石 晶， 張立暉， 徐 穎， 張中平， 蒲東昇， 郭樹強(qiáng)， 任 麗， 唐躍進(jìn)

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

超導(dǎo)電力裝置規(guī)?；瘧?yīng)用中的基礎(chǔ)性理論和技術(shù)課題

石 晶， 張立暉， 徐 穎， 張中平， 蒲東昇， 郭樹強(qiáng)， 任 麗， 唐躍進(jìn)

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)中的有效應(yīng)用可以大幅度提高輸配電線路的輸送容量，改善電能的質(zhì)量，降低電網(wǎng)的損耗，減少電力設(shè)備占地和環(huán)境污染。國內(nèi)外研究單位開展了大量的研究開發(fā)工作，研制出各類超導(dǎo)電力裝置并掛網(wǎng)示范運(yùn)行。本文在現(xiàn)有超導(dǎo)電力裝置研究的基礎(chǔ)上，分析超導(dǎo)裝置引入電力系統(tǒng)后帶來的一系列基礎(chǔ)理論和技術(shù)問題，分別從裝置層面、運(yùn)行層面及系統(tǒng)層面具體分析并概要性地總結(jié)研究思路，以解決超導(dǎo)裝置與電力系統(tǒng)的相互配合問題，促進(jìn)超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)中的工程化應(yīng)用的進(jìn)程。

超導(dǎo)電力裝置； 超導(dǎo)電力裝置與系統(tǒng)的互相作用； 電力系統(tǒng)安全可靠性； 電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

1 引言

在未來的電力系統(tǒng)中，超導(dǎo)技術(shù)被賦予了重大的期望，受到國內(nèi)外研究單位及電力工業(yè)部門的廣泛關(guān)注。我國的國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司相繼成立了超導(dǎo)電力技術(shù)的研究部門，中船重工、上海電纜研究所、東方電機(jī)、西電集團(tuán)等設(shè)備制造廠家也先后啟動(dòng)了超導(dǎo)電力裝置(以下簡稱超導(dǎo)裝置)的研究開發(fā)工作。目前，超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)等超導(dǎo)裝置已相繼研制成功，并掛網(wǎng)進(jìn)行了示范運(yùn)行[1-5]。

雖然超導(dǎo)裝置相較于常規(guī)裝置具有體積小、重量輕、損耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是目前超導(dǎo)電力技術(shù)仍未獲得推廣應(yīng)用，其主要原因在于：①成本，超導(dǎo)裝置的成本往往遠(yuǎn)大于同類常規(guī)裝置；②可靠性，超導(dǎo)裝置中超導(dǎo)部件以及低溫系統(tǒng)的可靠性尚不能給予人們足夠的信心；③運(yùn)行與維護(hù)，人們對超導(dǎo)裝置對電力系統(tǒng)性能的影響的研究尚不透徹，對超導(dǎo)裝置的運(yùn)行維護(hù)及其壽命也心存疑慮，如超導(dǎo)限流器與繼電保護(hù)的協(xié)調(diào)動(dòng)作、低溫系統(tǒng)部件的維護(hù)與壽命。由此可見，為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，還需要解決若干與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)聯(lián)的技術(shù)性問題。本文將分別從超導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行、超導(dǎo)裝置對電力系統(tǒng)的影響三個(gè)層面，對含超導(dǎo)裝置電力系統(tǒng)中具有普遍性的理論與技術(shù)問題進(jìn)行梳理，期望能對促進(jìn)超導(dǎo)電力技術(shù)的工程化應(yīng)用有所增益。

2 超導(dǎo)裝置研制中的課題

2.1超導(dǎo)導(dǎo)線內(nèi)磁通運(yùn)動(dòng)與大電流導(dǎo)體

在超導(dǎo)電力應(yīng)用中，超導(dǎo)體的磁通釘扎力是超導(dǎo)導(dǎo)線在穩(wěn)定直流下無損耗、在交流下低損耗的根本保證，體現(xiàn)在超導(dǎo)導(dǎo)線的技術(shù)參數(shù)上就是臨界電流、臨界磁場以及交流損耗。目前的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線臨界電流與磁場的大小及方向的關(guān)聯(lián)性均太強(qiáng)，雖然高溫超導(dǎo)體自身的各向異性結(jié)構(gòu)是天然的不足，但目前對超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行環(huán)境下導(dǎo)線內(nèi)部的磁通運(yùn)動(dòng)與其溫度、磁場之間的關(guān)系還需要更深入的研究，以獲得性能更高的電力裝置用的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，包括開發(fā)新類別超導(dǎo)體的導(dǎo)線。

滿足電力系統(tǒng)應(yīng)用需求的超導(dǎo)裝置一般需要通流容量大、電磁換位容易的超導(dǎo)導(dǎo)體，目前的高溫超導(dǎo)帶材還難以滿足這類要求。超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能及超導(dǎo)限流器等所需要的大容量超導(dǎo)線圈中單純地利用多根導(dǎo)體并聯(lián)或簡單的導(dǎo)線換位，很容易在并聯(lián)支路之間出現(xiàn)環(huán)流問題，降低超導(dǎo)導(dǎo)線的利用率。因此，需從磁通釘扎、導(dǎo)線制作工藝入手提高導(dǎo)線的性能，研發(fā)適合電磁換位的超導(dǎo)帶材，同時(shí)以優(yōu)化電磁性能為目標(biāo)開發(fā)大電流導(dǎo)體。

2.2超導(dǎo)裝置的熱穩(wěn)定性

超導(dǎo)裝置在電網(wǎng)中運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)承受電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程所導(dǎo)致的電流、電壓的變化，從而使超導(dǎo)部件經(jīng)歷動(dòng)態(tài)過程，其電磁穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性都會(huì)面臨挑戰(zhàn)。

不同的超導(dǎo)裝置，因其目標(biāo)功能不同，在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行環(huán)境也不同，所承受的動(dòng)態(tài)過程也有差異。超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜所承受的動(dòng)態(tài)過程一般需具備短時(shí)過負(fù)荷能力，以及承受在保護(hù)(迅速限流或切除故障)下的暫態(tài)過電流。有的研究工作提出使超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電纜兼有限制故障電流功能[6]，這同時(shí)會(huì)提高這些超導(dǎo)裝置對熱穩(wěn)定性的要求。超導(dǎo)限流器，特別是利用超導(dǎo)體失超電阻的電阻型限流器，其熱穩(wěn)定性更為重要，要防止失超不均勻使得超導(dǎo)部件毀損[7]。

圖1為儲(chǔ)能磁體內(nèi)的電流變化示意圖。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能備用狀態(tài)下磁體電流恒定，不產(chǎn)生損耗也不會(huì)有溫度變化。然而，如圖1所示，一旦儲(chǔ)能系統(tǒng)接到功率補(bǔ)償指令需要吸收或者釋放功率時(shí)，磁體電流是動(dòng)態(tài)變化的，這時(shí)就會(huì)在超導(dǎo)磁體內(nèi)部產(chǎn)生交流損耗，磁體溫度上升，臨界電流下降，這將影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率補(bǔ)償能力。

圖1 儲(chǔ)能磁體內(nèi)的電流變化示意圖Fig.1 Diagram of current variation in energy storage magnet

為保證超導(dǎo)裝置的熱穩(wěn)定性，需要從分析超導(dǎo)導(dǎo)體內(nèi)部的磁通運(yùn)動(dòng)出發(fā)，研究不同動(dòng)態(tài)條件下導(dǎo)體的臨界電流變化、交流損耗變化、失超以及失超傳播特性；在超導(dǎo)部件及其冷卻系統(tǒng)方面，應(yīng)研究不同介質(zhì)的熱傳遞基礎(chǔ)物理數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的電磁、熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，分析電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)和暫態(tài)過程中超導(dǎo)部件內(nèi)部的傳熱特性及其演變機(jī)理與規(guī)律，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)部件的熱穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3超導(dǎo)裝置的動(dòng)態(tài)電壓分布特性

超導(dǎo)裝置在系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能會(huì)承受各種過電壓，包括因電流突變誘發(fā)的感應(yīng)過電壓、操作產(chǎn)生的過電壓乃至雷電過電壓，對于使用PWM控制變流器的裝置，如超導(dǎo)磁儲(chǔ)能，其超導(dǎo)磁體還會(huì)承受方波電壓在磁體分布參數(shù)電路中的折反射導(dǎo)致的過電壓。

從外部傳遞過來的過電壓作用于超導(dǎo)繞組時(shí)，會(huì)因?yàn)槔@組的分布參數(shù)產(chǎn)生電壓的不均勻分布，這與常規(guī)變壓器繞組在雷電沖擊下的電壓分布不勻機(jī)理相同。但是，超導(dǎo)繞組所處的低溫環(huán)境及擁有的極低電阻特性，使得其分布參數(shù)以及波過程的衰減特性都不同于常規(guī)繞組。

因此，應(yīng)研究并建立超導(dǎo)部件在不同絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)下的暫態(tài)電磁模型，分析各類動(dòng)態(tài)過電壓下超導(dǎo)部件的電壓分布特性。

2.4低溫絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣是關(guān)系到電力設(shè)備安全性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。超導(dǎo)裝置需要從極低溫至外部環(huán)境溫度的整個(gè)溫區(qū)內(nèi)的絕緣安全。絕緣安全與絕緣材料的性能、絕緣結(jié)構(gòu)以及承受的過電壓形態(tài)相關(guān)。雖然國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)在低溫絕緣技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了相關(guān)研究[8-10]，但其仍然是值得關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)課題。

(1)絕緣材料

常用的低溫固體絕緣材料主要有聚酰亞胺(PI)、聚四氯乙烯、環(huán)氧樹脂等材料。PI膜具有穩(wěn)定的物化、電學(xué)及力學(xué)性質(zhì)，被應(yīng)用于低溫超導(dǎo)磁體的層間、匝間以及對地絕緣。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所提出了改良PI膜介電性能的方法[11]，還有許多學(xué)者研究了改進(jìn)環(huán)氧聚醚的超低溫韌性、沖擊強(qiáng)度以及彎曲、壓縮和拉伸性能的方法[12]。

在液體和氣體絕緣特性方面，對液氦、液氮的研究較為充分，但在受熱狀態(tài)下的液、氣混合狀態(tài)、不同溫度下的蒸發(fā)氣體的絕緣性能數(shù)據(jù)仍然較少。

為滿足跨越低溫到室溫的絕緣需求，應(yīng)加強(qiáng)不同絕緣材料在不同溫度下的絕緣性能、機(jī)械性能研究并建立數(shù)據(jù)庫。絕緣性能應(yīng)包括不同溫度下的介電參數(shù)、耐壓水平、電荷積聚性能和局部放電特性、絕緣材料的壽命特性。另外，為了適應(yīng)超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，也需要將絕緣性能研究拓展到更高液化溫度的單質(zhì)氣體、混合氣體。

(2)絕緣結(jié)構(gòu)

絕緣結(jié)構(gòu)問題包括超導(dǎo)部件局部的絕緣形式和超導(dǎo)部件的整體絕緣結(jié)構(gòu)。局部絕緣形式有單一介質(zhì)絕緣和復(fù)合絕緣兩種。復(fù)合絕緣較為復(fù)雜，在交流損耗或失超狀態(tài)下，可能有液體、氣體、多重固體絕緣的絕緣復(fù)合形態(tài)。目前，對這類絕緣結(jié)構(gòu)的局部放電、耐壓特性的研究還很少。整體絕緣結(jié)構(gòu)涉及到跨溫區(qū)、機(jī)械性能、分布參數(shù)的考量等諸多因素。

(3)可能承受的電壓

電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)與它可能承受的電壓密切相關(guān)，可以通過改善外部環(huán)境降低對絕緣水平的要求。這里以超導(dǎo)磁儲(chǔ)能為例簡要說明。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)一般采用PWM的變流器與電力系統(tǒng)相連接，在與交流電網(wǎng)進(jìn)行功率交換時(shí)，高頻PWM脈沖電壓會(huì)在超導(dǎo)磁體上產(chǎn)生尖峰過電壓[13]。有多種技術(shù)手段可以降低這種尖峰電壓，如改善超導(dǎo)磁體的分布參數(shù)，設(shè)置高頻濾波器，甚至設(shè)計(jì)新型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探索從源頭上消除超導(dǎo)磁體上的高頻PWM脈沖電壓。

2.5多物理場耦合設(shè)計(jì)及場路耦合設(shè)計(jì)

2.1節(jié)～2.4節(jié)的4項(xiàng)基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)課題表明，超導(dǎo)導(dǎo)線的通流能力與磁場的大小、方向相關(guān)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮電流、磁場、溫度、應(yīng)力的相互關(guān)聯(lián)特性；絕緣設(shè)計(jì)需要考慮電場強(qiáng)度及其分布；動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定性、電壓分布特性需要與傳熱、電力系統(tǒng)分析相結(jié)合。因此，超導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)離不開多物理場的耦合分析，而進(jìn)一步的發(fā)展方向則是場路耦合分析與設(shè)計(jì)，甚至可以考慮一個(gè)小目標(biāo)——超導(dǎo)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中的虛擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的場路耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素如圖2所示[14]?；趫雎否詈贤瑫r(shí)結(jié)合多物理場共同影響的優(yōu)化方法考慮較為全面，對于提高超導(dǎo)裝置的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性具有重要作用。

圖2 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能磁體場路耦合設(shè)計(jì)的主要影響因素Fig.2 Main influence factors of field circuit coupling design for SMES

由圖2可知，超導(dǎo)磁體上分布的磁場大小和方向都是不均勻的，考慮到超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界電流和磁場的關(guān)系，超導(dǎo)磁體或線圈的電磁設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)相當(dāng)精細(xì)的局域計(jì)算。雖然電路的分析可用等效電路的方式簡化電力系統(tǒng)模型，但由于涉及的部件、影響因素眾多，在大型超導(dǎo)裝置上實(shí)現(xiàn)多場耦合設(shè)計(jì)、場路耦合設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大型的系統(tǒng)性任務(wù)，需要龐大的基礎(chǔ)性物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫、不同對象的數(shù)學(xué)模型、面對大數(shù)據(jù)分析的快速計(jì)算方法以及穩(wěn)定收斂的多目標(biāo)優(yōu)化方法。目前還沒有商業(yè)化軟件能真正實(shí)現(xiàn)場路耦合分析與設(shè)計(jì)。

3 含超導(dǎo)裝置的電力系統(tǒng)運(yùn)行問題

3.1安全可靠性

現(xiàn)代社會(huì)對電力供應(yīng)的可靠性要求越來越高，對電力設(shè)備的安全性能、運(yùn)行維護(hù)手段提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。目前，雖然研究者們在研發(fā)不同超導(dǎo)裝置過程中進(jìn)行了多種性能檢測試驗(yàn)，但均未能形成標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)程。為提高超導(dǎo)裝置的安全性及長期運(yùn)行可靠性，需對裝置的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)規(guī)程、運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測與評估方法等開展相關(guān)研究工作[15]。

(1)入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)規(guī)程

超導(dǎo)裝置入網(wǎng)前必須系統(tǒng)地檢測其技術(shù)性能，這就要求建立一套完整的、標(biāo)準(zhǔn)化的試驗(yàn)程序及試驗(yàn)方法驗(yàn)證其已達(dá)到入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這類標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范應(yīng)包括針對不同超導(dǎo)裝置、不同應(yīng)用場景和目標(biāo)的試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)次序、試驗(yàn)方法、合格指標(biāo)。

(2)試驗(yàn)方法與參數(shù)指標(biāo)

超導(dǎo)裝置的部分基本性能試驗(yàn)可以復(fù)制或參考常規(guī)電力裝置的檢測方法，與超導(dǎo)特性相關(guān)聯(lián)、需要研究的試驗(yàn)方法及其參數(shù)指標(biāo)主要有以下三類：①特殊功能的性能指標(biāo)，例如低溫系統(tǒng)的冷卻效率、限流器的限流能力、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償能力、失超保護(hù)的動(dòng)作性能(在裝置上直接實(shí)施這項(xiàng)試驗(yàn)存在風(fēng)險(xiǎn))；②通流能力的裕度；③承受暫態(tài)或動(dòng)態(tài)過負(fù)荷時(shí)的熱穩(wěn)定裕度。

(3)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)評估

電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與評估對于提高設(shè)備的運(yùn)行安全、降低維護(hù)費(fèi)用具有重要意義，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分。超導(dǎo)裝置的狀態(tài)監(jiān)測首先要實(shí)現(xiàn)的功能是預(yù)警和啟動(dòng)失超保護(hù)，其技術(shù)要求遠(yuǎn)高于常規(guī)電力設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測，需研究快速、準(zhǔn)確、可靠的信號處理、模式識別及智能分析等技術(shù)手段?？煽康臓顟B(tài)評估結(jié)論也可用來控制超導(dǎo)裝置的運(yùn)行，設(shè)置某些可在線調(diào)節(jié)的功能閾值以確保安全。

3.2優(yōu)化配置

超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)中的優(yōu)化配置，既能確保超導(dǎo)裝置功能的有效發(fā)揮，也能提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。不同裝置有不同的功能，可類比無功補(bǔ)償中的靈敏度分析，研究不同功能在電網(wǎng)絡(luò)中的靈敏節(jié)點(diǎn)和支路的分析理論，實(shí)現(xiàn)含預(yù)測電力需求增長的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和超導(dǎo)裝置的優(yōu)化配置方法。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是一種新型的電力裝置，它具備儲(chǔ)能能力，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)、有功功率和無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)榷喾N應(yīng)用目標(biāo)。對超導(dǎo)磁儲(chǔ)能而言，優(yōu)化配置除了上述尋求靈敏配置點(diǎn)之外，分布式的分散配置是有效解決大型儲(chǔ)能磁體制作困難、降低設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)的一種技術(shù)手段。

3.3運(yùn)行控制

隨著社會(huì)對電力安全和供電可靠性要求的提高、電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用、間歇性波動(dòng)性新能源的接入、智能電網(wǎng)的發(fā)展，控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的重要性正在持續(xù)增強(qiáng)。而超導(dǎo)裝置的應(yīng)用，將為電力系統(tǒng)中的運(yùn)行控制增添新的內(nèi)容，需要研究多目標(biāo)控制、協(xié)調(diào)控制、基于狀態(tài)評估的安全運(yùn)行控制等控制策略和方法。

(1)對同一控制目標(biāo)的多臺(tái)裝置協(xié)調(diào)控制

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)可調(diào)電抗器這類需快速響應(yīng)電力系統(tǒng)狀態(tài)變化的裝置，需要與已有的穩(wěn)定性控制、FACTS裝置、保護(hù)裝置等協(xié)調(diào)動(dòng)作。這一方面能提高對目標(biāo)參數(shù)的調(diào)控效果，另一方面也能減小超導(dǎo)裝置的容量要求。例如，將具有快速響應(yīng)能力且充放電循環(huán)壽命長的超導(dǎo)磁儲(chǔ)能與成本低但響應(yīng)速度慢的電池儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行，使超導(dǎo)磁儲(chǔ)能負(fù)責(zé)高頻、暫態(tài)的峰值功率補(bǔ)償，而電池負(fù)責(zé)低頻、持續(xù)時(shí)間長的功率補(bǔ)償，則既可以延長電池的使用壽命，又能有效降低高成本超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的儲(chǔ)能容量要求。

因多種技術(shù)因素的制約，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能難以實(shí)現(xiàn)單機(jī)超大容量?？梢酝ㄟ^儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊化、分散應(yīng)用的概念實(shí)現(xiàn)大容量儲(chǔ)能，即在某一應(yīng)用地點(diǎn)采用多臺(tái)超導(dǎo)裝置共同運(yùn)行或在區(qū)域電網(wǎng)中的不同位置布置多臺(tái)裝置，這時(shí)則需要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)超導(dǎo)裝置之間的協(xié)調(diào)控制[16,17]。

(2)基于狀態(tài)評估的安全運(yùn)行控制

超導(dǎo)體的通流能力與溫度相關(guān)，也有研究表明超導(dǎo)線圈承載的電流不同時(shí)其磁場分布以及電感參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。因此，超導(dǎo)裝置的輸出能力與多個(gè)狀態(tài)參數(shù)相關(guān)。以超導(dǎo)磁儲(chǔ)能為例，不同電流值有不同的儲(chǔ)能容量，其在不同時(shí)刻能吸收或輸出的能量及功率也不同。因此，需根據(jù)儲(chǔ)能磁體當(dāng)前的儲(chǔ)能狀態(tài)及溫度等因素，確定其在此時(shí)能輸出的最大容量和功率，即實(shí)施基于狀態(tài)評估的控制[18]。

3.4經(jīng)濟(jì)性分析

與常規(guī)電力裝置相比較，超導(dǎo)裝置的高成本是制約其規(guī)模化應(yīng)用的重要因素之一。但是，超導(dǎo)裝置的應(yīng)用可帶來一系列的附加效益，諸如降低電壓等級，節(jié)省用地面積，提高電網(wǎng)的安全性，改善供電品質(zhì)等。以超導(dǎo)電纜為例，有研究表明在大城市中，即使采用低溫超導(dǎo)電纜，也可因降低電壓等級、簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而獲得經(jīng)濟(jì)效益[19]。在具有高密度用電需求但送電走廊昂貴的大城市，超導(dǎo)電纜甚至將成為必要的選擇。因此，應(yīng)研究新的電力裝置的經(jīng)濟(jì)性評估概念和方法，綜合評價(jià)電力系統(tǒng)中應(yīng)用超導(dǎo)裝置的經(jīng)濟(jì)性。

4 超導(dǎo)裝置的引入對電力系統(tǒng)的影響

4.1系統(tǒng)阻尼特性

超導(dǎo)裝置在穩(wěn)定直流下具有零電阻，在交流下雖會(huì)產(chǎn)生交流損耗，但其阻抗遠(yuǎn)低于常規(guī)導(dǎo)體的電阻值。當(dāng)大規(guī)模引入超導(dǎo)裝置特別是出現(xiàn)發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路一體超導(dǎo)化時(shí)，有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)阻尼特性的變化，不利于抑制系統(tǒng)中的功率振蕩。雖然出現(xiàn)這種情形還需要較長的時(shí)間，但應(yīng)從控制穩(wěn)定性理論出發(fā)，研究低阻尼系統(tǒng)的穩(wěn)定控制問題，探索改善系統(tǒng)阻尼特性的方法[20]。實(shí)際上，研究系統(tǒng)阻尼特性以及抑制振蕩的理論和方法，也有助于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效利用。

4.2電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)裝置一般具有容量和容量密度大的特點(diǎn)，而且在正常運(yùn)行狀態(tài)阻抗很小。與常規(guī)的電力設(shè)備相比較，對于相同容量和相同的輸電通道，超導(dǎo)裝置可以用更低的電壓輸送電力；而對于相同的電壓，超導(dǎo)裝置可以輸送更大容量的電力。因此，在高密度供電的城市電網(wǎng)，使用超導(dǎo)裝置可以通過降低電壓等級減少下游大量電力設(shè)備的成本，也可以通過增加輸送容量簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

超導(dǎo)電纜近期的應(yīng)用場合之一是供電密度高的城市電網(wǎng)，應(yīng)結(jié)合3.4節(jié)的經(jīng)濟(jì)性分析，研究網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的優(yōu)化方法，以獲取更大的效益，促進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4.3與系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)配合

在電力系統(tǒng)中引入超導(dǎo)裝置可能因?yàn)樗鼈兲赜械淖杩固匦院褪С匦?，對電力系統(tǒng)現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生影響。因此，必須研究以下幾方面的課題：①系統(tǒng)原有保護(hù)裝置的運(yùn)行特性研究；②超導(dǎo)裝置在系統(tǒng)電流、電壓波動(dòng)及故障過程中的阻抗變化特性分析；③引入超導(dǎo)裝置后系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備運(yùn)行特性分析；④協(xié)調(diào)運(yùn)行特性設(shè)計(jì)；⑤含超導(dǎo)裝置的電力系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序修改及完善。

以超導(dǎo)限流器為例，其基本原理是在電力系統(tǒng)故障過程中，增加了系統(tǒng)阻抗的電阻分量或電抗分量以限制短路電流，由于不同類型限流器所呈現(xiàn)的不同阻抗特性，其引入的電阻/電感分量都可能導(dǎo)致原本特性圓內(nèi)的測量阻抗向量延伸至圓外，從而使得距離保護(hù)拒動(dòng)。

在分析超導(dǎo)裝置與系統(tǒng)相互作用的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)所引入超導(dǎo)裝置的詳細(xì)運(yùn)行特性，重新對繼電保護(hù)參數(shù)進(jìn)行整定，確立新的繼電保護(hù)方案[21,22]。

5 結(jié)論

本文從超導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)行、超導(dǎo)裝置對電力系統(tǒng)的影響三個(gè)層面，分析了超導(dǎo)電力裝置規(guī)?；瘧?yīng)用中的基礎(chǔ)性理論和技術(shù)課題，并針對不同層面的問題提出具體的研究思路，促進(jìn)超導(dǎo)裝置在電力系統(tǒng)中的工程化應(yīng)用的進(jìn)程。相關(guān)工作需要科研單位、設(shè)備制造企業(yè)、電力企業(yè)等相關(guān)部門的共同努力才能推進(jìn)超導(dǎo)裝置的工程化應(yīng)用。

此外，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性及需求，探索超導(dǎo)裝置新的應(yīng)用模式，進(jìn)一步開發(fā)新型超導(dǎo)裝置，如超導(dǎo)直流限流器、新型超導(dǎo)電抗器等，拓展超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。

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Fundamentaltheoreticalandtechnicaltopicsforlargescaleapplicationofsuperconductingdevicesinpowersystems

SHI Jing, ZHANG Li-hui, XU Ying, ZHANG Zhong-ping, PU Dong-sheng,GUO Shu-qiang, REN Li, TANG Yue-jin

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The application of superconducting devices in power system can greatly increase the capacity of transmission lines, improve the power quality, reduce the power loss, and decrease the power equipment occupation area as well as the environmental pollution. Many research institutes in China and abroad have done much related research. Different kinds of superconducting power devices have been developed and connected to grid for demonstration operation. Based on the research achievements of superconducting power devices, this paper mainly focuses on a series of fundamental theoretical and technical topics about the introducing of superconducting devices in power system. To achieve the coordination between superconducting devices and power system, the research approaches are analyzed and summarized from device aspect, operation aspect and system aspect, and the results will be used to promote the engineering application of superconducting devices in power system.

superconducting power device; interaction between superconducting devices and power system; security and reliability of power system; economic operation of power system

10.12067/ATEEE1707033

1003-3076(2017)10-0063-06

TM26

2017-07-10

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)類項(xiàng)目(2016CFA075)

石 晶(1980-), 女, 湖北籍, 副教授, 博士, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力裝置的研發(fā)與應(yīng)用；張立暉(1992-), 男, 浙江籍, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)電力裝置的系統(tǒng)應(yīng)用。