超导电力技术的研究现状与展望

超导电力技术的研究现状与展望

0完善超导体器稳定性的技术研发随着能源系统容量的增加、系统结构的复杂性以及供电用户对供电质量要求的提高，供电系统出现了一些技术问题，如能源安全、高密度电源、高质量供电、高效传输等。超导电力技术是受国内外广泛关注的一项前瞻性技术,将其引入电力系统会为解决电力系统的固有技术难题提供一条新的技术途径。因此,从电力系统建设、管理、运行及电力设备市场出发,我国均应大力加强超导电力技术的研究与发展,开发出性能先进、市场竞争力强、有自主知识产权的超导电力设备。目前,超导电力技术已进入高速发展时期,部分超导电力产品已进入商品化阶段,若干超导电力设备,如超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁储能系统等已在电力系统试运行。然而,由于电力系统的重要性、电力设备运行条件的复杂性,电力系统对于全面接受超导电力装置的准备还不充分。首先,在电力设备性能鉴定方面,目前还没有规范的标准方法,也没有一个能对超导电力装置进行性能检测的实验基地,无法对超导电力装置是否具备入网条件进行科学判断。其次,超导电力装置进入电力系统后对电力系统产生何种影响,其装置如何和现有庞大的系统、复杂的控制相互协调没有充分的研究。同时,在若干超导电力装置的关键部件上仍需进一步提高技术性能及可靠性。基于此,国网武汉高压研究院与华中科技大学对超导电力技术的发展现状、关键课题、特别是超导电力装置的性能检测方法进行了基础性研究,在此基础上,筹备建设和发展超导电力技术检测实验室,为超导电力技术进入实际应用奠定基础。1超声、电缆、磁储能系统超导技术的进步逐步形成了超导电力这一新的概念。美国、日本、欧洲乃至韩国等经济发达国家和地区均对超导电力技术给予了极大的关注,政府主导投入超导电力的研究工作,且有若干电力公司、电力设备制造厂家、甚至国防研究部门均开展了与超导电力相关的研究工作,已相继研制成功了输电电缆、限流器、磁储能系统、变压器、发电机和电动机等多种超导电力装置的实验样机。我国也在“十五”期间开发了多种超导电力装置。在Bi系高温超导带材走向商品化后,超导电力的研究开发重点已转移到高温超导。表1为国内外近年来超导电力装置的主要研究项目[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]。目前,高温超导电缆、限流器、变压器和电动机已进入示范试验运行阶段,高温超导磁储能系统也有相应的试样样机问世。同时小型低温超导储能系统的产品已出现。超导电缆的发展经历了交、直流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程。随着临界温度>77K的Bi系高温超导线材技术的进步,交流高温超导电缆已成为超导输电电缆研究的主流。超导限流器(SFCL)在正常运行时处于超导状态,损耗极小,在系统发生故障时能立即转为非超导状态,瞬间限制短路电流维持系统稳定,当故障电流消失后立即恢复正常状态。正常情况下SFCL导电状态的跃变可在<1ms内完成。电力系统采用SFCL后系统设备的短路容量可大为减少,增大电网的输送容量与规模,减少设备投资。SFCL的形式多种多样,其主要发展趋势有2种:①利用超导体的失超特性实现短路电流的抑制,其优势在于原理和结构都很简单,可实现故障自检;②与电力电子技术结合,充分利用超导体提高限流器的无阻载流能力。这种限流器具有良好的动作特性,灵活可控,与柔性交流输电(FACTS)技术结合有向多功能化发展的趋势。超导发电机、电动机特别受军方关注。绝大部分超导电机研究项目都与舰船推进技术相关。美国研制的超导推进电机其容量也接近实用化。早期的低温超导电机如日本的Super-GM项目进行得最为成功,日立、东芝、昭和电缆等大型电力设备厂以及低温、真空企业都参与了该计划,研制了70MW的发电机,并实验了多种绕组结构。现在的电机研究项目一般均采用高温超导,在美国海军的支持下,美国超导公司、GE公司均开展了船舶推进用电机的研究工作,其最大容量已接近实用水平。我国武汉712研究所也正在研究超导电机。变压器是现代电力系统中用量较大的设备,其技术较成熟。以损耗为例,现代技术的变压器的效率>99%。超导变压器[23,24,25,26,27,28]须体现充分的优越性才有可能替代常规技术的变压器。MVA的高温超导变压器已在电力系统试运行。利用超导体去掉铁心可制作空心变压器。超导磁储能系统(SMES)储能效率高、响应速度快、能四象限实现有功、无功功率补偿,对提高电力系统的安全性和改善供电品质有较好的技术性能。SMES可作为UPS使用。美国超导公司的中小型低温超导SMES已实现商品化,目前,已研制成功若干小型的高温超导SMES的实验样机。华中科技大学在“十五”863计划的支持下,研制了用于提高电力系统稳定性的直接冷却高温超导SMES,并成功进行了动模实验。在超导电力装置中,通过电流引线侵入低温环境的热损耗占整个低温系统损耗的绝大部分。为提高超导电力装置的效率,抑制电流引线的热侵入是很重要的技术课题。在电流引线的研究工作中,有单纯常态导体(铜)和引入高温超导体的二元复合引线2大类。在二元复合引线中,大多采用高温超导棒材,也有采用高热阻材料包套的高温超导线的尝试。目前,YBCO系高温超导材料、MgB2等新超导材料的导线制备技术也在快速发展。随着这些新材料的实用化,超导技术进入电力系统的步伐必将加快。2超声电力技术在电力系统中广泛应用超导技术须解决经济性、技术优越性、与现行技术的兼容性、安全可靠性等4个基本问题。对于经济性,就目前的水平必须降低超导电力技术的成本。但是,超导电力技术的经济性应在考虑引入超导技术给电力系统带来的总体经济效益后进行综合评价。有研究表明,在大城市电网中采用超导电缆技术时,虽然超导电缆本身的成本和运行费用较高,但是,大容量的高密度输电可降低城市电网的电压等级、改善和优化大城市电网的网络结构、潮流分布,使整个系统的网损下降。超导电力技术在电网损耗、输电走廊和电力设备占地、电压等级等方面可带来巨大的附加效益。在技术优越性、与现行技术的兼容性以及安全可靠性方面,则涉及到若干超导电力技术本身的关键技术课题。超导电力技术涉及电气工程、物理学、材料科学、低温工程和自动控制技术等多门学科,是多学科交叉的一门新技术。许多有待研究的关键技术都包含目前电工学科所涵盖的内容,如电能的产生、传输与储存、低温下的高电压与电气绝缘、基于电磁学的电气设备、低温下的电工测量与传感器、场强环境电磁学等。超导技术离不开低温,低温技术为超导提供了最基本的运行条件,直接关系到超导设备的效率和安全可靠性。超导电力离不开超导材料的支持,但同时又是超导材料的最现实、最重要的应用领域,二者互为依托,相互促进。在电力系统中应用超导技术,特别是应用超导储能系统时,电力电子是不可缺少的技术手段。2.1超出能源技术的基础课题1系统运行阶段实用超导材料在不断发展。最初,人们只尝试使用低温超导导线,需要液氦冷却,所进行的超导电力技术研究仅是实验室验证性研究。上世纪80年代中期,Bi系高温超导导线实用化,超导电力装置可在液氮冷却条件下运行,使超导电力技术进入了系统试运行阶段。现在,Y系超导带材,即通常第Ⅱ代高温超导带材的制备技术正在走向成熟和实用化,MgB2超导体的实用导线技术也取得了长足进步。超导电力技术的规模化应用有可能在这一代超导材料上取得巨大的发展。在电力系统中运行的超导电力装置必将遇到如系统短路故障、瞬时负荷变化等各种动态过程,承受短路大电流、不平衡电流的冲击及由此产生的电磁、机械应力的作用。因此,对于超导电力装置,应有一整套在充分考虑超导材料特殊电磁特性的基础上形成的有充分理论依据的设计、运行和保护准则。为此,必须研究以下几方面的基础课题:①超导材料的电磁物理特性;②超导电力装置的电磁优化设计;③超导电力装置的监测保护(含失超保护);④低温绝缘特性及设计。2不同类型装置的模型分析电力系统短路等引起的复杂振荡,是以往非电力用超导装置所不具有的运行环境,与传统电力装置相比,超导电力装置具有许多完全不同的特性,这种特性必会对电力系统动态特性产生影响。在这种系统和装置相互作用下,会在已形成的现代大规模电力系统的高阶非线性复杂动态模型中引入完全不同类型的数学方程,二者结合将带来许多新的学科问题,对传统的电力系统理论提出新的挑战。为此,需要在深入分析各种超导电力装置的工作机理和电磁特性的基础上,研究超导电力系统的运行、规划、稳定、经济优化和安全保障理论等,并研究超导电力装置的内部动态特性和与电力系统动态相互作用的机理。主要包括①超导电力装置的动力学建模研究;②超导电力装置与电网的匹配协调运行;③含超导电力装置的电力系统理论问题几个方面。3超声限流器、超声储能系统与集成控制电路包括故障的快速检测、判断和预测、电能质量和系统稳定性问题的实时同步跟踪,基于此应研究相应的应对措施及装置的控制策略、控制方式和拓扑结构。在超导限流器、超导储能系统中,常应用到大功率电力电子能量变换、控制装置。由于超导电力装置不同于传统电力装置的动态行为,将在装置级和系统级2个层次上对自动控制提出更高的要求。尤其是超导电力装置的应用将改变传统电力系统中快速可控元件主要集中于电网端部节点的发电机和负荷的局面,使电网各环节都可能出现快速可控元件,这将对各类快速可控装置的协调控制提出更高的要求和新的挑战。4电力装置效率超导电力技术是综合性学科。低温技术是实现超导状态的基本条件及关系到超导电力装置效率的重要技术,更制约着超导电力装置长期运行的可靠性。SFCL、超导储能装置等需要大容量、高效率、高功率密度的快速、准确能量双向交换系统。超导电力相关的交叉学科主要有:①电力电子;②低温技术;③真空技术等。2.2超强能源关键设备的关键1电解电解行业高温超导电缆主要用于中低电压等级和短距离大电流的场合,如城市配电、发电厂、变电站母线、电镀电解行业等。高温超导电缆以10～110kV电压等级的电缆研发为切入点,重点解决超导电缆的优化设计、电磁兼容、低漏热终端技术、低温系统的集成技术、电缆的绝缘技术等,促进短距离大电流超导电缆的实用化。推动110kV及以上电压等级大容量高温超导电缆的实用化。2smes新的smesSMES的发展主流是小型分布式储能系统,主要用于改善用户端的电能质量和供电可靠性,中等规模的SMES也可用于输电网以改善电网的稳定性。若SMES以MJ/MW级小型SMES的产业化为切入点,可解决SMES所涉及的快速充放电超导磁体技术、斩波器和换流器的关键技术和优化控制问题,并逐步发展中大型SMES。3研究新型高温sfcl的新特性SFCL种类较多,其关键技术在限流水平设置、断路器和继电保护的协调动作以及限流后系统恢复等方面。研制新原理的SFCL是一个热点。从系统应用角度看,高温SFCL将从开发适用于配电网的示范样机开始,逐步向适用于高压输电网(电压等级≥110kV)的方向发展。即以≤110kV电压等级的实用化高温SFCL的研究开发为切入点,解决样机的关键技术及其与电网匹配协调运行的问题。41超级床在今后相当长的时期内,超导电机的发展重点是舰船应用的推进电机。低温系统、力矩传导、复杂绕组及其电磁设计应是发展的关键。3超声电力装置性能检测方法为适应电力工业快速发展的需要,一方面需研究和应用特高压输电技术,包括交流1000kV和直流±800kV输电技术和相关电力设备,以适应和满足大容量、远距离输电的直接和现实需要;另一方面,从现在起应对超导输电技术和装置在电力系统中的应用及性能检测开展前瞻性研究。国网武汉高压研究院现有特高压交流试验基地、特高压户外试验场和高电压计量试验大厅,具有电力电缆、变压器、互感器、电瓷与防污、带电作业工具、避雷器、高压仪器仪表、低压电器8个专项电力设备检测实验室。还计划建设超导电力装置的检测实验室。这些实验室可对特高压及以下各电压等级的电器设备进行技术性能检测试验。超导电力装置的性能检测技术与增强超导电力技术的可靠性密切相关。为使超导电力装置进入电力系统,必须研究其检测方法、检测标准等关键技术,以实现对研制开发的超导电力装置进行全面而科学的性能检测,保证运行的超导电力装置具有良好的技术和可靠的运行性能。由于超导电力装置具有超导体的基本电磁特性,即在临界电流、临界磁场与临界温度范围内的零电阻特性,因此,超导电力装置的试验、检测内容及方法与常规电力装置相比有其特殊性。在对其研究时,除对常规试验项目重新考量外,更要从具体装置的电磁特性入手,检测超导电力装置的电磁特性。超导电力装置的性能检测可分为超导性能、低温系统、低温绝缘及作为电力装置的常规电气性能检测。目前,已有部分大公司注意到超导电力装置实验检测的重要性,开始建设相关的实验基地。在美国,由于政府部门和大公司的高度重视和参与,凭借强大的人才、科技和资本优势,使其超导电力应用的研究开发工作一直走在世界前列。在美国能源部的支持下,南方电线公司联合OakRidge国家实验室等几家科研单位和公司共同设计、建立了一个多功能高温超导电缆测试实验室,该实验室可对长度为1～5m的高温超导输电电缆及其终端、制冷系统进行测试,验证其在电力系统中的应用可靠性,进一步促进高温超导电缆的开发。在我国,有关超导电力装置的实验检测方法、标准的研究几乎空白,与当前超导电力技术的发展水平不相适应。国网武汉高压研究院和华中科技大学合作启动了超导电力装置性能检测方法、实验规程或标准的研究工作。超导电力装置试验项目见表2。第一部分必须实验所有超导电力装置通用的实验内容,另外,除若干常规电力装置的整体性能实验方法外,还须包括超导导体电磁特性、低温绝缘、低温系统性能检测、交流损耗等特殊内容。准确把握超导导体的电磁特性对于优化超导电力装置的电磁设计是必要的。在多层导体缠绕的输电电缆导体中,因超导体电阻极小,在层间甚至导体间感应电势的影响,极有可能层间产生分流不匀甚至环流的问题,影响整个电缆导体的通流能力。在超导变压器、