超导储能技术及其发展前景

随着现代社会活动对电力供给的可靠性和电能品质的要求越来越高，以及风电、光电等间歇性新能源的接入，电能存储技术受到了世界各国的重视。在诸多电能存储技术中，基于超导技术的储能是一种处于发展中、但具有独特技术性能的储能手段。

　　利用超导的储能技术有2种型式：超导磁储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）将电能以磁场能的形式储存于超导磁体（电感），超导磁悬浮飞轮储能（Superconducting Flywheel Energy Storage，SFES）将超导技术用于磁悬浮轴承以提升飞轮储能的技术性能。

　　本文将对SMES和SFES的基本原理、发展现状、应用前景、以及关键技术课题进行简要介绍。

一、超导磁储能技术

1.超导磁储能的原理

　　超导磁储能是一种电感储能技术。电感储能的运行原理如图1，图1只在（a）图中标注了关键部件的名称，（b）、（c）图中的部件名称与（a）图相同。

　　①充电（吸收能量）：开关S2和S3处于开端状态下闭合开关S1，电源对储能电感充电；

　　②储能：合上开关S2、断开开关S1，S2与电感L形成闭合回路，此时电感中储存的能量如式　　

　　式（1）中，E为电感中存储的能量；L为电感值；I为电感中的电流。

　　③放电（输出能量）：合上开关S3、断开开关S2，电感对负载放电而释放能量。

　　因为在直流电流下超导体为零电阻，用超导导线制作储能电感（一般称为超导磁体）的超导磁储能可以实现长时间的储能。超导导线的通流能力比铜导线高出1～2个数量级，而且电流恒定时导线（磁体）自身不发热，使用超导磁体能获得远高于常规电感的储能密度、功率密度。

图1基于电感的电能存储与能量利用的基本原理图

　　图1仅为电感储能的原理图，根据不同的应用途径，储能电感与电源、负荷的连接方式也不同。本文主要介绍电力系统用SMES。电力系统用SMES需要随时处于待机状态以便即时响应电力系统的动态变化，超导磁体一般需通过电力电子变流器连接到电力系统，变流器对超导磁体实施实时控制。

2.系统构成及其技术特性

(1)系统构成

　　SMES的系统构成如图2所示，由超导磁体、低温系统、变流器、以及状态监测与控制系统、保护系统等构成 [2]。图2中的变压器是为了方便SMES与电力系统连接的电压匹配设备，不是SMES的必需部件。旁路开关平时处于开的状态，只有在紧急情况下才闭合释放超导磁体中的能量以保护磁体的安全。

(2)关键部件

①超导磁体

　　超导磁体是SMES的核心部件，可以采用单螺管、多螺管或环形结构磁体。其中，螺管磁体结构简单、周围杂散磁场较大，环形磁体则相反。

②电流引线

　　电流引线需具备从低温环境到室温的绝缘性能，也是超导装置热损耗的主要热源之一，是影响SMES制冷机功率的主要因素。

③低温系统

　　超导磁体只有在足够低的温度环境下才能运行在超导状态，对于高温超导磁体，虽然高温超导的临界温度高于77K（ - 196），但由于超导导体在磁场的作用下临界电流会衰减，而为提高储能密度需尽可能的提高磁场强度，高温超导磁体用于储能时，一般需将温度冷却到远低于77K，比如30K以下。现在比较成熟的制冷技术有低温液体浸泡冷却和通过制冷机直接传导冷却。

④变流器

　　超导磁体在储能状态承载的是直流电流，为了实现超导磁体与电网之间的有功功率和无功功率的交换，需要双向变流器进行交、直流的变换与控制。变流器拓扑结构有电压型（VSC）和电流型（CSC）2种，如图3所示。通过变流器的控制，SMES可以实现有功功率、无功功率的四象限独立控制。

(a)电压型变流器 (b)电流型变流器

图3 SMES用变流拓扑

①监控系统

　　监控系统通过检测电力系统和SMES的运行参数，并由此分析出电力系统的功率补偿需求以及磁体的功率补偿能力，确定功率补偿方案，并指令变流器控制磁体实施动态的功率补偿，必要时也可对保护系统发出指令。

②保护系统

　　当电流、磁场强度、温度中的任意一个参数超过临界值时，超导体会从超导态转变为正常态，这称为失超。SMES的超导磁体在功率补偿过程中承载的是动态电流，会在磁体中产生热量而致使温度升高。为保证SMES的安全，需要对超导磁体实施失超保护，也需要对超导磁体、低温系统、变流器以及电力系统的运行状态实时监控，并实施有效的保护。

(1)技术特性

　　SMES的超导磁体在储能状态下不会产生焦耳热损耗，可长时间无损耗地储存能量，储能效率高达95 % 。超导导线的通流能力比铜导线高出1～2个数量级、能实现5T以上的磁场，这使得超导磁体具有很高的储能密度（约0.9～9MJ / m3）。SMES的储能与释能是电磁能量的直接转换，能量转换速度及效率高于电能 - 化学能、电能 - 机械能等能量转换型式，这使得SMES的响应速度快、功率密度高、反复充放电次数无限制。在变流器的控制下，SMES的实施功率补偿的响应时间小于10ms，能满足电力系统暂态稳定性、瞬时电压跌落等的功率补偿需求。

3.国内外发展现状

　　根据所用超导带材的不同，SMES可分类为低温和高温SMES。使用低温超导材料的SMES需要工作于液氦温区（4.2K），因液氦资源紧缺、制冷成本高，虽然已经研制成功了100MJ的低温SMES，但仍然未能获得推广应用。高温超导体的临界磁场远高于低温超导体，其导线制作技术处于发展期，性能还存在上升空间，可以认为使用高温超导材料的SMES是未来的主要发展方向。本文仅介绍高温SMES的发展现状，如表1所示。相比于电力系统对储能的需求，国内外均已实现的MJ级高温超导SMES的容量仍然偏小，何况有的样机是冷却到4.2K，使得低温系统成本高冷却效率低。为了在电力系统中实现SMES的规模化应用，还需要进一步提高超导导线的性价比、冷却系统的效率、以及整个SMES系统的可靠性。

表1高温SMES国内外发展现状

组织机构

带材种类

储能量

应用 / 功能

美国SuperPower公司

YBCO

2.5MJ

军用微网

日本中部电力株式会社

Bi2212

1MJ

瞬时电压跌落补偿

YBCO

2400MJ

负荷波动补偿

日本株式会社东芝东芝

Bi2212

6.5 MJ

基础研究

韩国电力研究院

Bi2223

0.6MJ

提高系统稳定性

2.5MJ

德国ACCEL集团

Bi2223

0.15MJ

UPS

波兰电工研究所

Bi2223

34.8kJ

UPS

澳大利亚卧龙岗大学

Bi2223

2.48kJ

基础研究

中国

华中科技大学

Bi2223

35kJ

抑制低频功率振荡

100kJ

微网应用

YBCO / Bi

150kJ

水电站实验

中国科学院电工研究所

Bi2223

30kJ

基础研究

1MJ

电能质量改善

二、超导磁悬浮飞轮储能技术

1.飞轮储能的原理

　　飞轮储能是电能和机械能之间的相互转换，其原理构成如图4。在储存能量时，电机运行于电动机状态，转速上升将电能转换为机械能储存于飞轮以及电机的旋转部件，所储存的能量为

其中，ｉ为转动部件的转动惯量；ω为旋转角速度。输出能量时，电机运行于发电机状态，将机械能转换为电能，转速逐渐下降。

这种储能形式很早就在脉冲电机中得到了应用。飞轮储能的损耗主要来源于轴承部分的摩擦损耗、旋转部件所遇到的空气阻力、以及电机本身的损耗。为提高效率，轴承可采用磁悬浮而成为磁悬浮飞轮储能，也可将整过旋转部件置于真空中以降低空气阻力导致的损耗。采用超导技术实现磁悬浮轴承（Superconducting Magnetic Bearing，SMB）即可获得超导磁悬浮飞轮储能。

2.超导磁悬浮的原理及其类别

　　超导磁悬浮有两种型式，一是直接应用超导块材的迈斯纳效应和磁通钉扎特性与永磁体形成磁悬浮，一是用超导线圈实现的超导电磁悬浮。利用超导块材与永磁体的无源磁悬浮，结构简单、能量损耗小、容易实现，但因为永磁体的磁场强度有限使得悬浮力受到限制。利用超导线圈实现的是有源磁悬浮。根据SMB气隙磁场的方向，SMB可分为径向和轴向2种型式，相应地，飞轮及电机的布局也有立式和卧式2种。轴向SMB结构简单，制作容易，但刚度较低；径向SMB结构较为复杂，但刚度较高，可承载容量更大的飞轮。SMB的技术相对成熟，中小容量储能的SFES已接近商业化应用。

3.超导磁悬浮飞轮储能的系统构成及其特性

(1)系统构成

　　SFES主要由飞轮、电机、SMB、低温系统、真空室以及电力电子变换装置构成，如图5所示。

图4飞轮储能原理示意图

图5 SFES系统结构图

(1)关键部件

①飞轮

　　在SFES中，飞轮是主要储能部件。从（2）式可以看出，提高飞轮的储能容量有2种途径：（a）增加飞轮的转动惯量；（b）提高飞轮的旋转速度。高抗拉强度的飞轮材料和高速电机是提高飞轮储能的储能密度和功率密度的主要技术瓶颈。

②超导磁悬浮轴承

　　SMB是保证飞轮稳定悬浮运行的核心部件，由定子和转子构成，主要性能指标是悬浮力和刚度，二者决定了SMB的承载能力。为提高承载能力，需提高SMB的磁场强度。早期的SMB的定子和转子多采用超导块材和永磁体。由于永磁体磁场强度有限，用超导线圈代替永磁体甚至超导块材可以获得更高的磁场强度，这种型式有源磁悬浮，结构和控制均比块材加永磁体的方式复杂。

③电机

　　电机是SFES实现能量转换的核心部件，为提高储能容量需采用高速电机。由于在能量转换中电机旋转速度不断改变，还需要电力电子装置对电机输出的电能进行变换和控制。

SFES所需的变流器、真空、低温技术与SMES无本质区别。

(2)技术特性

　　与其它储能型式相比较，SFES具有储能密度大、储能效率高的特点，技术优势和不足与SMES类似，有功无功四象限可控，响应速度快，但单机大容量较难，成本较高。随着转子材料性能和电机转速的提高，其储能密度还有巨大的提升空间。有研究指出，若采用碳纳米管作为飞轮材料，其储能密度可达到2 700Wh / kg。

4.超导磁悬浮飞轮储能的发展现状

　　SFES的国内外发展现状如表2。在美国、日本、德国等工业发达国家，输出功率为数百千瓦的磁悬浮飞轮储能已有商业化，在超导磁悬浮飞轮储能研制方面也处于世界前列。国内虽然已有多家研究单位开展了超导磁悬浮飞轮储能的研究工作，但从所发布的技术参数来看，与世界先进水平尚存在较大差距。

表2国内外发展现状

组织机构

完成年份

主要参数

用途

美国波音航空航天公司

2007

5kWh / 100kW

UPS

2009

5kWh / 3kW

基础研究

日本国际超导产业技术研究中心（ISTEC）

2004

10kWh / 400kW

基础研究

日本中央铁路

2006

50kWh / 1000kW

电网稳定，能量回收

日本铁道综合技术研究所（RTRI）

2015

100kWh / 300kW

光伏电能稳定

德国ATZ公司

2009

5 kWh / 300kW

UPS

2009

15 kWh / 400kW

UPS

韩国电力研究院（KEPRI）

2010

10kWh

基础研究

中国科学院

电工研究所

2000

9600rpm

—

西南交通大学

2008

2000rpm

演示样机

上海大学超导应用技术研究中心

2014

18000rpm / 0.5kW

—

三、基于超导的电能存储技术的发展前景

1.应用场景

　　由于超导储能装置具有储能密度大、响应速度快、效率高、充放电次数循环寿命长等优势，所以它在许多领域都拥有巨大的应用潜力。

(1)在电力系统中的应用

　　在电力系统中，超导储能可用于提高系统稳定性，改善电能质量和提高风电、光电等随机性强的间歇式新能源的并网特性。

①提高电力系统暂态稳定性

　　电力系统在大的扰动下，如线路短路，可能会发生因功率失衡造成的电力系统稳定性问题。超导磁储能可以通过快速的动态功率补偿，提高电力系统的动态、暂态稳定性，也能有效抑制电力系统中的低频振荡。

②改善电能质量

　　利用超导储能装置的快速响应特性以及有功功率无功功率的四象限独立补偿，可提高电压稳定性、补偿瞬时电压跌落、平抑负荷波动等，有效地提高电能供给的品质。超导储能装置还可作为敏感负载和重要设备的不间断电源（UPS），保证重要负荷的供电可靠性。

③改善随机性、间歇性可再生能源的并网特性

　　超导储能装置的“充放电循环寿命长”的特性在平滑风力发电和光伏发电等随机性间歇性强的电源功率输出方面具有独特的优势，其动态功率补偿能力可以提高风电光电的并网性能。

(2)在脉冲功率电源中的应用

　　凭借着高功率、快速响应特性，超导储能装置可作为电磁武器和电磁弹射系统的高功率脉冲电源。

(3)其他潜在的应用场景

　　相较于SMES，SFES凭借着可小型化的优势，可应用到一些SMES无法应用的领域。

①航空航天

　　除了作为人造卫星的电源外，还可利用高速旋转的飞轮对其进行姿态控制。

②能量回收

　　飞轮储能系统可应用于铁路机车、地铁系统以及混合动力汽车。对车辆的刹车能量进行回收，并在启动过程中对车辆提供能量。

2.产业化发展的技术课题

(1)装置级的技术课题

①SMES磁体的结构及电磁特性优化设计

　　超导磁体是SMES的核心组成成分，它的特性直接影响SMES的经济性和运行性能，需要综合考虑储能量、临界电流、电磁应力、漏磁场、磁体耐压、带材用线量、磁体运行温度、交流损耗等等因素，通过对磁体结构、电磁特性的优化设计，使其在达到经济性和安全性指标的前提下，更有效地利用超导材料，降低成本、提高技术性能。

①SMES功率变换系统及控制方式

　　随着SMES容量的增大，常规的变流器难以满足大容量、高功率的要求，所以进一步发展高性能的功率变换系统，主要集中在以下3个方面：一是高耐压、大电流的电力电子器件；二是电力电子变流器的多重化、模块化；三是改进功率变换系统的控制方式，使SMES能实现多目标控制，提高其利用率。

③高强度飞轮转子及其优化设计

　　飞轮的储能量与飞轮的转速，质量和形状相关。早期研究通常采用增加飞轮质量和转速的方法来提高其储能容量，然而飞轮材料的机械强度限制了飞轮转速的提升和储能量的提高。对于结构、几何尺寸一定的飞轮，其单位质量储能密度为：

　　其中，ｋｇ为飞轮的形状系数。

根据式（3）可知，选用高比强度（σh / ρ）的材料可提高飞轮的储能密度。早期的飞轮多采用高强度钢和铝合金等金属材料，两者的储能密度只能达到56.8Wh / kg和36.1Wh / kg。复合材料由于其密度小、比模量大、比强度高、比刚度高、使用寿命长、安全性能好等优点，已成为储能飞轮转子的首选材料。目前复合材料有碳纤维、环氧玻璃纤维和凯夫拉纤维等。其储能密度可分别达到945.7Wh / kg、320.6Wh / kg和441.1Wh / kg。

④SMB的设计与优化

　　SMB是SFES系统中的关键部件，为提高SMB的悬浮力和刚度特性，需升高磁场强度。早期的SMB多采用永磁体作为磁场源，采用超导线圈代替永磁体，可望获得更高的磁场。此外，如何提高SMB的旋转稳定性和减小SMB悬浮力的弛豫也是设计过程中需要考虑的问题。

⑤失超检测和保护装置研究

　　对于SMES，以及采用超导线圈实现磁悬浮SFES，超导部件的状态检测及失超保护至关重要。特别是SMES的超导磁体，在动态功率补偿中会产生交流损耗导致磁体的温度上升，这会影响SMES的出力能力。有效的状态检测与评估，可靠的失超保护是提高超导储能装置可靠性的关键技术问题。

(1)系统应用的技术课题

储能优化配置

　　储能在电力系统中的优化配置，需要结合电网结构、电站规模、响应时间、电网质量及风险性等因素，对储能安装位置及容量进行优化，使超导储能装置在满足最小储能容量的前提下最大程度地发挥作用。SMES的模块化、分散化应用以及分散SMES的优化配置是应对大型超导磁体技术难度高的主要手段。

②控制策略

　　超导储能装置和其他储能装置一样，需要选择和设计良好的控制策略与电网进行配合，包括分散储能、复合储能的协调控制，基于储能装置状态评估的动态控制，等等。

③复合储能

　　在目前的技术水平下，与其他储能技术相比，SMES和SFES都难以实现单机的大容量储能。但是他们的响应速度快适合于功率型功率补偿，而且反复充放电次数无限制。因此，将SMES与其他储能方式相结合，协调控制各自的补偿对象，在技术指标上形成互补，得到性能更优越的复合储能系统。

④可靠性、经济性分析

　　可靠性是电网运行的核心问题，需要研究超导储能装置的引入对电力系统的影响，如暂态稳定性。经济性能是决定超导储能装置能否被广泛接受的重要因素，由于超导装置的成本造价高于技术造价，需要建立合理的技术经济性评估模型来分析其经济效益。

(2)关键材料的发展课题

①超导材料

　　在超导储能技术中，所应用的超导材料有超导带材和块材。

　　超导带材有低温和高温超导带材2种。由于低温超导带材制冷成本远高于高温超导材料，所以高温超导材料应用较为广泛。目前的高温超导带材依然存在价格昂贵，临界电流在外磁场下衰减快等问题。开发高临界电流密度、高临界温度和临界磁场的超导带材，降低成本将成为超导带材的发展方向。

　　超导块材是SFES中SMB的重要组成部分。其中，超导块材钉扎中心的密度和性能将影响块材的磁场俘获能力、临界电流密度和悬浮力等重要性能指标。

　　由于目前超导块材的尺寸多为数十毫米，所以目前所研发的SMB均采用拼接的方式增大超导体的面积，这必然会影响到超导体的均匀度。而超导块材还存在磁通逃逸的问题，这会导致块材捕获磁通的下降。目前GdBCO和YBCO块材在77K下可实现了3T和1.4T的捕获磁通能力，且在26K的温度下YBCO块材可捕获最高17.6T的磁场。

　　综上可知，大尺寸、高均匀度和高捕获磁通的超导块材的制备和加工工艺复杂、难度大，是SFES研制的基础和关键技术之一。

②绝缘材料

　　在超导技术中，低温电介质的绝缘特性已成为影响超导设备性能和可靠性的一个重要因素。由于超导储能装置中的电力电子装置会产生高频PWM波，所以低温绝缘材料应能承受PWM波的冲击。此外，低温绝缘材料还应具有足够的机械强度和韧性，以承受超导磁体的极大的电磁力；能承受多次冷热循环的冲击，并具有较好的导热性能。超导部件所采用的绝缘材料可分为低温液体和固体绝缘材料。目前常用的低温液体绝缘材料主要有液氮和液氦2种；低温固体绝缘材料主要包括聚四氯乙烯、聚酰亚胺、玻璃纤维等材料。但是，由于目前的固体绝缘材料在低温环境下存在机械强度低、易开裂，局部放电的起始电压和耐受电压强度低等情况。所以，研发在低温环境下具有高机械强度，耐冲击能力强的固体绝缘材料；开发高耐压的低温绝缘材料将具有重要意义。

③导热材料

　　由于超导磁体在动态运行条件下会产生热量，若不能及时带走这些热量，对磁体的技术性能和安全会构成威胁，应开发新的导热材料以提高超导磁体的热稳定性。

③高强度材料

　　对于飞轮储能，高强度，特别是抗拉强度的材料是提升飞轮储能容量及储能密度的关键。

(3)相关支撑技术的发展课题

　　低温系统相关设备的可靠性和寿命是超导装置技术性能的短板之一，目前还没有达到一般电力设备应具备10～20年使用寿命的要求。

　　电力电子变流器的单机容量（额定电流、额定电压）小是超导储能装置难以实现单机大储能容量的瓶颈之一。储能装置的模块化、分散应用、协调控制等概念和技术可降低超导储能磁体、变流器的单机容量要求。

　　提高电机的转速可提高SFES的储能容量和密度。在高速电机方面，我国和世界先进水平还有差距。

四、结语

　　基于超导技术的电能存储装置具有优越的储能和能量变化性能，与其他储能技术相比较，在响应速度、动态功率补偿、反复动作寿命等方面具有独特的优势。为实现超导储能技术在电力系统的规模化应用，在装置研制、系统运行2个层次均存在若干技术问题需要进一步开展深入研究，也有若干新的概念和技术正在发展之中，如模块化、分散应用、协调控制、复合储能、储能磁体的实时动态监控，等等。在材料方面，超导材料的性价比有待提高，绝缘材料、高强度材料的发展可望进一步提高超导储能的技术性能。虽然还存在以上的技术困难，但是，由于超导的储能技术的快速响应的动态功率补偿能力在提高电力系统暂态稳定、改善电能品质、辅助间歇性新能源并网、以及其无损储能特性在航天、脉冲功率电源等特殊领域的应用潜能，利用超导的电能存储技术是具有良好发展前景的储能技术，是发展超导电力技术的重要着力点。