超導電力技術在未來智能電網應用探討

夏宗明　耿振翔

[摘? ? 要]伴隨著電力系統的大力發展，電力工業的發展方向逐漸朝著智能化發展，同時越來越多的智能化設備和技術被廣泛應用到電力系統中，極大的推動了我國電力事業的發展進程。作為一種全新的技術，超導電力技術在電網中發揮出了重要作用，深化改革了我國的電力行業，并加速了智能電網的智能化程度。鑒于此，本文就超導電力技術的含義、產生和發展、應用及將來的研究方向進行了探討，以供參考。

[關鍵詞]超導電力技術;智能電網;超導儲能;應用

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–0–03

Application of Superconducting Power Technology in Smart Grid in the Future

Xia Zong-ming， Geng Zhen-xiang

[Abstract]With the vigorous development of power system， the development direction of power industry is gradually towards intelligent development. At the same time， more and more intelligent equipment and technology are widely used in the power system， which greatly promotes the development process of China's power industry. As a new technology， superconducting power technology plays an important role in the power grid， deepening the reform of China's power industry， and accelerating the intelligent degree of smart grid. In view of this， this paper discusses the meaning， generation， development， application and future research direction of superconducting power technology for reference.

[Keywords]superconducting power technology; smart grid; superconducting energy storage; application

在我國電網的建設和發展過程中，智能電網至關重要，相比于傳統電網，其更加穩定和經濟，對可再生資源的包容性也較大。而在智能電網的開發過程中，超導電力技術發揮著關鍵性作用，可為智能電網的建設發揮重要作用。然而，電力系統的運行較為特殊和復雜，對于超導電力技術的應用，也為電力系統自身帶來了較大的挑戰，為了更好的掌握超導電力技術的應用技巧，需結合實踐和理論2方面進行分析，具體內容如下。

1 超導電力技術簡介

超導電力技術在西方國家具有相對較高的關注度。近期，美國也提出了與超導電力技術相關的計劃，并計劃將其應用在重要電網的建設過程中。美國能源部認為在21世紀電力工業的發展過程中，超導電力技術具有較高的技術儲備，可極大的提升美國對高新技術的應用能力，而日本相關機構則認為發展高溫超導電力技術，可提升其在21世紀的競爭優勢。

我國的科研組織也較為注重對超導技術的研發和利用，并在現階段取得了一定進展，但相較于國際頂尖水平，還具有差距和不足之處。

超導電力技術的工業背景復雜，涉及的領域和學科知識也較為繁雜，因此其研究內容比較多樣化。本文從電網系統出發，概括了在未來的智能電網中，超導電力技術的具體應用。超導電力技術主要包含輸電電纜、變壓器、電動機等應用產品，可極大的改善電網容量、提升電能質量，確保供電更加安全和可靠。此外，超導電力技術的應用，還有助于加快電力技術的發展速度，并對智能電網的結構和特點進行改善。

2 超導技術的產生和發展背景

荷蘭研究得出汞在4.2K時具有零電阻，將此現象定義為超導電性。汞具有零電阻時所處的溫度為臨界溫度，也可稱為轉變溫度，Tc表示。超導現象則是指物體在某一溫度時，具有零電阻。材料具有該屬性時則為超導材料。在這一臨界溫度下，處于正常狀態的超導體則轉變為超導態。當前超導材料的應用范圍還比較局限，很多科學家也加強了對高溫超導的研究，一旦成功，在使用該超導材料時，將會極大的節省電能，并且不會產生較多熱量。在特定溫度下具有超導電性的物體為超導體。相關研究得出元素周期表中具有超導電性的金屬共有26種，單個金屬具有較低的超導轉變溫度，應用價值較低。為此，人們應加強了對金屬合金超導電性的研究。

其中，Nb3Ge超導體的轉變溫度最高，為23.2K。在極低的溫度下，超導材料才出現超導狀態，若沒有低溫技術，將無法發現超導電性，也研究不出超導材料。由此可知，材料發展可促進科學技術進步，反之亦然。

低溫超導材料在呈現出超導態時，需使用液氦作為制冷劑，具有較大的應用權限。為此，應加強了對高溫超導體的研究，并于1986年取得了關鍵性突破。瑞士的2位科學家發現其研制的混合金屬氧化物La-Ba-CuO，在溫度為35K時具有超導電性。該發現具有劃時代意義，也讓人們開始研究混合金屬氧化物超導體。緊接著美國科學家發現在90K時，混合金屬氧化物Y-Ba-CuO也具有超導電性，且其轉變溫度高于液氮溫度（77k）。此外，當前如Bi-Ca-CuO等新超導氧化物不斷涌現，且其超導轉變溫度高于120K。人們在加強對高溫超導體研究的同時，也迫切需求室溫超導材料。

人們得出C60與堿金屬可形成超導體AxC60，且具有較金屬合金超導體較高的轉變溫度，層狀結構，為二維超導。因此，AxC60超導體的發展前景較好。

3 超導技術在未來智能電網的應用

3.1 改善電力系統暫態穩定性

智能電網自身所具有的特性，可充分保障大電網運行的安全和穩定，未來智能電網的能量流動具有雙向性，因此為了消除電力系統擾動的影響，需研發新型技術和設備，從而推動未來電網的進一步發展。大型超導裝置具有較快的反應速度，且可將有功或無功電源加入到電力系統中，從而增強系統的有功備用率，使其可隨時應對故障。有功調節及無功調節，可使系統隨時應對各種干擾，且可控性較強，以此來保障系統的穩定性。相比于當前的大電網穩定裝置，超導電力系統的優點為可回收過剩能量、響應速度較快，可提升智能電網的暫態穩定性。

3.2 增強電力系統對小干擾因素的穩定性

將來可再生能源加入到智能電網中，然而其大體的發展方向依然不變，仍保持大電網、大機組的發展類型，輸送的電能也極有可能包含大容量和遠距離，系統運行動態具有較低的安全性。規模較大的互聯系統，對于較小的干擾因素，能否具有較強的穩定性，與區域聯絡線的功率振蕩情況有關。在輸電系統中，如果可對功率越限情況，進行實時補償，如功率較高時進行吸收，功率較低時進行釋放，從而確保聯絡線功率的穩定，則可提升系統的小干擾穩定性。超導儲能系統在充電和放電方面具有較大的速度，并可為系統提供有功功率或者無功功率，在添加阻尼控制器的條件下，可實時補償線路功率，避免系統振蕩。超導技術的應用，可增強超導電纜在輸電過程中的適用性。超導電纜的優點為無污染，靈活，損耗低，傳輸大等特點，可有效緩解當前的電能傳輸問題。在超導情況下，超導電纜的阻抗較小，因此應用超導電纜技術，可使互聯系統之間具有更為緊密的電氣聯系，最終保障電網對于小干擾具有較強的穩定性。

3.3 提升對智能電網的抗打擊能力

電網在運行過程中，常常會遇到如戰爭、自然力和人為因素等方面的外部打擊作用，為此需增強電網的抗打擊能力。結合智能電網的發展現狀，增強其防御能力，可充分保障其在外部打擊作用下，安全、穩定運行。在提升智能電網的抗打擊能力時，需對重要電荷的供電能力進行保護。中小型超導儲能設備具有反應速度快、容量密度高等優點，因此可將其應用到配電系統中，使其發揮出備用電源的保護作用。使電網具有較強的防御能力，增強其在非正常條件下的電力輸送能力。應用超導電力技術，可使其在低電壓下運行時，仍具有較強的電能輸送能力。因此，超導電纜和超導儲能技術的應用，可全面提升智能電網的防御能力。

3.4 提升電網的電能質量

在當前的信息化社會中，電網電壓和頻率發生變化，都將干擾信息系統的正常運行，并嚴重影響工業產品質量。智能電網自身所具有的特性，可滿足其負荷側要求，因此智能電網需注重對系統供電品質的改善。針對某些功率大、距離遠的輸變電系統，可將大型超導儲能裝置應用在其輸電過程中，從而提升電網電能質量。超導儲能可對能量進行瞬時吸收和釋放，從而保持頻率的穩定;并借助電壓和無功支持穩定電壓極。在中小型或微型超導儲能裝置的配電過程中，其可通過對有功或無功特性的高速調節，來改善功率因數，并對電網頻率進行穩定，避免電壓出現瞬時波動，從而保障供電質量。

4 超導技術在智能電網的研究方向

相比于傳統的電力裝置，超導電力裝置的特性不同，會極大的影響電力系統的特性。該系統和裝置的相互作用，會將類型不同的數學方程引入到當前大規模電力系統的高階非線性復雜動態模型中，并在二者的結合過程中，帶來較多的學科問題，從而沖擊傳統的電力系統理論。為此，需結合系統角度研究超導電力系統理論，研究方向如下：

（1）研究超導電力裝置的動力學建模。在時間尺度和動作特性方面，超導電力裝置的特性不同。因此結合傳統元件，在分析超導電力裝置影響電力系統的穩態和動態穩定方面時，需對其進行動力學建模。

（2）超導電力系統的控制和分級建模。超導電力的模型和動態行為比較特殊，在對裝置進行變換和控制時，使用功率較大的電力電子來完成，在裝置和系統兩個等級上，來約束建模和控制。

（3）超導電力裝置協助智能電網運行。超導電力裝置自身所具有的特性，對于電力系統本身并不適應，因此，需結合傳統電網的保護手段、運行方式進行有效調整，從而協調二者之間的運行關系，從而增強超導在未來電網中的優越性。

（4）智能控制超導電力系統的方式。智能電網在決策和控制方面，其實時性、易用性較高，并可相互操作，因此需結合智能電網的控制要求，對超導電力系統進行改善，提升電能質量和快速預測、檢測、判斷故障的能力。針對超導電力系統的應對措施、控制方法及拓撲結構進行研究。

（5）對快速可控裝置進行智能協調控制。在傳統的電力系統中，快速可控元件主要在電網端部節點的發電機位置，而應用超導電力裝置，可改善這一現象，將快速可控元件均勻分布在電網的各個環節，為此，需加強研究提升各類快速可控裝置的協調性。

5 結語

超導電力技術作為一種高新技術，具有劃時代意義和價值，在21世紀也具有較大的經濟戰略性。將超導電力技術應用在智能電網中，可改善傳統電網的不足和缺陷，確保電網系統更加安全和穩定，且具有較強的抗擊打能力，也極大的改善了電能質量，促使能源結構更加多元化，在智能電網的開發和發展方面，超導電力技術具有顯著作用。結合當前超導技術在我國的應用來看，其還處于初期的發展階段，還需結合理論和實踐兩方面展開探討，充分發揮其在我國電力系統中的應用價值，從而進一步推動我國電網的智能化發展進程。

參考文獻

[1] 殷彥增，田小龍.智能電網建設中超導電力技術的應用策略[J].電子技術與軟件工程，2018（15）：213.

[2] 馬秀玲.電力工程技術在智能電網建設中的應用研究[J].幸福生活指南，2018（25）：1.

[3] 周磊.智能電網環境下電力系統保護新技術的研究與探討[J].建筑工程技術與設計，2018（10）：4207.

[4] 周興文.電力工程技術在智能電網建設中的應用研究[J].科技經濟導刊，2019，27（13）：42，49.

[5] 劉洋，王倩，龔康，等.基于超導磁儲能系統的微電網頻率暫態穩定控制策略[J].電力系統保護與控制，2018，46（15）：101-110.

[6] 陳中，肖立業，王海風，等.超導電力技術在未來智能電網應用研究[J].電工電能新技術，2010，29（1）：49-53.

[7] 胡開勝.超導電力技術在未來智能電網應用研究[J].科技創新與應用，2016（5）：191.

[8] 張玉霖.超導電力技術在未來智能電網應用研究[J].大科技，2017（25）：554.

[9] 郭舉富，劉鵬.超導電力技術在未來智能電網中的應用[J].水電與抽水蓄能，2015（18）：56-57.

[10] 陳曉明.超導電力技術在未來智能電網中的應用[J].中國科技信息，2014（23）：49-50.