柔性電力技術(shù)第1章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)

1、柔性電力技術(shù)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主講：劉興華山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院http:/http:/http:/課程內(nèi)容 第一章 電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù) 第二章 電力變換電路與控制 第三章 發(fā)電領(lǐng)域的電力電子技術(shù) 第四章 直流輸電技術(shù) 第五章 輸電系統(tǒng)柔性并聯(lián)補(bǔ)償 第六章 輸電系統(tǒng)柔性串聯(lián)及混合補(bǔ)償 第七章 柔性化用電與負(fù)荷特性第一章 電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)第一節(jié)：電力系統(tǒng)特點(diǎn)以及柔性化的必要性1 柔性電力技術(shù)的定義：柔性和非柔性 基于電力電子技術(shù)在電能的產(chǎn)生，輸送與應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)對電能的質(zhì)量進(jìn)和形態(tài)進(jìn)行快速、精確控制的技術(shù)。柔性電力技術(shù)實(shí)施的核心是電力電子技術(shù)。提出者：美國電力科學(xué)研究院的學(xué)者Nar

2、ain Hingorani 2 電力系統(tǒng)的目標(biāo)(1)可控性好，形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)。(2)潮流可控，安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。 (3)模式多樣、質(zhì)量可控的配電系統(tǒng)。(4)調(diào)節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)。3 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn) 電力系統(tǒng)是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應(yīng)用而構(gòu)建成的人工系統(tǒng)。依據(jù)電能的流程可劃分為發(fā)電、輸電、配電和用電四個(gè)組成部分。 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括：發(fā)電機(jī)、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的用電設(shè)備及保護(hù)與控制設(shè)備。 單機(jī)無窮大系統(tǒng),以空載電動(dòng)勢和同步電抗表示的功角關(guān)系: 變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)可具有調(diào)節(jié)高壓線路無功潮流的作用。(3）架空輸電線路 4個(gè)參數(shù)： 由

3、導(dǎo)體電阻率引起的串聯(lián)電阻R， 由相與地之間漏電流引起的并聯(lián)電導(dǎo)G， 由導(dǎo)體周圍磁場引起的串聯(lián)電感L， 由導(dǎo)體之間的電場引起的并聯(lián)電容C。線路的功率傳輸特性（只考慮在功率傳輸分析中起主導(dǎo)作用的電感參數(shù)） 缺點(diǎn)：改變潮流的局限性 (4)負(fù)荷 電壓、頻率調(diào)節(jié)特性較差，即負(fù)荷從系統(tǒng)取用的功率隨系統(tǒng)電壓、頻率的波動(dòng)而發(fā)生變化. 這對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行往往是有利的，但對用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行則是不利的。 (5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點(diǎn)： 電能不平衡影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 各發(fā)電機(jī)組間必須嚴(yán)格保持同步。 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定 供電模式單一。 電能質(zhì)量控制主要以靜態(tài)調(diào)節(jié)為主。 用電

4、負(fù)荷電能利用調(diào)節(jié)性能較差，電能利用率較低。1.3 柔性電力技術(shù)的概念、分類和應(yīng)用示例1、發(fā)電領(lǐng)域中的柔性化技術(shù) 1）可變速抽水儲(chǔ)能技術(shù)(ASPS，Adjustable Speed Pump storage)2）風(fēng)力發(fā)電中的雙饋感應(yīng)發(fā)電技術(shù)(DFIG，Double Feed Induction Generator)3）太陽能發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)技術(shù)(PC，Power conditioning)4）靜止勵(lì)磁系統(tǒng)(SE，Static Exciting)5) 新的發(fā)電方式2、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)1）高壓直流輸電(HVDC，High Voltage DC)2）靜止無功補(bǔ)償（SVC，Static Var Co

5、mpensator） 又稱STATCOM3）靜止無功發(fā)生器（SVG，Static Var Generator) 4) 可控串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備(TCSC：Thyristor Controlled Series Compensator)5）統(tǒng)一潮流控制器（UPFC Uniform Power Flow Controller)6）大容量超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。（SEMS，Super-Conducting Magnetic Energy Storage)7) 靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC，Static Synchronous Series Compensator)3、配電網(wǎng)中的柔性化技術(shù)。1）配網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器(D-

6、SVC，Distribution Static Var Compensator)2) 配網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器(D-SVG，Distribution Static Var Generator)。3）有源電力濾波器(APF，Active Power Filter)4）固態(tài)斷路器(SCB，Solid-state Circuit Breaker)5）輕型直流輸電.(HVDC-Light)。6)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR，Dynamic Voltage Regulator) 7)配電系統(tǒng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能(D-SMES Distribution-SMES)8)不間斷電源(UPS，Uninterruptible Po

7、wer Supply) 9)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQR，Uniform Power Quality Regulator)(4)用電設(shè)備的柔性化技術(shù)。1)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速(VFD，Variable Frequency Drive)2)中頻感應(yīng)加熱(MFIH，Medium Frequency Induction Heating)3)電力電子鎮(zhèn)流器(EB，Electronic Ballast) 4）開關(guān)電源(SMPS，Switch Mode Power supplies)1.4 電力電子器件的基本特性與發(fā)展1、按控制方式分類：(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件 (1)功

8、率二極管(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT，Light-triggered Thyristor)。 1) LTT 不需要高電位邏輯電路和BOD 保護(hù)觸發(fā)電路, 因此采用 LTT 的SVC 閥塔的元器件數(shù)量將減少近7 000 個(gè), 故障率將下降, 可靠性將提高。2) LTT 無須輔助電源以給與晶閘管等電位的觸發(fā)回路提供電源, 所以交流系統(tǒng)電壓降和外部故障( 如直流陷落) 對LTT 的影響很小。3) 與晶閘管等電位的門極驅(qū)動(dòng)單元取消后,模塊接線被簡化, 局部放電和電磁干擾的可能性大為降低, 設(shè)備投運(yùn)后維護(hù)工作發(fā)生意外故障的可能性大為降低, LTT 晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4) 將過電壓保

9、護(hù)功能集成到LTT 的晶閘管硅片之中, 減少了對匹配特性的要求, 使得保護(hù)具備對外界影響固有的安全特性。5) 閥塔無須預(yù)充電即可啟動(dòng)。缺點(diǎn)：LTT需很高的光靈敏度，以適應(yīng)遠(yuǎn)距離控制和長壽命發(fā)光管的實(shí)際要求。(4)門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) GTO是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件。 既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長，限制了器件的開關(guān)頻率；關(guān)斷過程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路GTO主要應(yīng)用在中、大功率場合。(5

10、)功率場效應(yīng)管（Power MOSFET）功率場效應(yīng)管屬于電壓控制型器件優(yōu)點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率??；開關(guān)速度快，高頻特性好，工作頻率高達(dá)100kHz以上。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。缺點(diǎn)： 電流容量小，耐壓低，通態(tài)壓降大，一般只適用于功率不超過10kW的場合。 目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。 (6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT) IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點(diǎn)，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)損耗小

11、、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)電壓高，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時(shí)，通常須多個(gè)串聯(lián)。 TC 3300 型IGBT變流器IGBT 的導(dǎo)通電納比 MOSFET 小的多IGBT 導(dǎo)通損耗比MOSFET小(7)集成門極換流晶閘管(IGCT) (Integrated Gate Commutated Thyristor ) IGCT是在克服GTO關(guān)斷能力差，重復(fù)關(guān)斷較大電流時(shí)容易產(chǎn)生局部過熱損壞等缺陷而發(fā)展起來的。4500v/1100A IGCT組件 4500v/4000a不對稱型igct組件 IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復(fù)合

12、器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 變送領(lǐng)域 產(chǎn)業(yè)、交通領(lǐng)域 GTO IGBT MOSFET 晶閘管 100M 10M 1M 100k 10k 1k 100 10 100 1k 10k 100 k 1M 控制容量（VA） 工作頻率（Hz ） 信息處理領(lǐng)域 010203040功率容量MVA1990198019702

13、000年（）晶片直徑（英寸）晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA晶閘管雙向晶閘管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBT MolduleIPM器件額定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作頻率(HZ)1M10k100k1k100電力電子器件正朝著容量越來越大、頻率越來越高的方向發(fā)展。1.5 儲(chǔ)能技術(shù)的

14、現(xiàn)狀與發(fā)展1、水電站的開發(fā)方式一、壩式水電站 特點(diǎn)：水頭取決于壩高。引用流量較大等 1河床式電站(power station in river channel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。適用水頭：大中型：25米以下，小型：810米以下。2壩后式水電站(power staion at damtoe)當(dāng)水頭較大時(shí)，廠房本身抵抗不了水的推力，將廠房移到壩后，由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大，調(diào)節(jié)性能好。如為土壩，可修建河岸式電站。二、引水式水電站二、引水式水電站(diversion type power station)(diver

15、sion type power station) 在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩)取水，通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游，集中落差，再經(jīng)壓力管道引水到水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電 特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)(1) 水頭相對較高，目前最大水頭已達(dá)2000米以上。(2) 引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價(jià)值較差。(3) 電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程量較小，單位造價(jià)較低。類型：類型：(1) 無壓引水式(free flow)：引水道是無壓的(如明渠)(2) 有壓引水式(pressure flow)：引水道是有壓的(壓力隧洞)三、混合式水電站三、混合式水電站(mi

16、xed power plant)(mixed power plant) 在一個(gè)河段上，同時(shí)采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方式稱為混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后，再通過有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差，形成了電站的總水頭。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。 適用于上游有優(yōu)良壩址，適宜建庫，而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉(zhuǎn)彎。 同時(shí)兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點(diǎn)。 在工程時(shí)間中多稱為引水式，很少用混合式水電站這個(gè)名稱。14名游客被困永定河 門頭溝消防3小時(shí)生死大營救 1、抽水蓄能技術(shù)： 利用電能與水力勢能相互轉(zhuǎn)換的蓄能技術(shù)，是目前國內(nèi)外各電力公司采用的一項(xiàng)大規(guī)模實(shí)用技術(shù)。抽

17、水蓄能：系統(tǒng)負(fù)荷低時(shí)，利用系統(tǒng)多余的電能帶抽水蓄能：系統(tǒng)負(fù)荷低時(shí)，利用系統(tǒng)多余的電能帶動(dòng)泵站機(jī)組將下庫的水抽到上庫動(dòng)泵站機(jī)組將下庫的水抽到上庫(電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+水泵水泵)， 以水的勢能形式貯存起來；以水的勢能形式貯存起來；放水發(fā)電：系統(tǒng)負(fù)荷高時(shí)，將上庫的水放下來推動(dòng)放水發(fā)電：系統(tǒng)負(fù)荷高時(shí)，將上庫的水放下來推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)組(水輪機(jī)水輪機(jī)+發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī))發(fā)電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中發(fā)電，以補(bǔ)充系統(tǒng)中電能的不足。電能的不足。 抽水蓄能的效率還較低，采用可變速技術(shù)后效率也只能達(dá)到75%左右。 四、抽水蓄能電站 (pumped storage power station)抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)示意圖(a)縱斷

18、面圖 (b)平面圖 電站安裝常規(guī)水電機(jī)組1150MW，抽水蓄能機(jī)組390MW，下池閘小電站安裝25MW水電機(jī)組。常規(guī)機(jī)組于1981年并網(wǎng)發(fā)電，首臺(tái)蓄能機(jī)組于1991年7月投入試運(yùn)行，1992年12月全部機(jī)組投入運(yùn)行。我國第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動(dòng)發(fā)電機(jī)采用可變極（42極、48極）雙速電機(jī)，在泵工況低水頭（小于45m）運(yùn)用時(shí)由60MW變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無極變頻變速運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的靜止變頻器。 潘家口抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站上水庫的資料照片1994年3月12日，中國建設(shè)的第一座大型抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站一期工程完工，四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。它也是當(dāng)時(shí)世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站總

19、裝機(jī)容量240萬千瓦，裝備8臺(tái)30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力的機(jī)組。二期工程2000年全部投產(chǎn)。電站以500 kV出線接入廣東電網(wǎng)，一期出線兩回，二期出線三回，其中一回作兩期聯(lián)絡(luò)，對外共三回出線納入電網(wǎng)，負(fù)責(zé)廣東、香港兩地電網(wǎng)的填谷、凋峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產(chǎn)的嶺澳核電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。泰安抽水蓄能電站，位于山東省泰安市西郊，大河水庫北邊的山上。工程建設(shè)4250兆瓦可逆式發(fā)電機(jī)組，計(jì)劃2006年12月30日竣工。機(jī)組投產(chǎn)后，對促進(jìn)泰安地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善山東電網(wǎng)布局，提高電網(wǎng)運(yùn)行水平都有重要意義。 五、五、 潮汐電站潮汐電站( tidal energy po

20、wer station)潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降潮汐：潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運(yùn)動(dòng)，即海水的潮漲潮落。運(yùn)動(dòng)，即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊(yùn)藏量約為27億kW，若全部轉(zhuǎn)換成電能，每年發(fā)電量大約為1.2萬kW.h。潮汐發(fā)電與原理：利用潮汐發(fā)電與原理：利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的，差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水漲、落潮也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再的能量變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔馨褭C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程（發(fā)電）的過程。2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站發(fā)電機(jī)房 全國大中型水電站

21、分布圖全國大中型水電站分布圖長江流域大中型水電站分布圖長江流域大中型水電站分布圖2、飛輪蓄能 原理：利用旋轉(zhuǎn)物體所具有的動(dòng)能存儲(chǔ)能量。 平均效率在85以上飛輪電池比能呈可達(dá)150Whkg，比功率達(dá)5000-10000Wkg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬公里 150WH飛輪電池的照片1994年，美國阿貢（ANL）國家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維試制一個(gè)儲(chǔ)能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為11千克，采用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪線速度達(dá)1000米秒。它儲(chǔ)的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃25小時(shí)。目前正在開發(fā)儲(chǔ)能達(dá)5000千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲(chǔ)能輪200個(gè)。日本曾利用飛

22、輪“比功率”高的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)引發(fā)可控?zé)岷司圩兊难b置。該裝置的飛輪直徑達(dá)6.45米，高1米，重255噸。它所儲(chǔ)存的能量與掛有150個(gè)車廂的列車以100千米小時(shí)的速度行駛時(shí)所具有的能量相當(dāng)。故將這些能量在極短時(shí)間釋放出來足以引發(fā)核聚變。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了汽車用機(jī)-電電池（EMB），每個(gè)質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬轉(zhuǎn)分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲(chǔ)能為1 1千瓦時(shí)千瓦時(shí)，它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以以100千米小時(shí)的速度行駛千米小時(shí)的速度行駛480千米。千米。機(jī)-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機(jī)-電電池所儲(chǔ)的能量為

23、鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米小時(shí)。軌道交通儲(chǔ)能：軌道交通儲(chǔ)能：應(yīng)用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為蓄能系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 核聚變試驗(yàn)裝置電源用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng) 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 3、電池蓄能技術(shù)電池蓄能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)、使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的蓄能技術(shù)。這種電池可以實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的多次反復(fù)轉(zhuǎn)化，有別于只一次性實(shí)現(xiàn)從化學(xué)能到電能轉(zhuǎn)化的一次電池(不可充電電池)，用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)

24、。由于直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電能只能是直流形式，因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分。電池組合方式與系統(tǒng)的連接特點(diǎn)：(1) 效率高、噪音低、污染小。(2) 具有良好的效率及出力特性。(3) 暫態(tài)特性好，負(fù)荷追隨性能強(qiáng)。(4) 有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。(5) 系統(tǒng)較為復(fù)雜。(6) 使都市設(shè)施安全管理復(fù)雜化。 種類： NaS電池 鋅-氯電池 鋅溴電池 RF(Redoxflow)4、超導(dǎo)蓄能技術(shù)超導(dǎo)蓄能(SMES：Super-Conducting Magnetic Energy Storage)是利用電流在處于超導(dǎo)狀態(tài)的線圈中流通，以磁場形式存儲(chǔ)電能的方式。 超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能(SMES)的原理 1

25、908年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，因而獲得4.2K 的低溫源，為超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。三年后即1911年，在測試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，昂納斯又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，多次精密測量表明，汞柱兩端壓降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。5.4 能量控制型并聯(lián)補(bǔ)償5.4.1超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES1、SMES 概述1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98C(4.2K )

26、時(shí)，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。 荷蘭物理學(xué)家昂納斯(Heike Kamerlingh Onnes) 卡末林卡末林昂尼斯昂尼斯(Kamerlingh Onnes)(Kamerlingh Onnes)低溫物理學(xué)家低溫物理學(xué)家 18531853年年9 9月月2121日生于日生于荷蘭的格羅寧根，荷蘭的格羅寧根，19261926年年2 2月月2121日卒于日卒于荷蘭的萊頓因制荷蘭的萊頓因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象象現(xiàn)象象1913191

27、3年獲諾年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律 如圖所示 橫坐標(biāo)表示溫度，縱坐標(biāo)表示在該溫度下汞的電阻與0時(shí)汞的電阻之比：R/R0 R0 ： T=273K的電阻超導(dǎo)體的分類超導(dǎo)體的分類 在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如圖元素周期表中青色方框所示）,而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如圖元素周期表中綠色方框所示） 重要物理參數(shù)重要物理參數(shù) 臨界溫度臨界溫度(Tc): 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流臨界電流 (Ic) : 超導(dǎo)體無阻載流的能力是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流 臨

28、界磁場臨界磁場(Hc): 逐漸增大磁場到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場 三、超導(dǎo)體的物理特性三、超導(dǎo)體的物理特性 (1)零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象(Zero Resistance) (a) TTc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場 (b) TTc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài) (c) 突然撤去外電場，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流 (2) 邁斯納效應(yīng)又叫完邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，全抗磁性，1933年邁斯年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后不論對導(dǎo)體是

29、先降溫后加磁場，還是先加磁場加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：注：S表示超導(dǎo)態(tài)表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)三、超導(dǎo)體的物理特性三、超導(dǎo)體的物理特性 在錫盤上放一條永久磁鐵，在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)

30、電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)這種情況就象是在超導(dǎo)盤下方，有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀以及磁懸浮列車等。 1986年4月，喬治柏諾茲 ( J. Georg Bednorz ，1950 ，瑞士 ) 和 卡爾繆勒 ( Karl A. Muller ，1927 ，德國 ) 向德國物理雜志提交了題為“ BaL

31、aCuO 系統(tǒng)中可能的高 Tc 超導(dǎo)電性 ” 的論文。后來，日本東京大學(xué)的幾位學(xué)者根據(jù)他們的配方復(fù)制了類似的樣品，證實(shí)鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc 提高到了 33K 。 柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)使人類從基本探索和認(rèn)識超導(dǎo)電性跨越到超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時(shí)代。 柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高 Tc 超導(dǎo)電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 高溫超導(dǎo) 把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為 高溫超導(dǎo) 。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷一類氧化物 ，其超導(dǎo)機(jī)理與低溫下的金屬或合金超導(dǎo)有 很大不同 。 1987年2月24日中國科學(xué)院宣布，趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研組已將釔鋇銅氧 ( YBaCuO ) 材料的 T

32、c提高到了 92.8 K以上 ，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點(diǎn)為 77.3 K ，價(jià)格比液氦便宜 100 倍，冷卻效率高 63 倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴(kuò)展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。五、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用五、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 （1）在電力工程方面的應(yīng)用）在電力工程方面的應(yīng)用 圖1 超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維) 超導(dǎo)輸電超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革.熱絕緣超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)，從內(nèi)到外依次為：管狀支撐物（一般為波紋

33、管，內(nèi)通液氮）；超導(dǎo)導(dǎo)體層（超導(dǎo)帶材分層繞制）；熱絕緣層（真空隔熱套件）；常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）；電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬6 萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常

34、規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50 超導(dǎo)限流器超導(dǎo)限流器 超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低，能自動(dòng)復(fù)位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn) 。高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能器高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能器 25kJ超導(dǎo)儲(chǔ)能用磁體 日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV 高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號” （2）超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)）超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用用（3）超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用）超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方

35、面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào) 超導(dǎo)量子干涉儀 超導(dǎo)數(shù)字電路超導(dǎo)數(shù)字電路 超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)達(dá)10-11秒左右的數(shù)量級，比半秒左右的數(shù)量級，比半導(dǎo)體集成電路快導(dǎo)體集成電路快100倍，但功倍，但功耗卻要低耗卻要低1000倍左右，為制倍左右，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)途徑個(gè)途徑2、SMES的工作原理 超導(dǎo)線圈可以承載大電流而無功率損耗，因而可用以存儲(chǔ)大量磁能。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量大于負(fù)載用電