基于MgB2高温超导材料的吉瓦级远程直流输电研究

王颖杰, 杨 波， 左慧芳，齐东迁

(1. 中国矿业大学可持续能源研究院, 江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏 徐州 221008；3. 电光防爆科技股份有限公司，浙江 温州 325600)



基于MgB2高温超导材料的吉瓦级远程直流输电研究

王颖杰1, 杨 波2， 左慧芳2，齐东迁3

(1. 中国矿业大学可持续能源研究院, 江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏 徐州 221008；3. 电光防爆科技股份有限公司，浙江 温州 325600)

本文主要探究以具有成本效益和环保特性的新型高温超导材料(MgB2)作为直流输电电缆，以液氢作为冷却剂，实现吉瓦级远程直流输电的可能性。首先分析超导直流输电的必要性及其优势，说明超导直流输电的基本模型，然后介绍MgB2超导电缆和液氢制冷系统，接着阐述基于十二脉动换流器的直流输电控制策略。最后使用PSCAD软件完成超导直流输电系统仿真，在相同传输条件下进行MgB2高温超导电缆和传统电缆的线路功率损耗比较，证明了超导直流输电系统具有线路损耗低，容量不受限制的优点，为MgB2高温超导材料在超导直流输电领域的开发设计提供初步依据。

吉瓦级远程直流输电; 超导直流输电; MgB2;十二脉动换流器

0 引言

目前我国能源需求日益增长，导致雾霾等环境问题日益严重。同时，大部分水力发电、太阳能发电和风能发电分布在西部地区，而用电密集的负荷中心集中在东部地区。因此通过西电东送的方式解决我国的能源问题成为不错的选择。但传统的交流特高压电网,由于占地面积大、投资成本高、能源损耗大及系统阻抗增大导致容量瓶颈等问题,在应对未来更大能源传输方面显得力不从心。因此,直流输电引起人们的关注。直流输电不仅可以根据系统要求传输功率,还可以利用直流的快速控制作用提高交流系统的稳定性。同时，直流输电可以实现电力系统非同步连接,对我国不同频率的电网互联意义深远。

根据超高压换流器技术的最新进展,常规的高压直流输电系统代表高压长距离输电最有成本效益的选择。在我国,向家坝—上海±800 kV线路已投运,并计划在±1100 kV附近的线路进行开发。然而,即使是这种超高压直流输电,随着容量和距离的增加,传输效率也迅速下降。随着高温超导的出现,超导直流输电被视为在不增加电压等级的前提下提高传输容量的唯一方法[1]。超导直流输电，具有低电压、大电流的特点，损耗低，容量大，绝缘要求低。在超导电缆及冷却系统成本降低的前提下，超导直流输电将拥有很好的经济效益。

1 超导直流输电模型

由于晶闸管换流技术在大功率电能传输方面的出色表现，选择十二脉动换流器作为超导直流输电的基本模型，如图1所示。十二脉动换流器是现有高压直流输电工程最经典换流器，由两个六脉动换流器在直流侧串联而成。换流变压器阀侧绕组一个为三角形连接，一个为星形连接，使直流侧得到一个周期脉动12次的直流电压[2]。相比于六脉动换流器,十二脉动换流器交流侧和直流侧谐波含量均大幅下降,减少了系统对平波电抗器、交流滤波器及直流滤波器的需求。与传统直流输电相比,本文将输电线路改造为MgB2超导电缆，通过配置相应的冷却系统，降低了传输电能时的线路损耗。

图1 超导直流输电模型Fig.1 Superconducting HVDC model

晶闸管结构简单，工作可靠，且功率水平高，因此基于晶闸管的十二脉动换流器广泛应用于大功率高压直流输电领域。但晶闸管是半控型器件，不具备自关断的能力，故晶闸管换流技术存在谐波含量高、逆变失败风险大、消耗大量无功功率等缺点。如果采用电压源换流器,超导直流输电系统的性能将得到优化。模块化多电平换流器(MMC)是一种新型电压源换流器，其拓扑结构如图2所示[3,4]。通过MMC基本单元的串并联，可以满足超导直流输电的参数要求。MMC采用载波移相调制算法，双闭环PI控制策略，使直流输电潮流控制更快，谐波含量更低。另外， MMC还可通过合适的控制策略实现多端互联，增加电力系统的稳定性[5]。

图2 模块化多电平换流器Fig.2 Modular multilevel converter

2 MgB2超导电缆

超导电缆,即在特定的触发条件下,呈现零电阻特性的电缆。零电阻特性是无损耗电能传输的基础。在常规导体中，电流是电子的定向移动，拥有动能的电子与晶格碰撞，动能转化为热能，产生电阻损耗。然而，超导体中，电子却能自由地穿过晶格，不产生能量损失。实验证实，即使超导体两端电压撤去，超导体中的电流仍可存在数年且无能量损失[6]。由于这种特性仅在直流下显现,因此超导输电的方式仅定义在直流的范畴内。

超导体向超导态的转变需要一定的触发条件，除了广为人知的临界温度(Tc)外，还包括临界磁场强度(Hc)和临界电流密度(Jc)[6]。满足式(1)，超导体才会呈现超导态。任何一个参数不满足，都会破坏超导态。

(1)

目前，超导电缆的研究取得了很多突破性进展。汞系氧化物Hg-Ba-Ca-Cu-O，是已知临界温度最高的超导电缆，达到130 K以上[7]。但是，几乎所有的高温超导电缆都存在成本昂贵、制造困难的缺点，很大程度上制约了超导直流输电的发展。

2001年，超导材料MgB2被日本青山学院秋光纯发现。其超导临界温度在39 K，呈现超导特性的最佳工作温度在16～20 K[8]。2011年，Carlo Rubbia提出开发世界上第一条承载20 kA电流MgB2超导电缆的想法，并于2014年在欧州核子研究组织(CERN)测试成功[9]。MgB2适合作为超导直流输电电缆的原因如下：(1) MgB2由自然界中丰富存在的镁元素和硼元素组成，价格低廉。MgB2超导电缆成本已降低到1＄/m以下[10]。(2) MgB2制造简单，韧性好，容易加工成线材。根据横截面积，典型MgB2电缆长度在1～5 km[11]。(3) MgB2具有相对较高的临界电流密度和临界磁场强度，超导性能稳定。

MgB2超导电缆中，MgB2载流层是其核心组成。载流层通常由若干MgB2载流束及铜心组成，如图3所示。在T=20 K，磁感应强度B=1 T前提下，MgB2载流束的临界电流密度Jc可以达到1 kA/mm2[12]。

图3 MgB2载流层实物Fig.3 Practical picture of MgB2 current-carrying layer

另外，实验室研究成果表明，通过“掺杂”的方法，可以在MgB2的基础上提高其临界温度[6]。根据BCS理论估算，MgB2临界温度可达70 K[13]。如果能将临界温度提高到70 K，MgB2的实用价值将进一步提高。

3 液氢冷却系统

超导直流输电需要持续的低温操作来冷却超导电缆。由于MgB2呈现超导特性的最佳温度在16～20 K，因此其冷却系统相对复杂。

沸点低于MgB2临界温度的制冷液体都可以用作冷却液。常用的制冷液体中，液氦、液氢满足该条件。但液氦的沸点在8 K，其冷却系统复杂且昂贵，不具备实用价值。因此选择液氢作为MgB2超导电缆的冷却液。液氢无色，无味，沸点在20 K，恰好满足MgB2的最佳工作温度。

基于液氢制冷系统的MgB2超导电缆的结构如图4所示。液氢通过内管进入电缆，使中心部位的MgB2载流层浸在16 K温度的环境中。之后，液氢通过外管返回，释放热量并实现回流。考虑绝热层的真空构造和T≈300 K的环境温度，液氢外管的热损失在1 W/m以下[14]。另外,液氢还具有出色的绝缘特性。假定在已确保的低温下加压，液氢的最终击穿能力在1000 kV/cm左右。

图4 MgB2超导电缆结构Fig.4 Structure of MgB2 superconducting cable

为了通过有限长度的超导电缆实现远程电能传输,需要在300 km左右的间隔设置中继站[15]，以实现电缆的连接及液氢的冷却工作(如图5所示)。中继站包括加压器、压缩机、换热器、液氢存储器等。外管温度为28.5 K的液氢首先进入加压器增压，然后通过基于压缩机作用的换热器使温度降低到15 K，最后进入液氢内管，实现液氢的循环。另外，液氢存储器中液氢可以双向流动，使液氢的循环更灵活。

图5 液氢冷却系统Fig.5 Hydrogen cooling system

4 控制策略及仿真

本文选定的系统额定电流为20 kA，额定电压为125 kV，双极运行时输送功率达5 GW。仿真基于十二脉动换流器模型。为简化模型，采取单极大地回线的运行方式，数学模型如图6所示[16]。

根据数学模型，整流侧直流电压Udcr为：

Udcr=2.7Ercosα-2drIdc

(2)

逆变侧直流电压Udcr为：

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

(3)

直流侧电流Idc为：

(4)

送端功率Pr为:

Pr=UdcrIdc

(5)

受端功率Pi为:

Pi=UdciIdc

(6)

式中：Er为送端电网交流线电压有效值；Ei为受端电网交流线电压有效值；dr，di为等值换相电阻；α为触发角；β为超前触发角；γ为熄弧角。

图6 超导直流输电数学模型Fig.6 Mathematical model of superconducting DC transmission

仿真模型主要包括电网电源、换流变压器、十二脉动换流器、交流滤波器、平波电抗器及直流线路电阻Rd。由于MgB2电缆的超导特性,Rd≈0,这里用0.01 Ω等效。在单极大地回线方式下,额定电压为125 kV,额定功率为2.5 GW。直流输电控制中,最重要的就是对换流器的控制,通过改变换流器触发角α完成对功率的控制。

整流侧采用定电流和最小触发角控制。定电流控制是直流输电最基本的控制方式。首先设置电流给定值,与实时直流电流比较,得到电流偏差值。之后经PI调节器得超前触发角β,由α=π-β,得到触发角的控制信号。在Ud-Id控制特性曲线中,定电流控制为一条竖直直线，如图7BF段。其次,整流侧采用最小触发角控制。若触发角α过小,会导致晶闸管两端电压过低,使其同时性变差。为避免这种现象发生,需对PI调节器限幅。最小触发角的常用取值为5°。由式(2)可得α=5°的特性曲线，如图7AB段。

逆变侧采用定熄弧角和定电流控制。采用定熄弧角控制是为了防止换相失败。逆变器在运行时,从阀电流变为零算起,到该阀两侧电压重新变为正的电角度,称为熄弧角γ。若γ太小,晶闸管在这段时间没有恢复阻断能力,就会出现晶闸管重新导通的现象。这时,逆变器和电网间会出现很大的换流,损坏开关器件。因此,需通过Minimum Gamma元件,获得逆变器一个周期中最小的γ角,之后与整定值及电流偏差引起的Δγ作比较[17]。一般当γ小于10°时,就认为发生了逆变失败。为留有一定裕度，整定值设为15°。由式(3)可得γ=15°的特性曲线，如图7CD段。另外，由于逆变侧定γ特性曲线CD段不会和降压运行的整流侧特性线A′B′F段相交，当系统需要降压运行时，可能导致系统停运[18]。因此需在逆变侧加定电流控制防止这种现象发生。电流裕度取0.1 p.u.[19]时，逆变侧的定电流特性曲线相对于整流侧向左平移了0.1 p.u.。

图7 高压直流输电控制特性曲线Fig.7 Control characteristic curve of HVDC

对于超导直流输电系统，稳态工作点是整流侧和逆变侧特性曲线的交点。正常运行时，交点为额定工作点N点。此时，整流侧控制电流，逆变侧控制电压。降压运行时，交点为N′点。此时，整流侧控制电压，逆变侧控制电流。

根据设计的控制系统进行仿真，结果如图8—10所示。超导输电系统仿真显示，当Rd=0.01 Ω时，Udcr=125.2 kV，Udci=125 kV，Idc=20 kA。如图9所示，送端功率Pr为2504 MW，受端功率Pi为2500 MW，线路损耗在4 MW。系统运行在设计的额定工作点，即图7中的N点。

图8 功率波形(MgB2超导输电线路Rd=0.01 Ω)Fig.8 Power waveform(equivalent resistance of MgB2 superconducting transmission line: Rd=0.01 Ω)

图9 功率波形(放大)(MgB2超导输电线路 Rd=0.01 Ω)Fig.9 Power waveform(enlarged)(equivalent resistance of MgB2 superconducting transmission line: Rd=0.01 Ω)

图10 功率波形(常规输电线路Rd=2 Ω)Fig.10 Power waveform(equivalent resistance of conventional transmission line: Rd=2 Ω)

可见，基于MgB2高温超导材料的直流输电系统具有线路损耗低、容量不受限制的优点。

5 结语

本文介绍了基于MgB2高温超导材料的直流输电系统。MgB2高温超导电缆，配合液氢冷却系统，设计相对合理。但是，MgB2超导电缆的变性及液氢潜在的燃爆问题应引起关注。拟应用于超导直流输电的换流器包括十二脉动换流器和MMC。本文通过十二脉动换流器进行仿真，一定程度证明了超导直流输电的优越性。鉴于超导电缆可承受很大的电流，直流母线电压不用设置太高，今后的研究中需进一步权衡以确定更合适的换流器类型。

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(编辑 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

中国博士后科学基金资助项目(2016M600450)

TM725

A

2096-3203(2017)04-0080-06

王颖杰

王颖杰(1979—)，男，浙江金华人，讲师，主要研究方向为电力传动、柔性直流输电及新能源并网技术；

杨 波(1994—)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为直流输电(E-mail: 1095832613@qq.com)；

左惠芳(1991—)，女，河南商丘人，硕士研

究生，研究方向为柔性直流输电；

齐东迁(1976—)，男，浙江金华人，工程师，从事防爆电气技术工作。