超导电力技术在智能电网的应用前瞻

摘要：未来电力工业的发展方向主要向智能化发展，而发展智能电网离不开超导电力技术的有力支持。研究超导电力技术在智能电网中的应用对我国的电力系统的发展具有重要的意义，本文就针对此问题进行了探讨和研究。

关键词：超导电力 智能电网 超导储能 可再生能源

0　引言

智能电网对于我国电网的发展具有重要的意义，智能电网无论是在稳定性，经济性还是对于可再生资源的包容性以及电能智能上与传统电网相比都有了显著的提升；而超导电力技术对于智能电网的开发具有关键的作用，为智能电网的建设提供了有力的条件。但是，由于电力系统的运行具有自身的特殊性和复杂性的特点，因此，在超导电力技术应用的同时，肯定會给当前的电力系统带来一定的挑战，从目前的情况来看，我国无论是从理论上还是实践上对于超导电力技术还缺乏一定的准备。本文基于我国电力系统的现状，并考虑未来能源结构的重大变化以及超导技术的迅速发展，从系统角度出发，对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨。

1　为什么需要超导技术

电能的损耗由管理损耗和技术损耗两部分组成，导线方面的损耗属于技术损耗，导线是有电阻的，不同材料的导线电阻率是不同的，如果有一种材料的电阻率为零，那么导线的电阻也会为零，电能的损耗将大幅下降，企业将会获得更多的经济效益。所以，寻找这么一种材料是必要的，也就是超导技术的必要性。超导技术一但研发成功并投入到实际生产中，比如输电网落，大容量发电机，磁悬浮列车，核能发电，将对人类社会的发展起巨大的推动作用。

2　超导技术的产生和发展

1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。超导是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）因为这个温度很低，在绝对零度附近。因而目前为止，应用不是很广泛，但是科学家在研究高温超导，如果研究成功，用这种材料导电时不损耗电能，不产生热量，可以节约能源。

在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。其中Nb3Ge的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。

低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待着室温超导材料的出现。

人们发现C60与碱金属作用能形成AxC60（A代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维超导。而AxC60则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此AxC60这类超导体是很有发展前途的超导材料。

20世纪末，科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料，室温超导材料的研制成功使超导的实际应用成为可能。超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

3　超导技术在智能电网的应用

3.1　提高电力系统暂态稳定性　超导故障限流器是近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备，超导故障限流器，利用超导体的超导/常态转变特性，由零电阻迅速转变为高阻值，从而达到降低系统的短路电流的目的。超导故障限流器能满足智能电网对暂态稳定的快速性和准确性的要求。

3.2　提高电力系统小干扰稳定性　我国未来智能电网虽然有可再生能源的加入，但仍然遵循着大电网、大机组的发展发向，远距离大容量输送电能不可避免，降低了系统运行的动态安全性。大规模互联系统小干扰稳定与否主要表现在区域联络线的功率振荡。如果在输电系统中，能对功率越限部分进行实时补偿，在功率过高时吸收功率，在功率过低时释放功率，以平稳联络线功率，则能有效提高系统小干扰稳定性。超导储能系统具有能快速充、放电的功能，并且可对系统提供瞬时有功功率与无功功率的支持，通过附加阻尼控制器，可以对线路功率进行实时补偿，阻尼系统振荡。使用超导电缆进行输电是基于超导技术的可行的解决方法。超导电缆具有传输容量大、损耗小、灵活性高、占地空间小、无污染等显著优点，是解决电能传输瓶颈的较好选择。采用超导电缆技术，由于其在超导状态下阻抗很小，采用超导电缆技术可以大大加强互联系统之间的电气联系，提高电网的小干扰安全性。

3.3　对可再生能源的包容性　可再生能源是未来电力能源的重要组成部分，要使这种能源得到充分有效的利用，必须采用新的技术措施改善其品质并使其能更为有效地与大电网联结，能与其它能源系统互动，实现动态综合优化平衡，提高能源系统的总体效率。智能电网所具有的兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型能源的能力，也正是契合了可再生能源的发展要求。

3.4　建立集约型电力系统　智能电网所具有的高效性，是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运营成本的能力，通过新型技术和设备的应用以提高网络的经济性。超导电缆具有的大容量、低损耗、结构紧凑的特点满足智能电网高效性、经济性的要求，具有重要的应用前景。超導变压器和超导电机由于其容量有限，但是具有占地面积小，能量密度高、损耗小等特点，适用于对自然环境要求特别高的场合。

4　超导技术在智能电网的研究方向

和传统的电力系统不同，超导技术具有很多自己的独有特性，因此，在分析上也和传统的电网有所不同，要对智能电网研究，就必须从系统的角度出发，根据超导电力技术展开研究。研究的方向主要有以下几点：首先，是针对超导电力技术的智能电力系统的建模理论的研究；其次，研究超导电力技术智能控制的策略。最后对快速可控装置的智能协调控制研究。

5　结语

作为一种高新技术，超导电力技术的发展具有划时代的意义，是21世纪一项具有经济战略性的新技术。超导电力技术在智能电网的有效应用，能够改善我国传统电网的很多以前的弊端，提升电网系统的安全稳定性和抗打击的能力，在电能的质量和能源多元化上也有显著的增强，可以这样说，超导电力技术的应用，为智能电网的开发和发展创造了新的思路和条件。目前，我国的超导技术在智能电网的应用只是存在于初期阶段，还需要进行更多的理论和实践研究做铺垫，才能够真正地在我国的电力系统中发挥出其自身的作用，正是因为我国电力系统的发展特点，也为超导电力技术在智能电网的重要性创造了条件。

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