（电工理论与新技术专业论文）超导磁储能系统在舰船电力系统中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec a p a c i t yo fm o d e m s h i pp o w e rs y s t e mi n c r e a s i n gr a p i d l y , t h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t ，s u c ha st h er e a l i z a t i o no f f u l lp o w e rs h i pa n dt h ea p p l i c a t i o no f , s e n s i t i v el o a d t oc h er e l i a b i l i t yo ff u t u r es h i pp o w e r s y s t e ma n ds t a b i l i t yo fv o l t a g da n df r e q u e n c yw i l lb e i m p r o v e dg r e a t l y m e a n w h i l e ，t h ei n t r o d u c t i o no fn e wc o n c e p tw e a p o nt os h i pe n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n ge n e r g ys t o r a g e ，l a r g ep o w e rd i s c h a r g e ，e n e r g yc o n t r o lw i t h h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hs p e e d i sd e f i n i t e l yr e q u i r e dal o t s m e sw i t ht h ea d v a n t a g eo f h i g he f f i c i e n c y , l a r g ee n e r g yd e n s i t y , e n e r g yd i s c h a r g e dq u i c k l ya n dc o n t r o l l e d ，c a nb e u s e dt or e s o l v es o m ed i f f i c u l t i e si nf u t u r es h i pp o w e r s y s t e m f i r s t l yt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ff u t u r es h i pw a sd i s c u s s e d ，a n ds o m ed i f f i c u l t i e so f s h i pp o w e rs y s t e mf a c e di nt h ec o n d i t i o no f n e w t e c h n o l o g yw e r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ev a l u eo fi n t r o d u c t i o no fs m e st of u t u r es h i pp o w e r s y s t e mw a sa n a l y z e d ： i m p r o v et h es t a b i l i t yo fs h i pp o w e rs y s t e m ，a c ta su p so fi m p o r t a n tl o a d ，p r o v i d e p u l s ep o w e r f o rn e w c o n c e p tw e a p o n t h e nt h ei n t e r n a t i o n a ls t u d ys i t u a t i o no fs m e s w a s s m n m a r i z e d ，t h ec o m p o n e n ta n dp r i n c i p l eo fs m e sw e r ei n t r o d u c e da l s o t h em a t l a b w a su s e dt ob u i l dt h ef u l lt i m ed o m a i nm o d e lo f s m e s ，a n dt h i sm o d e la n ds i m p l es h i p p o w e rs y s t e mw e r ec o m b i n e d t oa n a l y z e t h ec o n c l u s i o nw a sd r a w no u tt h a tt h ee f f e c to f s m e sp e r f o r m e di n i m p r o v i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs h i pp o w e rs y s t e m ，a n dt h e p r i n c i p l e o fs m e sc a p a c i t y p a r a m e t e r s c h o s e nt o i m p r o v es t a b i l i t y o f s h i pp o w e r s y s t e m ；t h ep r i n c i p l eo fs m e sc a p a c i t yp a r a m e t e r s c h o s e nt ob eu s e da su p sw a s a n a l y z e dw i t ht h ec o m b i n a t i o n o ft h ec h a r a c t e r i s t i co fs m e sa su p sa n dt h ec u r r e n ts h i p l o a d ；t h er e a l i z a t i o no fs m e su s e da sp u l s ep o w e rw a sc o n c l u d e d ，a n dt h ep r o c e d u r eo f c h a r g ea n dd i s c h a r g eo fs m e sp u l s ef o r m e dl o o pc i r c u i tw a ss i m u l a t e d ，a n dt h ep r i n c i p l e c h o s e no fd e s i g np a r a m e t e rw a sp r e s e n t e d f i n a l l y , t h em e a n so fe n e r g yc o m p r e h e n s i v e m a n a g e m e n t o ff u t u r es h i pp o w e r s y s t e mb ys m e s w a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi ns h i p s ：s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e s y s t e m ：p o w e rs u p p l yq u a l i t y ：p u l s e dp o w e rs u p p l y ；u n i n t e r m p t i b l ep o w e rs u p p l y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：茏刚印 2 悼r 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：茏烈冈 细耻年r 月i d 日 舯刻磁名夕哆 j ，一年乡月c ，日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 未来的战争将是科技力量的较量，可以说谁赢得了技术上的优势，谁就掌握了战 争的主动权。世界各国都在努力发展新技术，提高军队在战斗中的机动能力，信息处 理能力，武器攻击能力。 在现代舰船上，随着若干高新技术的应用，对舰船电力系统乃至整个能源管理系 统的要求必将越来越高。电力推进是舰船推进技术的发展方向”“。大功率电动机的 引入将对舰船电力系统在适应大的负荷变动方面提出新的指标。信息技术是舰船导 航、武器的目标搜捕、瞄准、跟踪等指挥、控制系统的关键。计算机是信息技术的重 要依托，由于计算机以及电子设备对电源电压的变化较为敏感，严重的电压波动将导 致计算机系统的错误甚至故障”1 。因此，对未来舰船电力系统的可靠性、电压、频 率的稳定性等技术要求必将大大提高。以激光、粒子束以及电磁炮为代表的新概念武 器将成为舰船的重要打击力量l l o - 1 4 j 。这类新概念武器大多需要大功率脉冲电源。这 对舰船能源管理系统、包括能量存储、大功率释放、能量高效高速控制的技术要求都 是前所未有的。因此，在未来舰船电力系统中，必须导入新的具有突破性的技术才能 满足技术发展对舰船能源以及能源管理系统的需求。 1 2 未来舰船电力系统发展趋势和面临的挑战 舰船电力系统是各种作战装备有效使用的保障系统。其在舰船系统中的地位随着 舰船自动化、电气化水平的不断的提高而日益提高。新技术的产生对舰船电力系统也 产生了很大的影响。结合传统舰船电力系统发展的特点可以看出，未来舰船电力系统 的特点如下： l i 1 ( 1 ) 电力系统的发电功率逐年增大”1 表卜1 所列为美国不同时期建造的各种类型舰船发电功书j 曾睦的情况。 图卜1 是几利，水面舰船发电功率逐年增k 的| 啪线。 华中科技大学硕士学位论文 图卜2 是中小型水面舰船单位排水量发电功率( 平均值) 的增长曲线。 ( 2 ) 电力系统的设备性能和供电指标有很大的提高” 现代舰船电力系统的设计是以最大限度地维持不间断供电为目标。由于船电技术 的发展，舰船电力设备已同趋完善。工业部门不仅能提供完整的发电机组系列、性能 优良的各种容量的自动开关和监视保护设备，而且船电设备的功能也显著提高。发电 机的快速调压调频设备提高了电力系统的静态和动态性能指标，同时也加强了系统承 受各种突然负载的能力。 表卜1 美国不同时期建造舰船的发电功率 、建造日期 舰船类i 、 早期前期近期 船型f f 1 0 4 0 f f g l f f - 1 0 5 2f f g 一7 护卫舰年份 1 9 6 21 9 6 51 9 7 5 功率 2 0 0 0 k w3 0 0 0 k w4 0 0 0 k w 船型d i ) 9 31 d d g - 2d d 9 6 3 1 9 9 3d d g 一5 1 驱逐舰年份1 9 5 3 1 9 5 8 1 9 7 21 9 8 6 功率2 0 0 0 k w 6 0 0 0 k w9 0 0 0 k w 船型 c g - 1 6c g 一2 6c g 一2 7 年份1 9 5 9 1 9 6 21 9 8 2 巡洋舰 功率4 0 0 0 k w 6 0 0 0 k w7 5 0 0 k w 船型 c v 一4 3c v n 一6 5c v n 一6 8 航空母年份 1 9 4 71 9 6 81 9 7 5 舰功率 1 0 0 0 0 k w4 0 0 0 0 k w6 4 0 0 0 k w 船型 a o e 一1a o e 一6 军辅船年份 1 9 6 31 9 8 7 功率 6 0 0 0 k w1 2 5 0 0 k w ( 3 ) 电力系统实现集中控制和自动化 电力系统的自动化是舰船自动化的一个组成部分。这也是舰船现代化的重要标 志。自动化技术的广泛运用充分发挥了电力设备的潜在功能，并使船员的操作量大人 下降，船员的数量减少。此外，自动化可以实现系统的最佳运行方式，提高了设备远 行的效率。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 舰船电力系统中广泛采用各种新技术 科学技术的发展也逐步改变了舰船电力系统的面貌。随着科学技术的发展、生产 力的进步，计算机技术同益渗透到各行各业、各个领域中，船舶电气设备不断地向现 代化和自动化发展的结果，就是计算机技术被越来越广泛地采用。运用在未来舰船上 的主要技术有：全电力推进技术、电子信息技术和自动控制技术、新概念武器的运用。 舰船在国防中充当中很重要的角色。考虑到在战场上的生存和攻击能力，新技术的运 用必能带来某方面的优势，为在战争中取得主动创造条件。当然，新技术的成本也会 大一些，因此很多技术也只是运用在军用舰船上。 9 2 51 9 3 01 9 3 51 9 4 01 9 4 51 9 5 0 1 9 5 51 帖0 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 5 年世 图卜l 几种水瑶舰船发电功率逐年增长的曲线 1 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 8 0 建造午份 图卜2 几种小型水面舰船单位排水量发电功率增长曲线 在未来的舰船中，大功率新型推进电机的运用使其电力系统发电容量增大，还有 高能武器系统的使用需要成倍的增加电力系统容量，另外声纳等设备都需要大功率供 4 2 o b 6 4 2乳乳 华中科技大学硕士学位论文 电。这些造成了舰船电力系统容量大幅度增加。以计算机为主体的信息综合管理体系 和各种电子设备对供电质量的要求比较高，所有这些对舰船的电力系统产生了新的要 求。具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 高品质的电能供应 大功率的推进电机在起动、制动瞬间对电网造成极大的冲击，电压陡降，会对舰 船电力系统造成很大的干扰，产生大的浪涌电压，对电子设备造成损坏；同时推进电 机在运行时要求频繁调速，需要电力系统能够及时快速地满足它的功率变动需求，这 种大功率变动必然引起电网电压和频率的变化，而电子设备如雷达、通信设备、声纳、 光电传感嚣、电子侦察与预警、导航设备等对电源系统的要求非常高。如果供电电压 过高，会损坏设备中的敏感电子元件，电压过低，也会影响设备正常工作；所以要想 同时满足大功率变动和高质量的电能需求，必须寻求新的解决方法。 ( 2 ) 可靠的电能需求 用电负荷对供电系统最基本的要求是可靠性，电子设备如果没有可靠的电能供 给，就会停止工作，而不能发挥应有的作用；同时，作为自动化指挥系统的核心设备 的计算机，其性能直接关系到指挥、控制、通信与情报系统的性能和效率，如果电能 供应不可靠，即使几毫秒的供电中断，其后果也是不堪设想的，轻则数据丢失、计算 机出错，重则使整个系统发生混乱，将会造成指挥失控，通讯中断，信息丢失。因此， 对未来舰船电力系统的可靠性要求越来越高。 ( 3 ) 脉冲负荷的需求 新概念武器以其发射速度快，方向性好，不受干扰等优点在潜艇上有很好的应用 前景。主要有两个方面的应用：一是对水面船只的攻击作用，破坏其推进系统：二是 潜艇间的近身格斗，可以摧毁鱼雷的武器，达到保护自身的目的，还可以对潜艇的推 进系统破坏，使其失去动力。未来将引入激光武器、粒子束武器、微波武器、电磁炮 等新概念武器。这些脉冲功率系统通过充电系统从电网吸收能量，如中等能量激光器 和高功率微波武器需要1 0 0 k w 到5 0 0 k w 的充电功率，并在毫秒数量级以内大功率 释放脉冲电能。 ( 4 ) 能源的综合管理 随着舰船电力系统容量的不断增大，对能源的有效管理产生了很大的问题。舰船 的电力系统是一个极其复杂的独立网络。如果对能量的管理不当，会造成大的功率损 耗，能源利用率降低，这对将来发展的不依赖空气推进系统( a i p ) 技术来既是很不 利的。另外，新概念武器的运用，需要短时间吸收和释放大功率，这对舰船能源管理 系统，包括能量储存、大功率释放、能量高效高速控制的技术提出了新的要求。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 舰船电力系统中应用超导磁储能系统的意义 超导技术是在电工行业具有巨大应用前景的技术之一”“。在最近十多年，超导技 术发展很快，已经开始逐步走向实际应用。这种应用已经发展到了在交流电流、在动 态电流、在电力系统中的应用。这主要归因于可用于交流电流的超导线材的开发成功、 高温超导线材技术的进步以及由此而发展起来的超导应用技术的研究热潮。在美国、 日本等工业发达国家，各类超导电力装置的试验样机已经相继试制成功。可以预料， 超导发电机、超导电动机也将在舰船电力系统、电力推进中发挥其充分的优越性”1 。 超导磁储能系统( s m e s ：s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ) 效率高、储能密 度大、释放能量快速、可控”、虽然以现在的技术水平要制造能在大容量电力系统中 调节系统负荷曲线的大型s m e s 还存在一定困难，但在巾小型s m e s 装置上已经获 得可喜的结果”“，小型的s m e s 甚至开始步入市场。如美国a s c 公司就可提供用于 改善局域电网供电质量的小型s m e s ，4 电t f j 也已经为美国空军研制了部分用于紧急备 用电源的小型s m e s 装置。他们还宣称可以制作微型到小型的高温超导s m e s 。在将 s m e s 用于紧急备用电源”和用于脉冲功率能量储存设备”1 1 等方面，也可以见到部分 研究报告。这些研究成果，初步显示了s m e s 在改善电力系统特性、提供不问断电源 以及在脉冲功率技术等三个不同用途上的可用性和优越性，这些特性将在未来舰船上 将具有广泛的应用空间，主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 提高舰船电力系统的动态特性：通过电力电子换流装置，s m e s 可以高效 地从系统中吸收并储存能量，快速地向电力系统提供有功、无功功率。因此，s m e s 可以补偿发电和用电之间的功率不平衡程度，调整发电机组向电网送出的功率以及负 荷点从系统中吸收的功率，从而提高系统的暂态稳定性；也可快速地对负荷的变化作 出响应，减小负荷波动对系统的影响。这适应电力推进过程中要求的功率变化，减小 负荷快速波动或发电机出力变化对电网的冲击。从而可以提高系统稳定性、抑制电压、 频率的波动，改善供电品质。保障舰船的指挥、控制系统的电子设备所必需的高质量 的电能供应。 ( 2 ) 重要设备的紧急备用电源：s m e s 与变流器相结合，可作为敏感负荷和智能 装罱的备用电源。当系统j 1 7 常时，s m ：s 被旁路，负荷由交流电网供f - ! l ；系统故障l ， 中央控制单元马i 二发出控制信号，切断交流电刚供f 乜，同州聃动s m f , s 装胃为负m 【 华中科技大学硕士学位论文 电；当交流电网恢复正常后，又切回交流电喇供电状念。s k i e s 装置能够避免由于供 电中断造成的计算机数据丢失、计算出错等设备和人身的重大事故的发生，它可以实 现后备电源的坤级的切换，甚至可以做到无扰动切换。另外，由于其内部电源转换 装置的作用，还可以避免由电网带来的各种电压波动和干扰，保证优良的输出电源品 质，极大地提高计算机等负载工作的稳定性和可靠性。s i d e s 储能密度高，储能线圈 本身没有电阻，基本上可以认为能维持永久电流，从而可以商效能地储存电能，作为 重要设备的备用电源。 ( 3 ) 新概念武器的脉冲电源：正在探索、研制之中的粒子束武器、自由电子激 光武器、微波武器和电磁炮都是威力强大的武器。这些武器需要高功率脉冲电源。高 功率脉冲电源的核心技术问题是研究高储能密度( k j k g ) 和高功率密度( k w k g ) 的脉 冲功率储能系统，而且要求脉冲放电波形可控性好、内i j t t d , 以满足不同负载的需要， 同时要求脉冲重复性好系统构成简单，因此提高储能密度、提高重复频率、使电源 轻量化、小型化和实用化是其未来的发展方向。 s m e s 的发展提供了解决上述难题的现实可能性。首先，s m e s 储能密度大；其 次超导电阻为零，可大大降低输入级的输入功率，功率密度大；更重要的是，s m e s 容易控制，可对脉冲放电波形进行控* l h 最后，由于超导线材的通电密度远大于铜等 常导导体，利用超导线材制成的储能装胃的体积和重量将远小于常规的储能装置。从 而可以实现电源的轻量化和小型化。 这三种用途对s m e s 的技术要求各不相同。为提高电力系统稳定性、改善电力品 质的s m e s 需要能快速从系统吸收和向系统提供有功无功功率，其响应时间需要达到 m s 级。为提供紧急备用电源的s m e s 需要具有足够的储能容量，能长时间的提供充 分的电力，对响应时间没有严格的要求。为脉冲功率电源的s m e s 则重点在于具有大 功率释放能量的能力，响应时间应小于m s 级。舰船装置对体积、重量的要求较高， 可以说。针对不同用途设计不同特性的s m e s 装备舰船是不经济的。如果综合设计一 台s m e s ，在舰船上实现一机三职：提高舰船电力系统稳定性、保障紧急备用电源和 提供脉冲电源，必将取得巨大的技术经济效益。 1 4 课题的来源 舰船电力系统是个典型的独立网络系统，其系统容最4 i 是 醚人，稳定性问题比较 ，t 重。随着现代舭船电气化程度不断提岛，择种新妓小装备的小惭犍旃，舰肌f 乜力系 统容姑不断增火，系统的稳定，陡问题史炎j | 。全l 乜力捕进小杆f 进 f 【机的霖射旗小 r j 以 华中科技大学硕士学位论文 跟发电机容量比拟，在电机启动、制动和调速的时候会对电网产生很大的冲击；舰船 的导航，数据处理，自动控制设备需要高品质的供电；脉冲功率等薪概念武器需要瞬 时大功率吸收和释放。这些都对未来舰船电力系统的能源可靠供应和管理提出了新的 要求。 s m e s 技术具有诱人的应用前景，是超导电力应用的主选课题之一。大型s m e s 项目由于投资昂贵等原因发展比较缓慢，目前更重视研究功率能量比较大的中小型 s m e s 在电力系统中的应用。美国、日本等国家都进行了中小型s m e s 的装置的设计 和实验，其中美国超导电力公司对1 m j 量级的成套s m e s 已可商业供货。中小型 s m e s 装置主要应用在局部小区域的电力系统中，可以用于改善系统的稳定性，提高 供电品质的应用。舰船电力系统是s m e s 的一个新的应用领域，s m e s 在舰船电力系 统中可以用来提高舰船电力系统的动态特性、作为重要设备的紧急备用电源、为新概 念武器提供脉冲电源。s m e s 所具有的优良特性能很好的满足未来舰船电力系统存在 的问题。一般中小型的s m e s 装置就可以满足舰船电力系统的要求，在投资方面可以 接受，目前超导制造工艺也可以很好的解决存在的问题，可以达到工程中应用的水平。 本课题研究正是在这一背景下展开的，是华中科技大学在中国船舶总公司提供的 经费资助下进行的预研项目，主要进行文献调研、软件设计和动模实验的研究工作。 1 。5 本文所作的工作 中小型超导磁储能系统可用于改善小型独立网络的稳定性，也可以作为秒级的备 用电源和提供大电流输出。由于其经济性和制造工艺有优势，所以成为超导电力装置 发展的重点。将s m e s 应用于舰船电力系统中实现：提高系统稳定性、不间断电源和 脉冲功率电源一机三职功能是一个崭新的课题。此课题完成以下目标： ( 1 ) 未来舰船电力系统的发展趋势和问题 ( 2 ) 舰船电力系统中引入超导磁储能系统后的动态特性 ( 3 ) 用于脉冲功率电源的超导磁储能系统的脉冲成形回路的设计和特性分析 ( 4 ) 不同用途的超导磁储能系统的参数估计 全文共分为7 章，具体章节安排如下：第一章对未来舰船电力系统的发展趋势作 了总结，指出了未来舰船电力系统面临的些问题。提出了s m e s 装置是解决这些问 题的有效途径；第二章介绍了当今国内外s m e s 研究概况阻及发展趋势；第三章介绍 了s m e s 的工作原理以及仿真模型的建立；第四章仿真研究了s m e s 提高舰船电力 系统稳定性的作用、作为不间断电源的优缺点，并且估订了两种用途对s m e s 的参数 华中科技大学硕士学位论文 要求；第五章分析s m e s 作为脉冲新概念武器的电源的特性，提出了合理的脉冲成形 方式，作了参数估计；第六章对用s m e s 实现舰船能源综合管理的方式做出了探讨， 针对一个具体的战舰提出了s m e s 实现一机三职的参数估计；第七章对全文作了总 结，概括了本论文的主要工作和研究成果，指出了今后有待进一步开展的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 超导磁储能系统研究概况 自1 9 1 1 年昂尼斯( o n n e s ) 发现低温超导电性以后，人们一直致力于将其应用于社 会生产与生活中。这个过程经历了漫长的时间。8 0 年代以前，超导技术基本上只能 应用于直流稳定电磁场条件下，而且，由于必须工作在液氦温区( 4 2 k ) ，其应用价值 受到一定程度的限制，在电力系统中应用超导技术一直是一个梦想。在最近十多年的 时间里，超导应用技术取得了巨大的进步，可用于交变电磁场条件下的超导线材研制 成功，可用于液氮温区( 7 7 k ) 的高温超导技术以及低温冷却技术也在不断进步。长期 停留在“愿望”水平的超导电力应用，终于显露出实际可用的价值【2 4 2 5 1 。 在电力系统中应用超导技术中，利用超导体的电阻为零的特性制成的超导磁储能 装置不仅可以高效地储存电能，还可以通过换流器与系统快速交换有功、无功功率， 为提高电力系统稳定性、改善供电品质提供了前所未有的有力手段。 在美国、日本、法国、德国等工业发达国家，超导发电机、超导变压器、超导电 缆、超导限流器以及超导磁储能系统和超导磁悬浮飞轮储能系统的试验样机均已相继 试制成功，部分装景通过了或正在经历长期试验运行以及联网试验运行的考验。超导 限流器、超导电缆以及小型超导磁储能系统已经开始进入市场。在电力系统中广泛应 用超导技术的时代即将到来。鉴于超导在电力行业属于一个崭新的研究领域，本文将 先介绍超导体电性，并在此基础和参阅近三十年来国内外相关文献的基础上，讨论了 超导磁储能装置的研究现状和发展趋势。 2 1 超导电性 2 1 1 超导体的三大基本特性 超导体具有零电阻特性、迈斯纳( w e i s s n e r ) 效应和约瑟夫森( j o s e p h s o n ) 效应等 三大基本特性。 ( 1 ) 零电阻 1 9 1 1 年，荷兰科学家h k o n n e s 在测量汞的电阻温度特性时发现，当冷却到4 2 k 时，汞的电阻突然消失。此种现象叫做超导，具有此种特性的物质叫做超导体，电阻 突然消失的温度叫做i 临界温度t c 。 从理论上理解超导电性经历了长期的过程。现在，对低温超导体的超导现象已经 华中科技大学硕士学位论文 可以用b c s 理论给予较为完全的解释。在临界温度以下，在超导体中的自由电子两个 两个地形成电子对库柏( c o p p e r ) 电子对。超导电子对将不因电子散乱而损失能 量。超导电流由超导电子对承载，因此不存在电阻。至于高温超导体，到目前为止， 还没有一个能全面解释其现象的总括性的理论。正是由于没有理论的指导，高温超导 材料的研究也就进展缓慢。 ( 2 ) 迈斯纳效应 迈斯纳效应是超导体的第二大基本特性。对超导体，无论是先加磁场再将之冷却 到摇界温度以下，还是冷却到临界温度以下后再加磁场，超导体内部的磁场感应强度 都是零。就是说磁通线不能通过处于超导态的超导体，即它是完全抗磁性的。 ( 3 ) 约瑟夫森效应 超导体的第三大特性产生于超导体绝缘薄层超导体形成的超导结上。这 种超导结有着和一般导体或半导体形成的结完全不同的电子隧道效应。约瑟夫森效应 主要应用于超导电子学、微弱电磁场测量等领域。 2 1 2 超导体的三个临界值 ( 1 ) 临界温度 超导体具有临界温度，在此温度之上，它不具备超导电性，超导体必须冷却到临 界湿度以下才会转变为超导态。不网的超导体有不同的临界温度。n b t i 和s b 3 s n 是 线材技术较为成熟的两种超导体，临界温度分别为9 k 和1 8 2 k 。n b t i 和n b b s n 都必 须运行于液氦温区( 4 2 k ) ，冷却技术比较复杂，运行费用也较高，这制约了超导技术 的广泛应用，也使人们长期形成了超导技术的实际应用为时尚早的看法。 在8 0 年代后期，人们发现了临界温度达到液氮温区( 7 7 k ) 以上的超导体高温 超导体。由于液氮远比液氦资源丰富、价格低廉，高温超导的发现，给超导应用技术 带来了巨大的希望。 ( 2 ) 临界磁场 当超导体承受的磁场达到一定强度时，超导电性也会消失，即超导体有临界磁场。 不同的超导体其临界磁场值也不同。早期发现的单一金属超导体的临界磁场值均不 高，如h g ：0 0 4 y ， i ：0 0 i t ，s n ：0 0 3 t ，这是在发现超导电性后相当长时期内郝 无法实际应用的一个重要原因。 ( 3 ) 临界电流密度 由于电流会产生磁场，所以，当通过超导体的电流达到一定程度时也会使超导体 o 华中科技大学硕士学位论文 失去超导电性，即超导体存在临界电流密度。在实际应用中，超导体的断面积是确定 的，为了方便，工程上常用临界电流值表示临界电流密度。 2 1 3 低温超导线材 从现在低温工程学发展来看，制冷与低温可以看成四个温区，如表2 - i 所示【2 6 】。 表2 - 1 制冷与低温温区的划分： 名称温度范围应用领域 制冷室温1 2 0 k空调、冷藏 低温 1 2 0 4 2 k气体分离、超导、激光、信息、空间技术、低温生物 超低温 4 2 0 i k与医学、低温物理与低温技术 o 1 o k 极低温基础研究 ( 1 0 飞) 由表2 - i 可看出，超导主要处在低温温区。而b c s 理论指导下的金属系超导体的 临界温度不会高于4 0 5 0 k ，并主要由液氮来冷却，因而被称为低温超导体。目前， 所发现的低温超导材料的临界温度最高的只有2 3 2 k 。 目前，绕制低温超导磁体线圈的材料主要是n b t i l 27 】和金属化合物n b m s n ，它们均 需在液氦( 4 k ) 温区工作。n b t i 的机械加工性能好而n b 3 s n 的临界电流、临界磁场、 临界温度都优于n b t i ，但机械加工较难。 为了减小超导线材在变化磁场中的交流损耗，提高超导稳定性，一般实用低温超 导线材的基本结构是：将直径在ui l l 级的超导细丝埋置于电阻率较大的金属( c u 或 c u n i ) 基材中形成单股线。单股超导线的直径在m i l l 级，电流容量十到几十安培。然后， 再将多根单股线绞合成通电容量更大的实用导体。 虽然目前低温超导线材已基本达到了可以在小型s m e s 上使用的水平，但必须在 液氦温区下才能维持超导状态。这使超导的经济优越性受到了限制。 2 i 4 高温超导体 1 9 8 6 年，瑞士苏黎世实验室贝德诺兹( j gb e d n o r z ) 和缪勒( k a m u l l e t ) 发 现了l a b a c u o 的超导体( 临界温度t c = 3 0 k ) ，为高温超导研究揭开了新的一页。以后 几年，临界温度一个比一个高的超导体被相继发现，现在临界温度最高已达1 3 5 k 。 由于不能用b c s 理论来解释，所以新发现的这一类超导体被称之为高温超导体。现在 常用的是铋( b i ) 系的b i 2 s r 2 c a c u 2 0 8 ( 记为b i 一2 2 1 2 或b s c c o 一2 2 1 2 ，临界温度8 0 k ) 、 华中科技大学硕士学位论文 b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 ( b i 一2 2 2 3 ，8 s c c 0 - 2 2 2 3 ，1 1 0 k ) 和铱( y ) 系的y b a 2 c u 3 0 7 ( y - 1 2 3 ， y b c o - 1 2 3 ，9 0 k ) ，y b a 2 c u 4 0 8 ( y - 1 2 4 ，y b c o - 1 2 4 ，8 0 k ) 高温超导体。 临界温度超过7 7 k 就可以在液氮冷却下处于超导态。与液氮相比，液氮资源丰富、 价格低廉、制冷容易。举例来说，要用冷冻机补充超导装置中因1 w 的热量蒸发掉的 + n a 冷却媒体，冷却媒体为液氦时需要消耗5 0 0 1 0 0 0 w 的功率，液氮则只需要i o 5 0 w ”1 。 高温超导的发现，大大提高了超导技术的应用价值 就在2 0 0 1 年一月，克罗地亚的d d j u r e k ，z m e d u n i ，h t o n e j ca n dm p a l j e v i 等宣称研制出了临界温度达到1 4 0 k 的高温超导体，其化学结构为a g ，p b 6 c c h 【2 8 】。如果 得到验证，那么崭新的超导应用热潮将立即到来! 当然，高温超导体也有它固有的不足之处，主要表现在： ( 1 ) 具有陶瓷的机械性质，拉伸性、可挠性等机械特性较差； ( 2 ) 由于加工性能差，难以像金属系低温超导体那样做成直径um 级的极细丝多 芯线，交流损耗比低温超导线材高； ( 3 ) 各向异性的电磁特性。 2 i 5 高温超导线材 高温超导线材技术的开发，主要集中在b i 系和y 系高温超导体。主要方法有包 套管法( p i t ：p o w d e ri nt u b e ) 和在金属带基材上镀膜的方法。镀膜的方法包括沉积、 喷涂等多种方法，如激光镀膜、等离子体镀膜等均可用于超导镀膜。包套管法是先将 原料粉末装入银管，通过挤压、拉伸成型，然后烧制的工艺流程。利用这种方法，己 经开发出长度k m 级的b i 系多芯超导线材。美国a s c 研制成功了在5 r a m x1 衄的断面 内，芯数达3 0 0 1 8 0 0 根，临界电流密度达1 0 a c d 的b i 系高温超导线材。y 系高 温超导体的磁场特性优于b i 系，但是，其线材制作技术还不成熟。这主要是y 系晶 粒间结合较弱，难以采用包套管法，目前采用沉积、喷涂等镀膜的方法可以制造长度 为m 级的y 系超导线材。 除了美国，日本等发达国家也已制造出5 0 一1 0 0 0 m 的b i 系超导线材1 2 现，并具有 制造j c 2 0 k a c m 2 、交流损耗 l k m 的b i 系超导线材的能力。现在， 高温超导线材虽已接近或达到可用于超导电力装置的水平，但与低温超导线材相比， 仍有一段差距，尤其是在交流损耗上差距更大。为此，各国均在致力于开发交流高温 超导线材，以期使高温超导线材达到实际应用水平p “”j 。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 6 超导线材实用性评估 超导线的临界电流密度可达到1 0 3 a c m z ( 低温超导) l o o a c m z ( 高温超导) 级，冷 却条件好的铜导线的容许电流密度只有1 0 a c m z 级，超导线的电流密度可比铜导线高 出2 个数量级以上。这是除了超导零电阻特性外，超导电力技术具有相当大的优越性 的一个主要原因。但是，评估超导线材是否达到了在电力系统实用的水平，除了考虑 临界电流密度i “临界磁场强度h c 以及i c 在磁场中的变化特性外，还要考虑线材 长度、机械性能、生产成本以及实际可达到的导体电流容量等综合指标。 低温超导线材在以上这些指标上，除了在负荷调峰用大型超导磁储能装置上还有 一定的难度外，对于中小型s m e s 、发电机、变压器、电缆以及限流器，均基本达到 要求。 按现在的线材工艺水平，高温超导线材的临界电流密度达1 0 4 a c m 2 ( b i 系) 1 0 5 a c m 2 ( y 系) 级，长度b i 系达l ( i n 级，y 系在m 级。a s c 公司的1 9 9 9 年新开发的b i 系线材可达到抗4 0 0 m p 的张力，可承受0 5 的变形p ”。日本1 9 9 8 年就成功制造了断 面积7 m m x 2 m m ，芯线直径0 8 m m 的高温超导导线，并由此合股制成了芯线3 0 0 根， 通电容量3 5 k a 的大型高温超导导线。可以说，b i 系高温超导线材基本达到了在电 力装置中应用的水平。实际上，高温超导变压器、电缆、限流器、小型储能装置以及 发电机的励磁绕组均已经试制成功。而且，由于受到高度重视，高温超导线材的技术 水平发展很快。在1 9 9 9 年一年时间内，美国h s c 生产的高温超导线的工程临界电流 密度( 计算线材中非超导体的面积) 从8 k a c m 2 提高到了1 4 k a c m 2 ，增加了7 7 。a s c 现在年产b i 系高温超导线材2 0 0 k m ，价格在3 0 0 美元k a m 。a s c 预算，如果需求扩大 使高温超导线材年产量增加一倍，则价格可降低到5 0 美元k a m 。他们的目标是将价 格降到1 0 美元k a f f i ，达到和铜导线相当的水平。 在介绍了超导电性和线材的基础上，下面将就超导磁储能装置在国内外的发展状 况作一介绍。 2 2 超导电力装置概况介绍 人们早已预测，在超导技术和电力电子技术不断发展的基础上，超导技术将逐步 应用于各种领域。一旦超导技术得以广泛应用，将使社会生产发生又一次大的飞跃， 尤其是对于电力工业的深远影响。八十年代以来，超导产业的兴起和高温超导技术的 华中科技大学硕士学位论文 突破，使得这一前景更加明朗。而在超导电力应用中，超导磁储能系统对电力系统动 态特性影响巨大，是非超导技术难以实现的装置之一，也最能体现超导技术的优越性， 有着广泛的商业应用前景，因而成为各国超导电力应用研究的重要课题。 超导电性的应用前景是令人神往的。超导特别是高温超导的广泛应用，其意 义可与电的发明相比拟，毫无疑问，超导将成为2 1 世纪技术革命的动力。 超导的应用通常分为两大类；一类叫做强电应用，另一类叫弱电应用。这里，关 于超导在电力系统的运用：超导磁储能、超导发电机、超导变压器、超导输电电缆、 超导限流器的超导线圈等等，它们都是利用超导体负载大电流并产生强磁场的能力， 属于强电应用范围。 表2 2 列出了各类超导电力装置的主要优越性能。可以看出，超导体所具有的优 良电气特性为从根本上解决电力系统中的若干技术难题，如提高系统稳定性、提高大 容量高密度送电能力、解决断路器开端容量不足的问题、简化电网结构、降低电网损 耗等提供了一条崭新的途径，引入超导技术可以在系统的经济性、技术特性等诸多方 面取得巨大的收益。 表2 - 2 超导电力装置的主要优越性【3 1 1 主要特点 a 效率可提高0 5 1 | 6 b 重量和体积均可减少约5 0 发电机c 同步电抗降到1 2 1 5 ，送电极限提高约3 0 d 可全容量发出无功功率，运行调节性能更好 e 。更大的单机容量( 2 3 倍) a 重量和体积可减小到3 0 7 0 变压器b 效率从现在的9 9 再提高0 卜0 2 c 阻燃 a 同一电压等级送电容量提高3 - 1 0 倍 b 同样容量，送电通道只需1 3 1 2 输电电缆 c 送电损耗减小2 3 ( 使用高温超导时) d 通过地下送电不破坏环境景观，无电磁污染 a 解决断路器开断容量不足的问题 限流器b 减轻相关电气设各的机械热等技术指标，降低成本 c 改善电力系统的动态特性 华中科技大学硕士学位论文 在众多超导电力应用技术中，超导磁储能装置因其可以高密度地储存电能，并可 快速向系统提供有功、无功功率等特点，获得了广泛的应用。大型s m e s 可以作为负 荷调峰，中小型s m e s 可以补偿负荷变动，抑制频率波动及电压突降，改善系统稳定 性，还可用作分散电源系统中的储能设备、紧急备用电源等特殊装置。因此，在超导 电力应用中前景更为光明。 由于s m e s 具有上述的这些优越特性，近三十年来，它一直是发达国家研究的热 点。下面，将简要介绍超导磁储能装置在国内外的研究状况和发展趋势。 2 3s m e s 的研究概况 s m e s 在电力系统中的应用首先是作为一种平衡电力负荷的装置提出的。1 9 6 9 年， f e r r i e r 构想用一个很大的超导磁储能装置来平衡法国电力系统中的日负荷变化。当 时，预计核电将大量用于电力系统，其特点是要求其功率输出在数月乃至数年内保持 恒定。研究高效的储能装置以解决日电力需求变化所带来的困难成为人们关注的热 点。在s m e s 中，由于超导体电阻为零，能量储存时的损耗极小，s m e s 的效率可达9 0 以上，比抽水储能、飞轮储能和蓄电池储能的效率高得多。 由于s m e s 与电网的功率交换非常迅速，加上电力电子技术的发展，s m e s 能同时 与系统分别独立地进行四象限有功功率、无功功率的交换，人们提出了将s m e s 用于 抑制远距离交流输电系统上发生的低频振荡现象。 2 3 1 超导磁储能装置国外研究概况 1 9 7 1 年，在w i s c o n s i n 大学应用超导研究中心b o o m 和p e t e r s o n 带领下，发明 了一个由超导电感线圈和三相a c d c 格里茨( g r a e t z ) 桥路组成的电能储存与交换装 置，并对格里茨桥在能量储存单元与电力系统相互影响中的作用进行了详细地分析和 研究。他们发现