HTS电缆和SMES应用于分布式电源电能的传输

王鹏，李貌

(1.新疆光源电力勘察设计院，新疆乌鲁木齐830000;2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆乌鲁木齐830011)

HTS电缆和SMES应用于分布式电源电能的传输

王鹏1，2，李貌1，2

(1.新疆光源电力勘察设计院，新疆乌鲁木齐830000;2.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，新疆乌鲁木齐830011)

高温超导(HTS)电缆具有低损耗、大容量、无污染等优点，由于超导电缆的优越特性已在国内外应用在工程中。超导磁储能(SMES)具有低损耗、储能效率高、快速响应等诸多优点。本文基于二者的优点结合，HTS的低消耗高效率传输等优点能降低超导储能装置(SMES)提供给不稳定的分布式电源高效率的电能传输，增强系统并网的可靠性。HTS电缆和SMES的综合应用能够使电网更为坚强，有助于实现与相邻电网的电能交换，是智能电网基础技术之一，已在电力系统中已受到越来越多的关注。

高温超导电缆;超导磁储能装置;分布式电源;智能电网

1 引言

从1991年起日本通产业省(现在产业省)资源能源厅就把超导电力储能系统列为国家项目，并组织有关单位开展对该项目的研究。按照项目的实施要求，2007年由日本中部株式会社和株式会社东芝共同研发了当时世界最大的输出功率的10MW瞬时电压降低补偿用SMES装置且在日本县龟山市进行了现场运行试验，现在这种SMES装置已进入使用阶段化阶段。具有重大意义是由中部电力株式会社等单位共同研发20MJ储能级别，10MW电力系统控制作用SMES装置作为100MW级SMES装置的1/10容量模型样机于2007年接入电力系统进行联网验证试验。由于SMES装置与电网的功率交换非常迅速，加上电力电子技术的发展，SMES能同时与系统分别独立运行四象限有功功率和无功功率。SMES具有储能效率高，响应速度快、使用寿命长、抑制低频振荡、灵活方灵活方便等优点［1］。由于SMES具有上述的优越特性和超导电缆的低损耗的特点，近年来一直是很多发达国家研究的热点，美日俄加英德荷等展开一些研究。

2 超导储能装置的组成和优势

2.1 电力系统控制作用SMES装置的组成

SMES装置是利用超导线圈将电能直接以电磁的形式储存起来，在需要的是在将电能输出给负载的储置。SMES装置组成如图1，主要由变流变压器、变流器、斩波器、短路器、超导线圈、冷却系统和保护单元以及控制单元等组成。

图1 电力系统控制用SMES装置图

(1)变流变压器。变流变压器把三相高压电压变换成适合输入变流器的相数和电压。

(2)变流器。根据控制单元的指令，变流器将由变压器输入的交流电压正流程直流电压，经斩波器输入超导线圈。也可将超导线圈经斩波器输出直流电压逆变成交流电压反送给变压器向电网反馈。SMES所用的AC/DC变流器能控制SMES与电力系统的用功功率和无功功率。

(3)斩波器。斩波器实际上是直流调压器是为了确保变流器和超导之间电压匹配而设立的过度装置。

(4)短路器。短路器实际上是断路开关，有大功率晶闸管组成。

(5)超导线圈。它的形状通常是环形和螺管形，安置在低温容器内的超导线圈，是电力系统控制用SMES装置的核心储能部件。其储能的能量(ESMES= 0.5×L×I2)L为超导线圈的电感，I为超导线圈的电流。

(6)冷却系统。低温冷却装置由不锈钢制冷器、低温液体的分配系统、一对自动的氦液液化器等部分组成。

(7)保护单元。保护单元是保障电力系统控制作用SMES装置安全运行的重要元件。

2.2 超导磁储能系统的优势

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超导线圈储存磁场能量，能量交换和功率补偿无需能源形式的转换。具有响应速度快、转换效率高、比容量/比功率大、寿命长、污染小等优点，且没有旋转机械部件和动密封问题。主要用于输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力［2－3］。已有研究表明，对于输配电应用而言，微型(＜0.1MWh)和中型(0.1～100MWh) SMES系统更为经济［4］。

表1 不同规模SMES的应用情况

3 超导电缆的结构和优势

在上面介绍了超导磁储能(SMES)的发展优点以及工作原理，随之的是超导电缆的优势。高温超导(HTS)线缆的优越性。电力系统向更大规模方向发展。对电能品质和和供电可靠性提出更高的要求。传统的电线或者是电缆受铜，铝等基本导电材料电导率限制。高温超导电缆采用具有很高的传输电流密度的高温超导材料作为导体，其诸多优点已在电力工业中引起了越来越多的关注。随着智能电网智能化发展趋势越来越明显HTS电缆的应用前景也越来越被看好。

3.1 超导电缆的结构

HTS电缆的结构与常规电缆有较大的差异，主要由电缆本体，终端以及低温冷却系统组成。如图2所示。

图2 热绝缘高温超导电缆的基本结构

(1)电缆本体。HTS电缆本体包括电缆芯，电绝缘和低温器。电缆芯是由绕在不锈钢波纹管骨架上的导体层组成，装在维持液氮温度的低温中，低温容器两端与终端相连。电缆芯导体层的高温超导带材在终端通过电流引线与外部电源或负载相连接。电缆芯的导体层是由多层高温超导带材在骨架上绕成。

(2)电缆终端。终端HTS电缆与外部电气部件的连接端口，也是电缆低温部分与外部室温的过渡段。终端要求有很好的热绝缘，以保证超导电缆整体热损耗最小。同时由于炒到电缆本体在一定的电压下运行，因此也要求终端有相应的绝缘的水平。如图3所示。

图3 终端基本结构

(3)低温冷却系统。目前HTS电缆普遍采用Bi2223超导带材作为电缆的导体层，低温技术为超导应用提供最基本的低温运行条件，因此冷却系统是超导电缆的一个重要部分。目前普遍采用液氮作为冷却介质，因为氮的液化技术成熟，价格低廉，同时由于氮是空气的主要成分，氮气的泄露不会带来环境问题。

HTS电缆的液氮冷却基本原理是利用过冷液氮的显热，将HTS电缆产生的热量带到冷却装置，通过液氮冷却装置冷却后，再将过冷液氮送到HTS电缆中去，形成液氮在闭合回路的循环过程。冷却装置可以采用各种不同制冷方式，如常压液氮沸腾制冷，减压降温制冷，低温制冷机。

3.2 HTS电缆相对于其他电缆的性能优势

(1)与常规电缆相比，HTS电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%。

(2)容量大。同样截面的热绝缘HTS电缆的电流传输能力是常规电缆的3～5倍，这是由低温封套和屏蔽层的涡流损耗所决定的。冷绝缘HTS电缆的电流传输能力更大一些，直流超导电缆的更高。

(3)节约材料。由于HTS的电流密度高，在同样传输能力下，与常规电缆相比，HTS电缆使用较少的金属和绝缘材料。

(4)无污染。HTS电缆不会造成环境污染，而常规充油电缆存在着漏油而造成污染环境的缺点。此外，HTS电缆还具有无电磁污染，低噪音等特性。低损耗。超导材料在进入超导状态时直流电阻几乎为零;但对于交流电缆而言，超导体中仍有磁滞涡流损耗，因此电导损耗不可忽略，但其值比常规电缆的小得多，即使计及低温冷却所需的电力，其电力损耗仍比常规电缆的小。交流高温超导电缆的功率损耗约为输送容量的1%，直流电缆的功率损耗比交流电缆的更低。如计及电缆制冷功率，高温超导电缆的总损耗约为常规电缆的35%如采用超导输电技术，使总的输电效率提高约4%则目前我国每年可节约电力10GW以上，据统计，如全部采用高温超导电缆，按现在的电价和用电量计算，我国每年可节约400亿元，还可降低耗煤量，减少燃煤对环境的污染。

4 高温超导电缆和超导磁储能应用于分布式系统

4.1 分布式电源的劣势

因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力:大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树本的砍伐，有利于环保。但是由于分布式电源(太阳能，风能等)的不稳定特性，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。

由于分布式电源所产生的电能具有显著的随机性和不确定性特征，并网对系统的影响主要取决于器穿透功率极限，根据欧洲国家的一些统计数据，穿透功率达到10%是可行的。所以除非很大的负荷就在并网逆变器附近或者电网很弱，可以认为分布式电源发出的功率完全被电网吸收，但能量存储可起到平抑系统扰动，维持发电/负荷动态平衡，保持电压/频率稳定的重要作用。要达到维持发电/负荷动态平衡的目的，储能必须具有很大容量/功率吞吐能力。而为了保持系统电压/频率稳定，储能就具有ms级响应速度和一定容量的功率补偿能力。

HTS的低消耗高效率传输等优点能降低超导储能装置(SMES)提供给不稳定的分布式电源高效率的电能传输。在相邻电网之间也可以用超导电缆的连接，这样能降低电能损耗，增加了电能的利用率，再者超导磁储能装置能及时补给不稳定的分布式不仅有利于相邻电网的电能相互交换而且有助于电力系统的稳定。电源由于SMES的ms级响应，低损耗的HTS电缆和超导磁储能(SMES)的综合应用能够是电网更为坚强，有助于实现与相邻电网的电能交换。

表2 各种储能技术性能

4.2 超导电缆和超导电磁能应用于分布式系统

(1)增强系统并网的可靠性。分布式电源输出的电能具有随机性和不确定性，超导储能装置使得分布式电源即使在波动快和较大的情况下也能够运行在一个稳定的输出水平。

(2)孤立运行的分布式电源切换或者退出时起到过渡作用。太阳能和风力发电输出具有间歇性，适量的储能可起到过渡的作用，其储能的多少主要取决于负荷需求。

(3)抑制分布式电源波动，改善了系统供电质量。太阳能，风能等受天气等自然因素的影响，输出电能具有随机性，而储能可以平抑脉冲功率波动。

(4)高温超导电缆和储能装置可以很好地改善电力系统暂态稳定性。分布式发电与传统电网的结合，由于分布式电源电能的随机性和不确定性，超导电缆的低损耗和超导磁储能装置能够快速输出或者吸收功率改善系统暂态稳定性抑制系统振荡。

5 结束语

使分布式电源按照预先制定的规划进行发电，提高并网运行的可靠性和调度灵活性。高温超导电缆和超导磁储能(SMES)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。平衡远方的可再生能源(太阳能、风能等)，它的广泛应用将在电力系统中引发技术性的革命。

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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

王鹏(1988－)，男，本科，从事电力系统规划及设计工作;李貌(1987－)，男，硕士，从事电力系统规划及设计工作。