超导电力技术在未来智能电网应用探讨

夏宗明　耿振翔

[摘    要]伴随着电力系统的大力发展，电力工业的发展方向逐渐朝着智能化发展，同时越来越多的智能化设备和技术被广泛应用到电力系统中，极大的推动了我国电力事业的发展进程。作为一种全新的技术，超导电力技术在电网中发挥出了重要作用，深化改革了我国的电力行业，并加速了智能电网的智能化程度。鉴于此，本文就超导电力技术的含义、产生和发展、应用及将来的研究方向进行了探讨，以供参考。

[关键词]超导电力技术;智能电网;超导储能;应用

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）06–0–03

Application of Superconducting Power Technology in Smart Grid in the Future

Xia Zong-ming， Geng Zhen-xiang

[Abstract]With the vigorous development of power system， the development direction of power industry is gradually towards intelligent development. At the same time， more and more intelligent equipment and technology are widely used in the power system， which greatly promotes the development process of China's power industry. As a new technology， superconducting power technology plays an important role in the power grid， deepening the reform of China's power industry， and accelerating the intelligent degree of smart grid. In view of this， this paper discusses the meaning， generation， development， application and future research direction of superconducting power technology for reference.

[Keywords]superconducting power technology; smart grid; superconducting energy storage; application

在我国电网的建设和发展过程中，智能电网至关重要，相比于传统电网，其更加稳定和经济，对可再生资源的包容性也较大。而在智能电网的开发过程中，超导电力技术发挥着关键性作用，可为智能电网的建设发挥重要作用。然而，电力系统的运行较为特殊和复杂，对于超导电力技术的应用，也为电力系统自身带来了较大的挑战，为了更好的掌握超导电力技术的应用技巧，需结合实践和理论2方面进行分析，具体内容如下。

1 超导电力技术简介

超导电力技术在西方国家具有相对较高的关注度。近期，美国也提出了与超导电力技术相关的计划，并计划将其应用在重要电网的建设过程中。美国能源部认为在21世纪电力工业的发展过程中，超导电力技术具有较高的技术储备，可极大的提升美国对高新技术的应用能力，而日本相关机构则认为发展高温超导电力技术，可提升其在21世纪的竞争优势。

我国的科研组织也较为注重对超导技术的研发和利用，并在现阶段取得了一定进展，但相较于国际顶尖水平，还具有差距和不足之处。

超导电力技术的工业背景复杂，涉及的领域和学科知识也较为繁杂，因此其研究内容比较多样化。本文从电网系统出发，概括了在未来的智能电网中，超导电力技术的具体应用。超导电力技术主要包含输电电缆、变压器、电动机等应用产品，可极大的改善电网容量、提升电能质量，确保供电更加安全和可靠。此外，超导电力技术的应用，还有助于加快电力技术的发展速度，并对智能电网的结构和特点进行改善。

2 超导技术的产生和发展背景

荷蘭研究得出汞在4.2K时具有零电阻，将此现象定义为超导电性。汞具有零电阻时所处的温度为临界温度，也可称为转变温度，Tc表示。超导现象则是指物体在某一温度时，具有零电阻。材料具有该属性时则为超导材料。在这一临界温度下，处于正常状态的超导体则转变为超导态。当前超导材料的应用范围还比较局限，很多科学家也加强了对高温超导的研究，一旦成功，在使用该超导材料时，将会极大的节省电能，并且不会产生较多热量。在特定温度下具有超导电性的物体为超导体。相关研究得出元素周期表中具有超导电性的金属共有26种，单个金属具有较低的超导转变温度，应用价值较低。为此，人们应加强了对金属合金超导电性的研究。

其中，Nb3Ge超导体的转变温度最高，为23.2K。在极低的温度下，超导材料才出现超导状态，若没有低温技术，将无法发现超导电性，也研究不出超导材料。由此可知，材料发展可促进科学技术进步，反之亦然。

低温超导材料在呈现出超导态时，需使用液氦作为制冷剂，具有较大的应用权限。为此，应加强了对高温超导体的研究，并于1986年取得了关键性突破。瑞士的2位科学家发现其研制的混合金属氧化物La-Ba-CuO，在温度为35K时具有超导电性。该发现具有划时代意义，也让人们开始研究混合金属氧化物超导体。紧接着美国科学家发现在90K时，混合金属氧化物Y-Ba-CuO也具有超导电性，且其转变温度高于液氮温度（77k）。此外，当前如Bi-Ca-CuO等新超导氧化物不断涌现，且其超导转变温度高于120K。人们在加强对高温超导体研究的同时，也迫切需求室温超导材料。

人们得出C60与碱金属可形成超导体AxC60，且具有较金属合金超导体较高的转变温度，层状结构，为二维超导。因此，AxC60超导体的发展前景较好。

3 超导技术在未来智能电网的应用

3.1 改善电力系统暂态稳定性

智能电网自身所具有的特性，可充分保障大电网运行的安全和稳定，未来智能电网的能量流动具有双向性，因此为了消除电力系统扰动的影响，需研发新型技术和设备，从而推动未来电网的进一步发展。大型超导装置具有较快的反应速度，且可将有功或无功电源加入到电力系统中，从而增强系统的有功备用率，使其可随时应对故障。有功调节及无功调节，可使系统随时应对各种干扰，且可控性较强，以此来保障系统的稳定性。相比于当前的大电网稳定装置，超导电力系统的优点为可回收过剩能量、响应速度较快，可提升智能电网的暂态稳定性。

3.2 增强电力系统对小干扰因素的稳定性

将来可再生能源加入到智能电网中，然而其大体的发展方向依然不变，仍保持大电网、大机组的发展类型，输送的电能也极有可能包含大容量和远距离，系统运行动态具有较低的安全性。规模较大的互联系统，对于较小的干扰因素，能否具有较强的稳定性，与区域联络线的功率振荡情况有关。在输电系统中，如果可对功率越限情况，进行实时补偿，如功率较高时进行吸收，功率较低时进行释放，从而确保联络线功率的稳定，则可提升系统的小干扰稳定性。超导储能系统在充电和放电方面具有较大的速度，并可为系统提供有功功率或者无功功率，在添加阻尼控制器的条件下，可实时补偿线路功率，避免系统振荡。超导技术的应用，可增强超导电缆在输电过程中的适用性。超导电缆的优点为无污染，灵活，损耗低，传输大等特点，可有效缓解当前的电能传输问题。在超导情况下，超导电缆的阻抗较小，因此应用超导电缆技术，可使互联系统之间具有更为紧密的电气联系，最终保障电网对于小干扰具有较强的稳定性。

3.3 提升对智能电网的抗打击能力

电网在运行过程中，常常会遇到如战争、自然力和人为因素等方面的外部打击作用，为此需增强电网的抗打击能力。结合智能电网的发展现状，增强其防御能力，可充分保障其在外部打击作用下，安全、稳定运行。在提升智能电网的抗打击能力时，需对重要电荷的供电能力进行保护。中小型超导储能设备具有反应速度快、容量密度高等优点，因此可将其应用到配电系统中，使其发挥出备用电源的保护作用。使电网具有较强的防御能力，增强其在非正常条件下的电力输送能力。应用超导电力技术，可使其在低电压下运行时，仍具有较强的电能输送能力。因此，超导电缆和超导储能技术的应用，可全面提升智能电网的防御能力。

3.4 提升电网的电能质量

在当前的信息化社会中，电网电压和频率发生变化，都将干扰信息系统的正常运行，并严重影响工业产品质量。智能电网自身所具有的特性，可满足其负荷侧要求，因此智能电网需注重对系统供电品质的改善。针对某些功率大、距离远的输变电系统，可将大型超导储能装置应用在其输电过程中，从而提升电网电能质量。超导储能可对能量进行瞬时吸收和释放，从而保持频率的稳定;并借助电压和无功支持稳定电压极。在中小型或微型超导储能装置的配电过程中，其可通过对有功或无功特性的高速调节，来改善功率因数，并对电网频率进行稳定，避免电压出现瞬时波动，从而保障供电质量。

4 超导技术在智能电网的研究方向

相比于传统的电力装置，超导电力装置的特性不同，会极大的影响电力系统的特性。该系统和装置的相互作用，会将类型不同的数学方程引入到当前大规模电力系统的高阶非线性复杂动态模型中，并在二者的结合过程中，带来较多的学科问题，从而冲击传统的电力系统理论。为此，需结合系统角度研究超导电力系统理论，研究方向如下：

（1）研究超导电力装置的动力学建模。在时间尺度和动作特性方面，超导电力装置的特性不同。因此结合传统元件，在分析超导电力装置影响电力系统的稳态和动态稳定方面时，需对其进行动力学建模。

（2）超导电力系统的控制和分级建模。超导电力的模型和动态行为比较特殊，在对装置进行变换和控制时，使用功率较大的电力电子来完成，在装置和系统两个等级上，来约束建模和控制。

（3）超导电力装置协助智能电网运行。超导电力装置自身所具有的特性，对于电力系统本身并不适应，因此，需结合传统电网的保护手段、运行方式进行有效调整，从而协调二者之间的运行关系，从而增强超导在未来电网中的优越性。

（4）智能控制超导电力系统的方式。智能电网在决策和控制方面，其实时性、易用性较高，并可相互操作，因此需结合智能电网的控制要求，对超导电力系统进行改善，提升电能质量和快速预测、检测、判断故障的能力。针对超导电力系统的应对措施、控制方法及拓扑结构进行研究。

（5）对快速可控装置进行智能协调控制。在传统的电力系统中，快速可控元件主要在电网端部节点的发电机位置，而应用超导电力装置，可改善这一现象，将快速可控元件均匀分布在电网的各个环节，为此，需加强研究提升各类快速可控装置的协调性。

5 结语

超导电力技术作为一种高新技术，具有划时代意义和价值，在21世纪也具有较大的经济战略性。将超导电力技术应用在智能电网中，可改善传统电网的不足和缺陷，确保电网系统更加安全和稳定，且具有较强的抗击打能力，也极大的改善了电能质量，促使能源结构更加多元化，在智能电网的開发和发展方面，超导电力技术具有显著作用。结合当前超导技术在我国的应用来看，其还处于初期的发展阶段，还需结合理论和实践两方面展开探讨，充分发挥其在我国电力系统中的应用价值，从而进一步推动我国电网的智能化发展进程。

参考文献

[1] 殷彦增，田小龙.智能电网建设中超导电力技术的应用策略[J].电子技术与软件工程，2018（15）：213.

[2] 马秀玲.电力工程技术在智能电网建设中的应用研究[J].幸福生活指南，2018（25）：1.

[3] 周磊.智能电网环境下电力系统保护新技术的研究与探讨[J].建筑工程技术与设计，2018（10）：4207.

[4] 周兴文.电力工程技术在智能电网建设中的应用研究[J].科技经济导刊，2019，27（13）：42，49.

[5] 刘洋，王倩，龚康，等.基于超导磁储能系统的微电网频率暂态稳定控制策略[J].电力系统保护与控制，2018，46（15）：101-110.

[6] 陈中，肖立业，王海风，等.超导电力技术在未来智能电网应用研究[J].电工电能新技术，2010，29（1）：49-53.

[7] 胡开胜.超导电力技术在未来智能电网应用研究[J].科技创新与应用，2016（5）：191.

[8] 张玉霖.超导电力技术在未来智能电网应用研究[J].大科技，2017（25）：554.

[9] 郭举富，刘鹏.超导电力技术在未来智能电网中的应用[J].水电与抽水蓄能，2015（18）：56-57.

[10] 陈晓明.超导电力技术在未来智能电网中的应用[J].中国科技信息，2014（23）：49-50.