超导磁能存储

超导磁能存储(SMES)系统将能量存储在由超导线圈中的直流电流产生的磁场中，该超导线圈已被低温冷却至低于其超导临界温度的温度。一个典型的SMES系统包括三个部分：超导线圈、功率调节系统和低温冷却冰箱。超导线圈一旦充电，电流就不会衰减，磁能可以无限储存。储存的能量可以通过线圈放电释放回网络。功率调节系统使用逆变器/整流器将交流(AC)功率转换为直流电或将直流电转换回交流电。逆变器/整流器在每个方向上的能量损失约为2-3%。与其他储能方法相比，SMES在储能过程中损失的电量最少。SMES系统效率高；往返效率大于95%。由于制冷的能源需求和超导线材的高成本，SMES目前用于短期储能。因此，SMES最常致力于改善电能质量。

使用超导磁能存储而不是其他能量存储方法有几个原因。SMES最重要的优点是充放电时间延迟很短。电力几乎是瞬时可用的，并且可以在短时间内提供非常高的电力输出。其他能量储存方法，例如抽水蓄能或压缩空气，在将储存的机械能能量转换回电能时具有相当大的时间延迟。因此，如果需求是即时的，SMES是一个可行的选择。另一个优点是功率损失比其他存储方法少，因为电流几乎没有遇到阻力。此外，SMES中的主要部件是静止的，因此具有很高的可靠性。

有几个小型SMES单元可用于商业用途和几个较大的试验台项目。数个1MW·h装置用于世界各地装置中的电能质量控制，特别是为需要超清洁电力的制造工厂提供电能质量，例如微芯片制造设施。这些设施还被用于在配电系统中提供电网稳定性。SMES也用于公用事业应用。在威斯康星州北部，部署了一系列分布式SMES单元以增强传输回路的稳定性。由于造纸厂的运行，输电线路会承受较大的突然负载变化，可能会出现不受控制的波动和电压崩溃。工程测试模型是一个容量约为20MW·h的大型SMES，能够提供40MW30分钟的电力或10MW2小时的电力。

一个SMES系统通常由四个部分组成超导磁体及支撑结构该系统包括超导线圈、磁铁和线圈保护装置。在这里，通过将线圈与更大的系统断开连接，然后使用来自磁铁的电磁感应在超导线圈中感应出电流来存储能量。然后该线圈保持电流，直到线圈重新连接到更大的系统，之后线圈部分或完全放电。制冷系统制冷系统通过将盘管冷却到工作温度来保持盘管的超导状态。电源调节系统电源调节系统通常包含一个电源转换系统，可将直流电转换为交流电，反之亦然。控制系统控制系统监控电网的电力需求，并控制进出线圈的功率流。控制系统还通过控制冰箱来管理SMES线圈的状态。

由于法拉第感应定律，任何能及时产生变化磁场的导线环也会产生电场。这个过程通过电动势(EMF)从电线中取出能量。EMF定义为单位电荷经过一轮导电回路后对它所做的电磁功。现在可以将能量视为存储在电场中。这个过程使用来自电线的能量，其功率等于电势乘以总电荷除以时间。其中Ɛ是电压或EMF。通过定义功率，我们可以计算产生这种电场所需的功。由于能量守恒，这个功也必须等于存储在场中的能量。

除了电线的特性之外，线圈本身的配置也是机械工程方面的一个重要问题。有三个因素会影响线圈的设计和形状——它们是：较低的应变容限、冷却时的热收缩和带电线圈中的洛伦兹力。其中，应变容限至关重要，不是因为任何电效应，而是因为它决定了需要多少结构材料才能防止SMES断裂。对于小型SMES系统，选择0.3%应变容差的乐观值。环形几何形状有助于减少外部磁力，从而减小所需机械支撑的尺寸。此外，由于外部磁场低，环形SMES可以位于公用事业或客户负载附近。对于小型SMES，通常使用螺线管，因为它们易于绕线且无需预压缩。在环形SMES中，线圈始终受到外箍和两个圆盘的压缩，其中一个在顶部，另一个在底部，以避免破损。目前，小型SMES几乎不需要环形几何形状，但随着尺寸的增加，机械力变得更加重要，因此需要环形线圈。较旧的大型SMES概念通常具有埋在地下的直径约100m的低纵横比螺线管。尺寸极低的是微型SMES螺线管的概念，其储能范围接近1MJ。

在稳态条件和超导状态下，线圈电阻可以忽略不计。然而，保持超导体冷却所需的冰箱需要电力，在评估SMES作为能量存储装置的效率时，必须考虑这种制冷能量。尽管高温超导体(HTS)具有较高的临界温度，但磁通晶格熔化发生在温度低于该临界温度的中等磁场中。冷却系统必须消除的热负荷包括通过支撑系统的传导、从较热表面到较冷表面的辐射、导体中的交流损耗（在充电和放电期间）以及连接的冷-热电源线的损耗冷盘管连接到功率调节系统。通过适当设计热表面，可以xxx限度地减少传导和辐射损耗。良好的引线设计可将引线损耗降至最低。交流损耗取决于导体的设计、设备的占空比和额定功率。对于77K、20K和4.2K的基线温度，HTSC和低温超导体(LTSC)环形线圈的制冷要求依次增加。此处的制冷要求被定义为运行制冷系统的电力。随着存储的能量增加100倍，制冷成本仅增加20倍。此外，与LTSC系统相比，HTSC系统在制冷方面的节省更大（60%至70%）。

HTSC或LTSC系统是否更经济取决于其他主要组成部分决定SMES的成本：由超导体和铜稳定剂组成的导体以及冷支架本身就是主要成本。必须以设备的整体效率和成本来判断。与大线圈成本相比，其他组件（例如真空容器绝缘）已被证明是一小部分。用于环形线圈的导体、结构和致冷器的综合成本主要由超导体的成本决定。螺线管线圈也有同样的趋势。HTSC线圈的成本比LTSC线圈高2到4倍。由于制冷要求较低，我们预计HTSC的成本会更便宜，但事实并非如此。为了深入了解成本，请考虑按HTSC和LTSC线圈的主要组件分解，对应于三个典型的存储能量水平，2、20和200MW·h。导体成本在所有HTSC案例的三个成本中占主导地位，并且在小尺寸时尤为重要。主要原因在于LTSC和HTSC材料的电流密度比较。HTSC线的临界电流一般在工作磁场中低于LTSC线，约为5至10特斯拉（T）。假设电线成本按重量计算相同。由于HTSC线的(Jc)值低于LTSC线，因此需要更多的线来产生相同的电感。因此，线材的成本远高于LTSC线材。此外，随着SMES规模从2增加到20到200MW·h，LTSC导体成本也每一步增加约10倍。HTSC或LTSC的结构成本随着每一步从2到20到200MW·h均匀上升（10倍）。但HTSC结构成本较高，因为HTSC的应变容限（陶瓷不能承受太大的拉伸载荷）小于LTSC，如Nb3Ti或Nb3Sn，需要更多的结构材料。因此，在非常大的情况下，HTSC成本不能通过简单地在较高磁场下减小线圈尺寸来抵消。值得注意的是，在所有情况下，冰箱的成本都非常低，以至于与减少高温下的制冷需求相关的节省百分比非常少。这意味着如果HTSC，例如BSCCO，在低温下工作得更好，比如20K，它肯定会在那里运行。对于非常小的中小企业，冰箱成本的降低将产生更显着的积极影响。显然，超导线圈的体积随着存储的能量而增加。此外，我们可以看到，由于较高的磁场操作，HTSC磁体的LTSC圆环xxx直径总是小于LTSC。在螺线管线圈的情况下，HTSC线圈的高度或长度也更小，但仍远高于环形几何形状（由于外部磁场低）。峰值磁场的增加导致体积（更高的能量密度）和成本（减少的导体长度）的减少。更小的体积意味着更高的能量密度，并且由于导体长度的减少而降低了成本。峰值磁场有一个最佳值，在这种情况下约为7T。如果场增加超过最佳值，则可以在成本增加最小的情况下进一步减少体积。可以增加场的极限通常不是经济上的，而是物理上的，它涉及到不可能将环形的内腿靠得更近，并且仍然为缓冲圆柱体留出空间。超导材料是SMES的关键问题。超导体开发工作的重点是增加Jc和应变范围以及降低导线制造成本。

能量密度、效率和高放电率使SMES成为融入现代能源网和绿色能源计划的有用系统。SMES系统的用途可分为三类：供电系统、控制系统和应急/应急系统。事实FACTS（柔性交流输电系统）设备是可以安装在电网中的静态设备。这些设备用于增强电网的可控性和电力传输能力。SMES在FACTS设备中的应用是SMES系统的首次应用。1980年，Bonneville电力局首次安装了使用FACTS设备实现SMES。该系统利用SMES系统来抑制低频，这有助于稳定电网。2000年，基于SMES的FACTS系统被引入Winston北部电网的关键点，以提高电网的稳定性。负载均衡电力的使用需要提供恒定功率的稳定能源供应。这种稳定性取决于使用的电量和产生的电量。用电量全天变化，季节也变化。SMES系统可用于在发电量高于需求/负载时储存能量，并在负载高于发电量时释放电力。从而补偿功率波动。使用这些系统可以使传统发电机组以恒定输出运行，从而更加高效和方便。但是，当供需之间的权力不平衡长期持续时，中小企业可能会彻底放电。负载频率控制当负载不满足发电输出功率时，由于负载扰动，会导致负载大于发电机的额定输出功率。例如，当风力发电机由于突然没有风而无法旋转时，就会发生这种情况。这种负载扰动会导致负载频率控制问题。这个问题可以在基于DFIG的风力发电机中被放大。这种负载差异可以通过SMES系统的功率输出来补偿，当发电量大于负载时，SMES系统会储存能量。与现代控制系统相比，基于SMES的负载频率控制系统具有响应速度快的优势。不间断电源不间断电源(UPS)用于通过提供连续电源来防止电涌和电力不足。这种补偿是通过从故障电源切换到SMES系统来完成的，SMES系统几乎可以立即提供必要的电力以继续基本系统的运行。基于SMES的UPS在需要保持在某些关键负载的系统中最有用。断路器重合闸当断路器两端的功率角差太大时，保护继电器会​​阻止断路器重合闸。在这些情况下，可以使用SMES系统来减少断路器上的功率角差。从而允许断路器重合闸。这些系统允许在主要输电线路中断后快速恢复系统电源。旋转储备旋转备用是通过增加连接到电网的系统的发电量可获得的额外发电量。该容量由系统运营商保留，用于补偿电网中断。由于SMES系统的快速充电时间和快速的交流电到直流电转换过程，这些系统可以在输电线路的主要电网停止服务时用作旋转备用。SFCL超导故障电流限制器(SFCL)用于限制电网故障下的电流。在该系统中，当检测到网格线中的故障时，超导体会失超（温度升高）。通过淬灭超导体，电阻上升，电流被转移到其他电网线。这是在不中断较大网格的情况下完成的。一旦故障被清除，SFCL温度就会降低，并且对于较大的电网变得不可见。电磁发射器电磁发射器是一种电动射弹武器，它使用磁场将射弹加速到非常高的速度。这些发射器需要高功率脉冲源才能工作。这些发射器可以利用SMES系统的快速释放能力和高功率密度来实现。

SMES系统组件的未来发展可能使它们更适用于其他应用。最值得注意的是超导体的发展。凝聚态物理学家一直在寻找具有更高临界温度的超导体。2013年，一组研究人员甚至发现了一种在室温下工作的超导体。这在皮秒内是稳定的，这使得它不切实际，但仍然证明了室温超导是可能的。需要冷藏是有代价的。通过使用室温超导体或什至接近室温的超导体来消除该成本将使SMES系统更可行和更有效。超导体的临界温度也与临界电流有很强的相关性。具有高临界温度的物质也将具有高临界电流。这种更高的临界电流将成倍地提高能量存储。这将xxx增加SMES系统的使用。

当前SMES系统的能量含量通常很小。增加存储在SMES中的能量的方法通常求助于大型存储单元。与其他超导应用一样，低温技术是必要的。通常需要坚固的机械结构来包含由磁铁线圈产生的非常大的洛伦兹力。SMES的主要成本是超导体，其次是冷却系统和机械结构的其余部分。需要机械支撑，因为作用在线圈上的强磁场会产生很大的洛伦兹力，而线圈会在较大的结构上产生强磁场。尺寸要达到商业上有用的存储水平，大约5GW·h(18TJ)，SMES安装需要大约0.5英里(800m)的环路。这传统上被描绘为一个圆形，但实际上它可能更像一个圆角矩形。在任何一种情况下，都需要使用大量土地来容纳该装置。制造业围绕SMES存在两个制造问题。首先是制造适合承载电流的散装电缆。迄今为止发现的HTSC超导材料是相对精密的陶瓷，因此很难使用已建立的技术来拉长超导线材。许多研究都集中在层沉积技术上，将材料薄膜应用到稳定的基板上，但这目前仅适用于小型电路。基础设施第二个问题是安装所需的基础设施。在发现室温超导体之前，必须将0.5英里（800米）长的导线圈装在液氮真空瓶中。这反过来又需要稳定的支撑，最常见的设想是掩埋装置。临界磁场超过一定的场强，称为临界场，超导状态被破坏。这意味着超导材料存在xxx充电率，因为磁场的大小决定了超导线圈捕获的通量。临界电流一般来说，电力系统希望最大化它们能够处理的电流。这使得由于系统效率低下而导致的任何损失都相对微不足道。不幸的是，由于安培定律，大电流可能会产生大于临界场的磁场。因此，目前的材料难以承载足够的电流以使商业存储设施在经济上可行。该技术开始时的几个问题阻碍了其扩散：

• 维持工作温度的昂贵制冷装置和高电力成本
• 使用普通导体的适当技术的存在和持续发展

这些仍然给超导应用带来问题，但随着时间的推移正在改善。在超导材料的性能方面取得了进展。此外，制冷系统的可靠性和效率显着提高。预冷时间长目前，将线圈从室温冷却到其工作温度需要四个月的时间。这也意味着SMES在维护后和运行故障后重新启动时需要同样长的时间才能恢复到运行温度。保护由于储存了大量的能量，因此需要采取一定的措施来保护线圈在线圈故障的情况下免受损坏。在线圈故障的情况下快速释放能量可能会损坏周围的系统。一些概念设计建议将超导电缆结合到设计中，以在线圈故障后吸收能量为目标。该系统还需要保持良好的电气隔离，以防止能量损失。