150 kJ/100 kW直接冷却高温超导磁储能系统

徐 颖，任 丽，唐跃进，李敬东，石 晶，刘 洋，廖于翔，邓嘉翕，王少荣， 施萧寒，左文平，王 壮

（强电磁工程与新技术国家重点实验室，华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

随着风能、太阳能等可再生清洁能源的快速发展，储能技术越来越多地引起大家的关注。超导磁储能技术利用超导体将电能储存起来，在需要时将 能量返回给电网或其它负载[1-2]。与其它储能装置相比，超导磁储能系统具有储能密度高、响应速度快、工作寿命长、环境友好等特点，在分布式电源接入、保护工业供电可靠性等应用领域有着很好的发展前景[3-5]。2011～2014年，在湖北省电力公司的支持下，华中科技大学成功研制了150 kJ/100 kW高温超导SMES试验样机，该样机磁体采用了两种超导带材（Bi2223和YBCO带材）绕制，这是我国第二台直接冷却高温超导SMES样机，本文将介绍这台SMES样机的总体结构和基本试验运行情况。

1 SMES的系统组成

150 kJ/100 kW直接冷却高温超导磁储能系统主要由超导磁体、低温系统、功率调节系统和监控系统四部分组成，为了满足电力系统不同节点对储能的需求，设计了满足储能系统可移动性要求的车载系统，采用了两个标准集装箱，一个集装箱放置超导磁体系统和低温系统，另一个集装箱放置功率调节系统和监控系统，图1为150 kJ/100 kW直接冷却高温超导磁储能系统的外观图。

图1 150 k J/100 k W直接冷却高温超导磁储能系统外观Fig.1 150 k J/100 k W conduction-cooled high Tc SMES

1.1 超导磁体

150 kJ/100 kW储能磁体由高温超导线材Bi2223/Ag和YBCO绕制，采用单螺管结构。磁体由12个BSCCO双饼线圈和6个YBCO双饼线圈组成单螺管结构[6]。通过实验测试发现，目前商业化的铋系超导带材临界电流高，77 K下可以达到180～200 A，缺点是临界电流随磁场增大衰减快，钇系超导带材临界电流相比铋系超导带材低，但对磁场的敏感度低，适合在高磁场下使用，通过对单螺管磁体磁场分布的计算，磁场中部磁场最大，两端磁场小，为了充分发挥两种带材的优势，将12个铋系双饼线圈分为2组，分别放置在磁体两端，6个钇系双饼线圈放置在磁体中间。铋系双饼与钇系双饼相对位置如图2所示。

图2 铋系双饼与钇系双饼相对位置图Fig.2 The relative position of the Bi-double pancakes and Y-double pancakes

磁体的电流引线是由高温超导棒材-铜导线组成的二元电流引线。BSCCO带材型号为日本住友公司的Type HT-CA，YBCO带材型号为美国超导公司的Amperium Copper 4.8，线材的具体参数见表1。双饼匝数为400匝，磁体高度为210.9 mm，外半径为198 mm，自感9.7 H，工作温度20 K，单根带材长度400 m，磁体共用带材18根，绕组内导线总长7200 m，表2为磁体详细参数。

1.2 低温系统

150 kJ/100 kW SMES低温系统采用传导冷却技术，利用两台制冷机和导冷结构将磁体温度降低至设计值，相比于其它制冷方式，传导冷却技术操作简单、维护方便、成本低、对操作人员要求不高，适合于大范围的推广应用[7-8]。

表1 两种高温超导带材技术指标Table 1 Specifications of the two HTS tapes

表2 磁体参数Table 2 Specifications of the magnet

超导磁体的两端设厚度20 mm不锈钢连接法兰，用14根φ12 mm不锈钢螺杆紧固磁体。双饼磁体之间加入厚1 mm的高传导导冷板，磁体两端部设导冷端板。导冷端板和各个导冷板外侧通过14根φ12 mm无氧铜高传导导冷杆和导冷铜柱连接成整体。两导冷端板的内侧由8根φ12 mm无氧铜高传导导冷杆相互连接。对导冷板、导冷端板进行切割设计降低涡流损耗。通过导冷端板上的23根导冷杆和GM制冷机实现软连接。图3为磁体组装前的实物图。

图3 高温超导磁体组装前的实物图Fig.3 The physical picture of the HTS magnet

两台制冷机分别为Cryomech公司生产的单级制冷机和住友公司生产的二级制冷机。单级制冷机用来冷却磁体，冷头通过铜编织带与磁体相连。二级制冷机的两级冷头用相同的方式与电流引线和辐射屏相连，用来冷却电流引线和辐射屏。磁体采用吊装结构，利用4根不锈钢杆将磁体吊装在杜瓦上盖板，磁体吊装的立体图如图4所示。

图4 磁体吊装立体图Fig.4 The stereo diagram of the magnet

1.3 功率调节系统

功率调节系统担负着将超导磁体的能量与电网进行交换的任务，使超导磁体能量与电网进行双向的功率交换，利用高速动作的电力电子开关组成的变流器能够完成这项任务，本项目选择电压源型功率调节系统作为超导磁储能系统的接口，含2个并联的VSC变流器模块，如图5所示，2个VSC模块均采用三相三线六开关拓扑，磁体侧采用DC/DC斩波器结构，二者通过共同的直流母线进行连接。采用这种多模块变流器通过恰当的控制可以实现各个模块均流运行[9-11]，从而降低了每个模块的电气参数，如电压或电流，因而开关器件的电应力减小、故障率减小、寿命提高，从元器件级提高系统的可靠性；模块的标准化、规范化，可避免重复设计，易于实现变流器的扩容和维护；变流器系统模块化可提高系统的灵活性，减小变流器系统的体积、重量以及成本。但模块化的变流器系统如果要达到期望的效果，必须要解决模块间的均流控制和不同模块即插即用的控制问题，否则多模块不但不能达到预定效果，还可能劣化系统性能，甚至损坏设备。本工作中变流器两个并联模块采用分散逻辑控制，即两个模块都需要和系统层控制器进行通信，使系统层控制器实时获知当前并联运行的模块数目，并根据模块数目将总功率指令在模块之间均分并发送给各个模块，控制不同的模块通过功率闭环跟踪对应的功率指令。

图5 变流器拓扑结构图Fig.5 The topology structure of the converter

图6为VSC电流内环控制结构图，从图中可以看出，变流器的有功和无功电流采用相同的控制结构，控制参数通常相同。控制器首先将电流指令值与实际反馈值做差，作为PI控制器输入，随后利用该PI控制器输出、电网侧电压d-q变换结构及解耦项生成VSC交流侧电压指令，用作参考信号来生成PWM触发脉冲，电流环参数计算公式见式(1)

式中，Kip、Kii分别为电流环PI控制器比例系数和积分系数，KPWM为三相桥等效放大倍数，ξi为所选择电流环阻尼比。

图6 VSC电流内环控制结构图Fig.6 The control structure of the current inner loop

变流器各个VSC模块的控制采用基于同步旋转d-q坐标系闭环控制方法以及空间矢量调制算法，根据对应的功率指令实现对有功无功的独立解耦控制。斩波的控制则以维持直流母线恒定为控制 目标，对直流母线电压进行PI闭环控制，实现能量在超导磁体与电网之间的双向流动。交流系统电压10.5 kV；三绕组变压器参数：SN=125kV·A ，X1-2=0.03，X1-3=0.03，X2-3=0.04，电压变比为10.5 kV/300 V/300 V，Δ/Yn/Yn接法；两个串联滤波电感为1.5 mH，0.01 Ω（电阻包含了滤波电感，变流器损耗等综合效应）；变流器主电路详细参数见表3。

表3 SMES用变流器参数Table 3 Specifications of the converter

1.4 监控系统

150 kJ/100 kW SMES监控系统设计要求如下：①能够实时监控超导磁体和变流器状态，并能够根据磁体失超保护装置反馈信息进行相应控制和警报；②实时测量150 kJ/100 kW高温超导磁储能系统并入系统的运行状态，并能够根据给定的控制规律完成系统级控制器功能；③具有完善的通信接口和人机界面，通信接口包括隔离的RS485、RS422、光纤接口和网络接口，人机界面能够显示系统运行电压、电流、功率、故障等信息，具备紧急停机接口；④能够长时间稳定可靠运行；⑤监控系统满足较长时间车载运输要求。监控系统检测的状态变量包括电力系统状态和变流器状态两部分。其中，电力系统状态包括母线电压、线路电流、SMES支路注入电流及据此计算生成的发电机有功功率、发电机无功功率、SMES并网有功功率和并网无功功率。变流器状态包括两个VSC模块交流电压、交流电流及据此计算的各模块注入电力系统的有功功率、无功功率、直流母线电压、直流电流。电力系统状态可通过录波终端记录，而变流器状态仅用于本地实时显示。整个SMES监控系统实时控制周期为10 ms，录波及FFT计算采样点为每周波64点，具有很好的实时性和准确性。

2 SMES系统试验

为了检验150 kJ/100 kW SMES样机的各项性能，我们对样机进行了3种实验，分别为磁体降温实验、通流实验、功率交换实验和动模实验。在实验过程中，通过数据采集系统监测磁体每个双饼及双饼与双饼间的接头电阻的电压，通过2个低温霍尔探头测量磁体中部及端部的磁场，通过10个温度探头记录磁体在运行过程中的温度特性。

2.1 磁体冷却

图7为磁体降温过程中温度变化，选取了磁体上部、中部和下部3个温度探头的数据。从图7中可以看出，磁体经过大约35 h后进入热平衡状态，稳定后的磁体上部、中部和下部温度分别为16.5 K、17.7 K和17.4 K。由于磁体上部靠近制冷机冷头，所以温度最低，我们在磁体上下端部加装有较厚的导冷铜板，所以磁体下部温度要比磁体中部低，磁体中部导冷效果差，温度最高，整个磁体局部最大温差约为1 K。

图7 降温过程中磁体的温度变化Fig.7 The temperature variation of magnet during cooling process

2.2 磁体通流实验

利用直流电源（EA电源）给磁体通直流电流来检测磁体的通流能力。磁体电流从0 A经过一段时间上升到180 A。在此过程中数据采集系统记录下各电流下磁体中心磁场的数值。实验测得的磁体的I-Bo曲线如图8所示，其中I为磁体电流，Bo为磁体中心磁场，当磁体电流为180 A时，磁 体中心最大磁场为4.7 T，磁体的最大储能量达到157 kJ。通流过程中磁体的电压和电流曲线如图9所示。

图8 储能磁体的I-B o曲线Fig.8 Current-magnetic field curves for the SMES coil

图9 磁体通流时电流和电压曲线Fig.9 Current and voltage curves for the SMES coil

为了研究该磁体的临界电流特性，利用直流电源手动控制升流速度，在磁体电流为10 A、30 A、50 A、100 A等电流值停留，待感生电压消失后观察磁体的电阻性电压，磁体在20 K温区工作时，最大安全运行电流的平均电压判据为0.1 μV/cm[12]，磁体所用超导带材为7200 m，根据0.1 μV/cm的判据，磁体安全运行电流所对应的磁体阻性电压阈值应为72 mV，图10给出了测得的磁体V-I曲线，从图中可以看出，磁体电流在100 A以下时，磁体电压变化较为缓慢，在超过100 A后，磁体电压随电流上升速度加快，在180 A左右磁体电流超过72 mV，这说明该150 kJ高温超导磁体的最大安全运行电流值为180 A。

图10 150 k J/100 k W SMES磁体的V-I曲线Fig.10 V-I characteristics of the 150 k J/100 k W SMES magnet

除了利用直流恒流源测试磁体的通流能力，还将磁体连接到变流器上进行开环功率调节实验。首先设置变流器充磁的升流速率为1 A/s，达到电流设定值后，进入稳流阶段，然后手动操作发出功率交换指令，功率交换指令值和功率交换切换周期、交换次数均可预先进行设置。图11为有功功率交换过程中SMES与电网交换功率波形，图12给出了SMES在与电网功率交换时的电压电流波形，根据设定要求，磁体电流在170 s内从零上升到变流器给定的标准值170 A后转入“充磁完成”热备用状态。然后进行+100 kW和-80 kW的功率交换（SMES吸收功率为正，发出功率为负），每个功率指令维持10 ms，经过3个功率交换周期后进入续流阶段。由交换功率波形可以看到SMES最大吸收功率略大于最大100 kW，而发出的最小功率略小于80 kW，这是因为功率测量点在接入变压器一侧，上述功率波形包含了接入变压器负载损耗。有功调节过程中，无功基本保持为零不变。在功率调节系统发出放磁指令后，磁体电流通过斩波器给直流母线电容充电释放能量。当电流降到很小时，停机将剩余能量释放给释能电阻。

图13则给出了磁体在变流器设置不同功率交换指令下，在稳流-功率交换-续流三个阶段，磁体上部的温度变化曲线，从图中可以看出随着功率交换指令的增大，温度变化的趋势越来越明显，但停止功率交换进入续流阶段后，磁体温度变化趋势趋于平缓并慢慢下降。上述对磁体的一系列实验表明磁体在升流、稳流、功率交换等过程中具有良好的稳定性，可满足瞬态功率补偿的要求。

图11 SMES与电网功率交换波形图Fig.11 Power exchange wave forms when SMES exchange power with the grid

图12 磁体通过功率调节系统励磁的波形图Fig.12 SMES coil excitation through power conditioning system

图13 不同功率交换指令下对应的磁体上部温度变化曲线Fig.13 Temperature variation curve of magnet upper end with different power exchange reference

2.3 SMES动模实验

SMES可以与电网进行较大的瞬时功率交换，作为功率型的储能装置，潜在的应用场合很多，根据电力系统动态模拟实验室已有的条件，进行了SMES抑制电力系统因发电机机端短路故障造成功率振荡的动模实验。实验电路图如图14所示，发电机组励磁方式为微机它励，原动机输入可控。输电线路使用76XL和75XL两个集中元件模拟，电抗分别为17.5 Ω和5.32 Ω，并在二者连接点D11点处设有接地开关，可以模拟接地短路故障。实验室中的无穷大电力系统是由一台升压变压器和一台调压器串联组成，总阻抗为10，变压器阻抗实际上相当于原型系统的一段输电线路，加上22.82的模拟输电线路得到总模拟线路阻抗为32.82，与模拟系统对应的原型系统线路阻抗为136（变换比mz=4.14）。按每千米线路阻抗0.4计算可得实际线路长度约为340 km。

图14 SMES动模实验系统接线图Fig.14 Experiment circuit of simulated power system

故障前发电机有功出力为3.2 kW，无功出力0.9kVar；试验平台短路点D11发生三相接地故障，故障持续时间300 ms，之后故障被切除，图15给出了SMES不投入时发电机功率振荡波形图，约定功率流向SMES为正，因此发电机出力为负值。由于短路期间发电机电流超过了监控系统能够采样的最大值，此时监控系统电流采样AD发生了饱和，电流波形被削平，使得发电机功率波动第一摆峰值比实际值要小，从发电机控制台得出的功率波动第一摆峰值为9.26 kW，振荡持续接近5 s。

SMES监控系统记录SMES投入后发电机功率振荡波形如图16所示，功率参数图中白线为发电机有功出力，黄线为高通滤波器的输出，绿线为SMES实际出力。SMES控制规律为发电机电磁功率经高通滤波器得到同相位的ΔPe，经比例积分控制产生变流器功率交换指令，由图16可以看出：①SMES能够快速检测故障切除时刻并能迅速投入；②SMES的投入使得发电机功率振荡迅速平息，系统第一摆振荡幅值明显减小，由接近10 kW减小到了不足6 kW，振荡平息时间减小到了2 s左右。

图15 SMES不投入时发电机功率振荡波形图Fig.15 Power oscillator of the generator without SMES

图16 SMES投入发电机功率振荡波形图Fig.16 Power oscillator of the generator with SMES

图17和图18分别给出了试验过程中SMES磁体电压电流波形和对应的磁体温度变化趋势。可以看到：在SMES与系统功率交换期间，电流经过了多次变化，磁体上部和下部温度上升约1.5 K，磁体中部温度上升约2 K，功率交换结束后磁体温度经过一段时间回到初始值，没有热失控迹象。

3 结 论

本套SMES磁体采用两种高温超导带材绕制，充分发挥了钇系和铋系两种高温超导带材的性能优势，采用制冷机直接冷却技术不需要使用液氦、液氮等低温液体浸泡，使得其在使用条件上具有更大的灵活性和广泛性；合理设计传导冷却结构，利用两台制冷机成功将磁体冷却到17 K左右，进一步优化了磁体电学性能。采用较为成熟的电压源型变流器将超导磁体与电力系统相连，变流器系统响应速度快，电流杂散纹波小，有效地减小了磁体的交流损耗。研发了基于LabVIEW软件的磁体监控与保护系统，实时监测磁体各部分温度、电压电流信号，实时监测磁体运行过程中的各种状态变量，同时将检测信号传送到磁体保护系统，通过对磁体状态量的分析判断，对HTS-SMES磁体进行保护。

图17 SMES电压电流波形Fig.17 Voltage and current of the SMES

图18 磁体温度变化趋势Fig.18 Temperature variation of the magnet

实验结果表明，所研制超导磁体的安全运行电流达到180 A，储能量达到157 kJ，与电网成功进行了+100 kW/-80 kW的功率交换，并且动模实验也证明该SMES有效抑制了发电机的功率振荡幅值和时间。

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