1、超导储能系统产品1） 、超导储能系统技术情况简介2003 年，中国科学院决定对超导储能技术予以重点支持，启动中国科学院创新方向性项目“超导储能系统的研究” （KGCX2-SW-307） ，该项目计划在 2007 年初完成实用化样机的研制，并已经在国家电网北京门头沟开关站中完成运行试验，预计随着产业化推进努力，到 2009-2010 年，可望进入工业化阶段，开始推广应用。超导储能装置包括：超导储能线圈、进行能量转换的 DC/DC 功率电路、进行DC/AC 转换的换流电路三大部分。超导线圈进行有功能量存储，而 DC/DC 功率电路一方面将有功能量转化为直流电压，另一方面将超导线圈与电网隔离，增加安
2、全性能。DC/AC 换流电路是超导储能系统进行电能质量调节功能的功率环节，电压及功率补偿通过换流电路实现。对于大功率超导储能系统来说，其电力电子部分一方面应该采用高压大电流开关器件，另一方面采用模块化结构来构建可升级的大功率拓扑。在考虑了几种换流拓扑后，采用级联型电路作为换流装置。目前在工业生产中，级联型拓扑具有高压大功率、工作特性较好等优点，已经在变频器等逆变装置领域作为清洁电源使用，根据目前文献来看，超导储能装置采用级联结构在国内尚属首次。500KVA 超导储能系统采用级联结构，输出端构成高压多电平电路。除超导磁体及相关的保护和切换电路，其余功率转换部分皆为模块化构造，这样除了能提高电压等
3、级和改善补偿效果外还方便了维护和更新。系统的控制及功率系统线路布局如图 1 所示，实物图如图 2图 9 所示。电 网系 统敏 感 负 载故 障 控 制 SME 主 电 路驱 动 信 号底 层 控 制A/D信 号调 理 超 导磁 体系 统换 流器 组uA,BCua,bcia,bc uca,b,c控 制 电 路图 5 SMES 系统控制及功率线路布局图 6 超导储能系统用高温超导磁体，是当前世界上最大的高温超导磁体之一图 7 用于维持超导磁体低温环境的低漏热低温杜瓦，将与外部的 热交 换降至最低图 8 超导储能系统用低温制冷系统，可以实现系统运行时的零液氦挥发图 9 电力电子系统采用新型拓朴结构以
4、及多重化级联模块设计，确保系 统高效、安全、可靠，易于 维护和实现规 模化生产图 10 超导储能系统在线监控装置，可以实现系统运行的完全 计算机检测、控制、故障诊断和报警、波形录制等功能图 11 超导储能系统运行现场内部图 12 超导储能系统运行现场外部 图 13 超导储能系统采用级联式模块化结构，是电力电 子技术的一大突破和推 进超导储能系统（SMES）的工艺路线包括以下四个方面的内容：快速充放电超导磁体系统，这是超导储能系统研究开发的最核心的关键技术，是能量存贮的环节。大功率变换装置，这是超导储能系统与电网联结、切换以及控制能量补偿的环节；在线监控系统，这是超导储能系统运行参数实现快速检测
5、和实时控制的环节；超导储能系统的集成和调试，这是实现超导储能系统各主要部件的集成，进而实现超导储能系统并网运行的环节其中，快速充放电超导磁体系统的工艺流程见下图图 14：快速充放电超导磁体系统的工艺流程图2) 超导储能技术应用分析高温超导带材检测高温超导带材绝缘绕包与检测高温超导磁体线圈绕制高温超导线圈的环氧浸渍高温超导线圈的性能测试高温超导磁体集成高温超导线圈的接头焊接高温超导磁体的测试我国目前有 5 个跨省级电网和 4 个省内独立电网，在 2010 年前，我国将实现初步全国性联网，预计在 2020 年前将最终实现“西电东送” 、 “南北互供”的全国性强联网。我国电网的覆盖面积大，结构薄弱，
6、各种一次能源的分布与负荷的密度极不均匀，而电源远离负荷中心，装机容量与输电跨度比过小，对电网互联的安全和稳定运行带来不利影响；随着太阳能、风能等新兴发电技术和电源企业的兴起，电网互联的安全稳定运行将受到更大的挑战。专家预言到 2020 年，基于智能控制芯片的用电设备其用电量将占社会总用电量的 30%到 50%，因此供电质量必须达到“信息电力质量”才能满足社会发展需求。改革开放以来，我国经济一直处于高速发展状态。尤其近些年来，不同领域、不同属性、不同行业的高科技园区如雨后春笋般出现在全国各大中城市及其卫星城。那些扎根于各个高科技园和经济开发区内的公司及厂商，特别是对供电质量要求最高的信息技术产业
7、以及相关的制造业，不时因我国供电系统普遍存在的供电质量问题和电力系统故障而造成意外的损失。同时，现代经济的发展和全球经济一体化进展，各种各样的重要国际活动，如各种交流会、博览会以及大型运动会都要求供电的绝对可靠。MJ/MW 级超导储能系统在输/配电系统的动态管理、电能质量管理及提高电网暂态稳定性和紧急电力事故应变等方面具有极大的应用价值。特别是在改善电能质量方面，超导储能系统能够对配电系统进行有功功率的快速调节，这是以往任何的常规设备不能胜任的。采用超导储能技术将有效改善供电质量，从而减少和避免因电能质量问题给电力用户带来巨大的经济损失和社会负面效应。其次，随着分布式发电和大型电网平行发展的格
8、局的形成，也将日益迫切需要快速功率补偿系统，以用于进行能量管理和应对瞬态电能质量事故。超导储能系统将在这方面发挥重要的作用。此外，利用超导储能系统的断流和限流的功能，还可以可解决超导限流器能解决的问题，而且与系统内的其它元件可以实现最优化的运行和控制。这样，既简化了电网的结构，又降低了超导装置的总体造价，还实现了系统的升级。这些功能和特点就使得它具有广阔的应用前景，它可以广泛地应用于发电厂、变电站和重要用户。超导储能系统应用可以广泛用于电能质量的改善、能量管理、提高大电网的稳定性，从而带来巨大的经济效益和社会效益。因此，超导储能系统在我国将有极好的市场前景。MJ/MW 级超导储能系统的应用定位
9、是提高供电质量，保护大功率用电设备如生产线和核心负载免受电能质量故障的干扰。当前我国用电设备总容量为 526450MW，对供电质量要求最高的是信息技术产业以及相关的制造业，用电设备总容量是 5433MW（2002 年信息技术产业以及相关的制造业的产值为 17800 亿人民币） 。这些高技术企业分布相对集中，许多企业厂家都设在经济开发区和高技术园区内，生产设备智能化程度高、功率容量大，并且对电能质量要求高（许多生产线要求供电可靠率高达 99.999%、供电故障持续小于 24 周波） 。由于上述负荷相对集中，引入 MJ/MW 级超导储能系统通过提高配电系统的供电质量来保障电力用户生产和运行具有重大
10、的应用价值。以上海为例(2000 年调研数据)，上海浦东开区张江高技术园区聚集着电子器件和设备生产厂 93 个，生物制药厂 4 个，光电一体化技术工厂 28 个，这些厂家拥有自动化生产线上百条，年产值 547 亿元，由于生产线对动态电压质量相当敏感，即使是数毫秒的供电故障都将会给这些厂家带来近亿元的损失。据上海供电部门计算，如采用有功快速补偿技术治理瞬时（暂态）电能质量故障，将为该园区带来良好的经济效益。如表 7 所示。表 7 浦东张江高技术工业园区瞬态事故损失与收益估算园区年产值（元）高技术制造企业数一次性 2 秒电能质量微电子生产线损失估算（元）全年不可预测瞬时停电损失估算（元）若购置 3
11、台 SMES设备经费（元）当年园区回报（元）SMES 生产厂家利润（元）547 亿 125 350 万 0. 5 亿 1500 万 0.35 亿 300 万在 2009 年 1 月 15 日，我们与上海电力公司沪东公司的有关领导及相关部门负责人进行了沟通，进一步证实了这些企业对电能质量改善的迫切性，其中断电以及电压瞬变的电力故障尤为突出，给企业的生产经营带来了很多困难。调研数据如下：2009 年 1 月，在上海市沪东电力公司的大力支持和协助下，我们通过调查问卷完成了对 9 类行业共计 64 家企业用电质量的调查，具体结果如下：行业分布电力事故表现（企业报告事故发生的项目和次数）电力事故性质从发
12、生事故的频次来看，有些企业记录的次数每年为 3 次以上，平均为 78次，甚至有的企业达到 17 次23 次。这些事故的发生，给企业造成了很大的损失：造成设备停机、跳机、设备故障或完全损坏、产次品或产品报废等，直接损失极大，给企业的正常生产带来了非常大的麻烦。目前企业采用的保证电力质量的技术设备使用情况目前企业采用的保证电力质量的设备投入情况根据企业填报的调查表，有 13 家企业提供了现有设备投入情况。由于各个企业的规模差异较大，而且生产设备的要求也不同，所以资金投入方面差别较大。其中投入资金约 80200 万元的企业为 5 家，投入 1000 万元5000 万元的企业为 8 家。同时，大部分企
13、业认为，目前的设备投入较大，安装负责，维护较高，特别是有些设备本身的质量问题，也给企业造成了新的损失，改善电力质量的效果有待提高。相关企业下一步拟采用的电力保护设备的情况从企业反馈的情况来看，由于企业对于超导储能技术一无所知，所以部分企业只能采用目前的这些传统技术的产品，其中有两家企业拟采用 Dysc（美国索奇）系统。我们相信，在 2 月底的大客户座谈会后，通过我们对超导储能产品的介绍，一定会有很多的企业考虑采 SEMS 产品。在上一届全国人代会上，已经有代表们提出了用电单位有权对供电单位的不合格电能提出索赔要求，从而把保证供电质量的问题提升到法律高度。据国电公司统计，2000 年我国城市地区
14、实现供电可靠率低于 99.89%，城市客户端电压合格率低于 95%。而供电情况相对好的北京在 2000 年供电可靠率仅为 99.974%，这个指标虽然在国内领先，但与国际现代大都市相比还有很大差距（巴黎供电可靠率是 99.997%，香港是99.999） 。因此，电力公司对于该产品能解决上述电能质量问题也表示了相当的积极性，并安排在 2009 年 2 月的大客户座谈会上进行了超导储能产品的正式推荐。由于超导储能系统（SMES）存储的是电磁能，在应用时无需能源形式的转换，因此系统的响应速度极快，这是其他储能形式所无法比拟的，同时，它的功率密度极高，这就保证超导储能系统能够非常迅速以大功率形式与电力
15、系统的能量交换。对于其它几种储能技术而言，无论如何发展，都不可能消除能量形式转换这一过程，所以不论是现在或将来，超导储能技术将始终在功率密度和响应速度这两方面保持绝对优势。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可以做的很大，并具有系统效率高、技术较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点。所以，作为电能存取的前沿技术，无疑超导储能技术潜在的应用价值极高。根据目前的技术状况，MJ-MW 级小规模的超导储能系统造价约 40-60 万美元（不同电压等级） 。售价可以达到 60-90 万美元以上，每台利润达到 20-30 万美元。据估计，到 2010 年，平均每台小型超导储能系统的造价约在 35 万美元，平均每台售价约为 5060 万美元。届时我国超导储能系统的市场约为 3 亿美元，而全球市场将至少达到我国市场的 5 倍（15 亿美元）以上。由于在超导技术上的垄断优势，在国内市场至少五年内将形成完全垄断的市场格局，甚至在全球范围内具有此实力的竞争企业也是相当有限的。届时公司通过与中国科学院电工研究所的成功合作，将在未来一个时期垄断国内超导储能系统产品市场。
