HTS電纜和SMES應用于分布式電源電能的傳輸

王鵬，李貌

(1.新疆光源電力勘察設計院，新疆烏魯木齊830000;2.國網新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊830011)

HTS電纜和SMES應用于分布式電源電能的傳輸

王鵬1，2，李貌1，2

(1.新疆光源電力勘察設計院，新疆烏魯木齊830000;2.國網新疆電力公司烏魯木齊供電公司，新疆烏魯木齊830011)

高溫超導(HTS)電纜具有低損耗、大容量、無污染等優點，由于超導電纜的優越特性已在國內外應用在工程中。超導磁儲能(SMES)具有低損耗、儲能效率高、快速響應等諸多優點。本文基于二者的優點結合，HTS的低消耗高效率傳輸等優點能降低超導儲能裝置(SMES)提供給不穩定的分布式電源高效率的電能傳輸，增強系統并網的可靠性。HTS電纜和SMES的綜合應用能夠使電網更為堅強，有助于實現與相鄰電網的電能交換，是智能電網基礎技術之一，已在電力系統中已受到越來越多的關注。

高溫超導電纜;超導磁儲能裝置;分布式電源;智能電網

1 引言

從1991年起日本通產業省(現在產業省)資源能源廳就把超導電力儲能系統列為國家項目，并組織有關單位開展對該項目的研究。按照項目的實施要求，2007年由日本中部株式會社和株式會社東芝共同研發了當時世界最大的輸出功率的10MW瞬時電壓降低補償用SMES裝置且在日本縣龜山市進行了現場運行試驗，現在這種SMES裝置已進入使用階段化階段。具有重大意義是由中部電力株式會社等單位共同研發20MJ儲能級別，10MW電力系統控制作用SMES裝置作為100MW級SMES裝置的1/10容量模型樣機于2007年接入電力系統進行聯網驗證試驗。由于SMES裝置與電網的功率交換非常迅速，加上電力電子技術的發展，SMES能同時與系統分別獨立運行四象限有功功率和無功功率。SMES具有儲能效率高，響應速度快、使用壽命長、抑制低頻振蕩、靈活方靈活方便等優點［1］。由于SMES具有上述的優越特性和超導電纜的低損耗的特點，近年來一直是很多發達國家研究的熱點，美日俄加英德荷等展開一些研究。

2 超導儲能裝置的組成和優勢

2.1 電力系統控制作用SMES裝置的組成

SMES裝置是利用超導線圈將電能直接以電磁的形式儲存起來，在需要的是在將電能輸出給負載的儲置。SMES裝置組成如圖1，主要由變流變壓器、變流器、斬波器、短路器、超導線圈、冷卻系統和保護單元以及控制單元等組成。

圖1 電力系統控制用SMES裝置圖

(1)變流變壓器。變流變壓器把三相高壓電壓變換成適合輸入變流器的相數和電壓。

(2)變流器。根據控制單元的指令，變流器將由變壓器輸入的交流電壓正流程直流電壓，經斬波器輸入超導線圈。也可將超導線圈經斬波器輸出直流電壓逆變成交流電壓反送給變壓器向電網反饋。SMES所用的AC/DC變流器能控制SMES與電力系統的用功功率和無功功率。

(3)斬波器。斬波器實際上是直流調壓器是為了確保變流器和超導之間電壓匹配而設立的過度裝置。

(4)短路器。短路器實際上是斷路開關，有大功率晶閘管組成。

(5)超導線圈。它的形狀通常是環形和螺管形，安置在低溫容器內的超導線圈，是電力系統控制用SMES裝置的核心儲能部件。其儲能的能量(ESMES= 0.5×L×I2)L為超導線圈的電感，I為超導線圈的電流。

(6)冷卻系統。低溫冷卻裝置由不銹鋼制冷器、低溫液體的分配系統、一對自動的氦液液化器等部分組成。

(7)保護單元。保護單元是保障電力系統控制作用SMES裝置安全運行的重要元件。

2.2 超導磁儲能系統的優勢

超導磁儲能系統(superconducting magnetic energy storage，SMES)利用超導線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉換。具有響應速度快、轉換效率高、比容量/比功率大、壽命長、污染小等優點，且沒有旋轉機械部件和動密封問題。主要用于輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節、提高系統穩定性和功率輸送能力［2－3］。已有研究表明，對于輸配電應用而言，微型(＜0.1MWh)和中型(0.1～100MWh) SMES系統更為經濟［4］。

表1 不同規模SMES的應用情況

3 超導電纜的結構和優勢

在上面介紹了超導磁儲能(SMES)的發展優點以及工作原理，隨之的是超導電纜的優勢。高溫超導(HTS)線纜的優越性。電力系統向更大規模方向發展。對電能品質和和供電可靠性提出更高的要求。傳統的電線或者是電纜受銅，鋁等基本導電材料電導率限制。高溫超導電纜采用具有很高的傳輸電流密度的高溫超導材料作為導體，其諸多優點已在電力工業中引起了越來越多的關注。隨著智能電網智能化發展趨勢越來越明顯HTS電纜的應用前景也越來越被看好。

3.1 超導電纜的結構

HTS電纜的結構與常規電纜有較大的差異，主要由電纜本體，終端以及低溫冷卻系統組成。如圖2所示。

圖2 熱絕緣高溫超導電纜的基本結構

(1)電纜本體。HTS電纜本體包括電纜芯，電絕緣和低溫器。電纜芯是由繞在不銹鋼波紋管骨架上的導體層組成，裝在維持液氮溫度的低溫中，低溫容器兩端與終端相連。電纜芯導體層的高溫超導帶材在終端通過電流引線與外部電源或負載相連接。電纜芯的導體層是由多層高溫超導帶材在骨架上繞成。

(2)電纜終端。終端HTS電纜與外部電氣部件的連接端口，也是電纜低溫部分與外部室溫的過渡段。終端要求有很好的熱絕緣，以保證超導電纜整體熱損耗最小。同時由于炒到電纜本體在一定的電壓下運行，因此也要求終端有相應的絕緣的水平。如圖3所示。

圖3 終端基本結構

(3)低溫冷卻系統。目前HTS電纜普遍采用Bi2223超導帶材作為電纜的導體層，低溫技術為超導應用提供最基本的低溫運行條件，因此冷卻系統是超導電纜的一個重要部分。目前普遍采用液氮作為冷卻介質，因為氮的液化技術成熟，價格低廉，同時由于氮是空氣的主要成分，氮氣的泄露不會帶來環境問題。

HTS電纜的液氮冷卻基本原理是利用過冷液氮的顯熱，將HTS電纜產生的熱量帶到冷卻裝置，通過液氮冷卻裝置冷卻后，再將過冷液氮送到HTS電纜中去，形成液氮在閉合回路的循環過程。冷卻裝置可以采用各種不同制冷方式，如常壓液氮沸騰制冷，減壓降溫制冷，低溫制冷機。

3.2 HTS電纜相對于其他電纜的性能優勢

(1)與常規電纜相比，HTS電纜的導體損耗不足常規電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運行總損耗也僅為常規電纜的50%～60%。

(2)容量大。同樣截面的熱絕緣HTS電纜的電流傳輸能力是常規電纜的3～5倍，這是由低溫封套和屏蔽層的渦流損耗所決定的。冷絕緣HTS電纜的電流傳輸能力更大一些，直流超導電纜的更高。

(3)節約材料。由于HTS的電流密度高，在同樣傳輸能力下，與常規電纜相比，HTS電纜使用較少的金屬和絕緣材料。

(4)無污染。HTS電纜不會造成環境污染，而常規充油電纜存在著漏油而造成污染環境的缺點。此外，HTS電纜還具有無電磁污染，低噪音等特性。低損耗。超導材料在進入超導狀態時直流電阻幾乎為零;但對于交流電纜而言，超導體中仍有磁滯渦流損耗，因此電導損耗不可忽略，但其值比常規電纜的小得多，即使計及低溫冷卻所需的電力，其電力損耗仍比常規電纜的小。交流高溫超導電纜的功率損耗約為輸送容量的1%，直流電纜的功率損耗比交流電纜的更低。如計及電纜制冷功率，高溫超導電纜的總損耗約為常規電纜的35%如采用超導輸電技術，使總的輸電效率提高約4%則目前我國每年可節約電力10GW以上，據統計，如全部采用高溫超導電纜，按現在的電價和用電量計算，我國每年可節約400億元，還可降低耗煤量，減少燃煤對環境的污染。

4 高溫超導電纜和超導磁儲能應用于分布式系統

4.1 分布式電源的劣勢

因其采用天然氣做燃料或以氫氣、太陽能、風能為能源，故可減少有害物的排放總量，減輕環保的壓力:大量的就近供電減少了大容量遠距離高電壓輸電線的建設，由此不但減少了高壓輸電線的電磁污染，也減少了高壓輸電線的征地面積和線路走廊，減少了對線路下樹本的砍伐，有利于環保。但是由于分布式電源(太陽能，風能等)的不穩定特性，系統需要在任何時候都能夠提供所需要的能量和消耗過剩的能量。

由于分布式電源所產生的電能具有顯著的隨機性和不確定性特征，并網對系統的影響主要取決于器穿透功率極限，根據歐洲國家的一些統計數據，穿透功率達到10%是可行的。所以除非很大的負荷就在并網逆變器附近或者電網很弱，可以認為分布式電源發出的功率完全被電網吸收，但能量存儲可起到平抑系統擾動，維持發電/負荷動態平衡，保持電壓/頻率穩定的重要作用。要達到維持發電/負荷動態平衡的目的，儲能必須具有很大容量/功率吞吐能力。而為了保持系統電壓/頻率穩定，儲能就具有ms級響應速度和一定容量的功率補償能力。

HTS的低消耗高效率傳輸等優點能降低超導儲能裝置(SMES)提供給不穩定的分布式電源高效率的電能傳輸。在相鄰電網之間也可以用超導電纜的連接，這樣能降低電能損耗，增加了電能的利用率，再者超導磁儲能裝置能及時補給不穩定的分布式不僅有利于相鄰電網的電能相互交換而且有助于電力系統的穩定。電源由于SMES的ms級響應，低損耗的HTS電纜和超導磁儲能(SMES)的綜合應用能夠是電網更為堅強，有助于實現與相鄰電網的電能交換。

表2 各種儲能技術性能

4.2 超導電纜和超導電磁能應用于分布式系統

(1)增強系統并網的可靠性。分布式電源輸出的電能具有隨機性和不確定性，超導儲能裝置使得分布式電源即使在波動快和較大的情況下也能夠運行在一個穩定的輸出水平。

(2)孤立運行的分布式電源切換或者退出時起到過渡作用。太陽能和風力發電輸出具有間歇性，適量的儲能可起到過渡的作用，其儲能的多少主要取決于負荷需求。

(3)抑制分布式電源波動，改善了系統供電質量。太陽能，風能等受天氣等自然因素的影響，輸出電能具有隨機性，而儲能可以平抑脈沖功率波動。

(4)高溫超導電纜和儲能裝置可以很好地改善電力系統暫態穩定性。分布式發電與傳統電網的結合，由于分布式電源電能的隨機性和不確定性，超導電纜的低損耗和超導磁儲能裝置能夠快速輸出或者吸收功率改善系統暫態穩定性抑制系統振蕩。

5 結束語

使分布式電源按照預先制定的規劃進行發電，提高并網運行的可靠性和調度靈活性。高溫超導電纜和超導磁儲能(SMES)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。平衡遠方的可再生能源(太陽能、風能等)，它的廣泛應用將在電力系統中引發技術性的革命。

［1］楊勇.超導技術的發展及其在電力系統中的應用［J］.電網技術，2001，25(9):48－51.

［2］李素燕，劉孝坤，王莉.35～110kV高溫超導電纜終端低溫恒溫器熱負荷分析［J］.低溫與超導，2010(6):21－25

［3］劉振亞.智能電網技術［M］.北京;中國電力出版社，2010.

［4］P Gardner，H Sondin，A Higgins，S McGoldrick.The impact of increase levels of wind penetration on the electricity systems of the republic of Ireland and Northern Irleand;Final Report［R］Garrad Hassan and Partners Limited.2003;1－39.

［5］余運佳，惠東.中大型超導儲能裝置的研制與應用［J］.中國電力，1997，30(3);57－59(in Chinese).

［6］李艷，程時杰，潘垣.超導磁儲能系統的自適應單神經元控制［J］.電網技術，2005，29(20);57－61.

［7］S.Neris，N.AVovos，G.B.Giannakopoulos.A variable speed wind energy conversion scheme for connection to week ac system［J］.IEEE Trans on Energy Conv，1999，14(1);122－127.

［8］O.A.Jaramillo，M.A.Borja，J.M.Huacuz.Using hydropower to complement wind energy:a hybrid system to provide firm power.Renewable Energy［J］.2004，29:1887－1909

［9］肖立業.超導電力技術的現狀和發展趨勢［J］.電網技術，2004 (9):33－37，41.

［10］許曉慧.智能電網導論［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［11］楊軍，張哲，尹項根.高溫超導電纜在電力系統中的應用［J］.電網技術，2004，28(21);63－68.

［12］Sasaki M I，Susa T.Transient stability of AC multi－strandsuperconducting cables［J］.Physica C，1998，(310):345－350.

［13］Akhmetov A A.Network models of superconducting cables and theresults of the matrix approach to their description［J］.Physica C，1998，(310):309－315.

［14］Jacob O，Jan O，Karin L et al.Energy losses of superconducting powertransmission cables in the grid［J］.IEEE Trans on AppliedSuperconductivity，2001，11(1):2375－2378.

［15］Olsen S，Tonnesen O，Ostergaard J.Power applications forsuperconducting cables in Denmark［J］.IEEE Trans on AppliedSuperconductivity，1999，9(2):1285－1288.

［16］應啟良，黃崇祺，魏東.高溫超導電纜在城市地下輸電系統應用的可行性研究［J］.電線電纜，2003，(5):3－13.

［17］秋毓昌，羅俊華，夏明通.超導電力電纜的發展［J］.電線電纜，2000，(4):7－9.

［18］林良真，肖立業.高溫超導輸電電纜的現狀與發展［J］.電力設備，2007，8(1):1－4.

［19］HARA T，OKANIWA K，ICHIYANGI N，et a1.Feasibility study of compact high-temperature superconducting cables［J］.IEEE Trans.on Power Delivery，1992，7(4):1745－1753.

［20］MARNAY C，ASANO H，PAPATHANASSIOU S，etal.Policy making for microgrids.IEEE Power andEnergy Magazine，2008，6(3):66－77

［21］O.A.Jaramillo，M.A.Borja，J.M.Huacuz.Usinghydropower to complement wind energy:a hybridsystem to provide firm power.Renewable Energy［J］.2004，29:1887－1909..

［22］周雙喜，吳畏，吳俊玲，等.超導儲能裝置用于改善暫態電壓穩定性的研究［J］.電網技術，2004，28(2):1－5.

HTS Cables and SMES Used in distributed Power Transmission

WANG Peng1，2，LI Mao1，2
(1.Xinjiang Light Source Power Survey Design Institute，Urumqi 830000，China;2.Urumqi Power Supply Company，State Grid Xinjiang Power Company，Urumqi 830011，China)

High-temperature superconductor(HTS)cable with low loss，high-capacity，pollution，etc.，because the superior properties of superconducting cables have been used in projects at home and abroad.Superconducting Magnetic Energy Storage(SMES)with low-loss，energy storage，high efficiency，fast response，and many other advantages.Based on the combined advantages of both，HTS transmission efficiency of the advantages of low consumption can reduce the superconducting energy storage(SMES)to provide distributed power to the instability of the high efficiency of energy transfer，enhanced system and network reliability.HTS cable and the integrated application of SMES to the power grid is more strong，contribute to energy exchange with the adjacent grid，smart grid-based technologies，has been in the power system has been more and more attention.

high temperature superconductor cable;distributed generation;superconducting magnetic energy storage device;smart grid

TM71

B

1004－289X(2016)04－0099－05

2015－09－21

王鵬(1988－)，男，本科，從事電力系統規劃及設計工作;李貌(1987－)，男，碩士，從事電力系統規劃及設計工作。