一、什么是超導儲能系統?

超導儲能系統(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其它負載的一種電力設施，一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統部件組成。

超導儲能系統可用于調節電力系統峰谷(例如在電網運行處于其低谷時把多余的電能儲存起來，而在電網運行處于高峰時，將儲存的電能送回電網)，也可用于降低甚至消除電網的低頻功率振蕩從而改善電網的電壓和頻率特性，同時還可用于無功和功率因素的調節以改善電力系統的穩定性。超導儲能系統具有一系列其它儲能技術無法比擬的優越性：

(1)超導儲能系統可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率超過90%;

(2)超導儲能系統可通過采用電力電子器件的變流技術實現與電網的連接，響應速度快(毫秒級);

(3)由于其儲能量與功率調制系統的容量可獨立地在大范圍內選取，因此可將超導儲能系統建成所需的大功率和大能量系統;

(4)超導儲能系統除了真空和制冷系統外沒有轉動部分，使用壽命長;

(5)超導儲能系統在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。

目前，超導儲能系統的研究開發已經成為國際上在超導電力技術研究開發方面的一個競相研究的熱點，一些主要發達國家(例如美國、日本、德國等)在超導儲能系統的研究開發方面投入了大量的人力和物力，推動著超導儲能系統的實用化進程和產業化步伐。

二、開發超導儲能系統的必要性

由于電力系統的“電能存取”這一環節非常薄弱，使得電力系統在運行和管理過程中的靈活性和有效性受到極大限制;同時，電能在“發、輸、供、用”運行過程中必須在時空兩方面都達到“瞬態平衡”，如果出現局部失衡就會引起電能質量問題(閃變)，瞬態激烈失衡還會帶來災難性電力事故，并引起電力系統的解列和大面積停電事故。要保障電網安全、經濟和可靠運行，就必須在電力系統的關鍵環節點上建立強有力的電能存取單元(儲能系統)對系統給與支撐。基于以上因素，電能存取技術越來越受到各國能源部門和電力部門的重視。

超導儲能系統由于其存儲的是電磁能，這就保證超導儲能系統能夠非常迅速以大功率形式與電網進行能量交換。另外，超導儲能系統的功率規模和儲能規模可以做的很大，并具有系統效率高、技術較簡單、沒有旋轉機械部分、沒有動密封問題等優點。對于其它儲能技術，無論其如何發展，都不可能消除能量形式轉換這一過程，所以無論是現在或將來，超導儲能技術將始終在功率密度和響應速度這兩方面保持絕對優勢。所以，作為電能存取的技術，超導儲能技術的應用價值極高，在進行輸/配電系統的瞬態質量管理、提高瞬態電能質量及電網暫態穩定性和緊急電力事故應變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場機制提供技術基礎，具有廣闊的應用前景。

由于電力技術的發展，長時間的電力中斷事故發生幾率很小，而瞬態電力故障，如閃變、電壓驟升/驟降以及瞬態斷電日漸突出。而瞬態電力故障對于依賴智能設備的許多商業用戶和制造企業危害極大。從技術角度講，治理瞬態電能質量問題的有效手段是利用快速響應的有功功率補償技術。由于超導儲能系統具有功率快速補償這一獨特優勢，彌補了常規電力系統中缺乏電能存取的弱點，它對瞬態電能質量所有故障問題都能起到很好的改善作用。

三、超導儲能系統的應用前景

超導儲能系統在進行輸/配電系統的瞬態質量管理、提高瞬態電能質量及電網暫態穩定性和緊急電力事故應變等方面具有不可替代的作用，并將為打造新的電力市場機制提供技術基礎，具有廣闊的應用前景。其應用場合主要包括：

(1)可用來消除電力系統中的低頻振蕩，用于穩定系統的頻率和電壓;

(2)可用于無功功率控制和功率因數的調節，以提高輸電系統的穩定性和功率傳輸能力;

(3)由于它可迅速向電網加入或吸收有功功率，具有超導儲能裝置的系統可看成是靈活交流輸電系統;

(4)如果不僅將它看成是一個儲能裝置，而且將它看成是系統運行和控制時的有功功率源，它將顯得更有用和有效，因此可以用作超導能量管理系統;

(5)在AGC系統中具有自動發電控制作用，而且局部控制錯誤可減到最小;

(6)可用于配電系統或大的負載邊以減少波動和平衡尖峰負載、控制初次功率和提高瞬態穩定性，并可得到很好的效益;

(7)可用于海島供電系統，因為海島與大陸聯網的造價高，一般采用燃氣輪機獨立發電并成網，超導儲能裝置可用來進行負載調節等;

(8)可用來補償大型電動機起動、焊機、電弧爐、大錘、扎機等波動負載從而減少電網燈光閃爍現象;

(9)還可用作太陽能和風力田的儲能。風力發電將產生脈動的功率輸出并將為配電網帶來很多問題，而超導儲能裝置可使風力發電系統的輸出平滑而滿足配電電網的要求，并為系統提供備用功率和控制頻率;

(10)可作為其它分布式電源系統的儲能裝置;

(11)可用作為重要負載提供高質量電力的不間斷電源，并在負荷側發生短路時限制短路電流。

總之，現代工業的發展對供電的可靠性、電能質量提出了越來越高的要求。例如現代企業中變頻調速驅動器、機器人、自動生產線、精密加工工具、可編程控制器、計算機信息系統等設備，對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質量的惡化可能會造成產品質量的下降，產生重大損失。隨著我國新技術、新設備的不斷引進和廣泛應用，以及我國電力市場商業化運營的實施和分布式發電技術的發展，對電能質量的控制提出了日益嚴格的要求，對電能質量敏感的電力用戶或需要特殊供電的場合也會越來越多。隨著我國電網的不斷擴大，也迫切需要解決大電網的穩定性問題，超導儲能系統在這方面也將具有重要的應用價值。

四、1MJ高溫超導儲能系統簡介

中國科學院電工研究所目前已經完成了1.0MJ超導儲能系統的全部研制工作，完成了在北京市門頭溝供電公司石龍開閉所所開展的并網運行前的最后測試工作，測試結果表明，超導儲能系統已經具備了并入10.5kV配電網進行載荷試驗運行的條件。

在超導儲能系統的研制過程中，在快速充放電高溫超導磁體技術、低溫制冷技術、具有新型拓撲結構的電力電子技術、在線監控技術以及系統集成技術等方面做了大量的研究工作，解決了一系列關鍵科學技術問題以及超導儲能系統與電網匹配協調運行等關鍵科學技術問題，取得了多項自主知識產權，其技術成果的應用將為提高我國電能質量并改善大電網的動態穩定性發揮重要作用。

五、在濰坊國家高新技術產業開發區并網運行的意義

2008年7月1日，由中國科學院電工研究所與山東樂航節能科技股份有限公司共同組建的“中科樂航節能技術聯合研究開發中心”(以下簡稱聯合研究開發中心)在山東省濰坊國家高新技術產業開發區正式簽約和掛牌，并且啟動了雙方合作的切入點項目DD感應加熱技術的研究開發。聯合研究開發中心立足濰坊，服務全國，通過共同開發、成果轉化和產業化的方式，形成全國一流的規模化節能技術的研究開發中心和成果轉化基地，推動行業科技進步，為國家節能技術的發展以及節能減排目標的實現提供技術支撐。

聯合研究開發中心的運行和發展依托于山東省濰坊國家高新技術產業開發區。作為國家級高新技術產業開發區，山東省濰坊國家高新技術產業開發區在全國布局中具有獨特的優勢和地位，開發區致力于投資環境的全面優化，致力于自主創新能力的提高，致力于和諧社會的構建，實現了經濟社會的健康快速發展;成為了新技術、新產品和新型企業不斷孵化、成長和騰飛的基地。開發區擁有一批在國際國內均處于業界領先水平的優秀企業，其中不乏一些生產高、精、尖產品的高新技術企業。這些企業所生產產品質量首先取決了企業優秀的管理和技術創新能力，但與所提供的電能質量的高低也有很大的關聯性，高質量的電能供給將為生產高質量和暢銷的高新技術產品提供可靠的保障。而超導儲能系統及其全套技術解決方案無疑是為這些企業提供可靠和高質量電能的最佳選擇。

為此，基于已經完成研制的超導儲能系統，為推動中科樂航節能技術聯合研究開發中心朝著創建全國一流研究開發中心的發展目標前進，結合山東省濰坊國家高新技術產業開發區所具有的獨特優勢和地位，將1MJ超導儲能系統的并網運行地點由北京市門頭溝改為山東省濰坊市濰坊國家高新技術產業開發區，將帶來巨大的經濟和社會效益：

(一)超導儲能系統將直接服務于開發區的高新技術企業，將提高企業的電力瞬態質量管理、提高瞬態電能質量及電網暫態穩定性和緊急電力事故應變等能力，將大幅穩定系統的頻率和電壓，在無功功率控制和功率因數調節上提高輸電系統的穩定性和功率傳輸能力，從根本上改善對供電質量敏感的企業或部門的電能質量，同時可以作為短時備用電源使用，為企業生產保駕護航。通過運行，在對超導儲能系統進行長期考驗、數據和技術經驗積累的基礎上，實現超導儲能系統向實用化和產業化的過渡。

(二)投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術產業開發區的1MJ高溫超導儲能系統將是世界首套投入到實際電網運行的高溫超導儲能系統，是全世界超導界的一件大事，具有十分重大的顯示度，將提升山東省濰坊市濰坊國家高新技術產業開發區和地方的形象和地位，推動開發區和地方的創新發展。

(三)由于1MJ超導儲能系統的研究開發工作已經基本完成，將為開發區節省大約2000萬元的研究開發費用，使開發區以及相關企業直接共享了由研究開發所形成的技術成果及其效益。

六、超導儲能系統如何實現在開發區的并網運行

已經研制成功的1MJ高溫超導儲能系統作為一個試驗產品，在設計和技術實施中留出了很大的裕度。對于投入到山東省濰坊市濰坊國家高新技術產業開發區并網運行的超導儲能系統，將在已經研制成功的1MJ超導儲能系統的基礎上進行局部調整和優化，在全部保留超導儲能系統的核心部件DD超導磁體系統的基礎上，對電力電子系統進行結構更加優化、運行更加可靠、體積更加緊湊、控制更加靈活、操作更加簡便的技術改造，使之成為一套商業化前期產品，更快地推動超導儲能系統向實用化和產業化方向發展。