基于MgB2高溫超導材料的吉瓦級遠程直流輸電研究

王穎杰, 楊 波， 左慧芳，齊東遷

(1. 中國礦業(yè)大學可持續(xù)能源研究院, 江蘇 徐州 221008；2. 中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221008；3. 電光防爆科技股份有限公司，浙江 溫州 325600)

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基于MgB2高溫超導材料的吉瓦級遠程直流輸電研究

王穎杰1, 楊 波2， 左慧芳2，齊東遷3

(1. 中國礦業(yè)大學可持續(xù)能源研究院, 江蘇 徐州 221008；2. 中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221008；3. 電光防爆科技股份有限公司，浙江 溫州 325600)

本文主要探究以具有成本效益和環(huán)保特性的新型高溫超導材料(MgB2)作為直流輸電電纜，以液氫作為冷卻劑，實現吉瓦級遠程直流輸電的可能性。首先分析超導直流輸電的必要性及其優(yōu)勢，說明超導直流輸電的基本模型，然后介紹MgB2超導電纜和液氫制冷系統(tǒng)，接著闡述基于十二脈動換流器的直流輸電控制策略。最后使用PSCAD軟件完成超導直流輸電系統(tǒng)仿真，在相同傳輸條件下進行MgB2高溫超導電纜和傳統(tǒng)電纜的線路功率損耗比較，證明了超導直流輸電系統(tǒng)具有線路損耗低，容量不受限制的優(yōu)點，為MgB2高溫超導材料在超導直流輸電領域的開發(fā)設計提供初步依據。

吉瓦級遠程直流輸電; 超導直流輸電; MgB2;十二脈動換流器

0 引言

目前我國能源需求日益增長，導致霧霾等環(huán)境問題日益嚴重。同時，大部分水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和風能發(fā)電分布在西部地區(qū)，而用電密集的負荷中心集中在東部地區(qū)。因此通過西電東送的方式解決我國的能源問題成為不錯的選擇。但傳統(tǒng)的交流特高壓電網,由于占地面積大、投資成本高、能源損耗大及系統(tǒng)阻抗增大導致容量瓶頸等問題,在應對未來更大能源傳輸方面顯得力不從心。因此,直流輸電引起人們的關注。直流輸電不僅可以根據系統(tǒng)要求傳輸功率,還可以利用直流的快速控制作用提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，直流輸電可以實現電力系統(tǒng)非同步連接,對我國不同頻率的電網互聯(lián)意義深遠。

根據超高壓換流器技術的最新進展,常規(guī)的高壓直流輸電系統(tǒng)代表高壓長距離輸電最有成本效益的選擇。在我國,向家壩—上海±800 kV線路已投運,并計劃在±1100 kV附近的線路進行開發(fā)。然而,即使是這種超高壓直流輸電,隨著容量和距離的增加,傳輸效率也迅速下降。隨著高溫超導的出現,超導直流輸電被視為在不增加電壓等級的前提下提高傳輸容量的唯一方法[1]。超導直流輸電，具有低電壓、大電流的特點，損耗低，容量大，絕緣要求低。在超導電纜及冷卻系統(tǒng)成本降低的前提下，超導直流輸電將擁有很好的經濟效益。

1 超導直流輸電模型

由于晶閘管換流技術在大功率電能傳輸方面的出色表現，選擇十二脈動換流器作為超導直流輸電的基本模型，如圖1所示。十二脈動換流器是現有高壓直流輸電工程最經典換流器，由兩個六脈動換流器在直流側串聯(lián)而成。換流變壓器閥側繞組一個為三角形連接，一個為星形連接，使直流側得到一個周期脈動12次的直流電壓[2]。相比于六脈動換流器,十二脈動換流器交流側和直流側諧波含量均大幅下降,減少了系統(tǒng)對平波電抗器、交流濾波器及直流濾波器的需求。與傳統(tǒng)直流輸電相比,本文將輸電線路改造為MgB2超導電纜，通過配置相應的冷卻系統(tǒng)，降低了傳輸電能時的線路損耗。

圖1 超導直流輸電模型Fig.1 Superconducting HVDC model

晶閘管結構簡單，工作可靠，且功率水平高，因此基于晶閘管的十二脈動換流器廣泛應用于大功率高壓直流輸電領域。但晶閘管是半控型器件，不具備自關斷的能力，故晶閘管換流技術存在諧波含量高、逆變失敗風險大、消耗大量無功功率等缺點。如果采用電壓源換流器,超導直流輸電系統(tǒng)的性能將得到優(yōu)化。模塊化多電平換流器(MMC)是一種新型電壓源換流器，其拓撲結構如圖2所示[3,4]。通過MMC基本單元的串并聯(lián)，可以滿足超導直流輸電的參數要求。MMC采用載波移相調制算法，雙閉環(huán)PI控制策略，使直流輸電潮流控制更快，諧波含量更低。另外， MMC還可通過合適的控制策略實現多端互聯(lián)，增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

圖2 模塊化多電平換流器Fig.2 Modular multilevel converter

2 MgB2超導電纜

超導電纜,即在特定的觸發(fā)條件下,呈現零電阻特性的電纜。零電阻特性是無損耗電能傳輸的基礎。在常規(guī)導體中，電流是電子的定向移動，擁有動能的電子與晶格碰撞，動能轉化為熱能，產生電阻損耗。然而，超導體中，電子卻能自由地穿過晶格，不產生能量損失。實驗證實，即使超導體兩端電壓撤去，超導體中的電流仍可存在數年且無能量損失[6]。由于這種特性僅在直流下顯現,因此超導輸電的方式僅定義在直流的范疇內。

超導體向超導態(tài)的轉變需要一定的觸發(fā)條件，除了廣為人知的臨界溫度(Tc)外，還包括臨界磁場強度(Hc)和臨界電流密度(Jc)[6]。滿足式(1)，超導體才會呈現超導態(tài)。任何一個參數不滿足，都會破壞超導態(tài)。

(1)

目前，超導電纜的研究取得了很多突破性進展。汞系氧化物Hg-Ba-Ca-Cu-O，是已知臨界溫度最高的超導電纜，達到130 K以上[7]。但是，幾乎所有的高溫超導電纜都存在成本昂貴、制造困難的缺點，很大程度上制約了超導直流輸電的發(fā)展。

2001年，超導材料MgB2被日本青山學院秋光純發(fā)現。其超導臨界溫度在39 K，呈現超導特性的最佳工作溫度在16～20 K[8]。2011年，Carlo Rubbia提出開發(fā)世界上第一條承載20 kA電流MgB2超導電纜的想法，并于2014年在歐州核子研究組織(CERN)測試成功[9]。MgB2適合作為超導直流輸電電纜的原因如下：(1) MgB2由自然界中豐富存在的鎂元素和硼元素組成，價格低廉。MgB2超導電纜成本已降低到1＄/m以下[10]。(2) MgB2制造簡單，韌性好，容易加工成線材。根據橫截面積，典型MgB2電纜長度在1～5 km[11]。(3) MgB2具有相對較高的臨界電流密度和臨界磁場強度，超導性能穩(wěn)定。

MgB2超導電纜中，MgB2載流層是其核心組成。載流層通常由若干MgB2載流束及銅心組成，如圖3所示。在T=20 K，磁感應強度B=1 T前提下，MgB2載流束的臨界電流密度Jc可以達到1 kA/mm2[12]。

圖3 MgB2載流層實物Fig.3 Practical picture of MgB2 current-carrying layer

另外，實驗室研究成果表明，通過“摻雜”的方法，可以在MgB2的基礎上提高其臨界溫度[6]。根據BCS理論估算，MgB2臨界溫度可達70 K[13]。如果能將臨界溫度提高到70 K，MgB2的實用價值將進一步提高。

3 液氫冷卻系統(tǒng)

超導直流輸電需要持續(xù)的低溫操作來冷卻超導電纜。由于MgB2呈現超導特性的最佳溫度在16～20 K，因此其冷卻系統(tǒng)相對復雜。

沸點低于MgB2臨界溫度的制冷液體都可以用作冷卻液。常用的制冷液體中，液氦、液氫滿足該條件。但液氦的沸點在8 K，其冷卻系統(tǒng)復雜且昂貴，不具備實用價值。因此選擇液氫作為MgB2超導電纜的冷卻液。液氫無色，無味，沸點在20 K，恰好滿足MgB2的最佳工作溫度。

基于液氫制冷系統(tǒng)的MgB2超導電纜的結構如圖4所示。液氫通過內管進入電纜，使中心部位的MgB2載流層浸在16 K溫度的環(huán)境中。之后，液氫通過外管返回，釋放熱量并實現回流?？紤]絕熱層的真空構造和T≈300 K的環(huán)境溫度，液氫外管的熱損失在1 W/m以下[14]。另外,液氫還具有出色的絕緣特性。假定在已確保的低溫下加壓，液氫的最終擊穿能力在1000 kV/cm左右。

圖4 MgB2超導電纜結構Fig.4 Structure of MgB2 superconducting cable

為了通過有限長度的超導電纜實現遠程電能傳輸,需要在300 km左右的間隔設置中繼站[15]，以實現電纜的連接及液氫的冷卻工作(如圖5所示)。中繼站包括加壓器、壓縮機、換熱器、液氫存儲器等。外管溫度為28.5 K的液氫首先進入加壓器增壓，然后通過基于壓縮機作用的換熱器使溫度降低到15 K，最后進入液氫內管，實現液氫的循環(huán)。另外，液氫存儲器中液氫可以雙向流動，使液氫的循環(huán)更靈活。

圖5 液氫冷卻系統(tǒng)Fig.5 Hydrogen cooling system

4 控制策略及仿真

本文選定的系統(tǒng)額定電流為20 kA，額定電壓為125 kV，雙極運行時輸送功率達5 GW。仿真基于十二脈動換流器模型。為簡化模型，采取單極大地回線的運行方式，數學模型如圖6所示[16]。

根據數學模型，整流側直流電壓Udcr為：

Udcr=2.7Ercosα-2drIdc

(2)

逆變側直流電壓Udcr為：

Udci=2.7Eicosβ+2diIdc=2.7Eicosγ-2diIdc

(3)

直流側電流Idc為：

(4)

送端功率Pr為:

Pr=UdcrIdc

(5)

受端功率Pi為:

Pi=UdciIdc

(6)

式中：Er為送端電網交流線電壓有效值；Ei為受端電網交流線電壓有效值；dr，di為等值換相電阻；α為觸發(fā)角；β為超前觸發(fā)角；γ為熄弧角。

圖6 超導直流輸電數學模型Fig.6 Mathematical model of superconducting DC transmission

仿真模型主要包括電網電源、換流變壓器、十二脈動換流器、交流濾波器、平波電抗器及直流線路電阻Rd。由于MgB2電纜的超導特性,Rd≈0,這里用0.01 Ω等效。在單極大地回線方式下,額定電壓為125 kV,額定功率為2.5 GW。直流輸電控制中,最重要的就是對換流器的控制,通過改變換流器觸發(fā)角α完成對功率的控制。

整流側采用定電流和最小觸發(fā)角控制。定電流控制是直流輸電最基本的控制方式。首先設置電流給定值,與實時直流電流比較,得到電流偏差值。之后經PI調節(jié)器得超前觸發(fā)角β,由α=π-β,得到觸發(fā)角的控制信號。在Ud-Id控制特性曲線中,定電流控制為一條豎直直線，如圖7BF段。其次,整流側采用最小觸發(fā)角控制。若觸發(fā)角α過小,會導致晶閘管兩端電壓過低,使其同時性變差。為避免這種現象發(fā)生,需對PI調節(jié)器限幅。最小觸發(fā)角的常用取值為5°。由式(2)可得α=5°的特性曲線，如圖7AB段。

逆變側采用定熄弧角和定電流控制。采用定熄弧角控制是為了防止換相失敗。逆變器在運行時,從閥電流變?yōu)榱闼闫?到該閥兩側電壓重新變?yōu)檎碾娊嵌?稱為熄弧角γ。若γ太小,晶閘管在這段時間沒有恢復阻斷能力,就會出現晶閘管重新導通的現象。這時,逆變器和電網間會出現很大的換流,損壞開關器件。因此,需通過Minimum Gamma元件,獲得逆變器一個周期中最小的γ角,之后與整定值及電流偏差引起的Δγ作比較[17]。一般當γ小于10°時,就認為發(fā)生了逆變失敗。為留有一定裕度，整定值設為15°。由式(3)可得γ=15°的特性曲線，如圖7CD段。另外，由于逆變側定γ特性曲線CD段不會和降壓運行的整流側特性線A′B′F段相交，當系統(tǒng)需要降壓運行時，可能導致系統(tǒng)停運[18]。因此需在逆變側加定電流控制防止這種現象發(fā)生。電流裕度取0.1 p.u.[19]時，逆變側的定電流特性曲線相對于整流側向左平移了0.1 p.u.。

圖7 高壓直流輸電控制特性曲線Fig.7 Control characteristic curve of HVDC

對于超導直流輸電系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)工作點是整流側和逆變側特性曲線的交點。正常運行時，交點為額定工作點N點。此時，整流側控制電流，逆變側控制電壓。降壓運行時，交點為N′點。此時，整流側控制電壓，逆變側控制電流。

根據設計的控制系統(tǒng)進行仿真，結果如圖8—10所示。超導輸電系統(tǒng)仿真顯示，當Rd=0.01 Ω時，Udcr=125.2 kV，Udci=125 kV，Idc=20 kA。如圖9所示，送端功率Pr為2504 MW，受端功率Pi為2500 MW，線路損耗在4 MW。系統(tǒng)運行在設計的額定工作點，即圖7中的N點。

圖8 功率波形(MgB2超導輸電線路Rd=0.01 Ω)Fig.8 Power waveform(equivalent resistance of MgB2 superconducting transmission line: Rd=0.01 Ω)

圖9 功率波形(放大)(MgB2超導輸電線路 Rd=0.01 Ω)Fig.9 Power waveform(enlarged)(equivalent resistance of MgB2 superconducting transmission line: Rd=0.01 Ω)

圖10 功率波形(常規(guī)輸電線路Rd=2 Ω)Fig.10 Power waveform(equivalent resistance of conventional transmission line: Rd=2 Ω)

可見，基于MgB2高溫超導材料的直流輸電系統(tǒng)具有線路損耗低、容量不受限制的優(yōu)點。

5 結語

本文介紹了基于MgB2高溫超導材料的直流輸電系統(tǒng)。MgB2高溫超導電纜，配合液氫冷卻系統(tǒng)，設計相對合理。但是，MgB2超導電纜的變性及液氫潛在的燃爆問題應引起關注。擬應用于超導直流輸電的換流器包括十二脈動換流器和MMC。本文通過十二脈動換流器進行仿真，一定程度證明了超導直流輸電的優(yōu)越性。鑒于超導電纜可承受很大的電流，直流母線電壓不用設置太高，今后的研究中需進一步權衡以確定更合適的換流器類型。

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(編輯 徐林菊)

Research on GW Level Remote HVDC Based on MgB2HTS Superconductor

WANG Yingjie1, YANG Bo2, ZUO Huifang2,QI Dongqian3

(1. Sustainable Energy Research Institute of CUMT, Xuzhou 221008, China;2. School of Electrical and Power Engineering, CUMT, Xuzhou 221008, China;3. Dianguang Explosion Technology Company, Wenzhou 325600, China)

The research aims at exploring the possibility of GW level remote HVDC through a new type of superconducting material (MgB2) as a cost-effective and environmental-friendly DC line and liquid hydrogen as coolant. The necessity and advantages of superconducting DC transmission are analyzed firstly. Then basic method of HVDC converter is explained. The MgB2superconducting cables and liquid hydrogen refrigeration system are introduced and the DC transmission control strategy based on twelve pulse converter is illustrated. Through the Pscad software, the simulation of superconducting DC transmission is completed and the line power losses between the MgB2HTS superconducting cable and traditional cable under the same condition are compared, which proves the advantages of low loss and unlimited capacity and provides the preliminary basis for the development of MgB2HTS superconductor in the field of superconducting DC transmission.

GW level remote HVDC; superconducting DC transmission; MgB2; twelve pulse converter.

2017-01-28；

2017-03-05

中國博士后科學基金資助項目(2016M600450)

TM725

A

2096-3203(2017)04-0080-06

王穎杰

王穎杰(1979—)，男，浙江金華人，講師，主要研究方向為電力傳動、柔性直流輸電及新能源并網技術；

楊 波(1994—)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為直流輸電(E-mail: 1095832613@qq.com)；

左惠芳(1991—)，女，河南商丘人，碩士研

究生，研究方向為柔性直流輸電；

齊東遷(1976—)，男，浙江金華人，工程師，從事防爆電氣技術工作。