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本书全面讲述了高温超导储能原理、技术与应用。内容主要包括：绪论、超导磁储能技术的基本原理、超导磁储能磁体技术、超导磁储能系统中的变流器技术、超导磁储能系统的应用研究，以及飞轮储能技术及其应用研究。

本书可供从事应用超导技术研究工作的科技工作者、电工与电力技术领域的技术人员、电力设备研制和生产行业的技术人员，以及高等院校相关专业的师生参考。

前言

第1章 绪论

    1.1 现代电力系统的发展趋势

        1.1.1 大型集中式供电互联电网

        1.1.2 分布式发电系统

        1.1.3 微型电网

        1.1.4 智能电网

    1.2 现代电力系统中的电能质量问题

        1.2.1 电能质量问题

        1.2.2 电能质量问题的解决方案

    1.3 储能技术与现代电力系统

        1.3.1 不同储能技术的特性比较

        1.3.2 超导储能技术概述

        1.3.3超导储能技术的经济可行性分析

    参考文献

第2章 超导磁储能技术的基本原理

    2.1 超导磁储能的基本原理和装置结构

    2.2 超导磁储能的基本理论模型

        2.2.1 自然充放电基本原理

        2.2.2 受控放电过程的稳态分析

        2.2.3 受控放电过程的动态分析

        2.2.4 超导磁储能理论模型的建立

    2.3 基于谐振充电技术的超导磁储能模型及其应用

        2.3.1 直接充电技术的缺陷分析

        2.3.2 谐振充电技术的可行性分析

        2.3.3一种实用的谐振充电电路方案探讨

    2.4 其他超导磁储能模型简介

        2.4.1基于Z源变流器技术的超导磁储能模型

        2.4.2基于电磁感应技术的磁通泵充电模型

        2.4.3基于集中参数网络模型的超导线圈建模

    参考文献

    金建勋，教授，出生于北京。1985年毕业于北京钢铁学院（现为北京科技大学）物理化学系金属物理专业。自1991年起开始从事高温超导研究，分别在澳大利亚新南威尔士大学和卧龙岗大学获得硕士学位和博士学位。自1997年起，先后作为研究员和高级研究员，在澳大利亚从事高温超导及其应用技术研究。2005年回国并继续从事应用超导与电工技术研究。曾主持过多项政府、大学及工业研究项目，在应用超导领域有大量原创性工作及多项技术发明专利，在国际学术刊物和会议上发表学术论文数百篇，并参与了大量国内外学术活动，获得多项奖励。

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第 1 章 　 绪 　 　 论

1. 1 　 现代电力系统的发展趋势

1.1. 1 　 大型集中式供电互联电网

在世界经济快速发展和不断融合的过程中 ，为了适应经济的快速增长所带来

的用电需求的增加 ，全球主要国家和地区的电力系统目前大都朝着大容量 、大规

模 、高电压 、远距离的技术方向发展 。 现代电力系统是历史上逐渐扩建发展起来的

地域辽阔 、结构复杂的大系统 ，目前电力系统已经成为人类历史上最庞大和复杂的

系统［1］ 。

为了满足电能在容量 、质量 、安全性和经济效益等方面的要求 ，保证社会生产

和人民生活的需要 ，客观上要求现代电力系统用智能的高压电网将众多发电厂和

用电区域连接成为一个整体的电力系统 ，以便向电力用户提供充足 、安全 、经济且

有一定质量保证的电能供用 。 目前 ，世界上大部分电力系统已发展成为以火电 、水

电及核电为主的集中式发电和远距离超高压输电的大型互联网络系统 。 其直接表

现是区域电网规模的不断增大 ，并且通过区域电网间的互联 ，形成地区联网 、全国

联网 、跨国联网 ，以及更大规模的联合电网 ，从而实现充足 、可靠 、优质 、经济的供

电 。 例如 ，欧洲地区的五大互联电网 ，即西欧电网（UCPTE） 、东欧和俄罗斯电网

（UPS） 、中欧电网（IPS） 、中部系统（CENTRAL）和北欧斯堪的纳维亚国家互联电

网（NORDEL） ；北美地区覆盖美国 、加拿大和墨西哥的北美联合电力系统 。 在我

国 ，近年来电力工业正在迅猛地发展 ，在建成的六个跨省区大电网的基础上 ，国家

计划以三峡水电站为基础 ，建立起全国互联电网的框架 ，以促进全国统一电网的建

设 ，实现西电东送 、南北互供 、全国联网 。

但是 ，大型互联电网规模的不断扩大 ，使得输电网的结构和运行日益复杂 ，造

成已有输电系统的负担日益加重 。 同时 ，随着配电网用电负荷的不断增加 ，受端电

网对外来电力的依赖程度也不断提高 ，使电网运行的稳定性和安全性下降 。 大型

互联电网已难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求 ，以及多样化的供电需求 。

各种电力系统问题将造成大量的电能损耗或被迫降低电网的输送能力 ，严重的情

况下甚至会造成电力系统的灾变 。

近几十年来 ，世界各地的大型互联电网相继发生多起系统失稳或崩溃事故 。

1978 年 12 月 19 日 ，法国电网发生电压崩溃事故 ，造成全网 75% 的负荷停电 ，停

电时间最长达 8 小时 。 1987 年 7 月 23 日 ，日本东京电网发生电压崩溃事故 ，有

8168MW 的负荷停电 ，停电时间最长达 3 小时 21 分 。 1996 年 7 月 2 日和 8 月 10 日 ，

美国西部电网两次发生电压崩溃事故 。 2003 年 8 月 14 日 ，发生的大停电波及美

国的 8 个州和加拿大局部地区 ，经济损失达 60 多亿美元 。 2005 年 8 月 18 日 ，印

度尼西亚境内发生大面积停电 ，波及近 1 亿人口 。

在我国 ，因电网故障或自然灾害而导致的局部地区停电事故时有发生 ，使大量

用户供电中断 ，造成巨大的经济损失 。 典型的实例如 2008 年年初冰雪灾害天气带

来的南方部分省区电网大范围停电事故［2 ~ 4 ］ 。 全国共有 14 个省级（含直辖市）电

网 、约 570 个县的用户供电受到不同程度的影响 ，部分地区电力设施损坏极其严

重 。 这次雪灾对电力系统影响如此严重 ，除了目前大量电力设备无法承载罕见的

雨凇 、覆冰带来的巨大重压的原因之外 ，也暴露了我国电力系统的电网结构 、布局

等方面存在的缺陷 。 由于大型发电厂和负荷中心距离较远 ，远距离输配电比例

大 ，而多条大型省间交直流远距离高压输电通道因雪灾而中断 ，主要依靠外来远

距离大容量送电通道的省 、区在此次雪灾中就陷入了大范围 、长时间的停电状

态［5 ，6 ］ 。

现代集中式发电互联电网具有大容量 、大规模 、高电压 、远距离的特点 ，可以基

本满足人们对电能的需求 。 但是 ，鉴于在世界范围内发生的多起停电事故所暴露

的大型集中式发电互联电网的脆弱性问题 ，如输电系统的负担日益加重 、配电系统

的稳定性和安全性日益下降等 ，人们不禁要考虑 ，未来的电力系统应该采取什么样

的发展模式 ，一味地扩大电网规模显然不能满足实际要求 。 20 世纪 80 年代末 ，发

达国家（如日本 、美国） ，甚至包括一些发展中国家 ，开始研究并应用多种一次能源形

式结合的高效 、经济的新型电力技术 —— 分布式发电技术（distributed generation ，

DG）［7 ~ 10 ］ 。 由于集中发电的问题 ，以及近年可再生能源发电技术的实用化发展 ，

当今电力工业出现了一个由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式

过渡的趋势 。

1.1. 2 　 分布式发电系统

分布式发电也称为分散式发电或分布式供能 。 关于分布式发电尚无统一的定

义 ，涉足于该领域的制造商 、电力零售商及用户对分布式发电有不同的诠释 。 一种

典型的分布式发电定义为 ：任何靠近负荷的发电方式都称为分布式发电 。 这种定

义不仅包含了采用再生能源的发电机组 ，也涵盖了任何位于负荷侧的采用常规能

源的发电机组 。 它包括 ：安装于重要负荷的备用柴油发电机组 ；根据用户对供电可

靠性的要求 ，安装于负荷中心的小型发电机组 ；安装于变电站 ，用于提供无功支持

及改善电能质量的同步调相机等 。 国外某些电力系统对分布式发电的规模有进一

步的限制 ，将靠近负荷中心且装机容量少于 NkW（或 MW）的发电设备称为分布

式发电系统 ，N 的具体数值依不同的电力系统而异 ，一般构成容量范围是 10kW ~

50MW 。

相对于大型集中式发电系统而言 ，分布式发电系统具有电源容量小 、电压等

级低 、小型模块化 、接近负荷中心 、运行方式灵活等特点 。 而这些特点也恰恰使

分布式发电系统弥补了超高压 、远距离输电的不足 ，满足了电力系统和用户的特

定要求 ，如电力调峰 、为边远用户或商业区供电等 ，成为现代电力电网规划的新

课题 。

分布式发电系统自身的特点决定了它不是采用煤炭作为一次能源 ，而是大量

采用环境友善的可再生能源（renewable energy ，RE）［11 ，12 ］ 。 目前 ，分布式发电技术

与新型可再生能源技术的发展密切相关 ，主要包括 ：太阳能发电技术 、风力发电技

术 、燃料电池 、微型燃气轮机等 。

（1） 太阳能发电技术 ：可分成太阳热能发电和太阳光电发电两类 。 太阳热能

发电是通过聚集太阳能 ，将某种工质加热 ，直接或间接地产生蒸汽 ，驱动汽轮发电

机产生电能 ；太阳光电发电即光伏发电 ，是利用光生伏特效应 ，将光能直接转化成

电能 。 太阳光电发电是太阳能发电的主要形式 。 按与电力系统的关系分类 ，光伏

发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统 。

（2） 风力发电技术 ：风能是一种广义的太阳能 ，也是一种巨大的可再生能源 。

风力发电主要有两种利用方式 ：一是作为独立供电系统 ，或将风力发电机与柴油发

电机或太阳能电池组成混合供电系统 ，向偏远地区 、城镇社区 、重要负载等供电 ；二

是将多台风力发电机组并列运行 ，形成大型风力发电场（wind farm ，WF） ，也称风

力田 ，直接与大型输配电网级联并网 。

（3） 燃料电池 ：是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的

装置 ，具有燃料利用率高 、燃料选取广泛 、功率密度大 、环保无污染 、容量可根据需

要而定等多种优点 ，可以作为并网发电装置与后备电源 。 与太阳能 、风能 、水能等

可再生能源相比 ，由于燃料电池不受地域等因素的限制 ，更适应于一些特定场合及

保证关键负荷的运行 。

（4） 微型燃气轮机 ：是一种功率范围在 25 ~ 75kW 的小型发电机组 ，可以使

用天然气 、丙烷 、煤矿瓦斯等多种燃料为一次能源 。 为了提高燃料的利用效率 ，

微型燃气轮机除了为用户供电外 ，还往往同时为用户供热 ，构成“热电并用系

统” 。 与分布式发电系统中其他分布式电源相比 ，微型燃气轮机的输出功率比风

力发电与光伏发电的输出功率平稳 ，而其成本远低于燃料电池 ，具有较好的应用

前景 。

以上四种主要分布式发电技术的工程造价和特点如表 1. 1-1 所示 。

表 1.1-1 　 分布式发电技术的工程造价及特点

造价及特点 太阳能电池 风力发电机 燃料电池 微型燃气轮机

功率范围 ／kW 1 ~ 100 50 ~ 2000 5 ~ 2000 30 ~ 75 工程造价 ／（ ＄ ／kW） 1500 ~6500 1000 ~ 1500 3000 ~ 4000 1000 ~ 1500 发电成本／（ ＄ ／（kW · h）） 15 ~20 5. 5 ~ 15 10 ~ 15 7. 5 ~ 10 环境影响 无污染

无废气排放 、存在

噪声和景观影响

无污染

有废气排放 、较常规

发电机组污染轻

输出功率特点

功率不平稳 、功率

密度低

功率不平稳 功率平稳 功率平稳 、易调节

目前 ，风力发电 、光伏发电已经作为独立电源或混合电源为一些偏远地区 、城

镇社区供电 ，并取得了较好的实际效果 ，可望节约电网建设费用 ，满足用电负荷快

速增长的需要 。 但是 ，相对独立的分布式电源供电系统 ，与大电网的联系较弱 ，其

供电的经济性 、可靠性完全取决于分布式电源 ，这就要求分布式电源要尽可能降低

成本 ，使其在经济性上优越于电网扩张 ，并利用先进的电力电子控制技术 ，保证输

出电能质量（power quality ，PQ） ，满足电力用户的用电要求 。

除了利用分布式发电系统形成独立供电系统之外 ，在大型的输 、配电网中引入

分布式电源来改善电能质量 ，形成智能分布式的输 、配电网系统将是未来分布式发

电系统的主要应用发展方向 。 分布式电源在配电网中的应用主要包括 ：改善配电

网的电能质量和为重要负荷提供备用电源两个方面 。 现有的配电网系统存在有功

与无功储备不足等问题 ，采用太阳能电池 、燃料电池这类带有储能特性的分布式电

源 ，或采用可再生能源与储能装置相结合的运行方式是提高供电可靠性及电能质

量的有效措施 。 在输电网系统中 ，分布式电源可采用电力电子装置控制 ，与柔性交

流输电设备相配合 ，形成灵活输电系统 。 虽然目前分布式电源的成本与技术还不

能满足在输电网中大规模应用的条件 ，但随着分布式发电技术的进一步完善以及

电力电子技术的进步 ，分布式电源将在柔性交流输电系统中发挥重要作用 。

1.1. 3 　 微型电网

分布式电源尽管优点突出 ，但本身存在诸多问题 ，如分布式电源接入成本高 、

控制困难等 。 另外 ，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源 ，因此大型电网系

统往往采取限制 、隔离的方式来处置分布式电源 ，以减小其对电网的冲击 。 IEEE

P1947 对分布式电源的入网标准做了规定 ，当电力系统发生故障时 ，分布式电源必

须马上退出运行 ，这就大大限制了分布式电源效能的充分发挥 。 为协调大电网与

分布式电源间的矛盾 ，充分挖掘分布式电源为电网和用户所带来的价值和效益 ，20

世纪 90 年代以来 ，国外众多专家学者提出了一种将分布式发电技术与储能技术综

合在一起的特殊电网形式 ，即微型电网（micro grid ，MG）［13 ~ 16 ］ 。

国际上对微型电网的定义不尽相同 ，但各种定义方案均认为 ：微型电网应该是

由各种微能源（风力发电 、光伏发电 、燃料电池 、微型燃气轮机等） 、储能装置（蓄电

池 、超导磁储能 、超级电容器 、飞轮储能等） 、负荷以及控制保护系统组成的集合 ；电

源系统容量一般为 kW ~ MW 级别 ；通常接在低压或中压配电网中 ；具有并网运行

和独立运行能力 ，能够实现即插即用和无缝切换 。

美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出了微型电网的概念 ，并

且是众多微型电网概念中最权威的一个 。 图 1. 1-1 是该协会提出的微型电网基本

结构［17 ］ ，图中展示了光伏发电 、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式 ，其中一些

接在热力用户附近 ，为当地提供热源 。 微型电网结构包括 3 条电源馈线和 1 条负

荷母线 ，电源馈线通过主分隔装置与配电系统相连 ，可实现孤网运行与并网运行模

式间的平滑切换 。 同时 ，微型电网中配置有对整个微型电网综合分析控制的能量

管理器和对微电源就地控制的潮流控制器 。 当负荷变化时 ，潮流控制器根据本地

电力系统信息进行潮流调节 ，当地的微电源相应增加或减少其功率输出以保持功

率平衡 。

图 1. 1-1 　 微型电网的基本结构图

微型电网从系统观点看问题 ，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户

提供多样化电能质量的供电理念 ，将发电机 、负荷 、储能装置及控制装置等结合 ，形

成一个单一可控的单元 。 微型电网接在用户侧 ，具有低成本 、低电压 、低污染等特

点 ，既可与大电网联网运行 ，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行 ，因此

微型电网可视为现代电力系统可控的“细胞” ，其灵活的可调度性可适时向大电网

的稳定 、可靠供电提供有力支撑 。 在接入问题上 ，微型电网的入网标准只针对微型

电网与大电网的公共连接点（PCC） ，而不针对各个具体的微电源 。 微型电网不仅

解决了分布式电源的大规模接入问题 ，充分发挥了分布式电源的各项优势 ，还进一

步保障了电力用户的供电稳定性和可靠性 ，带来了多方面的效益 。

因此 ，微型电网虽然也是分散供电形式 ，但它不是分布式发电技术发展初期的

孤立系统 ，而是采用了大量先进的现代电力技术 ，与集中供电的大型互联电网构成

有机统一的供电系统 ，其智能性与灵活性远在原始孤立的分布式发电系统之上 。

目前 ，美国 、日本 、欧洲等国家和地区已对微型电网进行比较深入的研究［14 ~ 16 ］ ，并

取得了一系列的理论研究和实际装置成果 ，国内众多研究单位也相继开始了对微

型电网的相关研究［18 ~ 20 ］ ，但仍处于理论探索阶段 。

1.1. 4 　 智能电网

当前 ，节能减排 、绿色能源 、可持续发展成为世界各国关注的热点 。 人类能源

发展面临的第一挑战 ，是以可再生能源逐步替代化石能源 、建造能源使用的创新体

系 ，以信息技术彻底改造现有的能源利用体系 ，最大限度地开发电网体系的能源效

率 。 因此 ，人们期望通过一个数字化信息网络系统将能源资源开发 、输送 、存储 、转

换（发电） 、输电 、配电 、供电 、售电 、服务 ，以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备

和其他用能设施连接在一起 ，通过智能化控制实现精确供能 、对应供能 、互助供能

和互补供能 ，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平 ，将污染与温室气

体排放降低到环境可以接受的程度 ，使用户成本和投资效益达到一种合理的状态 。

这就是智能电网（smart grid ，SG）的思想［21 ~ 25 ］ 。

所谓智能电网 ，就是电网的智能化 ，也被称为“电网 2. 0” 。 智能电网是建立在

集成的 、高速双向通信网络的基础上 ，通过先进的传感和测量技术 、先进的设备技

术 、先进的控制方法 ，以及先进的决策支持系统技术的应用 ，实现电网的可靠 、安

全 、经济 、高效 、环境友好和使用安全的目标 。 其主要特征包括自愈 、用户激励与互

动 、抵御攻击 、提供满足用户需求的高质量电能 、容许各种不同发电形式的接入 、易

于电力市场及资产的优化高效运行 。 智能电网的核心内涵是实现电网的信息化 、

数字化 、自动化和互动化 ，也被称为坚强的智能电网（strong smart grid） 。 智能局

域电网的简单结构示意图如图 1.1-2 所示［26 ~ 28］ 。

智能电网概念发展的三个里程碑如下［29 ~ 31 ］ ：

第一个是 2006 年美国 IBM 公司与全球电力专业研究机构 、电力企业合作开

发了智能电网解决方案 。 这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统” ，可

看做智能电网最完整的一个解决方案 ，标志着智能电网概念的正式诞生 。

第二个是奥巴马上任后提出的能源计划 ，拟全面推进分布式智能能源管理 ，建

立美国横跨四个时区的统一智能电网系统 。

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