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.     

超导直流电缆的短路冲击特性分析

柔性直流输电应用场景逐渐丰富,超导直流输电作为一种新型输电技术,具有零电阻的优势,但直流网侧短路故障对超导电缆的冲击效应有待进一步研究。研究了Bi2223超导带材及其绕制的电缆短样在直流冲击作用下电阻、电压随电流的变化规律,总结出试样的短路冲击特性,并针对Bi2223带材与电缆的特性差异进行理论分析,得出电缆铜骨架结构能有效抑制直流冲击下的焦耳热生成,为超导直流电缆的优化设计和故障分析提供了理论依据。     

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．     

±100 kV/1 kA能源管道双极直流高温超导电缆导体设计

本文提出了一种新的超导电缆导体设计方法,利用Bi系超导带材的机械及电磁特性,结合超导电缆的短路特点、磁场分布和电压,给出了骨架、导体层和主绝缘部分的设计数据,并使用液化天然气作为超导电缆的冷却介质,完成了能源管道±100 kV/1 kA双极直流高温超导电缆导体设计,结果满足要求。     

基于无烟煤软碳负极材料的低成本钠离子电池开发成功

正环境污染问题日益突出,风能、太阳能等清洁能源的利用越来越受到人们的关注,但是这些能源是间隙性的,限制了其发展和广泛应用,大规模储能技术是解决可再生能源高效利用瓶颈的关键技术。锂离子电池是一种非常重要的储能技术,广泛应用于便携电子设备和新能源汽车上,随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂离子电池大规模发展受到锂资源短缺的     

超导直流能源管道本体结构比较研究

超导直流能源管道本体是实现电力/液化天然气一体化输送的关键部件,承担着能源输送、高效热耦合和主动安全防御等功能。对超导直流能源管道原理验证样机进行了实验测试和仿真分析,获得了稳态运行时的管道沿程温度分布,其中出口温度测量值为95.5 K,仿真计算值为95.18 K。沿程温度分布仿真值和测量值偏差不超过1%,验证了仿真模型的正确性和仿真方法的有效性。基于实验验证的仿真模型和方法,对四种典型的能源管道本体结构进行了仿真分析。对比不同管道结构的温度场和流场仿真结果,获得了各种管道结构的特点,为超导直流能源管道的设计和优化提供了理论指导。     

新能源变革背景下的超导电力技术发展前景

自从1911年超导体发现以来,人们一直梦想超导体能够在电力技术中得到大规模应用.20世纪60年代以来,随着NbTi超导线材,特别是氧化物高温超导带材达到商业化水平,世界范围内广泛地开展了超导电力技术的研究与应用示范.单从技术上讲,超导电力技术已经接近实用化水平.当今,人类社会正在经历一次新的能源变革,超导电力技术在应对能源变革带来的挑战方面将会发挥重要的作用.文章介绍了近年来超导电力技术的发展趋势,并就其在新能源变革背景下的发展前景进行了探讨.     

超导限流式无弧分断直流断路器研究

针对系统可靠运行与快速切断故障电流间的矛盾,提出一种基于超导限流的无弧分断直流断路器结构。该结构利用超导限流单元有效抑制了故障电流峰值,加快了换流速度,结合全控器件减少换流次数,解决了因可靠性延时期间过快的电流增长率,并缩短开断时间。对超导限流单元进行建模,通过数学模型分析断路器各阶段工作状态并进行了仿真。结果表明,该结构能够在提高分断速度同时有效缓解可靠性与速动性间的矛盾。     

混合能源管道的研究现状及关键技术探讨

与传统高温超导输电技术相比,混合能源管道(HETL)是利用低温燃料冷却超导电缆,实现电力、低温燃料长距离一体化输送的能源管道,具有能源损耗更低、功率流密度更高、输送效率更高等优势。介绍国内外氢电一体化输送超导能源管道和气电一体化输送超导能源管道的研究现状,研究混合能源管道的基本结构和安全性问题,并总结出制约该技术发展的因素,提出未来混合能源管道要加强在超导输电技术、高强度绝缘技术、电热耦合技术以及安全检测技术等方面的基础研究。     

基于超导磁储能系统的电力弹簧控制策略研究

随着分布式发电技术的不断发展,可再生能源的渗透率不断提高.作为一种新的电压控制装置,电力弹簧能有效抑制分布式发电的功率变化引起的电压波动.本文首先针对传统PI控制动态响应能力差的问题,提出了一种基于自抗扰控制的电弹簧电压控制方法.其次,为了解决传统电力弹簧直流侧电压稳定以及有功功率补偿中存在的问题,在分析电弹簧电压控制原理的基础上,结合了具有高功率密度的超导磁储能(SMES)系统,并提出了纯无功补偿以及功率因数补偿情况下的相位控制策略.仿真结果验证了本文所提控制算法的正确性和有效性,且自抗扰控制比传统PI控制具有更好的电压调节能力,有效地提高了系统的鲁棒性.     

高温超导直流能源管道电磁仿真分析

高温超导直流电缆具有高电流密度、低损耗的优势,将液化天然气作为超导电缆的冷却液,可以实现电力与能源的一体化输送,提高传输效率的同时降低综合成本。因此,高温超导直流能源管道技术具有广阔的应用前景,其导体结构设计是相应过程中至关重要的问题。针对100 kV/1 kA高温超导直流能源管道导体部分建立三维电磁模型,对比单极性直线结构与螺旋结构、同轴双极性直线结构与螺旋结构在电流动态变化下的导体内部电流分布,研究导体螺旋结构对电流分布均匀性的影响。