2011-n13+超導(dǎo)電力之一意義及裝置20110621

超導(dǎo)電力基礎(chǔ)2010年5月-6月高電壓、強電場、強磁場、大電流、強脈沖功率是電氣工程學(xué)科不斷追求的極端參數(shù)。不斷沖擊這些極端參數(shù)，是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)新技術(shù)的關(guān)鍵。超導(dǎo)技術(shù)為產(chǎn)生強磁場提供了重要手段。在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。超導(dǎo)技術(shù)對于科學(xué)和技術(shù)以及生活產(chǎn)生重大的影響。8.1電力系統(tǒng)對新技術(shù)的需求八、超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)8.2超導(dǎo)電力裝置及其優(yōu)越性8.3超導(dǎo)電力的發(fā)展現(xiàn)狀8.4超導(dǎo)電力研究課題大力發(fā)展可再生能源（2013年10%，2025年25%）“掌握清潔的可再生能源的國家將領(lǐng)導(dǎo)21世紀”全面發(fā)展節(jié)能汽車和電動汽車（2012年政府采購汽車中一半為混合電動車）建立橫跨美國四個時區(qū)的統(tǒng)一電網(wǎng)發(fā)展智能電網(wǎng)（8~10年內(nèi)產(chǎn)業(yè)超10億）發(fā)展超導(dǎo)電網(wǎng)（8~10年內(nèi)產(chǎn)業(yè)超30億）奧巴馬的能源新政全國統(tǒng)一的主干網(wǎng)數(shù)州連通的區(qū)域電網(wǎng)局部地區(qū)的微網(wǎng)超導(dǎo)輸電的地位：主干網(wǎng)城市高密度電網(wǎng)美國GRID2030的電網(wǎng)革命8.1電力系統(tǒng)對新技術(shù)的需求環(huán)境意識消費方式信息化能源資源分散電源節(jié)能、發(fā)送用電的效率用電量、可靠性、供電密度可靠性、供電品質(zhì)節(jié)能、可再生能源電力存儲、能量管理隨社會的發(fā)展，人們的生產(chǎn)、生活方式與態(tài)度發(fā)生變化電力現(xiàn)代生活中不可或切的能源工業(yè)化社會的重要能源信息化社會的根本能源（1）現(xiàn)代社會對電力的要求（2）我國能源和電力工業(yè)發(fā)展趨勢發(fā)電量(TWh)中國仍有一半的國土沒有照亮在未來50－100年內(nèi)中國可否跨越能源短缺的“瓶頸”???我國化石能源資源嚴重短缺來源：上海綜合經(jīng)濟簡報，2005.02期資源種類

煤炭石油天然氣水電裝機容量 （億噸）（億噸）（億立方米）（億千瓦）

探明儲量

114533117043.53開采年限

54~8115~2028~5838~104可開采到

~2085

~2025

~2065

~2110!!!!

在未來50－100年內(nèi)，必須找到替代能源！中國的鈾資源僅能支持4-5

100萬kW核電站?？稍偕茉措S機性大，功率輸出不穩(wěn)定

11核裂變能、核聚變能油(Oil)裂變(Fission)聚變(Fission)煤(Coal)水資源70%煤儲量40%煤儲量40%火力資源水力資源重負荷區(qū)＞1000km＞1000km＞500km＞1000km＞1000km水能儲藏量預(yù)測理論儲量:676GW

技術(shù)可開發(fā)量:379GW

經(jīng)濟可開發(fā)量:290GW

現(xiàn)已開發(fā)量:68GW＞1000km20%我國電力工業(yè)的格局我國電網(wǎng)的發(fā)展趨勢東電西送——長距離大容量輸電全國聯(lián)網(wǎng)——異常龐大的系統(tǒng)交直混雜——異常復(fù)雜的系統(tǒng)新能源——功率波動的系統(tǒng)（3）電力系統(tǒng)存在重大技術(shù)難題

GGG●●●●●●●●●●●●輸電系統(tǒng)●●●●●●配電系統(tǒng)用電系統(tǒng)穩(wěn)定性問題高密度配電問題供電品質(zhì)問題網(wǎng)絡(luò)損耗問題開斷容量問題GPm>Pe,發(fā)電機加速難題之一：系統(tǒng)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)中沒有儲能環(huán)節(jié)，發(fā)多少就要用多少。一旦出現(xiàn)功率波動，就會產(chǎn)生功率振蕩，嚴重時導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。系統(tǒng)Pm<Pe,發(fā)電機減速Pm功率波動：故障、切負荷123456789101112131江埡2石門3岳陽4風(fēng)灘5五強溪6凌津灘7扎溪8岳家?guī)X9冷水江10湘潭11株洲12耒陽13鯉魚江14東江長潭株風(fēng)灘雙牌至楊梓塘湖南電力系統(tǒng)示意圖2010年，年損失兩個半三峽電站網(wǎng)損達8.2%浪費資源增大環(huán)保壓力惡化電力工業(yè)的效益難題之二：網(wǎng)絡(luò)損耗大日本<6%難題之二：短路電流過大，超過斷路器的開斷容量

難題之三：城市用電不斷增加，空間減小，高密度送電難

大城市供電密度>80MW/km2容量大!密度高!損耗大!網(wǎng)損8.5%占地多!地上破壞環(huán)境!地下管道縱橫!可再生能源隨機性強，輸出功率不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定的電源達到一定規(guī)模后便會影響到大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、供電品質(zhì)。難題之四：可再生能源的規(guī)模化接入

8.1電力系統(tǒng)對新技術(shù)的需求八、超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)8.2超導(dǎo)電力裝置及其優(yōu)越性8.3超導(dǎo)電力的發(fā)展現(xiàn)狀8.4超導(dǎo)電力研究課題8.2超導(dǎo)電力裝置及其優(yōu)越性（1）超導(dǎo)發(fā)電機全超導(dǎo)發(fā)電機——定子、轉(zhuǎn)子繞組都用超導(dǎo)超導(dǎo)發(fā)電機——轉(zhuǎn)子繞組（磁場）用超導(dǎo)定子繞組阻尼筒,真空外殼超導(dǎo)勵磁繞組熱輻射屏蔽筒至汽輪機至冷卻系統(tǒng)真空層軸承及密封力矩傳導(dǎo)筒磁屏蔽層

超導(dǎo)發(fā)電機的優(yōu)良特性無鐵心，無電阻，效率可再提高1%磁場強度高（5T），電機體積小，重量輕，僅發(fā)電機穩(wěn)定運行特性甚至可以省去升壓變壓器提高發(fā)電機的單機極限容量為常規(guī)電機的30～50%。占地面積小，節(jié)約原材料同步電抗小，只有常規(guī)電機的0.2～0.5，可改善發(fā)電機對地絕緣水平提高，可以發(fā)出高電壓，

超導(dǎo)勵磁繞組發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)超導(dǎo)發(fā)電機無鐵磁飽和，過勵運行功率因素可接近0，無功出力大QP常導(dǎo)發(fā)電機勵磁電流幅值極限34(QN,PN)A1B1B2C1C2D1D20超導(dǎo)電機勵磁電流幅值極限4

常導(dǎo)發(fā)電機進相運行時無功出力極限超導(dǎo)發(fā)電機進相運行時無功出力極限定子額定電流極限原動機最大出力極限發(fā)電機最小技術(shù)出力極限超導(dǎo)發(fā)電機運行區(qū)域：A1B1C1D1常導(dǎo)發(fā)電機運行區(qū)域：A1B2C2D2穩(wěn)定極限Xd

可降低到現(xiàn)在的1/2~1/5效率可提高0.5%~1%單機容量可達數(shù)GW極限送電容量同期電抗Xd送電距離200km送電距離200km0.33.4(1.31)2.3(1.44)超導(dǎo)發(fā)電機0.73.1(1.19)2.1(1.31)現(xiàn)用機1.72.6(1.0)1.6(1.00)*單位為發(fā)電機容量為基準

pu值,

括號內(nèi)為與現(xiàn)用機的比值超導(dǎo)發(fā)電機和常導(dǎo)發(fā)電機損耗的比較（120MVA）常規(guī)發(fā)電機（100%）超導(dǎo)發(fā)電機（32%）勵磁損耗轉(zhuǎn)子損耗負載損耗定子損耗鐵心損耗鼓風(fēng)損耗制冷損耗超導(dǎo)電動機的原理與超導(dǎo)發(fā)電機完全相同主要有三種類型：用于船舶推進的單極電機工業(yè)用途的同步電機采用高溫超導(dǎo)塊材的新型電機超導(dǎo)電動機減小的體積不如超導(dǎo)發(fā)電機的顯著。但在軍艦、潛艇這類體積和空間嚴重影響整體性能的船舶上,超導(dǎo)電動機具有巨大的競爭力。超導(dǎo)電動機研究以船舶推進電機居多。目前高溫超電動機研究已成為超導(dǎo)電動機研究的主流。（2）超導(dǎo)電動機體積小、重量輕

可做到常規(guī)變壓器體積的30%—70%、重量的40%—60%。效率高

可提高0.1%—0.2%。大量變壓器效率的提高能獲得可觀的經(jīng)濟效益。

阻燃

液氦或液氮具有良好的阻燃性，提高安全性能。具有特殊功能

使用無鐵心結(jié)構(gòu)能在高磁場下運行；可兼做無功電抗器；附加繞組的失超特性具有限制短路電流的功能等。（3）超導(dǎo)變壓器有鐵心或無鐵心0.40.60.20.81.01.21.41004006001000800超導(dǎo)Tr價格常規(guī)Tr價格,重量,體積超導(dǎo)Tr重量,體積

容量(MVA)價格重量體積1981年資料1000MVA超導(dǎo)變壓器相對價格0.71；相對重量0.64絕熱層外管絕熱層絕熱層內(nèi)管電氣絕緣HTS導(dǎo)體屏蔽層液氮通路HTS電纜的基本構(gòu)造(斷面)

高溫超導(dǎo)（HTS）電力電纜的兩種基本設(shè)計是熱介質(zhì)(WD)電纜和冷介質(zhì)(CD)電纜。在WD電纜中只有HTS導(dǎo)體處于低溫環(huán)境中，絕緣處于常溫環(huán)境，CD電纜的HTS導(dǎo)體和絕緣均放置在低溫恒溫層內(nèi)。WD電纜結(jié)構(gòu)相對簡單，而CD電纜結(jié)構(gòu)更緊湊，損耗更小。（4）超導(dǎo)輸電電纜電纜輸送管道

電氣絕緣HTS超導(dǎo)體鋼護套

護套外殼下圖是熱介質(zhì)電纜

電纜液氮絕緣輸送管道

回路導(dǎo)體

絕緣體

鋼護套上圖是冷介質(zhì)電纜HTS超導(dǎo)體

護套外殼送電容量(GW/回線）

0.5

1

2

5

10

20275KV500KV1000KV275KV500KV1000KV275KV500KV66KV275/500KV非冷卻強制冷卻交流電纜直流電纜SF6電纜超導(dǎo)交流電纜超導(dǎo)直流電纜a.低電壓、大容量送電直流超導(dǎo)275kV交流超導(dǎo)275kV交流超導(dǎo)66kV常規(guī)直流275kV常規(guī)交流275kV0.512510201000MVA/回線送電容量(同一電壓):5～10倍以上送電電壓(同一容量):

更低等級送電通道比較(送1000MW電力)800

360

130OF電纜:270kV,兩回線低溫超導(dǎo)電纜:66kV,可省50%高溫超導(dǎo)電纜:66kV,只要20%

138b.高密度送電c.降低損耗容量：1000MW，電壓：275kV，輸電距離：30kmOF電纜損耗輸電容量=0.0081000MW×0.008=8MW高溫超導(dǎo)電纜冷凍機功率：418kW/15km418kW×2=0.836MW設(shè)：高溫超導(dǎo)體交流損耗為低溫超導(dǎo)體的10倍高溫超導(dǎo)配電電纜常規(guī)油浸配電電纜同樣容量，同樣電壓等級31常規(guī)油浸電纜高溫超導(dǎo)電纜損耗比較1/3（包括制冷功率）外部系統(tǒng)外部系統(tǒng)僅用常規(guī)電纜使用超導(dǎo)電纜降低網(wǎng)絡(luò)損耗減少占地面積降低電壓等級改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)大城市電網(wǎng)中應(yīng)用超導(dǎo)電纜(5)超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)充電，吸收能量儲能：E=Li2/2釋放能量儲能損耗低響應(yīng)速度快四象限可控提高系統(tǒng)穩(wěn)定改善供電品質(zhì)提供緊急電源儲存調(diào)節(jié)電能SMES:SuperconductingMagneticEnergyStorageI換流器系統(tǒng)I換流器系統(tǒng)I換流器系統(tǒng)

PMW控制換流器的使用可以實現(xiàn)四象限控制功率。a.基本原理換流器超導(dǎo)線圈L控制信號（至電力系統(tǒng)）變壓器線圈保護冷卻裝置控制器門極觸發(fā)電路功率補償三相母線b.系統(tǒng)動作原理GTO7GTO2Y-△電壓源型變換電路CGTO1GTO3GTO5GTO4GTO6超導(dǎo)線圈D1D2GTO8斬波器LL電網(wǎng)Lc.電壓型AC/DC變流器原理RD2D1G6G4G2G5G3G1CL電網(wǎng)超導(dǎo)線圈LLd.電流型AC/DC變流器原理超導(dǎo)體電機I永久磁體儲能飛輪真空環(huán)境電力變換裝置控制裝置儲能：

E=Mr2ω2/4ω超導(dǎo)體磁體(6)超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的基本功能快速提供有功和無功功率：

●提高穩(wěn)定性（中小型）

●改善供電品質(zhì)（小型）

●作為緊急備用電源

●調(diào)節(jié)峰值（大型）

●分散電源和獨立電源系統(tǒng)e.超導(dǎo)磁儲能裝置的基本特性超導(dǎo)體電阻為零，不損耗能量冷卻系統(tǒng)功率消耗不斷降低效率可達90%以上，比抽水儲能等高

儲能損耗低通過電力電子型變流器，既能儲能又能釋放電能快速響應(yīng)響應(yīng)速度快通過電力電子換流器，對有功功率和無功功率實現(xiàn)四象限控制主動致穩(wěn)四象限可控水電火電系統(tǒng)SMES響應(yīng)時間：毫秒級水門響應(yīng)時間：分級勵磁響應(yīng)時間：秒級汽門響應(yīng)時間：秒級響應(yīng)時間比較汽門控制:秒級水門控制:秒～分級SMES:毫秒級勵磁控制:秒級SFCL：SuperconductingFaultCurrentLimiter（7）超導(dǎo)限流器G負載GG負載電源增加，短路電流增大SFCL：SuperconductingFaultCurrentLimiter超導(dǎo)態(tài)，電阻為零溫度、磁場、電流高于臨界值