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超导电力技术的现状和发展趋势

作者:十博 发布时间:2020-12-01 20:57 点击数:

  摘 要:超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。超导电力技术的应用可以提升电力工业的发展水平和促进电力工业的重大变革。我国的国情和电力工业发展的固有特点决定了:采用超导电力技术解决传统电力工业发展的瓶颈问题,是电力工业发展的必由之路。文中介绍了高温超导材料和超导电力技术的发展现状,展望了超导电力技术的发展趋势和应用前景,最后指出了我国在发展超导电力技术方面应重点研究的课题。

  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)可望在5年后实现商品化,其后,以钇系高温超导带材为基础的超导电力技术将会出现一个快速增长的时期,各种高温超导电力装置将在2010~2015年陆续进入实用化阶段。

  在美国最近提出的“美国电网2030”计划中,超导电力技术被放在了一个十分重要的位置上,还提出了采用超导电力技术建设骨干电网的设想。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。美国能源部认为超导电力技术将是21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21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21世纪具有经济战略意义的高新技术。

  今后5~10年是在超导电力技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期。因此,及时部署我国超导电力技术的发展战略、充分利用国内各种优势资源和采用新的机制分阶段地实施超导电力技术的战略发展目标,是关系到国民经济持续发展的重大课题。国家有关部门应在发展超导电力技术方面起主导作用。

  我国电力系统的发展趋势是:电力系统的容量越来越大,电网向超大规模方向发展,在不远的将来,我国各地区的电网将联成一体。电网越大,对电网安全性和稳定性的要求就越高,因为一旦发生事故,影响面就越大。同时,随着信息技术和微电子技术日益广泛地向工业和人们生活的各个领域中渗透,人们对电能质量提出了越来越高的要求。电能质量问题对用电设备的影响很大,瞬态电能质量问题虽然持续时间很短,但会致使敏感制造设备或生产设备停机,导致生产事故的发生,造成生产、时间、最终是经济上的巨大损失。受日益增强的全球环保意识的驱动,可再生能源的发电份额正在迅速增加。对于这些独立的可再生能源发电站,建立分布式电力储能技术是保证稳定供电的有效手段。

  然而,常规电力设备和电力系统存在着一些自身的缺陷,阻碍了电力工业的发展。分析如下:

  (1)随着电网容量的增加和规模的不断扩大,电力系统的短路容量越来越大。不加限制的短路电流对电气设备和正常的工业生产带来很大的危害,还可能导致电力系统的崩溃。例如,1996年美国西部的两次大停电使得美国将电网大停电事故提高到“危及美国国家安全”的位置。2003年8月14日,美国加拿大东部联合电网发生了大停电事故,日损失高达300亿美元。目前,在配电网中广泛应用的快速熔丝不具备自动复位的功能,且在输电系统中尚无有效的限流设备。从电网的结构和运行方式上来降低短路电流,造价非常昂贵。目前,处理短路故障的方法是用最先进的六氟化硫(SF6)断路器直接开断故障线路,这是一种被动的方法。目前,SF6断路器的最高开断容量约为63kA,进一步提高其开断容量非常困难。由于受现行技术的限制,要扩大电网的输送容量与规模,必须对短路电流采用有效的限制措施。

  (2)由于电力系统的 “快速电能存取”这一环节非常薄弱,电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制。此外,电能在“发、输、供、用”的过程中必须在时空两方面都达到“瞬态平衡”,如果出现局部失衡即会引起电能质量问题(闪变),“瞬态激烈”失衡还会带来灾难性的电力事故,如电力系统解列和大面积停电事故。我国近20年来由电力系统失稳造成的大停电事故达到140余起,每次损失数千万元,乃至数亿元。虽然近几年事故的发生率有所下降,但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。在信息化社会,电网电压和频率的大幅波动也会带来信息系统发生故障的严重后果。因此提高电力系统的稳定性、可靠性及供电品质是当前电力系统的重要课题。要保障电网安全、经济和可靠运行,就必须在电力系统的关键环节点上建立强有力的“电能存取”单元(储能系统)为系统提供支撑。现有电力系统中的电力储存技术主要是抽水储能。抽水储能技术虽可提供长时间的大功率,但反应速度慢,无法对瞬态电能质量和功率失衡进行有效的补偿。

  (3)常规电力系统的效率受到铜、铝等基本导电材料的限制,要进一步提高难度很大。我国电网的功率损耗约占总发电量的7.5%。2010年我国的总发电容量将达到550GW,电网的总损耗将高达42GW。目前,我国75%的发电量来自燃煤发电。燃煤发电会造成环境污染问题。

  (4)常规电气设备占地面积大,而人口密集的大中城市正是负荷中心。随着经济的不断发展,城市人口和较发达地区的人口密度会越来越高。同时随着电能需求量的不断增长,城市和中、东部地区对电网建设占地的需求量也越来越大。要解决这一矛盾,必须对电力系统进行根本性的

  (5)可再生能源如太阳能发电、风力发电和潮汐能发电的能量密度低,且易受气候条件的影响。如要充分有效地利用这种能源,必须采用新技术措施来改善其品质并使其更为有效地与大电网联结。

  (6)现有电力系统存在多电压等级和交直流输电共存的局面,电网经历了从局部小电网到区域大电网的发展过程,因此出现设备老化、超载严重、事故增多、供电能力不足、线路损耗率高和电压质量低等多方面的问题。

  由表1可见,超导电力技术既可提高单机容量和电网的输送容量,又可降低电网的损耗,还能明显改善电能质量、提高电力系统运行的稳定性和可靠性、降低电压等级、提高电网的安全性、降低电网占地面积、电网造价及电网的改造成本,并使超大规模电网的实现成为可能。此外,有了大容量的超导输电系统,可将排污的发电厂建在煤矿和油田附近或将核电站建在比较偏远的地区,从而改善人类的生存环境。

  目前,采用PIT制备、长1.0~2.0km的Ag(或Ag-Alloy)基Bi-系多芯复合超导带的技术已比较成熟。工程电流密度(Je)达到100A/mm2(77K、自场)、长度为100~1000m的Bi-系多芯复合导线$/kA·m。美国超导公司(AMSC)已建成了年生产能力为900km的Bi-系高温超导带材生产线为国际上主要制备高温超导带材的单位及研究水平。表2列出了几种超导电力设备对高温超导复合导线可见,Bi-系高温超导带材的Je、长度等已基本上达到了电力应用的要求,而其价格对于限流器的应用来说也基本满足要求,从而为开展超导电力技术的应用研究奠定了基础。

  最近两年来,YBCO(或NdBCO)涂层导体(也称第II代带材)已成为高温超导带材发展的重要方向。由于YBCO带材在77K和外磁场下具有比Bi-系超导带材更为良好的载流性能,YBCO带材的实用化将使工作于液氮温区的高温超导电力设备成为现实。表4为当前国际上第II代带材的发展情况。

  根据美国“加速涂层导体发展计划(ACCI)”,2007年长度为千米量级的第II代带材将可以实现商业化,而日本的相应目标是比美国提前一年实现。第II代高温超导带材成为各国竞相研究开发的焦点和发展趋势。最具实力的美国超导公司计划在五年内完全放弃第I代带材的生产,将材料研究开发的全部精力投入到第II代带材的研究开发和产业化中。

  根据ACCI的计划,美国超导公司计划将高温超导带材的价格降低到10~25$/kA·m。届时高温超导电力技术的各种应用将完全具备实用化推广的可能。

  我国在第I代高温超导带材的研究开发方面已取得了很大的进步,临界电流水平达到世界最高水平的80%,在机械性能和防止带材受液氮气化破损方面还有很大的差距。在第II代带材研究开发方面,我国总体上还处于起步阶段,与国际水平差距极为悬殊。

  随着高温超导带材走向商品化,世界各国和大公司也相继开展了超导电力技术的研究开发工作。

  美国、日本、欧洲和韩国都批准了发展超导电力技术的相关计划。美国批准了SPI计划以发展超导电力技术及相关技术,由美国能源部组织国家实验室、大学和相关公司及电力公司联合攻关。最近,美国东部发生的大停电事故,使得美国政府对于发展超导电力技术的热情增加了,并立即批准了为期三年的1200万美元的超导限流器研究开发项目和2600万美元的高温超导电缆项目。美国能源部提出了“美国电网2030计划”。在该计划中,超导电力技术是极其重要的组成部分,计划建造的骨干网络和区域互联电网将采用超导技术。日本NEDO、通产省和各大电力公司(如东京电力、九州电力)及东芝、日立等公司都投资超导电力技术的研究开发,日本政府批准了Super-ACE计划以促进超导电力技术的产业化。韩国政府批准了DAPAS计划,主要研究开发高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器和高温超导电动机等,并以商业化为目标,投入资金达1.5亿美元。欧洲一些大的公司如ABB、西门子、NEXAN等也积极投资于这方面的研究,以争取未来的市场。欧洲也批准相应的发展超导电力技术及相关超导材料技术的计划,如超导电力联接(SUPERPOLI)计划、欧洲超导技术公司合作(CONECDUC)计划等。

  过去几年的研究开发重点是高温超导电缆、高温超导限流器、超导储能系统和高温超导变压器。美国海军对于电力推进用大型高温超导电动机表示出浓厚的兴趣,而美国田纳西地方电网公司则已经向美国超导公司订购用于无功功率补偿的高温超导同步发电机。目前,高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器和高温超导电动机已进入示范试验运行阶段,高温超导磁储能系统也有相应的试验样机问世。同时小型低温超导储能系统的产品已出现。表5列出了国际上超导电力技术研究开发的典型事例。

  我国研究超导电力技术的单位主要是中国科学院电工研究所。自1998年成功研制我国第一根高温超导电缆(被评为当年度国内十大科技进展)以来,又先后开展了三相交流高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、超导储能系统的研究工作。

  1999年成功研制了我国第1台微型超导储能样机。2000年成功研制了6m/2kA的直流高温超导电缆,2003年8月成功研制了三相10m、10.5kV/1.5kA的交流高温超导电缆系统,电缆的关键技术全部为自主开发。预计2004年将成功研制75m、10.5kV/1.5kA交流高温超导电缆系统,并将该电缆投入试验运行。2002年成功研制了我国第1台具有自主知识产权的新型高温超导限流器(400V/25A),并在此基础上提出了多种新型高温超导限流器的原理;目前正在开展10.5 kV/1.5kA高温超导限流器的研制工作,并计划在2005年初进行并网运行试验。2003年成功研制了我国第1台高温超导变压器(400V/16V/26kVA),其输出电流是世界上最高的,在此基础上还将开发630kVA的并网示范样机。在中国科学院知识创新工程的支持下,电工所目前正在开展超导储能系统的研发工作,并计划在2005年完成2.5MJ/1MW超导储能系统的全部研制工作;正计划开展高温超导电动机的研发工作,并计划在建设实验室规模的全超导变电站实验系统之后,在湖南省电力公司建立一个并网运行的全超导示范变电站,以全面促进超导电力技术的实用化。

  除中科院电工所外,清华大学、华中科技大学、华北电力大学也在开展超导储能系统的研究工作,其中清华准备将500kJ的超导储能系统安装于本校的网络中心作为应急备用电源。清华大学、东北大学、华中科技大学和浙江大学也在开展小型高温超导限流器的研究工作,株洲电力机车厂启动了一个高温超导变压器的研发课题。值得指出的是,云南电力公司与北京英纳超导公司合作成立了云电英纳超导电缆公司,专门从事高温超导电缆的研发工作,目前已完成单相4m高温超导电缆的研制工作,并计划在云南电力公司将30m长的电缆投入试验运行。

  随着高温超导材料制备技术特别是第II代高温超导带材制备技术走向成熟和实用化,可以预见超导电力技术将主要基于第II代高温超导带材发展:

  (1)高温超导限流器将从开发适用于配电网的示范样机开始,逐步向发展适用于高压输电网(电压等级为110kV及以上)的限流器方向发展。超导限流器的原理也将呈现多样化的趋势。

  (2)高温超导电缆将主要应用于中低压电压等级,主要应用于短距离大电流的场合,如城市配电、发电厂、变电站母线、电镀电解行业等。长距离超导输电电缆还要克服多方面的技术障碍,距离实用化还要走很长的路。

  (3)超导储能系统(SMES)的发展主流是小型分布式储能系统,主要用于改善用户端的电能质量和供电可靠性,中等规模的SMES也可用于输电网以改善电网的稳定性。

  (4)超导电动机的主要应用对象是大型舰船的电力推进系统,而超导同步发电机的应用对象主要是电网的同步调相,对电网进行无功补偿,以改善电压品质和电网的稳定性。

  (5)对于超导变压器,只有容量大于30MVA时才能体现超导的优势。因此必须开发出大型高温超导变压器才具有应用的可能性。特殊场合,如地下变电站或电力机车,对电气设备的占地空间有严格限制,高温超导变压器也能发挥其体积小的优势。

  (6)超导电力技术和电力电子技术是电力工业的两大发展方向,因此有机结合超导电力技术和电力电子技术的优势而形成的新型FACTS装置也将是超导电力技术的重要发展方向之一。

  目前,超导电力技术的各方面应用已进入示范试验阶段,部分技术已开始步入商品化阶段。因此,2007~2008年,随着实用化的第II代高温超导带进入市场,高温超导电力技术的发展将会开始出现快速增长,今后5~10年是在超导电力技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期。

  (1)高温超导限流器。以110kV及以下电压等级的实用化高温超导限流器的研究开发为切入点,解决样机的关键技术及其与电网匹配协调运行的问题。在此基础上,逐步开发高电压等级的高温超导限流器。

  (2)超导储能系统。以MJ/MW级小型超导储能系统的产业化为切入点,解决超导储能系统所涉及的快速充放电超导磁体技术问题、斩波器和换流器的关键技术和优化控制问题。在此基础上,逐步发展中大型超导储能系统。

  (3)高温超导电缆。以10~110kV电压等级高温超导电缆的研发为切入点,重点解决超导电缆的优化设计、电磁兼容问题、低漏热终端技术、低温系统的集成技术、电缆的绝缘技术,促进短距离大电流超导电缆的实用化。在此基础上,推动110kV及以上电压等级大容量高温超导电缆的实用化。

  (4)超导电力系统的关键科学技术。以高温超导限流器和超导储能系统的并网示范运行为切入点,对高温超导电力装置进行动力学建模、建立超导电力装置与常规电网匹配和协调运行的理论,包含超导电力装置的电力系统的稳定性理论、经济运行理论、规划理论、可靠性评估等。

  (1)超导材料的电磁物理特性。重点研究复合超导材料的稳定性结构、超导带材的电磁特性及其与应力、外加磁场、温度和导体结构之间的关系和变化规律,复合超导材料的交流损耗及其在快速充放电下的损耗,多股超导线材内部的电磁耦合问题、均流问题及热稳定性问题,复合超导材料在电磁暂态过程中的电流分布、磁通运动等;此外,高温超导块材的磁屏蔽特性、电流模型、交流损耗及在快速运动下的电磁特性也是值得研究的重要课题。

  (2)超导磁体物理基础。重点研究交流高温超导磁体系统和快速充放电超导磁体的稳定性、失超传播、失超恢复过程和失超保护,研究超导磁体的电磁暂态过程及其与磁体结构、冷却方式和电磁场、电流变化之间的相互关系,特别是电流冲击下的电磁暂态过程也是十分重要的课题。

  (3)超导电力装置的在线监测与控制技术的研究。包括故障的快速检测、判断和预测,电能质量问题和系统稳定性问题的实时同步跟踪;在此基础上研究相应的应对措施及装置的控制策略、控制方式和拓扑结构。

  (4)超导电力装置的动力学建模研究。重点研究超导限流器、超导储能系统、超导电机、超导变压器和新型FACTS装置的稳态、暂态和动态过程的动力学特性,建立相应的数学物理模型及其与拓扑结构、控制方式、系统结构和超导磁体电磁暂态特性之间的相互关系。

  (5)超导电力装置与电网的匹配协调运行。重点研究超导电力装置的电磁兼容、谐波治理、动态特性与电网稳定性之间的相互关系、作用和影响,研究电网对电力装置动态特性的要求和多台超导装置在电网中的协调运行问题。

  (6)含超导电力装置的电力系统的理论问题。重点研究基于超导电力技术对传统电网进行改造的相关技术,包括城市高密度配电、分布式电力系统和全国性互联大电网的动态稳定性问题、经济运行、优化控制策略、提高电能质量和供电可靠性的方法、能量管理体系的优化设计与运行,为实现我国电力工业的长远发展提供基础。

  超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。超导电力技术的应用可以提升电力工业的发展水平和促进电力工业的重大变革。

  我国的国情和电力工业发展的固有特点决定了:采用超导电力技术解决传统电力工业发展的瓶颈问题是电力工业发展的必由之路。今后5~10年是在超导电力技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期。因此及时部署我国超导电力技术的发展战略、充分利用国内各种优势资源和采用新的机制分阶段地实施超导电力技术的战略发展目标,是关系到国民经济持续发展的重大课题。国家有关部门应在发展超导电力技术方面发挥主导作用。


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