超導電力技術在未來智能電網系統中的應用探討

摘要：智能電網將成為電力工業的重要發展方向，超導電力技術為智能電網的發展提供解決方案。本文基于我國目前電力系統現狀，從電力系統角度出發，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。

關鍵詞：超導電力 智能電網 超導儲能 可再生能源

1、超導電力技術簡介

工業界對超導電力技術的研究開發和產業化非常重視。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，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。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，對提高電網容量、電能質量、供電可靠性和安全性具有重要意義，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。

2、超導技術在未來智能電網的應用

2.1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。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。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。

2.2提高電力系統小于擾穩定性

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。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。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。

2.3提升電網的抗打擊能力

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。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。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，對于應付極端情況有積極的應用前景。

2.4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。

2.5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。智能電網所具有的優質和友好性能力，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，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，特別是微型超導儲能，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，大大改善了供電質量，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。

2.6建立“集約型”電力系統

智能電網所具有的高效性，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。

3、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完全不同的特性，這種特性必會對電力系統特性產生影響。

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：

(1)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完全不同的特性，特別表現在時間尺度和動作特性等方面。

(2)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。

(3)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。

(4)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完全陌生的環境。

(5)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。

(6)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。

4、結語

超導電力技術將是21世紀具有經濟戰略意義的高新技術。超導技術在智能電網的有效應用，可大幅度提高系統抗打擊能力、提高系統穩定性、改善電能質量、建立集約型系統，為未來智能電網的發展提供一種全新的思路。超導技術在智能電網的應用在各個方面尚處于摸索階段，我國電力系統的發展和特點決定了超導電力技術將在智能電網中發揮重要作用。