超导技术在电力中的应用

2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用1超导技术在电力系统中的应用王银顺华北电力大学电气与电子工程学院2009年5月.北京电气工程前沿技术专题系列之一2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用2报告内容超导简介实用超导材料介绍低温及制冷简介超导在电力中的应用:电缆、限流器、变压器、电机、储能、电流目线、电磁感应加热超导技术的瓶颈问题总结2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用3超导体具有零电阻：R=0超导电工/电力完全抗磁性Meissnereffect：B=0超导磁悬浮宏观量子效应Josephson效应超导电子学一超导简介2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用4超导现象发现历史1911年，超导电性的发现；Tc=4.2K;1960年，NbTi和Nb3Sn；Tc=9.3KandTc=18K;1986年，高温超导体的发现；Tc=92K(Yi-based)Tc=110K(B-based),Tc=135K(Tl-based);2001年，MgB2超导材料；Tc=39K2008年,Fe-based;Tc=56K;三个基本临界参数:临界温度Tc;临界磁场Hc;临界电流密度jc;2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用51960年，NbTi和Nb3Sn：合金1982年，极细丝NbTi导线：1micro-meter1999年，第一代HTSwie/tape,BSSCO超导带材:粉末管装法（PIT）；2005年，MgB2wire/tape,粉末管装法（PIT）；2007年，第二代HTSwie/tapeYBCO超导带材:化学涂层法（MOV）,离子束辅助沉积(IBAD);IBAD轧制辅助双轴织构化(RABiTS)；倾斜基板沉积法（ISD）;激光溅射法（PLD）实用超导体材料简介2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用6实用超导体线工艺及结构MgB2YBCOBi22232020年2月8日超导技术在电力系统中的应用7超导材料的电磁特性At4.2K2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用8实用超导线价格NbTiPresently:1-2$/kAm0.6$/kAm(@5T)Nb3SnToday:10-20$/kAmExpected:2-4$/kAm1.27$/kAm(@12T)YBCOPresently:600$/kAm36$/kAm(2212@12T)Guessed:10-20$/kAmExpertopinion:50$/kAmBi-2223PresentlyAMSC124$/kAm--Lowestlimitsofcost:Nb-based:$150/kg$0.60/m(strand)$1.50/kA-m@0.5H*PIT-processed:powderisexpensive,butgettingcheaperMgB2mightbe$50/kg,$0.10/m2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用9二低温及制冷低温容器传热方式：固体热传导（Solid-conduction)：对流(Convection)：热辐射（ThermalRadiation）：对应采取措施：减小截面；抽真空；加多层辐射屏Wiedemann-Franz定律：2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用10低温容器结构2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用11低温制冷及生产厂家斯特林制冷机（Stirling）：Netherland(StirlingCryogenics&RefrigerationBV)逆布雷顿循环制冷机：France（AirLiquide）andUSALindeKryotechnikAGG-M制冷机(W.E.GiffordandH.O.McMahon):Japan(Sumitomo),USA(CTI-Cryogenics)脉冲管制冷机:USA(Cryomech)Penaltycoefficient:LN2(77K):11-15LHe(4.2K):5002020年2月8日超导技术在电力系统中的应用12低温介质基本物理性质性质液氮液氖液氢液氦三相点温度（K）63．14627．10213．951/压力（kPa）12．5343．3797．205/正常沸点温度（K）77．34427．10220．3914．222液体密度（kg/m3）808．6120770．96125蒸汽密度（kg/m3）4．6149．4991．33116．89汽化潜热（kJ/kg）198．6487．03445．620．413（kJ/L）160．62105．0431．622．552每小时汽化1升液体所需的热量（W）44．6229．188．780．71临界点温度（K）126．244．4533．195．197压力（MPa）3．42．731．3150．2275密度（kg/m3）314．03483．030．1269．582020年2月8日超导技术在电力系统中的应用13四超导电力应用-低场应用2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用14EconomicGrowthReliabilityPowerQualityEnvironmentCompetition美国能源部超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备；日本新能源开发机构发展超导电力技术是在21世纪的国际高技术竞争中保持尖端优势的关键之一；超导电力科学技术2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用15超导电力应用2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用16应用于电力系统中的超导技术18%8%10%14%29%6%6%9%电缆限流器变压器电机磁体储能材料制备其他2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用17高温超导限流器—HTSFCL高温超导限流器主要类型及原理电阻型超导限流器磁屏蔽型超导限流器桥路型超导限流器饱和铁芯型超导限流器感应型超导限流器磁通锁定型超导限流器旁路阻抗超导体低温系统控制环(铜筒)铁芯超导磁屏蔽筒铜线圈感应型超导限流器FCLi超导体绕组1绕组2绕组3SCiB磁线圈fi电阻相调电容2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用18国内外主要超导限流器项目及其研究开发现状2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用19中科院电工所云电英纳德国Neans,FZK,RWE,EHTS,E-ON阻型磁饱和型桥路型2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用20高温超导电缆-结构2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用21高温超导电缆国内外研究现状2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用22日本TEPCO美国AMSC中国科学院电工研究所云电英纳2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用23高温超导变压器1－高压套管，2－低压套管，3－液氮导管，4－高压套管，5－铁芯，6－玻璃钢低温杜瓦容器，7－原边/副边高温超导绕组，8－液氮，9－铁芯夹件2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用24高温超导变压器的运行2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用25高温超导变压器国内外研究现状2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用26ABB630kVASimens1MVAKyushuUni.TPECO500kVAIEE,TBEA,China2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用27高温超导电机结构1、定子铁芯：提供磁路和对外部磁场有效屏蔽；2、定子电枢：实现机械能和电能间相互转换；3、励磁绕组：由超导体构成，在低温下传输直流电；4、转子内筒：携带低温容器，冷剂在离心力作用下沿内壁切向高速流动；5、转矩传导筒：定子与转子相互作用转矩的传递，并提供冷却通道；6、驱动轴；7、支撑轴；8、中心通道：包括电流引线、冷剂通道和回气管。2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用28高温超导电机结构2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用29超导电机国内外研究现状2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用3036.5MWMotor4MWMotor2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用31高温超导储能(SMES-SuperconductingMagneticEnergyStorage)2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用32FZKDESYUSAAMSC华中科技大学中科院电工所2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用33电力系统安全是关系到国家安全、社会稳定、改革发展电网的容量越来越大供电密度越来越高电网向超大规模方向发展电网安全稳定问题日渐突出电能存储的研究意义具有快速响应能力的电能存储能提高系统稳定性2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用34储能提高电力系统运行的稳定性和可靠性作为系统备用容量以提高发电机的利用率增加系统的输电容量以及负载容量改善电能质量瞬时供电中断抑制系统动态振荡次同步振荡阻尼无功补偿功角暂态稳定小干扰稳定受端电压稳定电压脉冲涌流电压跌落电压谐波补偿、隔离非线性负载、波动和冲击负载作为可再生能源发电、独立电源系统、微电网的重要组成部分，保证电力的高效、优质、可靠、环保的重要手段研究电能存储技术对未来电力供给具有重要的意义2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用35超导储能国内外研究现状2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用36FZKDESYUSAAMSC华中科技大学中科院电工所2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用37大电流高温超导母线GermanyFZKForITER20kA5mHTSBusJointR=8and6nΩrespectively2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用38原坯温度要求:T=500度电磁感应加热器效率95%。2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用3928MillionUS$(FY2003-2005)InnoSTBeijingGeneralInstituteCablesSMESTransformerCurrentLimiterIEETebianHengyangChineseAcademyOfScienceChineseMinistryofScience&TechnologyChineseNSFIEELanzhouChangtongPowerCableLanzhouElectricYunnanInnoPowerTsinghuaU.YunnanElectricTsinghuaU.HuazhongPolyHunanPowerBeijingSuperconductorTechnologyIEEBeijingLanyuanHunanPowerNorthChinaPowerBeijingCityGov’tChineseIndustryNorthwestInstituteWireCompaniesPowerApplicationsIEENorthChinaPowerBeijinSuperconductorNewJVCompanyw/TaiwanChinaInt’lSuperconductor十五十一五期间中国超导电力/电工研究一览2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用40超导技术在实际应用中的瓶颈问题低温问题：低温系统的长期运行可靠性问题、低温漏热进一步降低系统的总效率；制冷问题：效率低、长期运行可靠性问题、成本问题；超导材料价格问题；目前超导技术在一些特定场合能够发挥重要的作用，但大规模推广应用仍然存在困难。2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用41高温超导线/带已经实现商业化；超导电力装置样机已挂网试验运行；超导材料价格有待进一步降低；低温制冷设备安全可靠性需要进一步提高；超导技术将在能源可持续发展中发挥重大作用。总结2020年2月8日超导技术在电力系统中的应用42谢谢！