超导电力技术在未来智能电网应用研究

■ 东南大学电气工程学院 陈中

中国科学院电工研究所 肖立业

东南大学电气工程学院 王海风

1 引言

智能电网已成为电力工业重要发展方向。智能电网必须能解决未来电网发展所面临的一些关键问题，比如特大电网的安全稳定问题；电网支持大规模可再生能源运行的能力问题；电网应用现代电力前沿技术的能力问题等。从研究现状和产业化进程来看，美国侧重于在需求侧管理、配电网重构、分布式发电管理等方面；欧洲侧重于推广分布式发电；中国的研究起步相对较晚，从大电网和中低压电网两个角度同时切入，在华东电网、华北电网都得到了较大的发展，但完全成熟并产业化的成果相对较少。智能电网的建设和发展是一个多学科交叉的崭新学术领域，需要从多角度统揽问题，更需要新技术、新设备应用，以适应未来电网的要求。

超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，超导技术的实用化、产业化会对电力领域产生巨大影响。国际超导技术界普遍认为，新一代高温超导带材(钇系高温超导带材)有望在5年后商品化，之后超导电力技术将会出现一个快速增长的时期，在2010年一2015年期间，各种高温超导电力装置将会陆续进入实用化阶段。据国际超导工业界预测：2010年，全球超导电力技术产业的产值将达到75亿美元；2020年，将达到750亿美元以上。目前，超导电力技术已进入高速发展时期，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。采用超导电力技术，可以大大提升电力工业的发展水平、促进电力工业的重大变革。智能电网对电网安全稳定性、经济性、可再生能源的包容性、电能质量都有根本性的提高；而超导电力技术的进步为应对这一挑战带来了重大机遇并有可能提供解决方案。然而，由于电力系统的特殊性、电力设备运行条件的复杂性，如何应对超导电力装置应用会给电力系统带来新的挑战，目前在理论研究还是设备运行方面都没有充分的准备。

本文考虑未来能源结构的重大变化及超导技术的迅速发展，基于我国目前电力系统现状，从系统角度出发，对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨，重点讨论了超导储能技术、超导电缆技术、超导限流器技术等超导新技术在智能电网的应用前景及其主要研究发展方向。

2 超导电力技术简介

西方政府和工业界对超导电力技术的研究开发和产业化非常重视。美国最近提出的“美国电网2030”计划，把超导电力技术放在一个十分重要的位置上，并计划采用超导电力技术建设骨干电网。美国能源部认为超导电力技术将是2l世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构(NEDO)则认为发展高温超导电力技术是在2l世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可以认为：超导电力技术将是2l世纪具有经济战略意义的一种高新技术。

我国一直重视超导技术的研究，中国科学院电工研究所、清华大学、华中科技大学和华北电力大学正在开展超导技术的研究，且取得了较大的成果，但目前超导电力技术与国际一流水平总体上仍然存在着一定的差距。超导电力技术涉及多学科、多领域、多工业背景，其研究内容纷繁复杂。本文从电网系统的角度出发，着重阐述超导电力技术在未来智能电网的系统级的应用探讨。超导电力技术的应用，包括输电电缆、限流器、电动机、发电机、变压器、超导储能系统等在内的一系列高温超导产品，对提高电网容量、电能质量、供电可靠性和安全性具有重要意义，将给电力技术的发展、智能电网的结构和特点产生深远的影响。

3 超导技术在未来智能电网的应用

3．1 提高电力系统暂态稳定性

智能电网所具有的自治和自愈能力从根本上保证大电网的运行的安全稳定性，未来智能电网的能量流动的双向性，决定了必须有新技术、新设备的应用以缓和甚至消除电力系统扰动所造成的影响，以适应未来电网发展的要求。

作为对大电网暂态稳定的控制手段，大型超导储能装置作为一个独立、反应快速、可独立输出有功及无功的电源，加入到电力系统中，可以提高系统的有功备用率，提高了系统在故障情况下的应急能力。

快速的有功及无功调节，使得系统的可控性增强，应对大扰动的能力增强，从而强化了系统的稳定性。与现有大电网稳定装置(如电气制动等)相比，有响应速度快、过剩能量能回收等优点，能适应智能电网对暂态稳定的要求，提升了电网的暂态稳定性。因此可以将超导储能看成是一种能与电网交换有功功率的灵活交流输电系统(FACTS)装置，功能更加强大，可以实现电力系统暂态稳定由被动致稳转变为主动致稳。

提高暂态稳定性的另一个重要因素是故障部分的及时隔离，如果电气设备不能及时隔离故障，暂态稳定则无从谈起。而随着电网的容量在不断地扩大，使得其短路电流水平迅速提高，由于电气设备须按短路容量水平来设计，这就使得开关设备的成本大大升高，甚至无法选型。为了降低短路电流，目前方法不管是从电网结构还是从运行方式上或者在电气设备方面考虑，费用均非常高，容易导致电力系统运行的不稳定；超导故障限流器是近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备，超导故障限流器，利用超导体的超导／常态转变特性，由零电阻迅速转变为高阻值，从而达到降低系统的短路电流的目的。超导故障限流器能满足智能电网对暂态稳定的快速性和准确性的要求。

因此，通过超导故障限流器及时快速隔离故障，通过超导储能装置补偿不平衡有功功率，均能提高电网暂态稳定性，以满足智能电网的对系统暂态安全稳定的基本要求。

3．2 提高电力系统小干扰稳定性

我国未来智能电网虽然有可再生能源的加入，但仍然遵循着大电网、大机组的发展发向，远距离大容量输送电能不可避免，降低了系统运行的动态安全性。

大规模互联系统小干扰稳定与否主要表现在区域联络线的功率振荡。如果在输电系统中，能对功率越限部分进行实时补偿，在功率过高时吸收功率，在功率过低时释放功率，以平稳联络线功率，则能有效提高系统小干扰稳定性。超导储能系统具有能快速充、放电的功能，并且可对系统提供瞬时有功功率与无功功率的支持，通过附加阻尼控制器，可以对线路功率进行实时补偿，阻尼系统振荡。

提高系统动态稳定性的另一个方面是增强互联系统的电气联系，为了加强互联系统的电气联系，采用特高压(>500kV)输电系统是较好的解决的方法。但是在特高压中，特别是传输大容量电能的电缆，在设计和制造上存在很多技术上的难点，对绝缘和对空间使用有很苛刻的要求。使用超导电缆进行输电是基于超导技术的可行的解决方法。超导电缆具有传输容量大、损耗小、灵活性高、占地空间小、无污染等显著优点，是解决电能传输“瓶颈”的较好选择。采用超导电缆技术，由于其在超导状态下阻抗很小，采用超导电缆技术可以大大加强互联系统之间的电气联系，提高电网的小干扰安全性。因此，通过超导储能技术提高系统阻尼，通过超导电缆技术加强系统电力联系，均能提高电力系统的小干扰稳定性，以满足智能电网对小干扰安全稳定的基本要求。

3．3 提升电网的抗打击能力

电网的外部打击包括自然力、人为、恐怖主义、战争等因素，(2008年冰冻灾害导致我国多个省市电网大规模长时间停电，以及2009年大雪导致安徽电网的停电事故，更加凸现了这一需要)。智能电网的防御能力是指电网抵御外部破坏的能力，其目的是电网在遭受一系列的外部打击后，仍能维持稳定运行并向关键负荷稳定地输送电力。提高电网的抗打击能力，最重要的保证重要负荷(军事负荷、信息商业中心等)的供电，因此在配电系统中，中小型的超导储能系统，由于其反应速度快、容量密度高等优点，可以作为紧急备用电源保护敏感负载。

提高电网的防御能力，表现在非正常工况下仍然能对重要负荷输送大量电力。超导电缆技术可以在比常规电缆较低的运行电压下将巨大的电能利用超导电缆传输而进入城市负荷中心。因此在输电走廊遭受大量破坏时，可以利用超导电缆保证重要负荷的供电。

因此，超导储能能量备用技术和超导电缆大容量能量输送技术均能有效增强智能电网的防御能力，对于应付极端情况有积极的应用前景。

3．4 对可再生能源的包容性

可再生能源是未来电力能源的重要组成部分，要使这种能源得到充分有效的利用，必须采用新的技术措施改善其品质并使其能更为有效地与大电网联结，能与其它能源系统互动，实现动态综合优化平衡，提高能源系统的总体效率。智能电网所具有的兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型能源的能力，也正是契合了可再生能源的发展要求。由于可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，且光伏发电系统不具有传统水轮机组或汽轮机组的机械惯性。风力发电机组的单机容量及惯性与传统发电机组相比也有很大的差别。这种发电方式的重大变化将导致电网的结构、运行、管理、控制方式发生变革，电力系统的高效、安全、可靠和灵活性将会受到极大的限制。超导储能系统将为电网提供高效的储能备用、为提高可再生能源发电接入电网的比例和提高电网的安全可靠性起到至关重要的作用，并对分布式发电系统稳定运行、改善可再生能源发电电能质量和功率平衡方面有重要意义。

因为可再生能源不稳定，所以系统需要在任何时候都能够提供所需要的能量和消耗过剩的能量。解决方法包括使用很大的能量缓存、与邻近电网进行能量互补交换。高温超导电缆和超导储能装置的综合应用能够使电网健壮，有助于实现与相邻电网的电能交换。

对于大容量的风力发电站群，各台发电机之间的连接以及和主电网的连接，必须考虑电气联系的紧密型对周围环境的影响，内部冷却的超导电缆则适用于风力发电站之间部分的互联，不仅加强了风机之间的电气联系，而且完全不会影响到周围的生态环境。

因此，分布式中小型超导储能技术以及与超导电缆技术的综合应用契合了智能电网的兼容性要求，提高了智能电网对可再生能源的包容性，具有重要的应用价值。

3．5 提升电网的电能质量

在信息化社会，电网电压和频率的波动会带来信息系统发生故障的严重后果，同时对工业产品质量产生致命的影响。智能电网所具有的优质和友好性能力，是指电网与需求侧、发电商、环境和谐相处的能力，也是电网能充分满足负荷侧的要求，因此提高系统供电品质是智能电网必须重视的课题。

在输电层面，对于大功率远距离输变电系统，可以通过大型超导储能装置提升电网电能质量。超导储能可以瞬时吸收和释放能量，避免频率的波动；同时超导储能通过电压／无功支持，可使电压极为稳定，波动很小。

在配电层面，对于中小型超导储能，特别是微型超导储能，可利用其高速调节有功、无功特性来改善功率因数，稳定电网频率，控制电压的瞬时波动，平衡电网次谐波振荡，从而大大改善供电质量，满足军事、工业、民用电力的需要。在改善电能质量时，超导储能系统的储能容量不一定需要很大，但功率容量一般很大。

因此，超导储能技术能在输电和配电两个层面上提高电网电能质量，以满足智能电网的电能优质性要求。

3．6 建立“集约型”电力系统

智能电网所具有的高效性，是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运营成本的能力，通过新型技术和设备的应用以提高网络的经济性。超导电缆使用无阻和高临界电流密度的高温超导线材作导体，极大的提高了电流能量传输能力。超导电缆具有低损耗的特点，即使计及低温冷却所需的电力，其电力损耗仍比常规电缆要小。因此大大减少了网络损耗。

超导电缆具有结构紧凑的特点，能够在不增大电缆尺寸和不增大损耗的条件下增加传输功率。并且对环境影响小。所以从电缆安装空间有限和安全角度出发，更适合给大城市和特殊场合供电，节约了安装空间，节约了土地和资金。因此，超导电缆具有的大容量、低损耗、结构紧凑的特点满足智能电网高效性、经济性的要求，具有重要的应用前景。

超导变压器和超导电机由于其容量有限，但是具有占地面积小，能量密度高、损耗小等特点，适用于对自然环境要求特别高的场合。

4 超导技术在智能电网的研究方向

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了新的挑战。

因此，必须从系统角度出发，对超导电力系统理论开展研究。研究方向主要包括：

(1)超导电力装置的动力学建模研究。由于超导电力装置具有许多完全不同的特性，特别表现在时间尺度和动作特性等方面。因此与传统的元件类似，要对超导电力装置进行动力学建模，以分析其对电力系统稳态和动态稳定的影响。

(2)超导电力系统的分级建模和控制。超导电力应用大功率电力电子能量变换、控制装置，其动态行为和模型具有其特殊性，在装置级和系统级两个层次上对建模和控制提出更高的要求。

(3)含超导电力装置的智能电力系统建模理论。超导电力装置对电气运行方式、温度、电磁环境等非常敏感，其状态变换也非常迅速，而传统的电力系统理论已不适应，需要扩展至超导电力装置理论体系才能满足超导技术在智能电网应用要求。

(4)超导电力装置与智能电网的协调运行。超导电力装置特性可能对电力系统具有完全陌生的环境，因此，对于传统的电网运行方式、保护、控制等要随之调整，只有两者协调运行，才能最大化地发挥超导的优越性，才能适应未来电网运行要求。

(5)超导电力系统智能控制策略。智能电网决策与控制的实时性、易用性和互操作性都大大提高，要求超导电力系统满足其控制要求，包括故障的快速检测、判断和预测、电能质量和系统实时同步跟踪等。研究超导电力系统相应的应对措施及装置的控制策略、控制方式和拓扑结构。

(6)快速可控装置的智能协调控制。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，使电网各环节都会出现快速可控元件，这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。

5 结语

超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。超导技术在智能电网的有效应用，可大幅度提高系统抗打击能力、提高系统稳定性、改善电能质量、建立集约型系统，为未来智能电网的发展提供一种全新的思路。超导技术在智能电网的应用在各个方面尚处于摸索阶段，我国电力系统的发展和特点决定了超导电力技术将在智能电网中发挥重要作用。

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