超導(dǎo)技術(shù)在未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域與作用

摘要 大力發(fā)展可再生能源并實(shí)現(xiàn)清潔能源變革，是當(dāng)今能源領(lǐng)域的大趨勢(shì)。隨著可再生能源越來(lái)越多地接入電網(wǎng)，將對(duì)直流輸電和大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出愈加迫切的需求。在此背景下，超導(dǎo)直流輸電技術(shù)、超導(dǎo)直流限流器以及基于超導(dǎo)電性的電力儲(chǔ)能技術(shù)等具有潛在的應(yīng)用前景。文章較為系統(tǒng)地介紹上述直流超導(dǎo)電力裝置的原理、優(yōu)勢(shì)以及近些年國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展等。

1 引 言

化石能源資源有限，且在利用過(guò)程中產(chǎn)生大量污染物和排放溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成重大影響，因而是不可持續(xù)的能源。為此，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到必須大力發(fā)展可再生能源，不斷提高可再生能源的比重，并逐步實(shí)現(xiàn)可再生能源對(duì)化石能源的替代。

由于可再生能源受天氣影響大且具有間歇性、波動(dòng)性、分散性、地理上不可平移性等特點(diǎn)，把大量的可再生能源接入電網(wǎng)，將給未來(lái)電網(wǎng)帶來(lái)一系列重大挑戰(zhàn)［1］。一方面，需要進(jìn)一步發(fā)展跨區(qū)大電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的各種可再生能源資源的時(shí)空互補(bǔ)利用。這對(duì)遠(yuǎn)距離大規(guī)?？稍偕茉吹碾娏斔吞岢隽酥匾魬?zhàn)，大力發(fā)展柔性直流輸電正是應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)的有效途徑之一［2—5］。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，短路電流的快速限制和開(kāi)斷是重要的技術(shù)難題。另一方面，隨著大量波動(dòng)性電源的接入，規(guī)?；碾娏?chǔ)能技術(shù)將成為迫切需求。

超導(dǎo)體具有零電阻、高密度載流能力和完全抗磁性等奇特的電磁特性，在電力輸送和儲(chǔ)能方面的應(yīng)用中，可望為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)提供潛在的技術(shù)支撐。本文將著重介紹超導(dǎo)直流輸電和基于超導(dǎo)電性的電力儲(chǔ)能技術(shù)的原理和研究進(jìn)展。

2 超導(dǎo)能源管道

超導(dǎo)直流輸電是利用超導(dǎo)體的零電阻和高密度載流能力發(fā)展起來(lái)的新型輸電技術(shù)，通常需要采用液態(tài)介質(zhì)冷卻以維持電纜導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)，但介質(zhì)循環(huán)冷卻系統(tǒng)給超導(dǎo)直流輸電增加了運(yùn)維成本?；诳稍偕茉粗苽涞囊簯B(tài)清潔燃料（如液氫、液化天然氣（LNG）等），其輸送也需要專用保溫絕熱管道和低溫制冷系統(tǒng)。因此，將超導(dǎo)直流輸電與低溫液體燃料輸送管道相結(jié)合，兩者共用制冷系統(tǒng)和傳輸絕熱管道，在液體燃料輸送的同時(shí)冷卻超導(dǎo)電纜，進(jìn)而形成一體化輸送的“超導(dǎo)能源管道”，可望成為未來(lái)能源輸送的技術(shù)選擇之一。

液化天然氣的沸點(diǎn)為 110 K，液氫的沸點(diǎn)為 21 K，目前已有的高溫超導(dǎo)材料BSCCO的臨界溫度達(dá)到了 110 K，而TlBaCuO（Tc~125 K）和HgBaCuO（Tc～150 K）的臨界溫度已超過(guò)了液化天然氣的沸點(diǎn)溫度。因此，從已有超導(dǎo)體的臨界溫度來(lái)看，目前已具備研制超導(dǎo)能源管道的基本條件。發(fā)展超導(dǎo)能源管道也成為超導(dǎo)直流輸電技術(shù)的重要方向，為未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了新的思路。

自從上世紀(jì)末首次提出“氫電混輸超導(dǎo)能源管道”概念后［6］，美、日、俄、歐等國(guó)家和地區(qū)相繼開(kāi)展了輸氫/輸電能源管道的探索和研究工作［7—10］。中國(guó)科學(xué)院電工研究所與中國(guó)電力科學(xué)院等單位合作，開(kāi)展了超導(dǎo)直流能源管道的概念設(shè)計(jì)研究［11—13］，主要包括液氫溫區(qū)超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)方法、低溫制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及沿程溫度分布等。在此基礎(chǔ)上，完成了 1 km、10 kV/2 kA 氫電混輸超導(dǎo)直流能源管道的技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并采用MgB2帶材研制了 6 m 長(zhǎng)、10 kV/2 kA 的超導(dǎo)直流電纜樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了18 kV直流耐壓試驗(yàn)和直流穩(wěn)態(tài)載流測(cè)試，為氫電混輸超導(dǎo)能源管道的研制和安全性評(píng)估奠定了基礎(chǔ)，樣機(jī)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 氫電混輸超導(dǎo)直流能源管道測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

考慮到液化天然氣（LNG）管道輸送的現(xiàn)實(shí)性，肖立業(yè)等提出了電力/LNG混輸?shù)某瑢?dǎo)能源管道設(shè)想［14］，并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)電力科學(xué)院等單位合作，開(kāi)展LNG超導(dǎo)直流能源管道的系列研究工作，完成了不同工況下能源管道的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析、超導(dǎo)直流能源管道的故障演化及安全防御策略研究，并提出了低溫燃料冷卻、絕緣介質(zhì)保護(hù)的直流能源管道原理結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該能源管道采用超導(dǎo)電纜在內(nèi)、LNG在外的嵌套結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電力和LNG共輸。

圖2 直流能源管道原理驗(yàn)證樣機(jī)結(jié)構(gòu)

2019年7月，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研制出 10 m 長(zhǎng)、10 kV/1 kA 超導(dǎo)直流能源管道樣機(jī)，并通過(guò)了多種測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。該樣機(jī)在 100 K 溫度下的臨界電流為 885 A，在90 K時(shí)的額定電流高于 1 kA，液體燃料輸送的速率超過(guò) 15 L/min，并在92—100 K 溫度下通過(guò)了 18.5 kV、2 小時(shí)直流耐壓試驗(yàn)［14］。

通過(guò) 10 m 長(zhǎng) 10 kV/1 kA 超導(dǎo)直流能源管道樣機(jī)的研制和性能測(cè)試，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)了超導(dǎo)直流能源管道的結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案，目前正在開(kāi)展 30 m 長(zhǎng)、±100 kV/1 kA 超導(dǎo)直流能源管道的研制，預(yù)計(jì)2021年完成系統(tǒng)集成和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行［15］。

圖3 10 m 長(zhǎng) 10 kV/1 kA 超導(dǎo)直流能源管道測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3 超導(dǎo)直流限流器

柔性直流輸電技術(shù)在可再生能源并網(wǎng)和電力輸送中的應(yīng)用日益增加，基于這項(xiàng)技術(shù)的多端直流輸電和直流電網(wǎng)將成為重要的發(fā)展方向。其中，直流系統(tǒng)短路電流的快速開(kāi)斷問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)是一個(gè)難題。進(jìn)一步提高直流斷路器的開(kāi)斷容量的難度和代價(jià)較大；串聯(lián)電抗器雖可限制短路電流的上升速度，但對(duì)控制的靈活性造成不利影響且損耗大。為此，肖立業(yè)等提出發(fā)展高壓超導(dǎo)直流限流器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并發(fā)表了概念設(shè)計(jì)方案［16］。

超導(dǎo)直流限流器利用超導(dǎo)體特有的零電阻和超導(dǎo)態(tài)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，由大量無(wú)感繞組串并聯(lián)組成，可以等效為一個(gè)串接在電網(wǎng)中、浸泡在液氮內(nèi)的可變電阻。當(dāng)線路處于正常狀態(tài)時(shí)，無(wú)感繞組處于超導(dǎo)態(tài)，電流可以無(wú)阻通過(guò)超導(dǎo)限流器；當(dāng)短路故障發(fā)生后，短路電流瞬間超過(guò)無(wú)感繞組臨界電流而失超，超導(dǎo)限流器很快呈現(xiàn)出一個(gè)合適的電阻，并有效地限制短路電流的大小和上升速度。

圖4 高溫超導(dǎo)無(wú)感繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖及接線示意圖

隨著可再生能源和直流電網(wǎng)的發(fā)展，超導(dǎo)直流限流器已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越廣泛的關(guān)注［17—19］。2019年12月，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制成功 40 kV/2 kA 超導(dǎo)直流限流器樣機(jī)。該樣機(jī)采用12組螺線管繞組，每組內(nèi)外同芯嵌套、電流反向，組間上下交叉串的無(wú)感組合結(jié)構(gòu)；其內(nèi)部接線示意圖如圖4所示。

圖5 （左）高溫超導(dǎo)限流單元；（右） 40 kV/2 kA 超導(dǎo)直流限流器考核現(xiàn)場(chǎng)

樣機(jī)在 65 K 下通過(guò)了額定 2 kA 的長(zhǎng)時(shí)間載流考核、直流 74 kV 下持續(xù)2小時(shí)以及疊加 100 kV雷電沖擊等系列耐壓性能考核，高溫超導(dǎo)限流單元及系統(tǒng)考核現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。隨后進(jìn)行了故障限流、失超恢復(fù)等性能試驗(yàn)，典型測(cè)試結(jié)果如圖6所示，樣機(jī)在 9 kA、10 ms 沖擊下的失超恢復(fù)時(shí)間小于 300 ms，最大耐受電流超過(guò)10.5 kA，最大限流電阻超過(guò) 2.5 Ω［20］。

圖6 不同電壓下限流器沖擊電流測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)證明，本團(tuán)隊(duì)研制的超導(dǎo)直流限流器樣機(jī)具備快速限流和快速恢復(fù)能力。因此，以該超導(dǎo)直流限流器為模塊，采用串并聯(lián)方式可以合理組合成各種更高電壓等級(jí)和更大容量的超導(dǎo)直流限流器，從而為解決高壓直流短路電流限制和開(kāi)斷問(wèn)題提供一種新的技術(shù)途徑。

4 基于超導(dǎo)電性的電力儲(chǔ)能技術(shù)

4.1 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行能量的儲(chǔ)存，需要時(shí)可將電磁能返回給電網(wǎng)或其他負(fù)載。SMES具有響應(yīng)速度快、響應(yīng)功率高等優(yōu)點(diǎn)，用于電網(wǎng)中可以改善電壓穩(wěn)定性、電能品質(zhì)，并提高功率因數(shù)。

近10多年來(lái)，隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展和高溫超導(dǎo)帶材商業(yè)化產(chǎn)品的出現(xiàn)，韓國(guó)、日本、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院電工研究所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等均開(kāi)展了高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，取得了良好的示范或試驗(yàn)效果。中國(guó)科學(xué)院電工研究所研發(fā)成功的 1 MJ/0.5 MVA 高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)，于2011年在 10 kV 超導(dǎo)變電站并網(wǎng)示范運(yùn)行［21］，這是國(guó)際首臺(tái)并入實(shí)際電網(wǎng)示范運(yùn)行的高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖7 超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)采用的混合型高溫超導(dǎo)線圈（右）及內(nèi)部自繞組接線圖（左）

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超導(dǎo)儲(chǔ)能和超導(dǎo)限流器的特點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院電工研究所與西電集團(tuán)公司合作，聯(lián)合研發(fā)成功 1 MJ / 0.5 MVA 高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)，在一套裝置上實(shí)現(xiàn)了兩種功能。其中，高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈的電感 13.3 H，額定儲(chǔ)能量 1 MJ，線圈照片及內(nèi)部接線如圖7所示［22］。該裝置利用超導(dǎo)線圈大電感的特性，同時(shí)將超導(dǎo)線圈作為儲(chǔ)能和限流的環(huán)節(jié)。在正常狀態(tài)下，利用超導(dǎo)線圈的儲(chǔ)能特性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出波動(dòng)的有功功率進(jìn)行補(bǔ)償；而在故障狀態(tài)下，將超導(dǎo)線圈串入風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子回路，抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子過(guò)電流（裝置故障限流測(cè)試結(jié)果如圖8所示），并減小轉(zhuǎn)子反向感生電動(dòng)勢(shì)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力。2016年，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成系統(tǒng)集成并在玉門(mén)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖8 超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)三相短路故障限流（上）和相間短路故障限流 （下） 測(cè)試結(jié)果

在弱風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)條件下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功補(bǔ)償和有功平滑效果明顯［23］。

圖9 1 MJ/0.5 MVA 超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)在玉門(mén)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.2 真空管道永磁—超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能

現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)中除抽水儲(chǔ)能外都難以實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)能，而抽水儲(chǔ)能受地域限制大且響應(yīng)速度慢。為此，結(jié)合超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，肖立業(yè)等提出了一種新型的規(guī)?；?a target="_blank">機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)——真空管道超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)儲(chǔ)能，其系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖10所示［24］。其中，永磁體安裝在環(huán)形軌道、車(chē)體底面和側(cè)面上，高溫超導(dǎo)塊材安裝在軌道側(cè)面的低溫容器內(nèi)。列車(chē)的懸浮利用永磁懸浮方式，軌道側(cè)面的超導(dǎo)體與列車(chē)側(cè)面的永磁體相互作用，由于超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)，超導(dǎo)體與永磁體的相互作用將能夠維持列車(chē)的相對(duì)穩(wěn)定性。

圖10 真空管道超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用重載磁懸浮列車(chē)首尾相連組成環(huán)形，并采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為重載列車(chē)的動(dòng)能，能量便以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存在真空管道內(nèi)，需要的時(shí)候把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)。由于是物理儲(chǔ)能，環(huán)保無(wú)二次污染，還具有功率調(diào)節(jié)靈活、調(diào)節(jié)范圍大、選址方便等優(yōu)勢(shì)。

與抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)相比，真空管道永磁—超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)快、無(wú)任何環(huán)境污染、功率調(diào)節(jié)靈活等多方面優(yōu)勢(shì)，且無(wú)選址問(wèn)題，除了可以用于電網(wǎng)大規(guī)模電力存儲(chǔ)外，還可以用于脈沖高功率電源等，應(yīng)用前景廣闊［24］。目前，肖立業(yè)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)的研制，將通過(guò)原理樣機(jī)驗(yàn)證該項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)的可行性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等。

5 總 結(jié)

化石能源不僅資源有限且其使用會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，是不可持續(xù)的能源，大力發(fā)展可再生能源是當(dāng)今能源發(fā)展的大趨勢(shì)。高比例可再生能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)將對(duì)直流輸電、直流故障限流和大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出愈加迫切的需求。由于超導(dǎo)體所具有的獨(dú)特物理特性，在滿足上述需求方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。我們對(duì)直流能源管道、超導(dǎo)直流限流器以及基于超導(dǎo)電性的電力儲(chǔ)能技術(shù)等的基本原理進(jìn)行研究并在結(jié)構(gòu)上做出創(chuàng)新，研制了相應(yīng)的裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或并網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)證了原理的可行性。希望對(duì)從事該領(lǐng)域的科研人員和研究生有所借鑒作用。

致 謝 感謝邱清泉研究員、郭文勇研究員以及張國(guó)民研究員等對(duì)本文的貢獻(xiàn)以及在本文寫(xiě)作過(guò)程中的熱心幫助。

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