思低通滤波器（LPF）排除噪声干扰，所有数据输出至 DSP进行处理和判断，图21显示了实际流程。

图20 有源功率检测法Fig.20 A partial active power detecting method

图21 Micro-SMES储能磁体状态检测流程Fig.21 Schematic for state detection in Micro-SMES magnet

试验中通过状态监测，一旦判断失超，涂层导体Micro-SMES储能磁体将主动和被动保护技术相结合，大部分能量通过外部释能电阻转移出去，而内部消耗的部分能量则加速失超速度，以免局部过热，烧毁或熔化部分绕组。

3 SMES仿真建模

基于 VSR及其控制策略研究，实现了 SMES系统建模，通过仿真较为系统地探讨了SMES的可控变阻尼特性，并借此分析了SMES对电力系统实时功率调节的方法。图22显示了SMES有功和无功功率调节特性的仿真波形，可以看出在 10～27 s的18 s时间内SMES能够对外部功率参考指令P和Q进行准确的功率跟踪，基于有功功率对发电机电磁转矩增量的影响，SMES可以通过提供发电机可控阻尼力矩来提高系统的暂态稳定性。

图22 SMES功率调节特性Fig.22 Power control characteristics of SMES

图23 SMES提高系统暂态稳定性的电力系统模型Fig.23 SMES application model for improving the transient stability of power system

图23和图24分别显示了含SMES系统仿真模型和其中三相输电线路发生对地短路故障后发电机在有/无配置SMES情况下的暂态响应，图25则显示了该故障下SMES输出功率和超导磁体电流的变化。可以看出未配置SMES时，系统将因缺乏阻尼而发生暂态失稳；而配置SMES后，通过SMES与系统适时有功功率Psm交换，改善了系统阻尼，抑制了机端功率振荡，并使机端电压快速恢复稳定。

图24 SMES对系统三相接地故障时的暂态响应Fig.24 Transient response characteristic of SMES for 3 phase ground fault

图25 SMES输出功率和磁体电流变化Fig.25 Output power and magnet current of SMES

图26显示了含SMES系统仿真模型，该系统突然发生三相接地故障，造成母线电压瞬时跌落。图27显示了0.75 s后故障切除有/无配置SMES母线电压和输出有功/无功功率变化。可以看出，故障期间SMES向系统进行快速准确的无功功率补偿，有效地抑制了母线电压的瞬时跌落；SMES可控变阻尼特性不仅能够提高系统的暂态稳定性，而且可以增大系统的传输功率极限。

图26 SMES抑制母线电压瞬时跌落的电力系统模型Fig.26 SMES application model for improving the transient voltage drop of bus bar

4 应用可行性分析

自19世纪80年代，大规模系统制冷技术基本成熟，SMES在美国、日本、欧洲等国家和地区电力系统中逐步得到应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面发挥出极其重要的作用，表3显示了其中一些应用实例。2003年，美国电力科学研究院就技术和经济层面研究了各种储能技术在维持电网动态稳定性的作用和影响，并与常规技术进行了比较，图28显示了其中维持电网功角和电压稳定性、提高短时电能质量的部分经济性结果，可以看出SMES具有较强的市场竞争力。

图27 SMES的母线电压和功率输出变化Fig.27 Bus bar voltage and output power of SMES

SMES毫秒量级响应、大容量功率/能量传递，决定了其在提高电网动态稳定性方面优势地位。而在我国，电网已基本形成“西电东送、南北互供、全国联网”的格局，当系统中出现故障或者大扰动时，同步发电机并不总是能够足够快地响应扰动以保持系统功率平衡和稳定，SMES可以在系统发生故障或受到扰动时能够快速地吸收/发出功率，减小和消除扰动对电网的冲击，消除互联电力系统中的低频振荡，抑制同步振荡和谐振，并在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态，提高运行的可靠性。

表3 SMES应用实例Table 3 Part projects of SMES applied in power system

续表

图28 储能技术在维持电网动态稳定的经济性比较Fig.28 Economic comparisons of energy storage technologies to maintain dynamic stability of power system

“九五”至“十一五”期间，我国就先后研制成功25 kJ～1 MJ SMES系统，在系统设计、构造、集成和并网应用上积累了一定经验。2011年，20 K、35 kJ/7 kW 铋系高温超导SMES在湖北长阳水电站进行了测试，4.2 K、1MJ/0.5 MW 铋系高温超导SMES在甘肃白银高技术开发区超导变电站投入试运行。图29显示了国际上高温超导SMES的发展趋势，可以看出 YBCO涂层导体的发展必将带来SMES相关技术的变革。

图29 温超导SMES发展趋势Fig.29 Development tendency of high-Tc superconducting SMES

5 展 望

2011年，日本藤仓公司制备出 816.4 m长YBCO涂层导体，其临界载流能力已达到572 A/cm，我国同样也研制出百米长带，YBCO涂层导体正朝千米级、千安级方向发展，并在强场应用领域逐步替代铋系高温超导线材。预计2020年前后涂层导体超导电工装备将进入实用化阶段，SMES等先进电力装备的应用将有效地确保我国以特高压电网为骨干的互联大电网安全，提高系统动态稳定性，改善区域供电品质和绿色能源电力输出特性，其市场前景、随之带来的经济价值和社会效益无法估量。

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