超导电力磁储能系统研究进展一——超导储能装置

超导磁体的储能应用研究超导磁体是一种通过在超低温环境下传导电流而产生强大磁场的装置。

由于其具有高能效、高储能密度等优点，超导磁体在能源领域的应用备受瞩目。

本文旨在探讨超导磁体在储能领域的应用研究，分析其在能源储存方面的潜在优势和挑战。

超导磁体的储能应用研究是一个具有挑战性和前沿性的课题。

随着能源需求不断增长和可再生能源的广泛应用，传统的储能技术已经无法满足现代社会对储能系统安全性、高效性和可靠性等方面的要求。

超导磁体以其高磁场稳定性和低能量损耗等特点，被视为一种潜在的高性能储能技术。

超导磁体在储能领域的应用主要包括超导磁体储能系统和超导磁体电感器。

超导磁体储能系统是指利用超导磁体的高能量密度和高效率来存储电能的设备。

其主要包括超导磁体、电流源、磁体绝缘系统和磁体冷却系统等组成部分。

超导磁体电感器则是利用超导磁体的高灵敏度和稳定性来检测电磁信号的装置。

这两种应用形式相辅相成，共同推动了超导磁体在储能领域的发展。

超导磁体储能系统具有许多优势。

首先，超导磁体具有高能量密度和高效率，能够在较小的体积内存储大量电能。

其次，超导磁体储能系统的运行成本低，无需额外的能源输入即可实现长期稳定运行。

此外，超导磁体具有较长的寿命和高可靠性，适用于长期运行和重复充放电循环。

因此，超导磁体储能系统在储能密度、安全性和经济性等方面具有明显优势。

然而，超导磁体在储能领域的应用也面临一些挑战。

首先，超导磁体的制造成本较高，需要大量稀有材料和高端技术支持。

其次，超导磁体需要在极低温环境下工作，对冷却系统和绝缘系统的要求较高，增加了系统复杂性和运行成本。

此外，超导磁体的稳定性和故障诊断也是当前研究的重点和难点。

因此，如何降低超导磁体的制造成本、提高系统可靠性和运行稳定性，是超导磁体储能应用研究的主要挑战。

为了解决上述挑战，当前的研究主要集中在以下几个方面。

首先，研究人员致力于开发新型超导材料和制备工艺，以降低超导磁体的制造成本和原材料成本。

超导技术在能源存储中的应用指南引言能源存储一直是一个重要的领域，随着能源需求的增长和可再生能源的普及，高效的能源存储技术变得尤为重要。

超导技术作为一种前沿的科学技术，具有巨大的潜力在能源存储领域发挥作用。

本文将探讨超导技术在能源存储中的应用指南，介绍超导技术的基本原理、目前的研究进展以及未来的发展方向。

一、超导技术的基本原理超导技术是指在超导材料中，电流可以在零电阻的条件下流动。

这种现象是由于超导材料中的电子形成了一种称为“库珀对”的配对态。

库珀对的形成需要超导材料的温度低于其临界温度，并且材料中不存在杂质或缺陷。

超导材料的临界温度是指材料在该温度以下可以表现出超导性质。

超导技术在能源存储中的应用主要基于超导体的两个关键特性：零电阻和磁场排斥。

零电阻意味着超导体可以在没有能量损耗的情况下输送电流，这对于能源存储来说非常重要。

磁场排斥则意味着超导体可以抵抗外部磁场的穿透，从而保护能量存储系统免受磁场的干扰。

二、超导技术在能源存储中的应用1. 超导电缆超导电缆是一种利用超导技术输送电能的新型电力传输方式。

相比传统的铜导线，超导电缆具有更高的电流承载能力和更低的能量损耗。

这使得超导电缆在长距离电力输送和高负载条件下具有巨大的优势。

超导电缆的应用可以提高电力系统的效率和稳定性，减少能源浪费。

2. 超导电池超导电池是利用超导技术存储电能的一种新型能源存储设备。

超导电池可以在短时间内存储大量电能，并在需要时迅速释放。

这使得超导电池在平衡电力供需、储备能源和应对突发负荷等方面具有广泛的应用前景。

超导电池的高能量密度和长寿命也使其成为替代传统电池的理想选择。

3. 超导磁体超导磁体是一种利用超导技术产生强磁场的装置。

超导磁体广泛应用于核磁共振成像、磁共振治疗、粒子加速器等领域。

在能源存储中，超导磁体可以用于储能和储氢。

通过将能量转化为磁场能，超导磁体可以在短时间内储存大量能量，并在需要时迅速释放。

超导磁体的高能量密度和高效能转换使其成为未来能源存储的重要技术。

超导储能工作原理图文分析1.超导系统认识超导储能(SMES)是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。

将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。

试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。

显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。

由于超导储能具备反应速度快、转换效率高等优点，可以用于改善供电质量、提高电力系统传输容量和稳定性、平衡电苻，因此在可再生能源发电并网、电力系统负载调节和军事等领域被寄予厚望。

近年来，随着实用化超导材料的研究取得重大进展，世界各国相继开展超导储能的研发和应用示范工作。

2.超导储能工作原理超导储能的基本原理是利用电阻为零的超导磁体制成超导线圈，形成大的电感，在通人电流后，线圈的周围就会产生磁场，电能将会以磁能的方式存储在其中。

超导储能按照线圈材料分类可分为低温超导储能和高温超导储能。

用于储能的超导技术已经开始显现极有前景的成果。

其工作原理是能量储存在绕组的磁场中，由下式表示：式中，R和L分别是绕组的电阻和电感。

稳态储能时diLdt必定为零，驱动电流环流所需电压简化为V=RI。

绕组的电阻依赖于温度。

对于大多教导体材料，温度越高，电阻越大。

如果绕组温度下降，电阻也会下降，如图3-10所示。

某些材料中，电阻会在某个临界温度时急剧下降到精确零欧。

图中，该点标为Tc。

在此温度以下，再无需电压来驱动绕组中的电流，绕组的端口可以被短接在一起。

电流会在短路的绕组中永远不停地持续流动，相应的能量也就永远存储在绕组中。

一个绕组具有零电阻，就称为获得超导状态，而绕组中的能量就被“冻结”。

图3-11所示为典型超导储能系统原理。

超导磁场的线圈由磁场电源中的交——直换流器充电。

超导磁储能系统的发展与展望作者：苏放来源：《中国科技博览》2015年第27期[摘要]超导磁储能装置（SMES）是将超导磁体的无损高效储能特性与电力电子的快速电能转换技术相结合的一种新型功率调节和能量转换装置，也是目前实用化程度最高的一种超导电力装置。

本文阐述了SMES的特点、基本结构以及在电力系统的具体应用，综述了国内外相关研究成果与发展现状，并讨论了其未来的前景与发展趋势。

[关键词]超导磁储能系统电力系统高温超导中图分类号：TM917 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0150-030 引言自德国物理学家昂尼斯（K.Onnes）1911年研究汞在低温下的电阻随温度变化发现了超导现象之后，科学界的目光开始投向了这样一个新生的科学分支，人们希望能将其应用于实际当中。

随着一个世纪超导技术的不断发展，超导应用也越来越受到各国的重视。

尤其在80年代以铋系（Bi2Sr2CaCu2O8）和钇系（YBa2Cu3O7、YBa2Cu4O8）等为代表的高温超导材料的研究取得了突破性进展后[1]，超导在电力系统的应用也倍受看好。

目前人们正在研究的超导电力装置包括储能装置，电机，电线，限流器等。

其中超导储能装置是一种能把电能存储在由循环电流产生的磁场中的设备。

它利用超导磁体的低损耗和快速响应来储存能量的能力，通过现代电力电子型变流器与电力系统接口，组成既能储存电能（整流方式）又能释放电能（逆变方式）的快速响应器件，从而达到大容量储存电能改善供电质量提高系统容量和稳定性等诸多目的[2，3]。

下文将详细介绍SMES的特点结构及在电力系统的应用，总结国内外相关研究成果与发展现状，讨论其未来的前景与发展趋势。

1 SMES概述超导磁储能是利用超导体的零电阻特性以磁的形式存储能量，相比其他储能方式其有许多优势，如表所示，因此以超导线圈构建的超导磁储能系统在电力系统中具有广泛的应用前景[4]。

（表1）1.1SMES的特点具体的说超导磁储能系统主要具有以下特点[5，6]：（1）响应迅速、控制方便。

超导磁能储存技术的研究进展随着能源需求的不断增长，寻找可再生能源的发展已经成为了人类不可或缺的任务。

在众多可再生能源中，风能和太阳能尤其是在发达国家和新兴经济体中越来越受到关注。

在这些能源发电的过程中，不可避免地会出现瞬间高、低电压的情况，同时建立和更新电网也是一项巨大而复杂的工程。

在这决定性的瞬间，我们需要大量的存储设备以便从电网中蓄电，来确保我们的发电系统始终保持最佳状态。

为了解决能量储存这个难题，超导磁能储存技术正成为一个备受研究者关注的发展方向。

基于这一技术，可以编制出优化的能量储存系统，以及设计出更简便、安全、高效的储能装置，保证电网稳定和可靠的运行。

超导磁体的基本原理超导磁体是一种能耗极低的电子器件，其中超导体结构的作用是通过电磁能量将能量转化成磁场的存储。

到目前为止，超导磁体被广泛应用于磁共振成像（MRI）技术、物理实验、医学和电力工业中等多个领域。

超导磁体可以在无额外能量输入的情况下，稳定地生成极强的磁场，可以达到的点数目标在迄今为止被记录的极端情况下达到了100 T。

此外，超导磁体通过储存环形能量极大的电流，可应用于能量储存。

例如，发电机产生的瞬间电能可以很快而准确地储存在超导磁体内，而且储存的效率对能量的损耗很小。

通过电磁场的作用，这种储存方法可以将200～5000兆焦的能量储存起来，相比于其他蓄电池系统效率更高。

因此，越来越多的学术机构、研究人员、大公司，以及小企业都开始投入到超导磁体的相关研究发展中。

超导磁体技术的应用超导磁体技术的应用非常广泛，如我们前面提到的MRI成像技术、电力系统的稳定性控制等。

另一个广泛应用的领域包括核能以及天文学和材料科学等领域。

在核能领域，核聚变实验中使用的体积为1,000,000升的磁体，能够在温度陡峭的环境中工作，将磁场达到非常高的水平。

在天文学领域，在望远镜上使用的磁体可以阻止来自其他电子器件的磁场干扰，从而防止图像出现磨砂效果。

超导磁体的储能特性是其应用的核心。

低压电网中超导磁能储存技术的研究与应用近年来，随着社会经济的快速发展，低压电网面临着越来越大的压力和挑战，如何有效地解决电网运行中的不稳定性和不可控性成为了低压电网改造的重要话题。

超导磁能储存技术作为一种新型的能量存储方法，具有高能量密度、长寿命、高效率等优势，已经开始在低压电网中得到广泛应用和研究。

一、超导磁能储存技术的基本原理超导磁能储存技术主要通过将电能转换为磁能并在超导体中储存起来，待需要使用时再将磁能转换回电能输出到电网中。

具体地讲，超导磁能储存技术主要包括两个主要的组成部分：超导磁体和功率电子部件。

超导磁体是超导磁能储存技术的重要组成部分，主要由超导体、稳定层和绕组组成。

超导体是指能够在超导状态下传输电流的特殊材料，具有零电阻、无磁损等特性，能够高效地储存电能。

稳定层是指超导体表面的一层材料，能够防止超导体突然失去超导状态，从而使得超导磁体的稳定与可控性更好。

绕组是指将超导体和稳定层缠绕起来的一种磁场产生结构，能够大大增强超导磁体的磁感应密度。

功率电子部件主要是指控制超导磁体输出的电子元件，包括逆变器、变压器、直流电源等。

逆变器能够将直流电能转换为交流电能输出到电网中，变压器则能够将储存的磁能转换为输出电能的所需电压等级，而直流电源则能够为超导磁体的充电提供电能。

二、超导磁能储存技术在低压电网中的应用超导磁能储存技术因其高效节能、环保等特点，已经开始在低压电网中得到广泛应用。

其主要应用领域包括但不限于以下几个方面：（1）电力调节超导磁能储存技术能够稳定输出电力，克服电网的不稳定性和不可控性，从而达到对电力质量的优化调节。

在电力峰值期间，超导磁能储存技术能够高效地储存电能，而在负荷期间则能够及时地释放电能，以满足整个电网的需求。

（2）储能系统超导磁能储存技术可以作为储能系统的一种新型解决方案，能够将电网中不稳定的电量转换为稳定的磁能输出，储存时间长、效率高，用于负荷调节、备用电力等方面。

超导磁能储存技术的研究与应用超导磁能储存技术作为一种新型的储能技术，具有高效、高密度、低损耗等优点，在当前能源存储领域备受关注。

随着全球对可再生能源的需求不断增加，储能技术的研究与应用也日益受到重视。

超导磁能储存技术作为一种颠覆性的新型储能技术，具有很强的发展潜力和广阔的应用前景，对于提高能源利用效率、优化电力系统运行、促进清洁能源发展等具有重要意义。

超导磁能储存技术是利用超导材料在超导态下蕴含的巨大电磁能量进行储存，将能量储存时间拉长，以实现对电网的功率调节和储能功能。

相比传统电池储能技术，超导磁能储存技术具有更高的能量密度和更短的响应时间，适用于大规模储能和快速响应的电力系统。

此外，超导磁能储存技术还具有零能量损耗和长寿命等优点，可以提高电力系统的稳定性和可靠性，有利于实现低碳、清洁、高效的能源转型。

目前，超导磁能储存技术已经取得了一系列突破性进展，尤其是在超导材料的性能和稳定性方面取得了显著提升。

新型超导材料的不断涌现和超导磁体的设计制造技术的不断改进，为超导磁能储存技术的研究和应用提供了有力支撑。

同时，超导磁能储存技术的应用领域也在不断拓展，从传统的电力系统储能到新能源综合利用、航天航空领域等，都有着广阔的应用前景。

超导磁能储存技术的研究涉及材料物理学、电磁学、工程技术等多个学科领域，需要综合运用超导理论、磁学理论、电磁场理论等知识进行探索和创新。

其中，超导材料的研究是超导磁能储存技术研究的关键环节之一。

超导磁能储存技术的性能和稳定性很大程度上取决于超导材料的性能，如临界温度、临界电流密度、临界磁场等。

因此，超导材料的研发和性能提升是推动超导磁能储存技术发展的关键。

超导磁体是超导磁能储存技术的核心部件，是能量的存储和释放主体。

超导磁体的设计制造技术的发展水平直接影响着超导磁能储存技术的性能和应用效果。

为了实现超导磁体的高性能、高稳定性和大规模应用，需要进一步深入研究超导磁体的结构优化、制造工艺、冷却系统等方面的关键技术，提高超导磁体的制造质量和运行稳定性。

超导材料的研究进展及应用导电材料由于电阻的存在，在输电过程中会不断消耗电能，尤其是远距离电能传输，造成极大的能源浪费，这个问题一直困扰着各国学者。

找到一种材料电阻很小甚至没有电阻代替现有的导电材料以减少输电损耗一直是各国科学家们梦寐以求的愿望。

通常来说，导体的电阻随温度的降低而降低，所以人们致力于寻找一个低温环境，获得小电阻的导体。

1908年莱顿实验室成功制得液氦，获得4.25K的低温，这一技术促进了超导技术的发展。

在此之后的3年，荷兰物理学家昂纳斯发现当温度降到4.2K时，汞的电阻突然消失，这就意味着电流流经导体时没有热损耗，这一发现震动全世界，掀起了超导研究的一股热潮，昂纳斯也因此获得1913年诺贝尔奖，并将在一定温度条件下电阻突然消失的现象称之为“超导”，处于超导状态的导体称之为“超导体”，具有这一性质的材料称为超导材料。

一、超导材料的发展自昂纳斯发现汞的超导特性之后，越来越多的超导材料进入人们视野，人们发现元素周期表中的很多材料都具有超导性，很长一段时间内科学家们把元素、合金、过渡金属碳化物以及氮化物作为超导材料的研究对象，直到1985年金属间化合物铌锡（Nb3Sn）的出现，虽然其临界转变温度仅23.2K，却拓宽了超导材料的研究思路。

用液氦做致冷剂实现低温，由于氦原子间的相互作用力和原子质量都很小，很难液化，再加上氦资源缺乏等因素导致液氦价格昂贵，但如果没有液氦，低温超导材料的研究就会受到严重的阻碍，进而影响到研究工作的开展，最终导致超导材料在应用上受限。

因此，寻求新的超导材料以获得较高的超导转变温度，改变只能采用液氦做制冷剂的局面是各国科学工作者们重点关注的方向。

这一设想在1986年得以实现，超导材料的研究取得了突破性进展。

1986-1987年先后发现了超导临界转变温度（Tc）值为35K的钡镧铜氧化物、90K的钇-钡-铜-氧（YBaCuO）超导材料、125K的铊系高温超导体，打破了之前只有在液氦温区工作的禁区。

超导磁储能装置的工作原理
超导磁储能装置是一种高效、高密度的储能设备，其工作原理基于超导材料在低温下的特殊性质。

超导材料是一种在低温下表现出完全电阻为零的特殊材料。

当超导材料处于超导状态时，电流可以在其中无阻碍地流动，形成一个强大的磁场。

这个磁场可以被用来储存能量，并且由于超导材料的完全电阻为零，这个磁场可以持续存在很长时间而不会损失能量。

超导磁储能装置通常由一个超导线圈和一个冷却系统组成。

超导线圈是由超导材料制成的，并且可以被用来产生一个强大的磁场。

冷却系统则用来将线圈降温到足够低的温度，以使其进入超导状态。

当需要将能量存储到装置中时，电流被通过线圈中并产生一个强大的磁场。

这个磁场会持续存在并储存能量，直到需要释放时。

要释放这些能量，只需通过线圈中通入反向电流即可。

由于超导材料在低温下表现出的完全电阻为零的特殊性质，超导磁储能装置可以实现极高的能量密度和极高的效率。

这使得它成为一种非常有前途的储能技术，可以被广泛应用于许多领域，如电力系统、交通运输、航空航天等。

总之，超导磁储能装置是一种基于超导材料在低温下表现出的完全电阻为零特性的高效、高密度储能设备。

其工作原理基于超导线圈产生强大磁场并储存能量，并通过通入反向电流释放这些能量。

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功率调节器是超导储能装置的核心之一,它是连接超导电感和交流电网的纽带。

超导储能装置的能量传输和功率变换都要通过它们实现。

这里的功率调节系统就是指带有全控型开关器件 PWM 变流器。

SMES 变流器可以在功率的四个象限内快速响应功率需求，设电源压 U s = U s ∠0°，交流侧输出电，交流侧输出电 I t = I t ∠δ，交流侧电 I t 的幅值相位可控。

如图 4 所示，根据δ的控制，可以实现系统与变流器四象限内的功率交换（图 4第一、二象限内，电流超前于电压，变流器呈图 3 两种变流器的结构拓扑图图 2 超导储能装置的构成图 1 常见储能装置的性能图 4 四象限功率交换3 超导磁储能系统核心技术SMES 主要包括 5 部分，即超导储能线圈、功率变换系统、低温制冷系统、监控系统和失超保护系统。

其中储能线圈和功率变换系统为 SMES 的核心关键部件。

3.1 SMES 超导储能线圈的研究现状超导储能线圈是 SMES 设备的核心部件，是由在一定条件下具有超导特性的导体绕制而成，可以在图 6 T 型三电平变流器拓扑结构多电平变流器虽然具有明显优势，但由于结构更复杂，运行过程中会产生一定的问题。

例如：在基于3LT2C 的 SMES 运行过程中,会产生中点电位不平衡的问题。

这是由于三电平变流器在能量转换的过程中，中点的电位也会介入到了能量的传递，且还存在电容参数不均等原因，所以会引起直流侧上下两侧电容电压的不平衡，降低了变流器的可靠运行能力。

解决方法：在 3LT2C 的 SVPWM 调制策略中，有个空间电压矢量，其中有效矢量为 19 个，其余为冗余矢量，按其幅值大小可分为：6 个长矢量、6图 5 仿真算例的总谐波失真图图 7 超导-蓄电池混合储能系统结构图 8 SMES-BESS 变流器控制结构。