未来电网中的超导电力技术.ppt

未来电网中的超导电力技术.ppt

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2011年3月,未来电网中的超导电力技术,主要内容,能源变革对未来电网带来的重大挑战超导电力技术对未来电网的作用与影响超导电力技术的发展现状和趋势我国发展超导电力技术战略目标和技术路线我国发展超导电力技术的建议,清洁能源变革对未来电网带来的重大挑战,一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的清洁高效能源体系格局将变成现实发电量大幅度增加，但资源和负荷分布不匹配的格局仍将存在，长距离超大容量的电力输送将成为一个重大的挑战；随着电网的规模不断扩大，安全稳定性问题更加突出，而可再生能源的间歇性、不稳定性及电源机电特性的重大变化对电网安全稳定性提出更加严峻的挑战；可再生能源的特性及直流负荷的增加，对电力质量的提高带来了新的挑战；进一步提高电网和用电系统的能效将变得日益紧迫。

2022年10月12日,4,超导电力技术在应对未来电网的重大挑战方面将发挥重大或不可替代的作用,超导输电电缆,超导电缆具有显著传输优势,超导体电流密度大：

比Cu高两个量级；传输损耗小，可降低50%以上；交流阻抗为常规电缆的1/10，直流传输时无阻抗；传输容量大：

是常规电缆的3-5倍；体积小、无电磁干扰、无火灾隐患；,高温超导电缆应用前景广阔,利用超导体的零电阻和高载流密度的特性，可以实现比特高压更大的传输容量（例如500kV的高温超导直流电缆可以实现20000-50000MW的输送容量），并可降低50%左右的传输损耗，具有天然的短路电流限制功能，还可以大大地节省传输走廊，因此，是实现大容量输电和打造未来电力传输网的重要技术选择。

2022年10月12日,6,超导输电电缆发展现状,2022年10月12日,7,美国：

TresAmigas超级变电站,驱动力：

美国现有三大电网（美国东部电网、西部电网、德克萨斯电网）之间基本未实现有效互联；可再生能源利用快速发展；超导体具有零电阻效应和高电流传输密度等不可比拟的巨大优势。

如何实现：

通过TresAmigas超级变电站实现任何两个电网互联（直流传输）；AC/DC电能变换；超导直流电缆（SuperconductorElectricityPipelines）。

关于超级变电站：

地点：

Clovis,NewMexico；占地：

22.5平方英里；超导直流电缆：

单根5GW/几英里；模式：

三角形互联/2014年投运。

可再生能源市场枢纽三大电网完全一体化,Source:

http:

/,超导电缆的发展现状,利用超导体的超导态/正常态转变特性抑制短路故障电流；或采用其它方式进行状态转变抑制短路故障电流。

电力系统正常运行时,电力系统发生短路时,发电厂,变压器,超导限流器,变压器,配电网,配电网,接地故障,发电厂,变压器,超导限流器,变压器,低阻抗,高阻抗,超导限流器,9,2022年10月12日,超导限流器,典型研究开发实例,10,2022年10月12日,超导限流器,美国SuperPower公司：

电阻型SFCL,基于二代超导带材的矩阵式SFCL；装置容量：

138kV/1.2kA；短路电流：

13.8kA（峰值37kA）；投运时间：

2011年。

超导变压器的优越性,不存在焦耳热损耗，总体效率高，节能潜力巨大；体积可减少至常规变压器的40-60%；不存在火灾隐患和噪音等环境污染；极限单机容量大，,超导变压器的应用前景,大容量（例如大于30MVA）的超导变压器具有明显的经济性，可以大大地节省空间，降低重量；是变压器的更新换代产品；超导变压器特有优势的应用，,超导变压器,已经完成的：

最高电压：

22.9kV；最大容量：

1MVA；配电系统和电力机车进行工程示范。

正在/计划进展中的：

最高电压：

154kV；最大容量：

100MVA；工程示范。

发展趋势：

30MVA及以上；输电系统应用；对重量和体积具有严格要求的场合（例如，地下变电站或电力机车等）。

ABB630kVA,DAPAS100MVA,Waukesha10MVA,SIEMENS1MVA,超导变压器的现状,超导储能技术（SMES）的原理,利用超导体的零电阻特性；超导体的载流密度比常规铜导线的载流密度大2个数量级；利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时将电磁能返回电网或其它负载。

超导储能技术的优越性,无需能量形式转换，响应速度极快；功率密度极高，保证系统非常迅速地以大功率形式与电力系统进行能量交换；,超导储能技术的主要功能,作为新能源领域储能环节的关键技术，如用于平滑风力发电输出；提高电能和供电质量，例如，消除低频振荡，稳定频率和电压；无功功率控制和功率因数调节；补偿大型电动机启动、焊机、电弧炉、大锤、轧机等波动负载；通过快速的高功率响应特性和输出功率灵活控制特性，提高电力系统稳定性；,超导储能系统,14,2022年10月12日,超导储能技术,目前已有多套低温SMES投入试验运行，小型低温SMES已有商品出售，短期内以低温SMES为主，高温SMES是今后的主导发展方向。

15,2022年10月12日,超导储能技术,小型SMES已商品化，用户包括美国军方、半导体厂、芯片制造厂等；6台3MJ/8MVA小型SMES安装在威斯康星州公用电力北方环型输电网；8台3MJ/8MWD-SMES在田纳西州TVA电管局500kV输电网；日本、德国、意大利、法国、芬兰、韩国等都有相关需求或应用研究。

超导电机（电动机和发电机）,超导电机的优越性,体积小，约为常规同等电机1/5-1/10；重量轻，约为常规同等电机1/5-1/10；效率高，比常规同等电机高，特别是在PO/PN低时；简化系统结构，改善系统可靠性。

超导电机的应用前景,大容量（例如大于30MVA）的超导电机具有明显的经济性，可以大大地节省空间，降低重量；是超大型电机的必然选择；超导电机特有优势的应用，,33,500hp电机实例,17,2022年10月12日,超导发电机,18,2022年10月12日,来源：

Matthews,PhysicsToday,62（4）,25,April2009,超导风力发电机,降低体积重量、提高功率密度和效率，,高温超导风力发电机,高温超导体的载流密度是Cu的约100倍；超导风力发电机的功率密度远高于常规电机；大容量超导风力发电机电机的尺寸和重量可减少到同规格常规电机的1/5和1/3。

超导发电机效率可在现有电机基础上提高0.5%1.0%。

高温超导风力发电机,19,2022年10月12日,超导风力发电机,美国AMSC公司：

10MW超导风力发电机,美国超导公司（AMSC）；正在进行10MW（12rpm）高温超导风力发电机的经济评估和验证；可以将其重量由常规发电机的300t降至120t；将于2014年投运。

10MW超导风力发电机,20,2022年10月12日,超导风力发电机,英国Converteam公司：

8MW超导风力发电机,英国Converteam公司：

8MW/12rpm超导直驱风力发电机；英国商业工业部支持，已完成超导线圈制造、测试；体积是常规电机的1/4，发电成本可节约25%。

HTS线圈,定子绕组,低温杜瓦,来源：

ConverteamATG,21,2022年10月12日,多功能集成超导电力装置,美国AMSC公司：

超导限流电缆,基于铜导电材料的变电站现状,基于HTS超导材料的变电站未来,美国HYDRA计划，SecureSuperGrids技术的重要组成部分；200m/13.8kV/4kA，短路故障电流为40kA67ms；2010年进行测试，将安装在纽约曼哈顿运行，连接两座变电站。

超导电缆是如何限流的？

22,2022年10月12日,多功能集成超导电力装置,中国科学院电工研究所：

超导限流储能系统,属于世界首创的概念及技术,概念：

是一种新概念超导电力装置，兼具超导储能和限流的特点，属世界首创。

工作：

在电网正常工作时，它工作在超导储能模式，可完成所有电能质量补偿功能；在电网发生短路故障时，它可以限制短路电流，使非故障侧的电压水平基本保持不变。

具有十分明显的优越性,可解决用限流器和储能装置才能解决的问题，与系统内其它元件可实现最优化运行和控制；二者功能相互弥补，储能模式可抵消限流稳态时对系统的影响；限流模式可减小故障时对装置的储能量要求；简化电网的结构、降低超导装置的总体造价；实现系统的升级。

2005完成世界首套100kJ/25kW超导限流储能系统,23,2022年10月12日,1MJ超导储能系统,10kV超导限流器,10kV超导变压器,75m高温超导电缆,世界首座超导变电站已经于2011年2月正式投入配电网运行,中国科学院电工研究所全球首座超导变电站建成投运,24,2022年10月12日,超导电缆,中国科学院电工研究所,1mCable,6mCable,10mCable,75mCable,1998中国十大科技进展之一,2000中国第一根超导直流电缆,2003中国第一组三相交流超导电缆,2004当时世界最长的并网运行三相交流超导电缆,380m/10kACable,2011即将成为世界首组在工业应用的大电流超导母线,超导电力技术的关键技术,实用化高温超导材料制备技术：

形成千米量级长度的高温超导带材批量生产能力，研究开发出具有更高临界温度和更广应用前景的实用化新型超导材料；大型高温超导磁体制造技术：

重点解决大电流冲击和快速充放电超导磁体的优化设计、稳定性、均流和环流、失超保护等关键技术问题；低温高电压绝缘技术：

重点解决低温绝缘材料及其制备关键技术，解决超导电力装置在低温高电压环境下的绝缘工艺和绝缘技术；超导电力装置的终端和电流引线技术；长距离低温杜瓦管制造及其连接技术；大型非金属低温容器制造技术；大冷量制冷技术：

重点解决制冷机的设计、制造技术以及长时间运行可靠性问题，解决制冷系统优化设计、流程设计、在线检测与故障诊断技术；实时监测与故障预测预警技术；超导电力装置与电力系统的匹配协调运行技术：

重点解决超导电力装置的电磁兼容、动态特性与电力系统稳定性之间的相互作用和影响，研究电力系统对电力装置的动态特性要求和多台超导装置在电力系统中的协调运行问题。

26,2022年10月12日,超导电力技术的发展趋势,向更高电压等级或更大容量方向发展：

从配电级向输电级方向发展；向原理多样化和功能集成化方向发展：

限流器的原理多样化、多种功能集成化；为可再生能源的发展服务：

解决可再生能源并网问题、发展超导风力发电机；,超导电力技术的发展战略目标,总体目标全面突破超导电力技术在未来电网应用中的核心关键技术，形成从超导材料至全面应用的完整研发链和产业链，使超导电力技术成为我国未来电网技术的核心，基于超导电力技术构建国家电力主干网，发展并形成完善的超导电力系统理论体系。

20112020第代高温超导材料实现规模化生产，液化天然气（LNG）温区的高温超导材料取得重大突破；应用于110-220kV的超导电力技术实现市场化并得到小规模应用；应用于输电系统中的超导电力技术的核心关键科学技术取得突破并实现在输电系统中的实际应用；初步掌握超导电力核心关键科学技术、超导电力技术与电力系统匹配协调运行关键科学技术。

2021-2035发展出200K以上的高临界温度超导体，LNG温度的高温超导材料实现批量生产；超导电力技术在电力系统中的应用进一步拓展和推广；基于超导电缆技术的LNG能源输送得到规模应用；超导电力技术逐渐成为电力系统中的核心和关键技术，并以其为核心开始构建国家电力主干网。

2036-2050实用化常温超导材料取得重大突破并实现大批量生产；超导电力技术在电力系统中得到了多层次的大规模应用，超导电力技术成为未来电网的核心；基于超导电力技术的国家电力主干网基本形成；发展并形成完善的超导电网和超导电力系统基本理论体系。

超导电力技术的发展路线图,超导电力技术的近期发展重点,实用化第代高温超导材料制备技术以及LNG温区新型超导材料探索研究研制出千米级长度的第代高温超导带材为突破口，形成规模化产业，参与国际竞争；开展运行于LNG温区的新型超导材料研究，实现基于超导电力技术的LNG和电力同步传输应用。

面向输电系统应用的