HTS電纜和SMES應(yīng)用于分布式電源電能的傳輸

王鵬，李貌

(1.新疆光源電力勘察設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊830000;2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊830011)

HTS電纜和SMES應(yīng)用于分布式電源電能的傳輸

王鵬1，2，李貌1，2

(1.新疆光源電力勘察設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊830000;2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊830011)

高溫超導(dǎo)(HTS)電纜具有低損耗、大容量、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，由于超導(dǎo)電纜的優(yōu)越特性已在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用在工程中。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)具有低損耗、儲(chǔ)能效率高、快速響應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文基于二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，HTS的低消耗高效率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)能降低超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置(SMES)提供給不穩(wěn)定的分布式電源高效率的電能傳輸，增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)的可靠性。HTS電纜和SMES的綜合應(yīng)用能夠使電網(wǎng)更為堅(jiān)強(qiáng)，有助于實(shí)現(xiàn)與相鄰電網(wǎng)的電能交換，是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)之一，已在電力系統(tǒng)中已受到越來(lái)越多的關(guān)注。

高溫超導(dǎo)電纜;超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置;分布式電源;智能電網(wǎng)

1 引言

從1991年起日本通產(chǎn)業(yè)省(現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)省)資源能源廳就把超導(dǎo)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)列為國(guó)家項(xiàng)目，并組織有關(guān)單位開(kāi)展對(duì)該項(xiàng)目的研究。按照項(xiàng)目的實(shí)施要求，2007年由日本中部株式會(huì)社和株式會(huì)社東芝共同研發(fā)了當(dāng)時(shí)世界最大的輸出功率的10MW瞬時(shí)電壓降低補(bǔ)償用SMES裝置且在日本縣龜山市進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，現(xiàn)在這種SMES裝置已進(jìn)入使用階段化階段。具有重大意義是由中部電力株式會(huì)社等單位共同研發(fā)20MJ儲(chǔ)能級(jí)別，10MW電力系統(tǒng)控制作用SMES裝置作為100MW級(jí)SMES裝置的1/10容量模型樣機(jī)于2007年接入電力系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。由于SMES裝置與電網(wǎng)的功率交換非常迅速，加上電力電子技術(shù)的發(fā)展，SMES能同時(shí)與系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行四象限有功功率和無(wú)功功率。SMES具有儲(chǔ)能效率高，響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、抑制低頻振蕩、靈活方靈活方便等優(yōu)點(diǎn)［1］。由于SMES具有上述的優(yōu)越特性和超導(dǎo)電纜的低損耗的特點(diǎn)，近年來(lái)一直是很多發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)，美日俄加英德荷等展開(kāi)一些研究。

2 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的組成和優(yōu)勢(shì)

2.1 電力系統(tǒng)控制作用SMES裝置的組成

SMES裝置是利用超導(dǎo)線圈將電能直接以電磁的形式儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的是在將電能輸出給負(fù)載的儲(chǔ)置。SMES裝置組成如圖1，主要由變流變壓器、變流器、斬波器、短路器、超導(dǎo)線圈、冷卻系統(tǒng)和保護(hù)單元以及控制單元等組成。

圖1 電力系統(tǒng)控制用SMES裝置圖

(1)變流變壓器。變流變壓器把三相高壓電壓變換成適合輸入變流器的相數(shù)和電壓。

(2)變流器。根據(jù)控制單元的指令，變流器將由變壓器輸入的交流電壓正流程直流電壓，經(jīng)斬波器輸入超導(dǎo)線圈。也可將超導(dǎo)線圈經(jīng)斬波器輸出直流電壓逆變成交流電壓反送給變壓器向電網(wǎng)反饋。SMES所用的AC/DC變流器能控制SMES與電力系統(tǒng)的用功功率和無(wú)功功率。

(3)斬波器。斬波器實(shí)際上是直流調(diào)壓器是為了確保變流器和超導(dǎo)之間電壓匹配而設(shè)立的過(guò)度裝置。

(4)短路器。短路器實(shí)際上是斷路開(kāi)關(guān)，有大功率晶閘管組成。

(5)超導(dǎo)線圈。它的形狀通常是環(huán)形和螺管形，安置在低溫容器內(nèi)的超導(dǎo)線圈，是電力系統(tǒng)控制用SMES裝置的核心儲(chǔ)能部件。其儲(chǔ)能的能量(ESMES= 0.5×L×I2)L為超導(dǎo)線圈的電感，I為超導(dǎo)線圈的電流。

(6)冷卻系統(tǒng)。低溫冷卻裝置由不銹鋼制冷器、低溫液體的分配系統(tǒng)、一對(duì)自動(dòng)的氦液液化器等部分組成。

(7)保護(hù)單元。保護(hù)單元是保障電力系統(tǒng)控制作用SMES裝置安全運(yùn)行的重要元件。

2.2 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，能量交換和功率補(bǔ)償無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換。具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量/比功率大、壽命長(zhǎng)、污染小等優(yōu)點(diǎn)，且沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問(wèn)題。主要用于輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力［2－3］。已有研究表明，對(duì)于輸配電應(yīng)用而言，微型(＜0.1MWh)和中型(0.1～100MWh) SMES系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)［4］。

表1 不同規(guī)模SMES的應(yīng)用情況

3 超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)

在上面介紹了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)的發(fā)展優(yōu)點(diǎn)以及工作原理，隨之的是超導(dǎo)電纜的優(yōu)勢(shì)。高溫超導(dǎo)(HTS)線纜的優(yōu)越性。電力系統(tǒng)向更大規(guī)模方向發(fā)展。對(duì)電能品質(zhì)和和供電可靠性提出更高的要求。傳統(tǒng)的電線或者是電纜受銅，鋁等基本導(dǎo)電材料電導(dǎo)率限制。高溫超導(dǎo)電纜采用具有很高的傳輸電流密度的高溫超導(dǎo)材料作為導(dǎo)體，其諸多優(yōu)點(diǎn)已在電力工業(yè)中引起了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著智能電網(wǎng)智能化發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯HTS電纜的應(yīng)用前景也越來(lái)越被看好。

3.1 超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)

HTS電纜的結(jié)構(gòu)與常規(guī)電纜有較大的差異，主要由電纜本體，終端以及低溫冷卻系統(tǒng)組成。如圖2所示。

圖2 熱絕緣高溫超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu)

(1)電纜本體。HTS電纜本體包括電纜芯，電絕緣和低溫器。電纜芯是由繞在不銹鋼波紋管骨架上的導(dǎo)體層組成，裝在維持液氮溫度的低溫中，低溫容器兩端與終端相連。電纜芯導(dǎo)體層的高溫超導(dǎo)帶材在終端通過(guò)電流引線與外部電源或負(fù)載相連接。電纜芯的導(dǎo)體層是由多層高溫超導(dǎo)帶材在骨架上繞成。

(2)電纜終端。終端HTS電纜與外部電氣部件的連接端口，也是電纜低溫部分與外部室溫的過(guò)渡段。終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導(dǎo)電纜整體熱損耗最小。同時(shí)由于炒到電纜本體在一定的電壓下運(yùn)行，因此也要求終端有相應(yīng)的絕緣的水平。如圖3所示。

圖3 終端基本結(jié)構(gòu)

(3)低溫冷卻系統(tǒng)。目前HTS電纜普遍采用Bi2223超導(dǎo)帶材作為電纜的導(dǎo)體層，低溫技術(shù)為超導(dǎo)應(yīng)用提供最基本的低溫運(yùn)行條件，因此冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)電纜的一個(gè)重要部分。目前普遍采用液氮作為冷卻介質(zhì)，因?yàn)榈囊夯夹g(shù)成熟，價(jià)格低廉，同時(shí)由于氮是空氣的主要成分，氮?dú)獾男孤恫粫?huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。

HTS電纜的液氮冷卻基本原理是利用過(guò)冷液氮的顯熱，將HTS電纜產(chǎn)生的熱量帶到冷卻裝置，通過(guò)液氮冷卻裝置冷卻后，再將過(guò)冷液氮送到HTS電纜中去，形成液氮在閉合回路的循環(huán)過(guò)程。冷卻裝置可以采用各種不同制冷方式，如常壓液氮沸騰制冷，減壓降溫制冷，低溫制冷機(jī)。

3.2 HTS電纜相對(duì)于其他電纜的性能優(yōu)勢(shì)

(1)與常規(guī)電纜相比，HTS電纜的導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%～60%。

(2)容量大。同樣截面的熱絕緣HTS電纜的電流傳輸能力是常規(guī)電纜的3～5倍，這是由低溫封套和屏蔽層的渦流損耗所決定的。冷絕緣HTS電纜的電流傳輸能力更大一些，直流超導(dǎo)電纜的更高。

(3)節(jié)約材料。由于HTS的電流密度高，在同樣傳輸能力下，與常規(guī)電纜相比，HTS電纜使用較少的金屬和絕緣材料。

(4)無(wú)污染。HTS電纜不會(huì)造成環(huán)境污染，而常規(guī)充油電纜存在著漏油而造成污染環(huán)境的缺點(diǎn)。此外，HTS電纜還具有無(wú)電磁污染，低噪音等特性。低損耗。超導(dǎo)材料在進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)直流電阻幾乎為零;但對(duì)于交流電纜而言，超導(dǎo)體中仍有磁滯渦流損耗，因此電導(dǎo)損耗不可忽略，但其值比常規(guī)電纜的小得多，即使計(jì)及低溫冷卻所需的電力，其電力損耗仍比常規(guī)電纜的小。交流高溫超導(dǎo)電纜的功率損耗約為輸送容量的1%，直流電纜的功率損耗比交流電纜的更低。如計(jì)及電纜制冷功率，高溫超導(dǎo)電纜的總損耗約為常規(guī)電纜的35%如采用超導(dǎo)輸電技術(shù)，使總的輸電效率提高約4%則目前我國(guó)每年可節(jié)約電力10GW以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，如全部采用高溫超導(dǎo)電纜，按現(xiàn)在的電價(jià)和用電量計(jì)算，我國(guó)每年可節(jié)約400億元，還可降低耗煤量，減少燃煤對(duì)環(huán)境的污染。

4 高溫超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能應(yīng)用于分布式系統(tǒng)

4.1 分布式電源的劣勢(shì)

因其采用天然氣做燃料或以氫氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能為能源，故可減少有害物的排放總量，減輕環(huán)保的壓力:大量的就近供電減少了大容量遠(yuǎn)距離高電壓輸電線的建設(shè)，由此不但減少了高壓輸電線的電磁污染，也減少了高壓輸電線的征地面積和線路走廊，減少了對(duì)線路下樹(shù)本的砍伐，有利于環(huán)保。但是由于分布式電源(太陽(yáng)能，風(fēng)能等)的不穩(wěn)定特性，系統(tǒng)需要在任何時(shí)候都能夠提供所需要的能量和消耗過(guò)剩的能量。

由于分布式電源所產(chǎn)生的電能具有顯著的隨機(jī)性和不確定性特征，并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響主要取決于器穿透功率極限，根據(jù)歐洲國(guó)家的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，穿透功率達(dá)到10%是可行的。所以除非很大的負(fù)荷就在并網(wǎng)逆變器附近或者電網(wǎng)很弱，可以認(rèn)為分布式電源發(fā)出的功率完全被電網(wǎng)吸收，但能量存儲(chǔ)可起到平抑系統(tǒng)擾動(dòng)，維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡，保持電壓/頻率穩(wěn)定的重要作用。要達(dá)到維持發(fā)電/負(fù)荷動(dòng)態(tài)平衡的目的，儲(chǔ)能必須具有很大容量/功率吞吐能力。而為了保持系統(tǒng)電壓/頻率穩(wěn)定，儲(chǔ)能就具有ms級(jí)響應(yīng)速度和一定容量的功率補(bǔ)償能力。

HTS的低消耗高效率傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)能降低超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置(SMES)提供給不穩(wěn)定的分布式電源高效率的電能傳輸。在相鄰電網(wǎng)之間也可以用超導(dǎo)電纜的連接，這樣能降低電能損耗，增加了電能的利用率，再者超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置能及時(shí)補(bǔ)給不穩(wěn)定的分布式不僅有利于相鄰電網(wǎng)的電能相互交換而且有助于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。電源由于SMES的ms級(jí)響應(yīng)，低損耗的HTS電纜和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)的綜合應(yīng)用能夠是電網(wǎng)更為堅(jiān)強(qiáng)，有助于實(shí)現(xiàn)與相鄰電網(wǎng)的電能交換。

表2 各種儲(chǔ)能技術(shù)性能

4.2 超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)電磁能應(yīng)用于分布式系統(tǒng)

(1)增強(qiáng)系統(tǒng)并網(wǎng)的可靠性。分布式電源輸出的電能具有隨機(jī)性和不確定性，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置使得分布式電源即使在波動(dòng)快和較大的情況下也能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平。

(2)孤立運(yùn)行的分布式電源切換或者退出時(shí)起到過(guò)渡作用。太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電輸出具有間歇性，適量的儲(chǔ)能可起到過(guò)渡的作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求。

(3)抑制分布式電源波動(dòng)，改善了系統(tǒng)供電質(zhì)量。太陽(yáng)能，風(fēng)能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機(jī)性，而儲(chǔ)能可以平抑脈沖功率波動(dòng)。

(4)高溫超導(dǎo)電纜和儲(chǔ)能裝置可以很好地改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。分布式發(fā)電與傳統(tǒng)電網(wǎng)的結(jié)合，由于分布式電源電能的隨機(jī)性和不確定性，超導(dǎo)電纜的低損耗和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置能夠快速輸出或者吸收功率改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性抑制系統(tǒng)振蕩。

5 結(jié)束語(yǔ)

使分布式電源按照預(yù)先制定的規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電，提高并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和調(diào)度靈活性。高溫超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)的綜合應(yīng)用能夠使電網(wǎng)健壯，有助于實(shí)現(xiàn)與相鄰電網(wǎng)的電能交換。平衡遠(yuǎn)方的可再生能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能等)，它的廣泛應(yīng)用將在電力系統(tǒng)中引發(fā)技術(shù)性的革命。

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HTS Cables and SMES Used in distributed Power Transmission

WANG Peng1，2，LI Mao1，2
(1.Xinjiang Light Source Power Survey Design Institute，Urumqi 830000，China;2.Urumqi Power Supply Company，State Grid Xinjiang Power Company，Urumqi 830011，China)

High-temperature superconductor(HTS)cable with low loss，high-capacity，pollution，etc.，because the superior properties of superconducting cables have been used in projects at home and abroad.Superconducting Magnetic Energy Storage(SMES)with low-loss，energy storage，high efficiency，fast response，and many other advantages.Based on the combined advantages of both，HTS transmission efficiency of the advantages of low consumption can reduce the superconducting energy storage(SMES)to provide distributed power to the instability of the high efficiency of energy transfer，enhanced system and network reliability.HTS cable and the integrated application of SMES to the power grid is more strong，contribute to energy exchange with the adjacent grid，smart grid-based technologies，has been in the power system has been more and more attention.

high temperature superconductor cable;distributed generation;superconducting magnetic energy storage device;smart grid

TM71

B

1004－289X(2016)04－0099－05

2015－09－21

王鵬(1988－)，男，本科，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作;李貌(1987－)，男，碩士，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。