簡介
上世紀90年代初以來,隨著電力系統及電力工業市場化趨勢的不斷發展、用戶對電能質量要求的不斷提高,人們迫切需要開發出一種有效管理高度網際網路的電力傳輸及分配系統的新技術,以保證電力系統的穩定性、可靠性以及供電的質量。超導儲能,與現代電力電子變流器相結合,以其快速吸收和釋放能量的功能,迅速發展成為一種強有力的電力系統能量管理技術。
根據電力市場徹底開放的趨勢以及電力系統的實際需要,美國超導公司和通用電氣公司自2000年起聯合推廣用於提高電網穩定性和可靠性的“DSMES”產品,使可控超導儲能(SMES)技術迅速套用於電力系統。像美國的isconsin Public Service,Alliant Energy,Entergy,TVA,Pacifi-Corp,BC Hydro,Rayburn Country Electric以及Northeast Utilities等電力公司紛紛成為“DSMES”的用戶,在華盛頓、德克薩斯和康涅狄等地區已安裝有十幾套`DSMES'長期運行在電網中,使電網的穩定性和可靠性得到了大大地提高,並因此使系統的輸電容量以及負載容量得以較大程度的提高。
由於可控超導儲能裝置向電網吸收和釋放能量都是直接的,無需像電能“化學能或電能”機械能這樣的能量轉換,這使得SMES裝置不僅具有很高的效率,而且還能非常迅速地與電網進行能量交換,其轉換效率超過90%,回響速度一般為毫秒數量級。同電池、飛輪等其它儲能方式相比,SMES裝置還具有重複率高、無環境污染以及安全可靠等特點。
然而,同任何一種電力新技術一樣,SMES技術和市場的進一步發展也面臨著很大的挑戰。電力市場徹底開放的進程是決定其前途的根本因素。美國加州、北美以及英國倫敦大停電的連續發生,充分說明了現代電力系統對有效管理高度互聯電網的電力傳輸及分配系統新技術的迫切需求。可以預計,SMES技術將加速發展,並可望成為主要的電力基礎設施之一,在市場開放的電力系統中起到非常重要的作用。
作為一種存儲技術,超導儲能(SMES—SupereonduetingmagnetiCenergystorage)由於不需要經過像電能一化學能或電能一機械能這樣的能量轉換,因此與蓄電池和飛輪等其他儲能方式相比,具有更高的效率和更快的轉換速度。近年來,隨著電力工業市場化潮流及電力電子技術的飛速發展,可控SMES在電力系統中的套用前景也越加廣闊。可控SMES在電力系統中的套用主要有兩個方面:一是提高電網的穩定性和可靠性,二是改善用戶電能質量。
為了研究可控SMES在電力系統中的套用技術,我們開發了一套20kJ/15kw的可控SMES實驗裝置。本文主要介紹該裝置的SMES磁體、雙橋絕緣柵雙極電晶體(IGBT)電流型變流器以及基於雙數位訊號處理器(DSP)的控制系統,並給出裝置基本的超導實驗結果。
SMES裝置的基本原理
從儲能的角度來看,SMES裝置在概念上非常簡單,其基本原理就是對超導線圈通以直流電流從而將能量存儲線上圈的磁場中。如果儲能線圈是由常規導線繞制而成,那么線圈所存儲的磁能將不斷地以熱的方式損耗在導線的電阻上。由於超導體的直流電阻為0,超導線圈中的能量會永久存儲在其磁場中,直到需要釋放時為止。
組成
超導線圈是一種直流元件,而SMES在電力系統中的套用卻是面向交流電網的,那么在交直流的界面就需要一種功率變換裝置,它通常是可控電力電子AC/DC變流器。SMES裝置的基本結構,其中包括超導線圈、連線超導線圈和室溫電纜的電流引線以及可控AC/DC變流器。另外,SMES裝置的輔助設備還有放置超導線圈的低溫容器以及為
其補充冷卻劑的低溫製冷系統。
基本結構超導線圈
SMES裝置的核心是超導線圈,一般有兩種結構,即螺線管結構和環形管結構。對於較大的SMES裝置,螺線管線圈的製作成本遠低於環形管線圈。然而,螺線管線圈的雜散磁場卻要比環形管線圈嚴重得多。由於現階段的高溫超導體離實際套用尚有相當一段距離,超導線圈主要還是指運行在液態氦(4.2 K)或超流態氦(1.8 K)溫度下的低溫超導線圈。對於儲能量較大的超導線圈,選擇超流態氦更為經濟,並且其冷卻效果也更好。超導線圈通過電流引線與功率調節裝置(可控AC/DC變流器)的室溫直流電纜相連。對於中小型的SMES裝置,電流引線是低溫製冷系統的主要熱
負荷,所以,電流引線性能的好壞在很大的程度上決定著整個SMES裝置的效率。
AC/DC的變換器
作為SMES裝置與交流電網的連線界面,功率調節器的功能不僅是實現AC/DC的變換,實際上也是SMES裝置向電網吸收或釋放能量以履行電力系統能量管理角色的控制中心。SMES裝置的功率調節器一般有2種AC/DC主電路拓撲結構:電流源型變流器(current source converter———CSC)和電壓源型變流器(voltage source converter———VSC),如圖2所示。若採用IGBT或GTO等自關斷器件,則CSC和VSC均可使有功和無功功率在電網與超導線圈之間雙向流動,且相互獨立可控。
2種AC/DC主電路拓撲結構SMES裝置的能量管理功能
雖然超導線圈從電路原理上來講是一個儲能元件,但它也可以在不改變儲能狀態的條件下,通過可控AC/DC變流器的控制,在較大容量範圍內向電網吸收和釋放無功功率。對有功及無功功率調節的雙重功能使SMES裝置成為FACTS(flexible AC transmission systems)的一個新成員,其套用能夠滲透到電網能量管理的各個方面。由於SMES裝置對各種功率需求的回響速度很快,它具有以小儲能量輸出大功率的特點。
在電網出現短路等瞬態擾動時,SMES裝置可迅速反應,通過對有功及無功功率的吸收或釋放,給電網提供電壓及頻率的支持,以保證電網的穩定運行不受影響;對於發電機的突然故障,SMES裝置可立即輸出能量以彌補水電旋轉保持系統的啟動時間間隙,避免電網的頻率因此失控。SMES裝置在改善電網穩定性方面的作用還包括無功補償,次同步振盪阻尼,電壓波動、負載波動及頻率波動阻尼等。另外,SMES裝置還可被用於黑啟動及自動發電控制。顯然,SMES在提高電網穩定性和可靠性方面的功能還能使系統的輸電容量以及負載容量得到較大程度的增加。在改善電能質量方面,SMES裝置則可充當干擾禁止器或隔離器的角色。它既能補償及禁止瞬時電壓擾動、電壓波動、頻率波動及電壓諧波等電網擾動,避免這些擾動影響負載的正常運行,保證對負載供電的高質量;另外,SMES裝置還能對於重工業及暫態系統用戶的非線性負載、波動和衝擊負載起到補償和隔離作用,使電網的電能質量不受其影響。
基於SMES的動態電壓補償器(DVR)為瞬間電壓跌落這個許多工業和商業用戶所面臨的最嚴重的電能質量問題提供了強有力的解決措施。當發生瞬間電壓跌落時,SMES裝置快速釋放有功及無功功率以補償電壓跌落,使得負載端的電壓在故障期間保持正常而不受干擾。
SMES技術的市場現狀分析
隨著人們對SMES裝置功能和特點認識的不斷深入以及電力市場化的趨勢,越來越多的國家開始致力於超導儲能的研究。SMES技術在較短的時間內便得到長足的發展。
近年來,用於改善用戶電能質量、起瞬間電壓跌落補償作用的Micro-SMES系統由ASC推入市場,投入實際商業運行。其用戶包括半導體晶片生產公司、數據處理中心、造紙廠、塑膠廠等。此外,ASC和GE自2000年起聯合推廣用於提高電網穩定性和可靠性的D-SMES產品,使其成為可控SMES在電力系統中套用的又一個亮點。像美
國的Wisconsin Public Service,AlliantEnergy,Entergy,TVA,PacifiCorp,BC Hydro,Rayburn Country Electric以及Northeast Utilities等電力公司紛紛成為D-SMES的用戶,在美國威斯康星、德克薩斯和康乃狄克等州也已安裝有十幾套D-SMES,使電網的穩定性和可靠性得到了較大提高。然而,同任何一項新技術一樣,SMES在電力系統中的進一步推廣套用也面臨著技術以及市場的挑戰。
在技術方面,超導線圈及其功率調節器的設計在極大程度上決定於實際套用的需求。整個SMES裝置設計的好壞直接決定著系統的成本和運行價格。
對於起提高電網穩定性和可靠性作用的、容量較大的SMES裝置,由於其與電網交換能量的頻率一般在0.3 Hz～3.0 Hz,其最佳化設計的關鍵技術之一在於如何降低超導線圈的交流損耗。交流損耗是SMES裝置快速吸收和釋放能量的一個副作用。對交流損耗的研究屬於超導體結構設計的範疇。CICC(cable-in-conduit conductor)結構的超導體不僅具有低交流損耗,而且其承受電磁力的能力也很強。
螺線管和環形管兩種結構的超導線圈的性價比是隨系統容量的變化而變化的。在系統容量不是太大而對系統的緊湊性要求較高的情況下,環形管結構以其低雜散磁場的特點而較螺線管結構更為優越。在Micro-SMES裝置迅速進入市場的形勢推動下,對環形管超導線圈的研製逐漸成為一個SMES研究領域的熱門課題。
另外,較大容量SMES裝置的效率主要取決於超導線圈低溫容器的漏熱程度;但在容量較小的SMES裝置中,超導線圈電流引線的損耗卻是影響系統效率的主要因素。所以,在功率等級一定的情況下,選擇較高的電壓及較低的電流等級以降低電流引線的損耗對較小容量SMES裝置的設計至關重要。當然,高性能電流引線的研製也是SMES研究
中一個十分重要的課題。
較高的電壓等級不僅能提高SMES磁體的效率,而且還可降低電力電子功率調節器的成本。由於電力電子變流器在SMES裝置中的控制中心地位,其技術的進步在近幾年SMES的發展中起著舉足輕重的作用。多電平拓撲結構在高壓變流器中的套用、電力半導體器件IGBT及IGCT功率等級的不斷提高以及軟開關技術的發展等都大大地提高了SMES裝置的效率、回響速度、功率質量和性價比。SMES裝置的成本有3個組成部分:超導線圈、低溫容器及製冷裝置、功率調節器。其中,超導線圈的成本主要由其儲能量決定,大約為7萬美元/MJ～10萬美元/MJ;低溫製冷裝置的成本大約為1.5萬美元/MJ～2.5萬美元/MJ;功率調節系統成本為15萬美元/kW～25萬美元/kW。以一個100 MJ/100 MW的SMES裝置為例,其功率調節器、超導線圈及低溫製冷裝置成本所占比例分別是60%,30%和10%。
顯然,技術開發對於SMES的發展是必不可少的。然而,對SMES在電力系統中的經濟效益的研究同樣十分重要,它在一定的意義上決定著SMES的市場前途。SMES的經濟效益主要取決於它在電力系統中所起的作用。既然SMES的作用主要在於提高電網的穩定性和改善用戶的電能質量,那么SMES的經濟效益則來自於因提高電網的穩定性而增加的電網輸配電能力和因改善用戶的電能質量而帶來的效益。實際上,SMES裝置的經濟效益是一個隨電力系統大環境變化而變化的因素。雖然電力市場徹底開放並非一朝一夕就能實現,但既然是大勢所趨,SMES的經濟效益必將得到不斷的提高。
