超导磁储能系统发展现状与展望

戴少涛，王邦柱，马韬

(北京交通大学电气工程学院，北京市100044)

超导磁储能系统发展现状与展望

戴少涛，王邦柱，马韬

(北京交通大学电气工程学院，北京市100044)

超导磁储能(superconducting magnetic energy storage，SMES)技术具有响应时间快、功率密度高、生命周期长等特点，在电网电压质量调节、频率控制、脉冲负载供电等方面具有重要的应用价值，被列为《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》之先进储能技术的主要突破方向。介绍了SMES的系统组成原理和系统先进性，概述了SMES在电力系统、舰船供电等场景的应用，综述了SMES近期有代表性的大型项目和研究状态，并从特性互补、提高性能的角度讨论了2种与氢电池和电化学电池组合使用的SMES混合系统。最后，指出了SMES发展和大规模应用所面临的几点挑战，并给出了相应的应对策略。

超导磁储能；混合储能；研究进展；前景展望

0 引 言

储能是飞速发展的电力系统、新能源发电、清洁能源动力汽车等行业不可或缺的关键环节。储能技术在解决可再生能源发电不连续、不稳定特性，改善电能供需平衡，调控系统电压、频率，实现节能减排和国家能源安全等方面的关键性作用已经成为普遍共识[1-2]。

在多个国家科技与能源战略规划中，都将储能技术作为重点发展方向之一。《能源发展战略行动计划(2014—2020)》中，储能首次被明确为“9个重点创新领域”和“20个重点创新方向”之一。2016年4月，发改委、能源局印发的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》中，将“先进储能技术创新”列入15项重点任务，并在与之同时发布的《能源技术革命重点创新行动路线图》中给出了明确的路线图。

客观的迫切需要加上宏观层面的大力支持，吸引了发供电企业、相关设备和技术企业、金融资本的强烈关注，储能产业发展进入了健康快速发展的快车道。预计到2020年底，国内电力辅助市场、基站备用电源等六大领域配套储能系统累计装机容量将达到53 GW，未来5年年复合增长率可达9.5%[3]。

以物理过程分，储能的主要方式包括机械储能、电化学储能、电磁储能等。电磁储能不需要进行能量形式转换，具有响应快、效率高的天然优势，常见的电磁储能技术是超导磁储能(superconducting magnetic energy storage, SMES)和超级电容器储能。其中，超导磁储能具有响应时间快、能量密度高、充放电次数多等多种优势，在提高电力系统稳定性和调节电能质量等领域具有重要价值[4]。《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》的“先进储能技术创新”任务明确将“高温超导储能技术”、“基于高温超导磁的新型混合储能系统”作为物理储能的创新重点，要求掌握具有自主知识产权的高温超导储能技术，达到国际先进水平，建立完善的物理储能技术标准。

本文第1部分介绍超导磁储能系统的原理、特点和应用领域，综述超导磁储能系统的研究进展并指出了超导磁储能的一些局限性；第2部分讨论以超导磁储能为核心的2种混合储能方案；第3部分讨论超导磁储能面临的挑战及可行的应对方法；最后展望了未来的发展。

1 超导磁储能系统

尽管超导现象在1911年就已经发现，但直到上世纪70年代，才有人提出使用超导体制作储能磁体应用于电力系统。因为具有快速的电磁响应特性和很高的储能效率，此概念一经提出，很快吸引了电力工业和军事工业的注意。

1.1 组成与特性

超导磁储能利用超导材料制成磁体，由电网经变流器供电励磁在磁体中产生磁场而储存能量，在需要时再将能量经逆变送回电网或作其他用途。

SMES的典型系统构成如图 1所示。超导磁体由制冷系统将之维持在超导态，经电能变换单元与交流电网相连接。测量控制系统实时获得网侧、超导磁体等单元的状态数据，对系统进行充放电控制，从而实现能量存储和对电网的调节。

图1 SMES系统结构Fig.1 Structure of SMES system

SMES磁体是储能的关键部件，能够存储的电磁能量为

(1)

(2)

式中：L是磁体的电感，依赖于磁体的大小和几何形状；I是磁体中通过的直流载流，随时间衰减。实验表明，闭合低温超导磁体通过电流的衰减时间常数可达105年。对于存在非超导接头的高温超导磁体，时间常数略小，但仍远高于其他储能形式。基本上可以认为，超导磁储能系统所储存的能量可无损耗地永久储存下去，直到需要释放为止[5]。

与其他储能系统相比，SMES具有以下显著优点：(1)能效利用率高，在95%以上；(2)响应时间短，在ms级，仅为电池的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)之间的均衡性好；(4)单位功率价格适中，为200～500 $/kW，略高于飞轮储能而远低于锂离子电池储能；(5)再充电性能好，不因充放电循环而性能退化；(6)生命周期长，约为15～25年。此外，SMES系统还具有选址基本不受地点空间限制、运行温区广、自放电率低、可兼具故障限流功能等优势[2]。

1.2 功能与应用

SMES是一种典型的高功率型储能系统，即能在一个较短时间内释放很大的功率。这种特性在提高电力系统稳定性和改善电能质量两大方面具有重要应用价值，特别是对于新能源不断接入的现代电网，作用更为凸显。具体而言，SMES在电网中可发挥以下作用：(1)消除因新能源接入或甩大负荷引起的电力系统的0.5～1 Hz低频振荡，提高系统稳定性；(2)对电网频率进行调节控制，特别是一次调频；(3)四象限运行的SMES可以调控无功功率，控制系统电压和功率传输能力；(4)可用于配电系统或大的负载侧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；(5)可用来补偿大型电动机、焊机、电弧炉、大锤等启动或运行的波动负载，从而减少电网灯光闪烁现象；(6)用于对分布式电源(如风能、太阳能)系统，进行功率暂态调节与输出平滑等[6-10]。

SMES在脉冲负载领域也有很好的应用潜力[11]。在舰船、飞行器等系统中，有不少负载如电磁轨道炮、电磁弹射器、电磁助推发射器等，都具有即时功率高但平均功率低的特点。这类设备平时工作于较低的功率状态，一旦某种条件触发，通常需要在几百ms到几s内消耗大量功率。应用SMES作为脉冲工作时间的电源，能够很好地满足此类设备的要求。

1.3 历史与现状

高温超导体发现之前以及之后的很长时间，SMES的研发都主要集中于低温SMES。美国、日本等国家先后开发出示范系统，目前0.1～10 MW的系统已经在电能质量调节领域实现了小规模商业化运行。

随着高温超导带材的商业化生产，高温SMES逐渐成为研究焦点。1993年，美国学者提出了高温SMES的概念设计。1997年，美国超导公司研制成功一台采用Bi-2223带材5 kJ高温SMES，这是世界第1台具有一定规模的高温SMES。受此激励，此后几百到几MJ的高温SMES如雨后春笋一样在世界各主要超导研究国家和地区相继被建造。早期主要采用Bi系带材，后来ReBCO带材成为主流。MgB2发现后，由于具有良好的磁场性和机械性能，也很快就有学者将之用于SMES磁体的建造[12-14]。

近年来，有代表性的高温SMES项目如表 1所示。

表1 近年来代表性的高温超导SMES项目
Table 1 HTS (high temperature superconductor) SMES projects in recent years

除了SMES系统的开发和制造工作外，也有不少学者在新结构概念设计、磁体仿真优化、系统控制算法、磁体失超保护、制冷系统设计、系统并网运行效果、系统可靠性提高、系统经济性评估等方面做出了不少有意义的工作[15-18]。

1.4 约束与局限

SMES具有很高的功率密度，如果能够进一步提高其能量密度，那么SMES的应用领域将会进一步扩大。然而，这块“短板”却一直未能解决。SMES的能量密度受到磁场限制：

(3)

式中：Wmag是存储的磁场能；Vol是磁体体积；B是磁体产生的磁场；μ0是真空磁导率。根据上式，B=10 T时，能量密度最大为40 MJ/m3。

此外，Virial定理更是指出了机械结构的最小质量Mmin和储能量的关系，对螺管型磁体，有

(4)

σ=JBR

(5)

式中：ρ是结构材料的密度；σ是所承受的工作应力；J是电流密度；R是半径。根据本定理，最大应力为100 MPa的金属结构所能承受的储能能力为12.5 kJ/kg。从材料特性的角度看，金属结构的储能极限约为30～50 kJ/kg，复合材料结构的储能极限为150 kJ/kg[19]。

SMES存在制冷系统。尽管储能磁体本身没有能量耗散，但是制冷系统却不可避免地要耗费能量，降低了系统效率。相较于磁体系统，制冷系统的最小维护时间和生命周期更短，给SMES系统的生命周期大打折扣。此外，制冷系统还增加了SMES的占地需求。

超导材料具有强非线性，一旦失超对系统危害很大。对储能超导磁体失超监测和保护需要一个较为先进的测控系统。再有，目前因超导材料(特别是高温超导)价格高导致的SMES一次性投入费用高昂也制约了SMES的应用。

2 超导磁储能混合系统

受SMES自身的物理特性所约束，单独部署使用的SMES系统应用场景有限，也有一些不足。事实上，每种储能方式都有其局限性，目前还没有一种能够同时满足能量密度高且功率密度也高、响应速度快、安全可靠、生命周期长等多种要求[20]。选择2种或多种不同储能方案组成混合储能系统，令其在某些技术指标上形成互补性，则可能构造出应用更为“广谱”、性能更优越、生命周期更长、经济性和可靠性更好的储能系统[21]。

2.1 SMES+氢电池

SMES无论是采用液氮还是液氦制冷，制冷工质都仅用于维持低温环境，是制约SMES经济性的一个关键因素。液氢温区为14～20 K，低于高温超导体(如BSCCO、ReBCO、MgB2)的临界温度，在液氢温区下，超导体具有比液氮下更好的性能。采用液氢作为SMES的制冷剂，可配置为一种新型混合储能系统。

此种混合系统的典型工作方式为：(新能源储能场景)多余能量中的短时波动由SMES吸收存储；长时波动能量用于电解水生成氢，并经制冷设备成为液氢。液氢一方面作为SMES磁体的制冷剂，一方面本身也是高能量密度能源。(新能源、氢能汽车等场景)当系统需要储能系统响应输出时，短时的电能质量、频率控制、电机启动等大功率输出由SMES实现，长时的能量输出由氢电池实现[22-24]。

SMES和氢电池在能量、功率和响应时间上的互补性如图 2所示。此混合系统具有两者的优点，如响应时间快，可长时间稳定提供能量，绿色清洁环保等。由于2个储能系统深度耦合，此混合系统具有比2种简单相加更好的经济性。

图2 SMES+氢电池特性Fig.2 Property of SMES-hydrogen battery hybrid system

2.2 SMES+电化学电池

随着电动汽车等电动交通运输工具的快速发展，电化学电池如锂离子电池成为目前发展最快也是使用最广泛的储能方式。

交通运输系统通常需要高能量型储能设备，长时间的放电以获得长时间的续航能力，从而最大化系统效率并最小化系统费用和质量。不过，在启动和加速阶段，电池的放电速度较慢。且电池系统的频繁充电会严重影响电池生命周期。如果配合一个高功率型的SMES，作为主储能电池的缓冲，组成混合储能系统，电池不必经受频繁的充放电，电机启动等脉冲大电流也不必由电池供给。

SMES和电化学电池在能量、功率和响应时间上的互补性如图 2所示。此混合储能系统有响应时间快、功率密度高、能量密度高、效率高、近乎无限次的充放电周期等特性。系统的性能也有提高，电池的生命周期被延长，整体效率也将提高。混合系统的SMES由于主要用于快速功率响应，其额定能量密度可以降低，从而降低投资费用，提高系统的经济性[25-27]。

图3 SMES+电化学电池互补特性Fig.3 Property of SMES-electrochemical battery hybrid system

3 挑战与应对

毫无疑问，超导磁储能系统以及基于高温超导磁的新型混合储能系统是具有良好发展潜力的储能技术分支。超导磁储能技术目前尚处于研发示范阶段，在走向规模化部署阶段的路上，面临以下几个挑战。

3.1 价格

SMES的投资成本很大程度是由超导材料的费用决定的。而高温超导材料价格一直居高不下，成为限制SMES发展的一个重要瓶颈。SMES在发展中，应当联合超导材料生产企业，针对性地开展超导材料的研发，提高材料性能，降低价格。SMES的关键技术多未定型，制造过程大量使用了价格昂贵的定制部件。这就要求进行关键技术标准化工作，以降低制造过程的成本。目前的SMES多用于工程示范，对于生命周期费用尚无一手实证数据。必须开展生命周期费用模型研究，从生命周期的角度获得SMES的经济性特征。

3.2 可靠性

可靠性是实用化的关键要求之一。SMES的可靠性目前尚停留在示范层面的预计，还没得到实证性证实。应当通过加速老化研究，获取SMES系统退化和失效机制；在高度相似模拟实际工况条件下，制定标准测试方案和可靠性检验标准；以产业战略发展的眼光，在已安装储能系统的负责单位之间结成联盟，共享运行数据，共享系统追踪文档。

3.3 政策

国家政策层面上，已经给了超导储能大力支持，释放了积极信号。与此配套的，应加大国家投入，并采取一定的导向性措施鼓励民间资本进入。由政府机构协调，制定产业界和管理部门都能接受的选址、并网、维护、性能评价标准。

3.4 市场接受

出于包括上述已经提及的多种原因，SMES商业化和大规模部署的道路依然不平坦。为了得到市场认可，应当联合设备制造商、市场需求方等各环节，共同实施现场试验和示范运行，积累经验，评估性能；应当采用产业界接受的规划和运行工具来进行储能设计开发。各方在此过程中获得的第一手经验和数据，以及形成的良好市场反馈机制，将加快产业发展和市场化。

4 结 论

超导磁储能具有得天独厚的物理性能优势。超导磁储能系统及由其组成的混合储能系统在电网暂态调节、新能源并网、新能源交通工具、特种电源等领域具有巨大的应用潜力。面向未来，超导磁储能技术研发和产业化生产应用要重点解决价格、可靠性、政策和市场化等几个问题。我们可以乐观地预计，超导磁储能及其混合储能系统必将在未来储能应用领域占据一个关键的位置。

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(编辑 刘文莹)

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

国家自然科学基金资助项目(51477165)

TM 916

A

1000-7229(2016)08-0018-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.003

2016-04-25

戴少涛(1972)，男，博士，教授，主要研究方向为应用超导技术；

王邦柱(1988)，男，硕士，助理研究员，主要研究方向为超导电力技术；

马韬(1984)，男，博士，副教授，主要研究方向为测控技术与自动控制。

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