超導電力技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用前瞻

摘要：未來電力工業(yè)的發(fā)展方向主要向智能化發(fā)展，而發(fā)展智能電網(wǎng)離不開超導電力技術(shù)的有力支持。研究超導電力技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應用對我國的電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義，本文就針對此問題進行了探討和研究。

關(guān)鍵詞：超導電力 智能電網(wǎng) 超導儲能 可再生能源

0 引言

智能電網(wǎng)對于我國電網(wǎng)的發(fā)展具有重要的意義，智能電網(wǎng)無論是在穩(wěn)定性，經(jīng)濟性還是對于可再生資源的包容性以及電能智能上與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比都有了顯著的提升；而超導電力技術(shù)對于智能電網(wǎng)的開發(fā)具有關(guān)鍵的作用，為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了有力的條件。但是，由于電力系統(tǒng)的運行具有自身的特殊性和復雜性的特點，因此，在超導電力技術(shù)應用的同時，肯定會給當前的電力系統(tǒng)帶來一定的挑戰(zhàn)，從目前的情況來看，我國無論是從理論上還是實踐上對于超導電力技術(shù)還缺乏一定的準備。本文基于我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，并考慮未來能源結(jié)構(gòu)的重大變化以及超導技術(shù)的迅速發(fā)展，從系統(tǒng)角度出發(fā)，對超導電力技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用做出具有前瞻性的探討。

1 為什么需要超導技術(shù)

電能的損耗由管理損耗和技術(shù)損耗兩部分組成，導線方面的損耗屬于技術(shù)損耗，導線是有電阻的，不同材料的導線電阻率是不同的，如果有一種材料的電阻率為零，那么導線的電阻也會為零，電能的損耗將大幅下降，企業(yè)將會獲得更多的經(jīng)濟效益。所以，尋找這么一種材料是必要的，也就是超導技術(shù)的必要性。超導技術(shù)一但研發(fā)成功并投入到實際生產(chǎn)中，比如輸電網(wǎng)落，大容量發(fā)電機，磁懸浮列車，核能發(fā)電，將對人類社會的發(fā)展起巨大的推動作用。

2 超導技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

1911年荷蘭物理學家Onnes發(fā)現(xiàn)汞（水銀）在4.2k附近電阻突然下降為零，他把這種零電阻現(xiàn)象稱為超導電性。汞的電阻突然消失時的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度，常用Tc表示。超導是指某些物體當溫度下降至一定溫度時，電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導材料。超導體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度（或臨界溫度）因為這個溫度很低，在絕對零度附近。因而目前為止，應用不是很廣泛，但是科學家在研究高溫超導，如果研究成功，用這種材料導電時不損耗電能，不產(chǎn)生熱量，可以節(jié)約能源。

在一定溫度下具有超導電性的物體稱為超導體。金屬汞是超導體。進一步研究發(fā)現(xiàn)元素周期表中共有26種金屬具有超導電性，單個金屬的超導轉(zhuǎn)變溫度都很低，沒有應用價值。因此，人們逐漸轉(zhuǎn)向研究金屬合金的超導電性。其中Nb3Ge的轉(zhuǎn)變溫度為23.2K，這在70年代算是最高轉(zhuǎn)變溫度超導體了。當超導體顯示導材料都是在極低溫下才能進入超導態(tài)，假如沒有低溫技術(shù)發(fā)展作為后盾，就發(fā)現(xiàn)不了超導電性，無法設(shè)想超導材料。這里又一次看到材料發(fā)展與科學技術(shù)互相促進的關(guān)系。

低溫超導材料要用液氦做致冷劑才能呈現(xiàn)超導態(tài)，因此在應用上受到很大的限制。人們迫切希望找到高溫超導體，在徘徊了幾十年后，終于在1986年有了突破。瑞士Bednorz和Müller發(fā)現(xiàn)他們研制的La-Ba-CuO混合金屬氧化物具有超導電性，轉(zhuǎn)變溫度為35K。這是超導材料研究上的一次重大突破，打開了混合金屬氧化物超導體的研究方向。接著中、美科學家發(fā)現(xiàn)Y-Ba-CuO混合金屬氧化物在90K具有超導電性，這類超導氧化物的轉(zhuǎn)變溫度已高于液氮溫度（77K），高溫超導材料研究獲得重大進展。一連串激動人心的發(fā)現(xiàn)在世界上掀起了“超導熱”。目前新的超導氧化物系列不斷涌現(xiàn)，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它們的超導轉(zhuǎn)變溫度超過了120K。高溫超導體的研究方興未艾，人們殷切地期待著室溫超導材料的出現(xiàn)。

人們發(fā)現(xiàn)C60與堿金屬作用能形成AxC60（A代表鉀、銣、銫等），它們都是超導體，大多數(shù)AxC60超導體的轉(zhuǎn)變溫度比金屬合金超導體高。金屬氧化物超導體是無機超導體，它們都是層狀結(jié)構(gòu)，屬二維超導。而AxC60則是有機超導體，它們是球狀結(jié)構(gòu)，屬三維超導。因此AxC60這類超導體是很有發(fā)展前途的超導材料。

20世紀末，科學家合成了在室溫下具有超導性能的復合材料，室溫超導材料的研制成功使超導的實際應用成為可能。超導研究引起各國的重視，一旦室溫超導體達到實用化、工業(yè)化，將對現(xiàn)代文明社會中的科學技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。

3 超導技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用

3.1 提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性 超導故障限流器是近年來發(fā)展起來的限制短路電流的新技術(shù)裝備，超導故障限流器，利用超導體的超導/常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，由零電阻迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚担瑥亩_到降低系統(tǒng)的短路電流的目的。超導故障限流器能滿足智能電網(wǎng)對暫態(tài)穩(wěn)定的快速性和準確性的要求。

3.2 提高電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性 我國未來智能電網(wǎng)雖然有可再生能源的加入，但仍然遵循著大電網(wǎng)、大機組的發(fā)展發(fā)向，遠距離大容量輸送電能不可避免，降低了系統(tǒng)運行的動態(tài)安全性。大規(guī)模互聯(lián)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定與否主要表現(xiàn)在區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的功率振蕩。如果在輸電系統(tǒng)中，能對功率越限部分進行實時補償，在功率過高時吸收功率，在功率過低時釋放功率，以平穩(wěn)聯(lián)絡(luò)線功率，則能有效提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。超導儲能系統(tǒng)具有能快速充、放電的功能，并且可對系統(tǒng)提供瞬時有功功率與無功功率的支持，通過附加阻尼控制器，可以對線路功率進行實時補償，阻尼系統(tǒng)振蕩。使用超導電纜進行輸電是基于超導技術(shù)的可行的解決方法。超導電纜具有傳輸容量大、損耗小、靈活性高、占地空間小、無污染等顯著優(yōu)點，是解決電能傳輸瓶頸的較好選擇。采用超導電纜技術(shù)，由于其在超導狀態(tài)下阻抗很小，采用超導電纜技術(shù)可以大大加強互聯(lián)系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系，提高電網(wǎng)的小干擾安全性。

3.3 對可再生能源的包容性 可再生能源是未來電力能源的重要組成部分，要使這種能源得到充分有效的利用，必須采用新的技術(shù)措施改善其品質(zhì)并使其能更為有效地與大電網(wǎng)聯(lián)結(jié)，能與其它能源系統(tǒng)互動，實現(xiàn)動態(tài)綜合優(yōu)化平衡，提高能源系統(tǒng)的總體效率。智能電網(wǎng)所具有的兼容性是指電力系統(tǒng)能夠開放性地兼容各種類型能源的能力，也正是契合了可再生能源的發(fā)展要求。

3.4 建立集約型電力系統(tǒng) 智能電網(wǎng)所具有的高效性，是指電網(wǎng)提高設(shè)備利用率、減少線損、降低運營成本的能力，通過新型技術(shù)和設(shè)備的應用以提高網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性。超導電纜具有的大容量、低損耗、結(jié)構(gòu)緊湊的特點滿足智能電網(wǎng)高效性、經(jīng)濟性的要求，具有重要的應用前景。超導變壓器和超導電機由于其容量有限，但是具有占地面積小，能量密度高、損耗小等特點，適用于對自然環(huán)境要求特別高的場合。

4 超導技術(shù)在智能電網(wǎng)的研究方向

和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)不同，超導技術(shù)具有很多自己的獨有特性，因此，在分析上也和傳統(tǒng)的電網(wǎng)有所不同，要對智能電網(wǎng)研究，就必須從系統(tǒng)的角度出發(fā)，根據(jù)超導電力技術(shù)展開研究。研究的方向主要有以下幾點：首先，是針對超導電力技術(shù)的智能電力系統(tǒng)的建模理論的研究；其次，研究超導電力技術(shù)智能控制的策略。最后對快速可控裝置的智能協(xié)調(diào)控制研究。

5 結(jié)語

作為一種高新技術(shù)，超導電力技術(shù)的發(fā)展具有劃時代的意義，是21世紀一項具有經(jīng)濟戰(zhàn)略性的新技術(shù)。超導電力技術(shù)在智能電網(wǎng)的有效應用，能夠改善我國傳統(tǒng)電網(wǎng)的很多以前的弊端，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和抗打擊的能力，在電能的質(zhì)量和能源多元化上也有顯著的增強，可以這樣說，超導電力技術(shù)的應用，為智能電網(wǎng)的開發(fā)和發(fā)展創(chuàng)造了新的思路和條件。目前，我國的超導技術(shù)在智能電網(wǎng)的應用只是存在于初期階段，還需要進行更多的理論和實踐研究做鋪墊，才能夠真正地在我國的電力系統(tǒng)中發(fā)揮出其自身的作用，正是因為我國電力系統(tǒng)的發(fā)展特點，也為超導電力技術(shù)在智能電網(wǎng)的重要性創(chuàng)造了條件。

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