未来电网中的超导电力技术

2019年3月未来电网中的超导电力技术主要内容能源变革对未来电网带来的重大挑战超导电力技术对未来电网的作用与影响超导电力技术的发展现状和趋势我国发展超导电力技术战略目标和技术路线我国发展超导电力技术的建议Bio-MassEnergyWindPVSolarThermalWindEVHydroPVStorageTideFutureGreenEnergysystem清洁能源变革对未来电网带来的重大挑战一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的清洁高效能源体系格局将变成现实发电量大幅度增加，但资源和负荷分布不匹配的格局仍将存在，长距离超大容量的电力输送将成为一个重大的挑战；随着电网的规模不断扩大，安全稳定性问题更加突出，而可再生能源的间歇性、不稳定性及电源机电特性的重大变化对电网安全稳定性提出更加严峻的挑战；可再生能源的特性及直流负荷的增加，对电力质量的提高带来了新的挑战；进一步提高电网和用电系统的能效将变得日益紧迫。2020/7/104超导电力技术在应对未来电网的重大挑战方面将发挥重大或不可替代的作用清洁能源变革对电网带来的重大挑战长距离超大容量的电力输送超导输电电缆超大规模电网的安全稳定性保障电力质量与供电可靠性保障电力质量与供电可靠性超导限流技术超导储能技术超导变压器超导电机技术多功能集成超导电力技术为未来电网提供解决方案超导输电电缆超导电缆具有显著传输优势※超导体电流密度大：比Cu高两个量级；※传输损耗小，可降低50%以上；※交流阻抗为常规电缆的1/10，直流传输时无阻抗；※传输容量大：是常规电缆的3-5倍；※体积小、无电磁干扰、无火灾隐患；高温超导电缆应用前景广阔利用超导体的零电阻和高载流密度的特性，可以实现比特高压更大的传输容量（例如500kV的高温超导直流电缆可以实现20000-50000MW的输送容量），并可降低50%左右的传输损耗，具有天然的短路电流限制功能，还可以大大地节省传输走廊，因此，是实现大容量输电和打造未来电力传输网的重要技术选择。2020/7/106超导输电电缆发展现状研究开发单位主要技术参数状况美国Southwire公司三相30米，12.5kV/1.25kA2019年投入试验运行美国Pirelli公司三相130米，24kV/2.4kA2000年投入试验运行（二相低温容器损坏）美国IGC公司三相350米，34.5kV/0.8kA2019年完成一期试验2019年完成二期投运美国AMSC/Pirelli公司三相200米，13.2kV/3.0kA2019年投入试验运行美国AMSC/LIPA公司三相600米，138kV/2.4kA2019年投入运行美国Southwire公司（新奥尔良）三相1,760米，13.8kV/2kA2019年3月投入运行丹麦NKT公司三相30米，36kV/2kA2019年投入试验运行荷兰NKT公司（阿姆斯特丹）三相6,000米，50kV/3kA2019年计划实施日本东京电力公司三相100米，66kV/1kA2019年完成试验日本古河电工公司单相500米，77kV/1kA2019年完成试验韩国DAPAS计划三相100米，22.9kV/1.25kA2019年商业交付使用韩国LS电缆公司（首尔）三相500米，22.9kV/1.25kA2019年投入运行中国科学院电工研究所三相75米，10.5kV/1.5kA2019年投入试验运行中国科学院电工研究所（郑州）直流380米，10kA2019年投入工程示范中国云电英纳超导电缆公司三相30米，35kV/2kA2019年投入试验运行2020/7/107美国：TresAmigas超级变电站驱动力：美国现有三大电网（美国东部电网、西部电网、德克萨斯电网）之间基本未实现有效互联；可再生能源利用快速发展；超导体具有零电阻效应和高电流传输密度等不可比拟的巨大优势。如何实现：通过TresAmigas超级变电站实现任何两个电网互联（直流传输）；AC/DC电能变换；超导直流电缆（SuperconductorElectricityPipelines）。关于超级变电站：地点：Clovis,NewMexico；占地：22.5平方英里；超导直流电缆：单根5GW/几英里；模式：三角形互联/2019年投运。○可再生能源市场枢纽○三大电网完全一体化Source:amsc/超导电缆的发展现状■利用超导体的超导态/正常态转变特性抑制短路故障电流；■或采用其它方式进行状态转变抑制短路故障电流。电力系统正常运行时电力系统发生短路时发电厂变压器超导限流器变压器配电网配电网接地故障发电厂变压器超导限流器变压器低阻抗高阻抗超导限流器92020/7/10超导限流器典型研究开发实例研究开发单位主要技术参数状况瑞士ABB公司三相磁屏蔽型，10.5kV/70A2019年完成试验瑞士ABB公司三相电阻型，8kV/800A2019年完成研制美国LM公司三相桥路型，2.4kV/100A2000年试验完毕美国GA公司三相桥路型，15kV/1.2kA2019年完成单相测试美国LANL实验室三相可控桥，15kV/1kA2019年完成测试日本东京电力公司三相电抗器型，66kV/750A2019年完成研制日本Super-ACE计划单相电阻型，6.6kV/100A2019年完成研制美国SuperPower公司三相矩阵型，138kV/1.2kA2019年投入运行美国AMSC公司三相电阻型，115kV/1.2kA2019年投入运行美国ZenergyPower公司三相饱和铁心型，138kV/2-4kA2019年投入运行德国NEXANS公司三相电阻型，10kV/600A2019年完成测试德国西门子公司三相电阻型，7.2kV/100A2000年研制成功韩国DAPAS计划三相电阻型，22.9kV/630A2019年研制成功中国科学院电工研究所三相改进桥路型，10.5kV/1.5kA2019年投入试验运行中国云电英纳超导电缆公司三相饱和铁心型，35kV/1.5kA2019年投入试验运行102020/7/10超导限流器美国SuperPower公司：电阻型SFCL■基于二代超导带材的矩阵式SFCL；■装置容量：138kV/1.2kA；■短路电流：13.8kA（峰值37kA）；■投运时间：2019年。超导变压器的优越性※不存在焦耳热损耗，总体效率高，节能潜力巨大；※体积可减少至常规变压器的40-60%；※不存在火灾隐患和噪音等环境污染；※极限单机容量大，……超导变压器的应用前景※大容量（例如大于30MVA）的超导变压器具有明显的经济性，可以大大地节省空间，降低重量；※是变压器的更新换代产品；※超导变压器特有优势的应用，……研究开发单位主要技术参数状况瑞士ABB公司三相18.7kV/420V，630kVA77K2019年试验运行日本九州大学单相22kV/6.9kV，1MVA77K2019年完成试验日本铁路科学研究所单相25kV/1.2kV，4MVA77K2019年完成研制美国Waukesha公司单相13.8/6.9kV，1MVA25K三相24.9/4.16kV，5/10MVA30K单相138/13.8kV，30MVA70K2000年完成测试2019年完成测试2019年启动德国西门子公司单相25kV/1.4kV，1MVA65K2019年完成测试韩国DAPAS计划单相154kV/22.9kV，60MVA65K三相154kV/22.9kV，100MVA65K2019年完成设计2019年并网运行中国科学院电工研究所三相10.5kV/0.4kV，630kVA77K2019年试验运行中国株洲电力机车厂三相25kV/860V，315kVA77K2019年完成研制超导变压器已经完成的：—最高电压：22.9kV；—最大容量：1MVA；—配电系统和电力机车进行工程示范。正在/计划进展中的：—最高电压：154kV；—最大容量：100MVA；—工程示范。发展趋势：—30MVA及以上；—输电系统应用；—对重量和体积具有严格要求的场合（例如，地下变电站或电力机车等）。ABB630kVADAPAS100MVAWaukesha10MVASIEMENS1MVA超导变压器的现状超导储能技术（SMES）的原理※利用超导体的零电阻特性；※超导体的载流密度比常规铜导线的载流密度大2个数量级；※利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时将电磁能返回电网或其它负载。超导储能技术的优越性※无需能量形式转换，响应速度极快；※功率密度极高，保证系统非常迅速地以大功率形式与电力系统进行能量交换；※……超导储能技术的主要功能※作为新能源领域储能环节的关键技术，如用于平滑风力发电输出；※提高电能和供电质量，例如，消除低频振荡，稳定频率和电压；无功功率控制和功率因数调节；补偿大型电动机启动、焊机、电弧炉、大锤、轧机等波动负载；※通过快速的高功率响应特性和输出功率灵活控制特性，提高电力系统稳定性；超导储能系统142020/7/10超导储能技术目前已有多套低温SMES投入试验运行，小型低温SMES已有商品出售，短期内以低温SMES为主，高温SMES是今后的主导发展方向。研究开发单位主要技术参数状况德国ACCEL400V/4MJ/6MW，低温超导2019年研制成功意大利ENEL1.8kV/4MJ/1.2MW，低温超导2019年并网运行法国EC4.5kV/22MJ/10MW，高温超导2019年开始研制美国超导公司/IGC公司1-10MJ/1-40MW，低温超导销售多套韩国KERI2MJ/1250A，低温超导2019年完成样机日本九州电力公司3.6MJ/1MW，低温超导2019年投入运行日本九洲大学2.5kV/1MJ/500A，高温超导2019年完成测试中国科学院电工研究所10.5kV/1MJ/0.5MVA，高温超导即将并网中国科学院电工研究所380V/100kJ/25kVA，世界首套超导限流－储能功能集成系统2019年完成研制和测试中国清华大学220V/300kJ/150kVA，低温超导2019年完成研制中国华中科技大学250V/35kJ/7kVA，高温超导2019年完成实验152020/7/10超导储能技术—小型SMES已商品化，用户包括美国军方、半导体厂、芯片制造厂等；—6台3MJ/8MVA小型SMES安装在威斯康星州公用电力北方环型输电网；—8台3MJ/8MWD-SMES在田纳西州TVA电管局500kV输电网；—日本、德国、意大利、法国、芬兰、韩国等都有相关需求或应用研究。超导电机（电动机和发电机）超导电机的优越性※体积小，约为常规同等电机1/5-1/10；※重量轻，约为常规同等电机1/5-1/10；※效率高，比常规同等电机高，特别是在PO/PN低时；※简化系统结构，改善系统可靠性。超导电机的应用前景※大容量（例如大于30MVA）的超导电机具有明显的经济性，可以大大地节省空间，降低重量；※是超大型电机的必然选择；※超导电机特有优势的应用，……33,500hp电机实例172020/7/10超导发电机研究开发单位主要技术参数状况日本SuperG-M计划10kV/79MW发电机2000年完成概念设计日本SuperG-M计划19kV/200MW发电机2019年启动概念设计美国超导公司8MW超导同步调相机（订货）2019年投入电网运行美国GE公司100MVA同步发电机2019年开始概念设计美国超导公司2.4kV/5MW电动机2019年完成载荷调试美国超导公司6.6kV/36.5MW电动机2009年2月载荷调试美国超导公司10MW风力发电机2019年投入运行美国Zenergy公司8-10MW风力发电机2019年启动英国Converteam8MW风力发电机N/A德国西门子公司6.6kV/4MW电动机2019年试验运行韩国DAPAS计划3.3kV/1MW电动机2019年完成测试中国712研究所1MW高温超导船舶电机2019年投入运行高温超导电机的潜在应用及未来市场15rpm150rpm1500rpm15,000rpmHTS风力发电机舰船推进电动机标准驱动及发电机高转速驱