超導無線核相儀電力技術在未來智能電網應用研究

超導無線核相儀電力技術在未來智能電網應用研究，智能電網已成為電力工業重要發展方向[ 126 ] 。智能電網必須能解決未來電網發展所面臨的一些關鍵問題,比如特大電網的安全穩定問題;電網支持大規模可再生能源運行的能力問題;電網應用現代電力前沿技術的能力問題等。

從研究現狀和產業化進程來看,美國側重于在需求側管理、配電網重構、分布式發電管理等方面;歐洲側重于推廣分布式發電;中國的研究起步相對較晚,從大電網和中低壓電網2個角度同時切入,在華東電網、華北電網都得到了較大的發展,但*成熟并產業化的成果相對較少

。智能電網的建設和發展是一個多學科交叉的嶄新學術領域,需要從多角度統攬問題,更需要新技術、新設備應用,以適應未來電網的要求。
　　超導電力技術將是21世紀具有經濟戰略意義的高新技術[ 7213 ] 。超導技術的實用化、產業化會對電力領域產生巨大影響。超導技術界普遍為,新一代高溫超導帶材（釔系高溫超導帶材）有望在5年后商品化,之后超導電力技術將會出現一個快速增長的時期,在2010年—2015年期間,各種高溫超導電力裝置將會陸續進入實用化階段。

據超導工業界預測: 2010年,超導電力技術產業的產值將達到75億美元; 2020年,將達到750億美元以上。目前,超導電力技術已進入高速發展時期[ 729 ] ,若干超導電力設備,如超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導磁儲能系統等已在電力系統試運行。采用超導電力技術,可以大大提升電力工業的發展水平、促進電力工業的重大變革。

　　智能電網對電網安全穩定性、經濟性、可再生能源的包容性、電能質量都有根本性的提高;而超導電力技術的進步為應對這一挑戰帶來了重大機遇并有可能提供解決方案。

然而,由于電力系統的特殊性、電力設備運行條件的復雜性,如何應對超導電力裝置應用會給電力系統帶來新的挑戰,目前在理論研究還是設備運行方面都沒有充分的準備。
 

　　本文考慮未來能源結構的重大變化及超導技術的迅速發展,基于我國目前電力系統現狀,從系統角度出發,對超導電力技術在智能電網的應用做出具有前瞻性的探討,重點討論了超導儲能技術、超導電纜技術、超導限流器技術等超導新技術在智能電網的應用前景及其主要研究發展方向。

2　超導電力技術簡介

　　西方政府和工業界對超導電力技術的研究開發和產業化非常重視。美國zui近提出的“美國電網2030”計劃,把超導電力技術放在一個十分重要的位置上,并計劃采用超導電力技術建設骨干電網。

美國能源部認為超導電力技術將是21世紀電力工業*的高技術儲備,發展高溫超導電力技術是檢驗美國將科學發現轉化為應用技術能力的重大實踐,而日本新能源開發機構（NEDO）則認為發展高溫超導電力技術是在21世紀的高技術競爭中保持優勢的關鍵所在。

可以認為:超導電力技術將是21世紀具有經濟戰略意義的一種高新技術。
　　我國一直重視超導技術的研究,*電工研究所,清華大學、華中科技大學和華北電力大學正在開展超導技術的研究,且取得了較大的成果,目前超導電力技術與*水平總體上仍然存在著一定的差距。
　　超導電力技術涉及多學科、多領域、多工業背景,其研究內容紛繁復雜。本文從電網系統的角度出發,著重闡述超導電力技術在未來智能電網的系統級的應用探討。

　　超導電力技術的應用,包括輸電電纜、限流器、電動機、發電機、變壓器、超導儲能系統等在內的一系列高溫超導產品[ 7211 ] ,對提高電網容量、電能質量、供電可靠性和安全性[ 12214 ]具有重要意義,將給電力技術的發展、智能電網的結構和特點產生深遠的影響。

超導技術在未來智能電網的應用

提高電力系統暫態穩定性
　　智能電網所具有的自治和自愈能力從根本上保證大電網的運行的安全穩定性,未來智能電網的能量流動的雙向性,決定了必須有新技術、新設備的應用以緩和甚至消除電力系統擾動所造成的影響,以適應未來電網發展的要求。
　　作為對大電網暫態穩定的控制手段,大型超導儲能裝置作為一個獨立、反應快速、可獨立輸出有功及無功的電源,加入到電力系統中,可以提高系統的有功備用率,提高了系統在故障情況下的應急能力。

快速的有功及無功調節,使得系統的可控性增強,應對大擾動的能力增強,從而強化了系統的穩定性。與現有大電網穩定裝置（如電氣制動等）相比,有響應速度快、過剩能量能回收等優點,能適應智能電網對暫態穩定的要求,提升了電網的暫態穩定性。

因此可以將超導儲能看成是一種能與電網交換有功功率的靈活交流輸電系統（ FACTS）裝置,功能更加強大,可以實現電力系統暫態穩定由被動致穩轉變為主動致穩。

　　提高暫態穩定性的另一個重要因素是故障部分的及時隔離,如果電氣設備不能及時隔離故障,暫態穩定則無從談起。而隨著電網的容量在不斷地擴大,使得其短路電流水平迅速提高,由于電氣設備須按短路容量水平來設計,這就使得開關設備的成大大升高,甚至無法選型。

為了降低短路電流,目前方法不管是從電網結構還是從運行方式上或者在電氣設備方面考慮,費用均非常高,容易導致電力系統運行的不穩定;超導故障限流器是近年來發展起來的限制短路電流的新技術裝備,超導故障限流器,利用超導體的超導/常態轉變特性,由零電阻迅速轉變為高阻值,從而達到降低系統的短路電流的目的。超導故障限流器能滿足智能電網對暫態穩定的快速性和準確性的要求。
　　因此,通過超導故障限流器及時快速隔離故障,通過超導儲能裝置補償不平衡有功功率,均能提高電網暫態穩定性,以滿足智能電網的對系統暫態安全穩定的基本要求。
3. 2　提高電力系統小干擾穩定性
　　我國未來智能電網雖然有可再生能源的加入,但仍然遵循著大電網、大機組的發展發向,遠距離大容量輸送電能不可避免,降低了系統運行的動態安全性。
　　大規模互統小干擾穩定與否主要表現在區域聯絡線的功率振蕩。如果在輸電系統中,能對功率越限部分進行實時補償,在功率過高時吸收功率,在功率過低時釋放功率,以平穩聯絡線功率,則能有效提高系統小干擾穩定性。超導儲能系統具有能快速充、放電的功能,并且可對系統提供瞬時有功功率與無功功率的支持,通過附加阻尼控制器,可以對線路功率進行實時補償,阻尼系統振蕩。

　　提高系統動態穩定性的另一個方面是增強互統的電氣,為了加強互統的電氣,采用特高壓（ > 500kV）輸電系統是較好的解決的方法。但是在特高壓中,特別是傳輸大容量電能的電纜,在設計和制造上存在很多技術上的難點,對絕緣和對空間使用有很苛刻的要求。

使用超導電纜進行輸電是基于超導技術的可行的解決方法。超導電纜具有傳輸容量大、損耗小、靈活性高、占地空間小、無污染等顯著優點,是解決電能傳輸“瓶頸”的較好選擇。采用超導電纜技術,由于其在超導狀態下阻抗很小,采用超導電纜技術可以大大加強互統之間的電氣,提高電網的小干擾安全性。
　　因此,通過超導儲能技術提高系統阻尼,通過超導電纜技術加強系統電力,均能提高電力系統第1期陳　中,等: 超導電力技術在未來智能電網應用研究5　1的小干擾穩定性,以滿足智能電網對小干擾安全穩定的基本要求。
  　提升電網的抗打擊能力
　　電網的外部打擊包括自然力、人為、恐怖主義、戰爭等因素, （ 2008年冰凍災害導致我國多個省市電網大規模長時間停電,以及2009年大雪導致安徽電網的停電事故,更加凸現了這一需要） 。智能電
網的防御能力是指電網抵御外部破壞的能力,其目的是電網在遭受一系列的外部打擊后,仍能維持穩定運行并向關鍵負荷穩定地輸送電力。
　　提高電網的抗打擊能力,zui重要的保證重要負荷（軍事負荷、信息商業中心等）的供電,因此在配電系統中,中小型的超導儲能系統,由于其反應速度快、容量密度高等優點,可以作為緊急備用電源保護敏感負載。
　　提高電網的防御能力,表現在非正常工況下仍然能對重要負荷輸送大量電力。超導電纜技術可以在比常規電纜較低的運行電壓下將巨大的電能利用超導電纜傳輸而進入城市負荷中心。因此在輸電走廊遭受大量破壞時,可以利用超導電纜保證重要負荷的供電。
　　因此,超導儲能能量備用技術和超導電纜大容量能量輸送技術均能有效增強智能電網的防御能力,對于應付情況有積極的應用前景。
     　對可再生能源的包容性
　　可再生能源是未來電力能源的重要組成部分,要使這種能源得到充分有效的利用,必須采用新的技術措施改善其品質并使其能更為有效地與大電網聯結,能與其它能源系統互動,實現動態綜合優化平衡,提高能源系統的總體效率。智能電網所具有的兼容性是指電力系統能夠開放性地兼容各種類型能源的能力,也正是契合了可再生能源的發展要求。
　　由于可再生能源具有間歇性和不穩定性的特點,且光伏發電系統不具有傳統水輪機組或汽輪機組的機械慣性,風力發電機組的單機容量及慣性與傳統發電機組相比也有很大的差別。這種發電方式的重大變化將導致電網的結構、運行、管理、控制方式發生變革,電力系統的、安全、可靠和靈活性將會受到極大的限制。超導儲能系統將為電網提供的儲能備用、為提高可再生能源發電接入電網的比例和提高電網的安全可靠性起到至關重要的作用,并對分布式發電系統穩定運行、改善可再生能源發電電能質量和功率平衡方面有重要意義。
　　因為可再生能源不穩定,所以系統需要在任時候都能夠提供所需要的能量和消耗過剩的能量。解決方法包括使用很大的能量緩存、與鄰近電網進行能量互補交換。高溫超導電纜和超導儲能裝置的綜合應用能夠使電網健壯,有助于實現與相鄰電網的電能交換。
　　對于大容量的風力發電站群,各臺發電機之間的連接以及和主電網的連接,必須考慮電氣的緊密型對周圍環境的影響,內部冷卻的超導電纜則適用于風力發電站之間部分的互聯,不僅加強了風機之間的電氣,而且*不會影響到周圍的生態環境。
　　因此,分布式中小型超導儲能技術以及與超導電纜技術的綜合應用契合了智能電網的兼容性要
求,提高了智能電網對可再生能源的包容性,具有重要的應用價值。
3. 5　提升電網的電能質量
　　在信息化社會,電網電壓和頻率的波動會帶來信息系統發生故障的嚴重后果,同時對工業產品質量產生致命的影響。智能電網所具有的和友性能力,是指電網與需求側、發電商、環境和諧相處的能力,也是電網能充分滿足負荷側的要求,因此提高系統供電品質是智能電網必須重視的課題。
　　在輸電層面,對于大功率遠距離輸變電系統,可以通過大型超導儲能裝置提升電網電能質量。超導儲能可以瞬時吸收和釋放能量,避免頻率的波動;同時超導儲能通過電壓/無功支持,可使電壓極為穩定,波動很小。
　　在配電層面,對于中小型超導儲能,特別是微超導儲能,可利用其高速調節有功、無功特性來改善功率因數,穩定電網頻率,控制電壓的瞬時波動, 平衡電網次諧波振蕩,從而大大改善供電質量,滿足軍事、工業、民用電力的需要。在改善電能質量時,超導儲能系統的儲能容量不一定需要很大,但功率容量一般很大。
　　因此,超導儲能技術能在輸電和配電兩個層面上提高電網電能質量,以滿足智能電網的電能性要求。
3. 6　建立“集約型”電力系統
　　智能電網所具有的性,是指電網提高設備利用率、減少線損、降低運營成本的能力,通過新型技術和設備的應用以提高網絡的經濟性。超導電纜使用無阻和高臨界電流密度的高溫超導線材作導體,極大的提高了電流能量傳輸能力。超導電纜具有低損耗的特點,即使計及低溫冷卻所需的電力,其電力損耗仍比常規電纜要小。因此大大減少了網絡損耗。
　　超導電纜具有結構緊湊的特點,能夠在不增大電纜尺寸和不增大損耗的條件下增加傳輸功率。并且對環境影響小。所以從電纜安裝空間有限和安全角度出發,更適合給大城市和特殊場合供電,節約了安裝空間,節約了土地和資金。因此,超導電纜具有的大容量、低損耗、結構緊湊的特點滿足智能電網性、經濟性的要求,具有重要的應用前景。
　　超導變壓器和超導電機由于其容量有限,但是具有占地面積小,能量密度高、損耗小等特點,適用于對自然環境要求特別高的場合。
4　超導技術在智能電網的研究方向
　　與傳統電力裝置相比,超導電力裝置具有許多*不同的特性,這種特性必會對電力系統特性產生影響。在這種系統和裝置相互作用下,會在已形成的現代大規模電力系統的高階非線性復雜動態模型中引入*不同類型的數學方程,二者結合將帶來許多新的學科問題,對傳統的電力系統理論提出了新的挑戰。
　　因此,必須從系統角度出發,對超導電力系統理論開展研究。研究方向主要包括:

　超導電力裝置的動力學建模研究。由于超導電力裝置具有許多*不同的特性,特別表現在時間尺度和動作特性等方面。因此與傳統的元件類似,要對超導電力裝置進行動力學建模,以分析其對電力系統穩態和動態穩定的影響。
　

超導電力系統的分級建模和控制。超導電力應用大功率電力電子能量變換、控制裝置,其動態行為和模型具有其特殊性,在裝置級和系統級兩個層次上對建模和控制提出更高的要求。

　　含超導電力裝置的智能電力系統建模理論。超導電力裝置對電氣運行方式、溫度、電磁環境等非常敏感,其狀態變換也非常迅速,而傳統的電力系統理論已不適應,需要擴展至超導電力裝置理論體系才能滿足超導技術在智能電網應用要求。
 

　　超導電力裝置與智能電網的協調運行。超導電力裝置特性可能對電力系統具有*陌生的環境,因此,對于傳統的電網運行方式、保護、控制等要隨之調整,只有兩者協調運行,才能zui大化地發揮超導的*性,才能適應未來電網運行要求。

   超導電力系統智能控制策略。智能電網決策與控制的實時性、易用性和互操作性都大大提高,要求超導電力系統滿足其控制要求,包括故障的快速檢測、判斷和預測、電能質量和系統實時同步跟蹤等。研究超導電力系統相應的應對措施及裝置的控制策略、控制方式和拓撲結構。

　快速可控裝置的智能協調控制。超導電力裝置的應用將改變傳統電力系統中快速可控元件主要集中于電網端部節點的發電機和負荷的局面,使電網各環節都會出現快速可控元件,這對各類快速可控裝置的協調控制提出更高的要求和新的挑戰。