带有独立励磁电路的SC充电电路常用于后备式SMES UPS中,后备式SMES UPS结构示意图见图7。后备式SMES UPS具有电路结构简单、效率高、成本低等优点,但是当电网发生故障时,需要启动DC/AC变换器进入工作状态,因而需要一定的切换时间,过长的切换时间对于某些敏感负载来说是不允许的。这是后备式UPS逐渐被弃用的主要原因之一。

        图8是互动式SMES UPS的结构示意图。互动式SMES UPS中采用了一个双向变换器。它的工作状态由控制电路控制其在整流状态和逆变状态之间转换。当电网工作正常时,双向变换器处于整流状态,通过斩波器向SC充电。与图7所示的后备式SMES UPS不同,没有采用单独的励磁电路。当电网供电发生异常时,SC经由双向变换器向负载供电,此时,双向变换器处于逆变状态。

    图9是互动式SME UPS控制电路结构示意图。控制电路主要由三大部分构成:A/D信号处理器、底层控制(包括内存、控制算法、控制脉冲产生和直接操作的硬件)和驱动电路。首先,检测电网和负载的电压、电流信号(包括基波幅值、相位、频率等特征)和采集变换器输出电压及直流侧电容电压等系统参数,通过控制算法得出补偿量,产生控制脉冲经驱动电路控制变换器功率开关管的通断,为负载提供正常的供电。此时,双向变换器处于逆变状态,由SC经由斩波器向双向变换器提供能量。
       互动式SMES UPS中的双向变换器始终处于工作状态并与输出相连,在电网供电发生异常时,双向变换器转换到逆变状态,从电网供电转换到SC供电。这种转换通过控制电路来完成，因此，互动式SMES UPS具备在线式的切换功能，切换时间很短。

若将互动式SMES UPS中的双向变换器的整流和逆变两种功能,由两个变换器来分别承担,则构成双变换式SMES UPS。当电网正常供电时,交流输入经AC/DC、DC/AC两次变换后给负载供电。当电网供电发生异常时,SC经斩波器的DC/DC变换(斩波器),再经DC/AC变换后给负载供电。因为来自电网的交流输入经过两次变换后给负载供电,负载与电网隔离,为负载提供了完善的保护。

双变换式SMES UPS中,一种为图10(a)所示的采用独立的励磁电路为SC充电,另一种为图10(b)所示的由AC/DC与斩波器共同为SC充电。双变换式SMES UPS与传统双变换式UPS一样具有许多优点:供电质量好、给负载提供纯净的正弦波、“零”切换时间、输出电压没有三次谐波、电网与负载之间具有隔离作用、CD/AC变换器具有很宽的直流电压工作范围、中线上无电流等。其主要缺点是电路复杂、体积大、重量重、效率低和成本高等。但这些缺点已被高频双变换结构UPS的出现成功地予以解决。
      6   超导磁储能系统的发展前景
现代工业的发展对供电的可靠性、电能质量提出了越来越高的要求。例如现代企业中变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工工具、可编程控制器、计算机信息系统等设备,对电源的波动和各种干扰十分敏感,任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降,产生重大损失。随着我国新技术、新设备的不断引进和广泛应用、可再生能源的高速发展以及我国电力市场商业化运营的实施,对电能质量的控制提出了日益严格的要求,对电能质量敏感的电力用户或需要特殊供电的场合也会越来越多。随着我国电网的不断扩大,也迫切需要解决大电网的稳定性问题,建立智能电网的迫切性日益提高,SMES在这方面也将具有重要的应用价值。
       6.1   我国超导磁储能技术的研发渐热
       2011年5月24日,中国电力科学研究院历时两年时间自主研发的高温SMES,在国家电网公司电力系统动模实验室成功实现了并网功率补偿。这标志着公司在高温SMES电力应用技术领域取得了阶段性突破。实验的成功表明我国已自主掌握了第二代高温SMES单元构造、集成、控制、保护和输配电工程实际应用等关键技术,其研究成果可为下一阶段开展超导电力应用技术的科研、试验示范运行、系统分析与评估奠定坚实的基础。中国电科院研制的高温SMES是我国首个应用第一代铋系和第二代钇钡铜氧混合高温超导体构造的千焦容量高温SMES,在国际上率先研究了基于钇钡铜氧涂层导体的强场下临界电流特性,实现对铋系高温SMES单元的扩容。因为采用更加实用化的电压型功率变换系统,实现高温SMES与电网的能量交换,从而简化了控制方法,有利于SMES单元安全可靠并网运行。此外,通过集成监控系统、失超保护系统、功率变换系统和低温制冷系统，混合高温SMES单元可在过冷液氮温度下，圆满实现在电力系统动模环境下的并网运行，并在模拟电力系统发生动态功率波动后的毫秒级时间内，快速放电释能，成功实现对系统功率波动的跟踪和实时补偿。
       中国电科院电工与新材料所(超导电力研究所)根据研究重点,开展了两个阶段的研究。在第一阶段高温SMES关键技术研究中,研发人员从无到有,自主掌握了高温SMES单元扩容设计、功率变换系统研究、监测控制系统软硬件开发、系统综合性能测试、动态仿真模拟和SMES应用技术分析等技术难点。在第二阶段高温SMES系统集成共性技术研究中,研发人员又基于所掌握的关键技术,自主设计和构造了集储能单元、功率变换系统和在线监控保护单元于一体的SMES系统,经过多次实验运行调试,最终完成了系统最佳控制和保护参数设计,达到了并网试验运行的要求。
         6.2   SMES的应用和产业化面临的主要问题
         中国科学院电工研究所专家表示,超导电力技术(包括SMES系统技术)的应用和产业化面临三个方面的问题:一是超导材料的临界温度还有待提高;二是超导材料的价格还比较高,有的比常规材料高几十倍、上百倍;三是超导技术所应用的低温制冷系统的制备还比较复杂,且制冷机的免维护寿命较短。与此同时,超导电气装备的低温高电压绝缘技术、实时检测技术、集成技术、与常规系统的匹配协调运行等,也还需要进一步研究。

SMES是一种融合多学科的新技术,如超导材料、低温技术、电力电子技术等。所以,有关SMES的技术研究课题是多方面的。

(1)高温超导材料的发现促使高温SMES的研发趋热

自从昂尼斯1911年发现超导现象以来,得到低温环境成了许多科学家的重要目标。1987年初,超导转变温度为90K的钇-钡-铜-氧被发现,这使超导转变温度高于液氮的气化温度(77.3K)。1988年又有超导转变温度分别为110K和125K的铋-锶-钙-铜-氧和铊-钡-钙-铜-氧超导体被发现。1993年,人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-铜-氧。在这以前实际应用的超导体大多是使用液氦作为冷却剂，新发现的超导体的超导转变温度比液氮的温度还高，这就使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。从而高温SMES成为技术研究和应用的重要课题。

(2)现代低温技术是SMES开发应用的前提条件之一
制冷机是SMES的关键部件,发展大功率、高效率、高可靠性、高热稳定性、长寿命和易于维修保养的低温系统对提高SMES的技术性能和降低成本是相当重要的。

(3)功率调节系统是SMES的重要组成部分
在SMES中，包含有AC/DC、DC/AC和DC/DC等各种变换器，我们将这些变换器统称为“功率调节系统”。功率调节系统的技术水平和经济性直接影响到SMES的技术水平和经济性。发展大容量、高效率、高可靠性、高功率密度、低谐波的高频小型化的、并能快速实时响应动态功率变化的功率调节系统是研发SMES系统的重点之一。

(4)SMES储能磁体的电磁设计
SMES储能磁体要求能够快速响应,实现动态能量的输入和输出,必须结合SMES系统的运行状态综合考虑交流损耗、电磁热稳定性和电磁参数的选择。

(5)增强SMES系统的动态响应能力
在SMES用于电力系统来完成有功和无功功率的动态补偿时,除要求SMES具有大的容量以外,还应具有快速的动态响应。这必须从减小储能磁体的动态时间常数、功率调节系统的时间常数和测控系统的响应时间入手。

(6)SMES在微网和可再生能源发电中的应用
微网技术是一种新型的电力系统运行管理模式。SMES具有动态功率补偿能力,用于微网中,对于可再生能源发电作为主要电源的局域电网中,具有重要意义。

(7)SMES的性能检测方法和标准
SMES本身的可靠性对于电力系统是至关重要的。目前,国内外还没有一套完整的SMES试验和性能检测方法的标准。

(8)拓展SMES的应用
开发SMES的新应用领域对于扩大SMES的市场需求、降低成本是非常重要的。

7   结束语
由于SMES具有高储能密度和高储能效率、快速的功率调节能力,对于电力系统安全稳定运行、改善电能质量和用于可再生能源发电中以平滑其输出功率均是一种重要的技术手段。目前,包括SMES在内的超导电力技术虽然尚未广泛地应用到电力系统中,但是,可以预见的是,随着超导技术、低温技术、电力电子技术的发展和超导电力技术应用领域的不断扩展,各种超导电力装置的成本将持续下降,加之电力需求的不断增长和电力系统的高度智能化,超导电力技术终究会逐步进入电力系统,并将在某段时期内占据主导地位。

作者简介

曲学基 (1940-),男,中国空间技术研究院,高级工程师。本刊编委。

1975年-2001年在航天部五院五一一所从事空间零磁场环模设备的研制和空间真空

热模拟试验。主要工作是军用电源的设计和制作。负责研制并用于空间真空热模

拟试验的“1200W程控电源”获得部科技进步三等奖；负责真空离子镀膜设备研制

和生产，“多功能真空离子镀膜设备”获部科技进步二等奖。

曾撰写《稳定电源实用手册》、《新编高频开关稳压电源》、《逆变技术基础及

应用》和《IGBT及其集成控制器在电力电子装置中的应用》等十余部书籍,并发表

了数十篇技术文章。（游米儿）