超导技术在未来电网中的应用

大力发展可再生能源并实现清洁能源变革,是当今能源领域的大趋势。随着可再生能源越来越多地接入电网,将对直流输电和大规模储能技术提出愈加迫切的需求。在此背景下,超导直流输电技术、超导直流限流器以及基于超导电性的电力储能技术等具有潜在的应用前景。文章较为系统地介绍上述直流超导电力装置的原理、优势以及近些年国内外的进展等。     

直流超导限流器的发展和应用现状综述

超特高压直流电网发展迅速,但是直流电网面临故障电流上升速度快、幅值高、切断困难的问题,限流器能够抑制故障电流的上升,降低直流故障电流的开断难度。直流超导限流器是其中极为关键的一类,总结了相关的研究进展,着重介绍了电阻型、磁通耦合型、饱和铁心型、磁屏蔽型超导限流器的工作原理,并且介绍了最新的应用研究。最后讨论了直流超导限流器需要解决的关键问题及未来的发展方向。     

基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器

多端柔性直流电网技术的发展面临快速限制短路电流的巨大挑战。超导直流限流器被认为是故障限流的最有效解决方案之一。提出了一种基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器,该限流器通过限流单元(分裂电抗器的绕组由YBCO带材绕制)与固态开关相配合,稳态时,限流器呈并联结构,等效电感小,运行损耗低;故障发生后,限流器转换为串联结构,并受大电流冲击而失超,产生较大的限流电阻,能够有效限制短路电流。基于MATLAB/Simulink建立了超导限流器模型,仿真分析了限流过程中的电流变化情况,对比分析了开关动作前后的限流情况,验证了该限流器的可行性。     

偏远地区离网混合可再生能源系统建模与优化

本文提出了以太阳能、风能和生物质能为能源输入的离网混合可再生能源系统建模及优化设计框架,综合考虑了偏远农村地区能源供需和用电模式的独特性。对离网混合可再生能源系统进行了建模,并给出其技术经济性评价体系。通过对中国西部某村庄的实例分析,验证了该框架及模型的有效性。结果表明,相比于电网延伸,在偏远农村地区发展离网混合可再生能源系统具有显著的经济、环境效益。     

直流高温超导电缆用于数据中心配电的可行性

高温超导直流电缆是一种无传输损耗、高载流密度的特殊电缆,有潜力解决数据中心耗电功率密集、物理空间受限等问题。为了探究高温超导电缆在数据中心直流母线中应用的可行性,以某可再生能源供电、交直流混合配电的数据中心为原型,设计了高温超导电缆为数据中心配电的直流母线结构及其与支路的连接方式,通过有限元仿真的方法,设计了母线的基本结构,并对配电的效率、优势进行了初步分析。结果表明,在分布式新能源供电的数据中心中,应用高温超导直流电缆具有减少变电环节、减少空间占用、改善通风散热的作用,从而可以降低数据中心中的能量损失。     

中国第一组超导电缆并网运行试验

中国第一组超导电缆于2004年4月19日在昆明普吉220kV变电站并网成功,并开始向用户供电.本文详细地描述了该电缆并网前后部分试验,如:超导电缆直流电阻测量、超导电缆通流试验、温度、压力和流量的在线监测、绝缘电阻和介损损耗测试等.所有试验结果均显示该电缆技术指标达到实际并网运行要求.超导电缆并网运行成功,标志着我国已经掌握了超导电缆开发能力.本文所提出的超导电缆并网运行试验方法和试验结果为我国进一步开发超导电缆提供了宝贵的经验.     

高温超导直流电缆现状

文中对高温超导直流电缆现状进行了介绍。高温超导直流电缆是用于直流输电的高温超导电缆。高温超导直流电缆发展相对落后于高温超导交流电缆,国际上示范项目也较少。但随着轻型直流输电应用的逐渐发展,高温超导直流电缆越来越引起人们的重视。高温超导直流电缆的本体结构和高温超导交流电缆本体结构类似。高温超导直流电缆具有输电损耗小、适合长距离输电、增加电网稳定等功能。比较适用于背靠背直流输电,工业直流输电,互联网数据中心直流供电,远距离、大容量直流输电等场合。此外,还介绍了目前国际上主要的超导直流电缆项目及研究机构情况。     

超导直流限流断路器研究

针对柔性直流电网的短路故障电流上升速度快、幅值大的特点,基于超导材料的特性,提出一种基于电阻型超导限流单元产生过零点的直流限流断路器拓扑。在理论分析的基础上,结合超导带材在直流冲击试验下的电阻变化情况,建立了电阻型超导限流单元的等效模型。在分析超导直流限流断路器工作原理的基础上,基于MATLAB/Simulink建立了系统仿真模型,对该拓扑进行验证。仿真结果表明,该超导限流断路器对直流系统稳态运行无影响,系统发生短路故障后,能够迅速限制和分断短路电流,提高了柔性直流电网运行的可靠性。     

新型桥路型高温超导故障限流器的仿真研究

研究应用于三相电力系统中新型桥路型高温超导故障限流器.正常工作情况,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流现象.在短路故障情况,整流桥中的直流偏流影响限流效果,将二极管和偏压电源从限流器中退出运行,超导线圈的电感能限制故障电流峰值和稳态值,利用限流电阻与超导线圈串联限流,进一步提高其限流能力.分析了限流器的工作原理和限流特性.仿真结果表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统动态稳定性和电网电能质量.     

集成滤波器结构的可调超导微波谐振腔

在超导微波谐振腔耦合量子比特的杂化器件中, 可利用超导材料动态电感随直流电流变化的特性, 调节谐振腔的频率, 进而匹配量子比特的频率. 为抑制引入直流偏置电极导致的微波信号泄漏, 在可调腔中加入滤波器是一种有效的方案. 本研究以滤波器为切入点, 运用计算机模拟, 开发了原有“王”字型滤波器新的工作模式, 并在实验上制作了可调超导微波谐振腔. 测试结果表明, 谐振腔的品质因子可达7800, 阻抗约1700 欧姆, 谐振腔的频率可随直流电流发生明显变化, 最大变化量可达26 MHz.