超导储能技术及产业发展简介

作者：墨柯

来源：《新材料产业》 2013年第9期

文/ 墨 柯 真锂研究

超导储能（SuperconductingMagnetic Energy Storage,SMES）的概念源于充放电时间很短的脉冲能量储存，是指利用超导线圈产生的电磁场将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。由于超导线圈的电阻为0，电能储存在线圈中几乎无损耗，其储能效率高达95%，不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率，对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。

一、超导储能技术的发展

自1911年Onnes发现低温超导现象（汞在4.2K附近电阻突然下降为0）后，人们就已经认识到超导体可以作为储能装置应用，但由于在基本理论、材料和技术上存在诸多困难，超导储能的实际应用受到很大制约。

超导储能在电力系统中的应用最早是由Ferrier在1969年提出的，最初的设想是将超导储能用于调节和平衡法国电力系统的日负荷变化。由于当时人们预计核电将大量用于电力系统，而其特点是要求其功率输出在数月乃至数年内保持恒定，因此理论上高效的超导储能技术重新受到关注。但随着研究的深入，人们逐渐认识到调节现代大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈，而这在技术和经济上存在着较大困难，因此相关应用的进展一直较为缓慢。

1. 超导储能装置的构成

超导储能系统主要由超导线圈、低温冷却系统、磁体保护系统、变流器、变压器、控制系统等部件组成，见图1。其中，超导储能系统的核心部件是超导线圈，它也是超导储能装置中的储能元件。超导线圈可分为螺管形和环形2种，一般小型及数十M W h的中型S M E S比较适合采用漏磁场小的环形线圈，因为环形线圈周围杂散磁场较小，但结构较为复杂。螺管形线圈漏磁场较大，但其结构简单，适用于大型S M E S或需要现场绕制的SMES。

低温系统用于维持超导磁体处于超导态所必须的低温环境，其冷却效果（如热稳定性）的高低将直接影响超导磁体的性能，同时，低温系统的成本和可靠性在S M E S中也具有重要地位。直接冷却也是超导磁体的一种冷却方式，此方式不需要低温液体，靠制冷机与超导磁体的固体接触实现热传导。随着低温技术的进步，采用大功率制冷机直接冷却超导磁体将成为一种可行的方案，但按目前的技术水平，还难以实现大型超导磁体的冷却。

功率调节系统控制超导磁体和电网之间的能量转换，是储能元件与系统之间进行功率交换的桥梁。目前，功率调节系统一般采用基于全控型开关器件的PWM（脉冲宽度调节）变流器，它能够在四象限快速、独立地控制有功和无功功率，具有谐波含量低、动态响应速度快等特点。根据电路拓扑结构，功率调节系统所用的变流器可分为电流源型（C u r r e n tSource

Converter，CSC）和电压源型（Voltage Source Converter，VSC）2种基本结构。C S C的直流侧可以与超导磁体（Superconducting Coil，SC）直接连接，而V S C用于S M E S时在其直流侧必须通过斩波器（Chopper）与超导磁体相连。

2. 超导储能技术的核心在于超导材料

超导线圈的性能取决于超导材料，因此超导材料技术的发展是提升超导储能技术的前提。超导材料大致可分为低温超导材料、高温超导材料和室温超导材料。具有低临界转变温度（T C＜ 30K）、在液氦温度条件下工作的超导材料被称为低温超导材料，分为金属、合金和化合物3类，如铌（Nb，T C为9.3K）、钛化铌合金（N b T i , T C＞ 9K）、氮化铌（NbN，TC=16K）、锡化铌（Nb3Sn，TC=18.1K）和镓化钒（V3Ga，TC=16.8K）等。

目前低温超导线材已基本达到了可以在中小型S M E S上使用的水平，但必须在液氮温区下才能维持超导状态，因此成本高昂，应用受到很大限制。人们迫切希望找到能降低使用成本的高温超导材料。1986年，瑞士B e d n o r z和M ü l l e r发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。接着中、美科学家发现Y- B a - C uO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K）。高温超导材料研究获得重大进展，一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。

已发现的高温超导材料按成分可分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡铜氧体系（T C =35 ～40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T C发生变化。最低为20K，最高可超过

90K）、铋锶钙铜氧体系（T C =10 ～110K）、铊钡钙铜氧体系（TC=125K）、铅锶钇铜氧体系（T C约70K）；不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（T C约30K）。目前已制备出的高温超导材料有单晶及多晶块材、金属复合材料和薄膜。

现阶段，采用包套管法（powdenintube,PIT)制备长1.0 ～2.0km的Ag（或Ag-Al loy）基B（i 铋）系多芯复合超导带的技术已比较成熟。工程电流密度（J e）达到100A / m m2 （77K、自场）、长度为100 ～1 000m的B i系多芯复合导线已实现商品化，售价为100 ～200美元/ k A·m。美国超导公司（AMS C）已建成了年生产能力为900km的Bi系高超导带材生产线，以期将售价降低到50美元/kA·m。

目前，已出现的高温超导材料通常被分为2代，第1代为铋（B i）系高温超导材料，其临界电流密度J C易受磁场的影响，在较小的磁场下，J C就急剧下降，这将对除电缆以外的应用带来严重的问题。此外，受原材料成本的限制，B i系高温超导材料价格降低到50美元/ k A·m以下十分困难。在这种情况下，第2代高温超导材料氧化钇钡铜（YB CO）或钕钡铜氧（Nd B CO）涂层导体的开发被美日等国提上日程。较之第1代，第2代高温超导带材具有一系列明显的优势：物理特性上电流密度更高，发生超导的临界温度有进一步提高的潜能；交流损耗低，较容易通过一定形式来限制故障电流；原材料省去了贵金属银，理论成本远低于第1代。目前第2代带材已经实现商业化应用，只是成本较高，并未实现理论上的成本优势。

3. 超导储能技术的优势与不足

总的来说，超导储能的优点主要有：①储能装置结构简单，没有旋转机械部件和动密封问题，因此设备寿命较长；②储能密度高，可达到108J/m3，可做成较大功率的系统；③响应速度快（1 ～100ms），调节电压和频率快速且容易；④无噪声污染；⑤不受建造场地限制；⑥规模大小和系统运作皆可控；⑦维护简单等。

超导储能技术的成熟度主要取决于超导材料技术的成熟度。现阶段技术较为成熟、已实现应用的是低温超导材料、B i系第1代高温超导材料，第2代高温超导材料的技术总体上还不是很成熟，关键技术和制造成本方面还有待于进一步突破。与此相对应，在超导储能方面，目前较为成熟的产品还是使用低温超导材料和B i系第1代高温超导材料的超导储能系统，使用第2代高温超导材料的超导储能系统的也有，但应用不多。根据美国“加速涂层导体发展计划（A C C I）”，美国超导公司计划将高温超导带材的价格降低到10 ～25美元/ k A·m，如果这个目标能够实现，届时高温超导储能技术的各种应用将完全具备实用化推广的可能。

二、超导储能技术的应用领域

通过前面的介绍可以知道，超导材料的应用不仅仅限于储能，它的用途较为广泛，大致可分为3类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

S M E S系统最重要的应用就是在电力系统中。现代电力系统在安全稳定运行方面存在明显缺陷，原因在于系统中缺乏能够大量快速存取电能的器件，其致稳保护措施主要依赖于机组的惯性储能、继电保护和其他自动控制装置，基本属于被动致稳。S M E S作为一个可灵活调控的有功功率源，可以主动参与系统的动态行为，既能调节系统阻尼力矩又能调节同步力矩，因而对解决系统滑行失步和振荡失步均有作用，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。

在改善电能质量方面，由于S M E S发出或吸收一定的功率，可用来减小负荷波动或发电机出力变化对电网的冲击，S M E S可作为敏感负载和重要设备的不间断电源，同时解决配电网中发生异常或因主网受干扰而引起的配电网向用户供电中产生异常的问题，改善供电品质。专家预言到2020年，基于智能控制芯片用电设备（如高精密的制造设备等）的用电量将占社会总用电量的30%～50%，SME S可以作为此方面的不间断电源。

S M E S适合用于解决风电、光伏发电系统的并网问题。超导储能响应速度快，可以根据电源放电状况快速收/放电能，能够最大限度地减少不稳定电力对电网的冲击。另外，S M E S还可以为电力系统提供备用容量。备用容量的存在及其大小，既是一个经济问题，又是涉及电网安全的技术问题，对于保障电网的安全度及事故后快速恢复供电具有重要作用。当前中国部分地区供电形势紧张，电网运行处于备用不足的状态，S M E S高效储能特性可用来储存应急备用电力。以目前的技术水平，S M E S还不足以作为大型电网的备用容量，但在局部区域、微网孤岛运行状态，特别是对于个别重要负荷，S M E S可以作为备用容量以提高电网的安全稳定运行水平。

一般来说，超导储能系统（S M E S）根据其规模可分为小型、中型和大型3种，不同规模的超导储能系统的适用领域、目的和作用见表1。

三、超导产业发展

1. 全球超导产业的发展

虽然超导技术的产业化应用越来越受到人们的关注，但目前为止相关企业还不是很多，美国的相关知名企业有美国超导公司（Ame r i c a nSuperconductor，纳斯达克AMSC）、美国超级动力公司（IGC-Superpower）（美国I n t e r m a g n e t i c s G e n e r a lCorporation旗下子公司）、超导技术公司（Superconductor TechnologiesInc，STI）、Pirelli等；欧洲的相关企业有丹麦北欧超导技术公司（N S T）、欧洲高温超导公司（E A S）、德国T h e v a公司（慕尼黑工业大学1996年创办）等；日本的相关企业有藤仓公司（Fujikura）、住友公司（Sumitomo）、三菱电子电力公司（C h u b u）、古川电子公司（F u r u k awa）、昭和电线电缆公司（S h owa）；其他如韩国钢线公司（KisWire）等。

不少国际巨头已介入了这个领域，如东芝（Toshiba）、日立（Hitachi）、九州电力（Kyushu Electric Power）、东京电力（Te p co）、瑞士ABB、法国电力（EDF）、西门子（Siemens）〔、耐克森（Ne x a n s，全球最大的电缆商，由阿尔卡特（Alcatel）电缆及部件总部的大部分机构改组而成，2001年6月上市〕等。

国际超导工业界的数据显示，2010年全球超导电力技术产业产值约75亿美元（其中超导储能市场规模约15亿美元），预计到2020年，该产值将达750亿美元，也就是说，超导产业有望迎来“10年10倍”的迅猛增长。

2. 中国超导储能技术发展

中国政府《能源科技“十二五”规划》中对MW级超导储能系统提出了明确的发展目标和研究内容。然而，中国目前致力于超导技术开发的研究机构和企业不多，最具代表性的研究机构要数中国科学院电工研究所（简称“中科院电工所”）以及清华大学、华中科技大学等，其他研究机构还有东北大学、中国电子科技大学、上海电缆研究所等。总的来说，目前中国超导技术的开发工作主要还是集中在科研机构，有企业参与的并不多。下面简单介绍一下中科院电工所开发的超导储能系统技术。

2002年，中科院电工所成功研制了中国第1台具有自主知识产权的新型高温超导限流器（400V /25A）；2005年8月，10.5k V /1.5k A高温超导限流器样机投入湖南电力公司的高溪变电站试验运行，累计运行超过6 500h，没有出现任何故障，杜绝了80%以上的电流短路现象。2003年，中科院电工所成功研制了中国第1台高温超导变压器（400V/16V/26kVA），高温超导变压器的输出电流为当时世界最高。在此基础上，2005年11月，自主开发10.5k V /400V /630k VA的高温超导变压器样机在新疆特变电工的配电网投入试验运行，样机通过了国家变压器行业标准测试。

在超导储能系统技术开发方面，1999年，中科院电工所成功研制了中国第1台微型超导储能样机。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；2009年-2010年，进入工业化阶段，开始推广应用。

得到中科院的重点支持后，在陆续成功开发出变压器等相关技术的基础上，中科院电工所于2005年完成了100kJ/25kVA超导限流-储能系统的研制和实验；同时开启了1.0MJ/0.5M W大功率高温超导储能系统的研制工作，2006年研制成功；2007年开始了在北京市门头沟区的并网试运行，目的是改善电能质量。图2展示了中科院电工所SMES系统控制及功率线路布局。不过到目前为止，并未进一步传出中科院电工所1.0M J /0.5MW超导储能系统实现工业化生产和应用的消息。

中科院电工所的1.0MJ/0.5MW超导储能系统采用级联结构，详见图3。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。

中科院电工所的M J / MW级超导储能系统的工艺路线包括以下4个方面的内容：①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；②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；③在线监控系统，这是超导储能系统运行参数实现快速检测和实时控制的环节；④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。

中科院电工所计划将其开发的MJ/MW级超导储能系统主要用在输/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。中科院电工所认为，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%～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。目前，在1.0M J /0.5MW超导储能系统成功实现并网试运行之后，中科院电工所又在积极开发更大的2.5MJ/1MW超导储能系统技术。

四、结语

在上面提到的改善电能质量的电网级储能应用领域，超导储能将与锂离子电池形成直接竞争关系。任何一项储能技术在市场上有无优势，首先就得看它们的性价比，而性价比的直接表现就是成本。现在来大致比较一下2种材料的成本。

根据中科院电工所给出的预计，2011年前后全球MJ-MW级小规模的超导储能系统的平均售价约为50万～60万美元（依据不同电压等级，价格有所不同），不妨假定其1.0MJ/0.5MW超导储能系统的售价为50万美元/套。国家电网（SGCC）的张北风光储输示范项目（2011年）中，功率型的锂离子电池储能单子有2个，分别是中航锂电（洛阳）有限公司（CALB）的3MW×3h和万向集团公司的1MW×2h，中标价格分别为6 091万元和1 443.6万元。

通过对比可以发现，二者单位售价是差不多的，都要明显高出其他储能设备一大截，这也是为什么到现在为止二者还未在电网级储能领域打开市场的主要原因（当然，技术方面还不是很成熟也是原因之一）。从性能而言，超导储能系统在响应速度等方面要明显优于锂离子电池。因此，真锂研究认为，如果仅考虑单一用途，在二者之间，锂离子电池的应用前景不会很乐观。当然，如果电动汽车领域的换电模式能够成功实施，国家电网和南方电网将汽车动力电池用于电网的“削峰填谷”，那么锂离子电池的综合应用价值将远高于超导储能。

10.3969/j.issn.1008-892X.2013.09.012