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
(2)
其中，为转动部件的转动惯量;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。
图4 飞轮储能原理示意图
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[5]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
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。
① SMES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，σh/ρ为飞轮的形状系数。
根据式(3)可知，选用高比强度()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。
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