资源描述
*,超导电力基础2010,ASC-HUST,超导电力基础,2010年5月 - 6月,1,高电压、强电场、强磁场、大电流、强脉冲功率是电气工程学科不断追求的极端参数。不断冲击这些极端参数，是发现新现象，开发新技术的关键。,超导技术为产生强磁场提供了重要手段。在越来越多的领域得到应用。超导技术对于科学和技术以及生活产生重大的影响。,2,8.1 电力系统对新技术的需求,八、超导电力应用技术,8.2 超导电力装置及其优越性,8.3,超导电力的发展现状,8.4,超导电力研究课题,3,大力发展可再生能源（,2013,年,10%,，,2025,年,25%,）,“掌握清洁的可再生能源的国家将领导,21,世纪”,全面发展节能汽车和电动汽车,（,2012,年政府采购汽车中一半为混合电动车）,建立横跨美国四个时区的统一电网,发展智能电网（,810,年内产业超,10,亿）,发展超导电网（,810,年内产业超,30,亿）,奥巴马的能源新政,4,全国统一的主干网,数州连通的区域电网,局部地区的微网,超导输电的地位：,主干网,城市高密度电网,美国GRID2030的电网革命,5,8.1 电力系统对新技术的需求,环境意识,消费方式,信息化,能源资源,分散电源,节能、发送用电的效率,用电量、可靠性、供电密度,可靠性、供电品质,节能、可再生能源,电力存储、能量管理,随社会的发展，人们的,生产、生活方式与态度,发生变化,电力,现代生活中不可或切的能源,工业化社会的重要能源,信息化社会的根本能源,（1）现代社会对电力的要求,6,（2）我国能源和电力工业发展趋势,发电量(TWh),7,中国仍有一半的国土没有照亮,在未来50100年内中国可否跨越能源短缺的“瓶颈”?,8,我国化石能源资源严重短缺,来源：上海综合经济简报，2005.02期,资源种类,煤炭 石油 天然气 水电装机容量,（亿吨） （亿吨） （亿立方米） （亿千瓦）,探明储量,1145 33 11704 3.53,开采年限,5481 1520 2858 38104,可开采到,2085 2025 2065 2110 !,在未来50100年内，必须找到替代能源！,中国的铀资源仅能支持4-5,100万kW核电站。,9,可再生能源,随机性大，功率输出不稳定,10,11,核裂变能、核聚变能,油 (Oil),裂变 (Fission),聚变 (Fission),煤 (Coal),11,水资源,70%,煤储量,40%,煤储量,40%,火力资源,水力资源,重负荷区,1000km,1000km,500km,1000km,1000km,水能储藏量预测,理论储量: 676GW,技术可开发量: 379GW,经济可开发量: 290GW,现已开发量: 68GW,1000km,20%,我国电力工业的格局,12,我国电网的发展趋势,东电西送 长距离大容量输电,全国联网 异常庞大的系统,交直混杂 异常复杂的系统,新能源 功率波动的系统,13,（3）电力系统存在重大技术难题,G,G,G, , ,输电,系统, ,配电,系统,用电,系统,稳定性问题,高密度配电问题,供电品质问题,网络损耗问题,开断容量问题,14,G,Pm Pe, 发电机加速,难题之一：系统稳定性,电力系统中没有储能环节，发多少就要用多少。一旦出现功率波动，就会产生功率振荡，严重时导致系统失去稳定性。,系统,Pm Pe, 发电机减速,Pm,功率波动：故障、切负荷,15,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1 江垭,2 石门,3 岳阳,4 风滩,5 五强溪,6 凌津滩,7 扎溪,8 岳家岭,9 冷水江,10 湘潭,11 株洲,12 耒阳,13 鲤鱼江,14 东江,长潭株,风滩,双牌至杨梓塘,湖南电力系统示意图,16,2010年，年损失两个半三峡电站,网损达8.2%,浪费资源,增大环保压力,恶化电力工业的效益,难题之二：网络损耗大,日本 80 MW/km,2,容量大,!,密度高,!,损耗大,!,网损 8.5%,占地多,!,地上破坏环境!,地下管道纵横!,可再生能源随机性强，输出功率不稳定，这种不稳定的电源达到一定规模后便会影响到大电网的安全稳定性、供电品质。,难题之四：可再生能源的规模化接入,18,8.1 电力系统对新技术的需求,八、超导电力应用技术,8.2 超导电力装置及其优越性,8.3,超导电力的发展现状,8.4,超导电力研究课题,19,8.2 超导电力装置及其优越性,（1）超导发电机,全超导发电机定子、转子绕组都用超导,超导发电机转子绕组（磁场）用超导,定子绕组,阻尼筒,真空外壳,超导励,磁绕组,热辐射,屏蔽筒,至汽轮机,至冷却系统,真空层,轴承及密封,力矩传导筒,磁屏蔽层,20,超导发电机的优良特性,无铁心，无电阻，效率可再提高,1%,磁场强度高（,5T,），,电机体积小，重量轻，仅,发电机稳定运行特性,甚至可以省去升压变压器,提高发电机的单机极限容量,为常规电机的30 50%。占地面积小，节约原材料,同步电抗小，只有常规电机的,0.2,0.5,，可改善,发电机对地绝缘水平提高，可以发出高电压，,超导励磁绕组发电机的基本结构,21,超导发电机无铁磁饱和，过励运行功率因素可接近0，无功出力大,Q,P,常导发电机励磁电流幅值极限,3,4,(Q,N,P,N,),A,1,B,1,B,2,C,1,C,2,D,1,D,2,0,超导电机励磁电流幅值极限,4,常导发电机,进相运行时无功出力极限,超导发电机,进相运行时无功出力极限,定子额定电流极限,原动机最大出力极限,发电机最小技术出力极限,超导发电机运行区域：,A1B1C1D1,常导发电机运行区域：,A1B2C2D2,22,稳定极限,X,d,可降低到现在的1/21/5,效 率 可提高0.5%1%,单机容量 可达数GW,极限送电容量,同期电抗,X,d,送电距离,200km,送电距离,200km,0.3,3.4(1.31),2.3(1.44),超导,发电机,0.7,3.1(1.19),2.1(1.31),现用机,1.7,2.6(1.0),1.6(1.00),*,单位为发电机容量为基准,pu,值,括号内为与现用机的比值,23,超导发电机和常导发电机,损耗的比较,（120MVA）,常规发电机,（100%）,超导发电机,（32%）,励磁损耗,转子损耗,负载损耗,定子损耗,铁心损耗,鼓风损耗,制冷损耗,24,超导电动机的原理与超导发电机完全相同,主要有三种类型：,用于,船舶推进,的单极电机,工业用途的同步电机,采用,高温超导块材的新型电机,超导电动机减小的体积不如超导发电机的显著。但在军舰、潜艇这类体积和空间严重影响整体性能的船舶上, 超导电动机具有巨大的竞争力。超导电动机研究以,船舶推进电机,居多。,目前,高温超电动机,研究已成为超导电动机研究的主流。,（2）超导电动机,25,体积小、重量轻,可做到常规变压器体积的,30%70%,、,重量的,40%60%,。,效率高,可提高,0.1%0.2%,。大量变压器效率的提高能获得可观的经济效益。,阻燃,液氦或液氮具有良好的阻燃性，提高安全性能。,具有特殊功能,使用无铁心结构能在高磁场下运行；可兼做无功电抗器；附加绕组的失超特性具有限制短路电流的功能等。,（3）超导变压器,有铁心或无铁心,26,0.4,0.6,0.2,0.8,1.0,1.2,1.4,100,400,600,1000,800,超导Tr价格,常规Tr价格,重量,体积,超导Tr重量,体积,容量(MVA),价格,重量,体积,1981年资料,1000MVA超导变压器,相对价格 0.71；相对重量 0.64,27,绝热层外管,绝热层,绝热层内管,电气绝缘,HTS导体,屏蔽层,液氮通路,HTS电缆的基本构造(断面),高温超导（,HTS）,电力电缆的两种基本设计是,热介质,(WD),电缆,和,冷介质,(CD),电缆,。 在,WD,电缆中只有HTS导体处于低温环境中，绝缘处于常温环境，,CD,电缆的,HTS,导体和绝缘均放置在低温恒温层内。,WD,电缆结构相对简单，而,CD,电缆结构更紧凑，损耗更小 。,（4）超导输电电缆,28,电缆,输送管道,电气,绝缘,HTS超导体,钢护套,护套外壳,下图是热介质电缆,电缆,液氮绝缘,输送管道,回路导体,绝缘体,钢护套,上图是冷介质电缆,HTS超导体,护套外壳,29,送电容量,(GW/回线）,0.5,1,2,5,10,20,275KV,500KV,1000KV,275KV,500KV,1000KV,275KV,500KV,66KV,275/500KV,非冷却,强制冷却,交流电缆,直流电缆,SF,6,电缆,超导交流电缆,超导直流电缆,a.低电压、大容量送电,30,直流超导 275kV,交流超导 275kV,交流超导 66kV,常规直流 275kV,常规交流 275kV,0.5,1,2,5,10,20,1000MVA/回线,送电容量(同一电压):,510倍以上,送电电压(同一容量):,更低等级,31,送电通道比较,(送1000MW电力),800,360,130,OF电缆: 270kV, 两回线,低温超导电缆: 66kV,可省50%,高温超导电缆: 66kV,只要20%,138,b. 高密度送电,32,c. 降低损耗,容量：1000MW，电压：275kV，输电距离：30km,OF电缆,损耗,输电容量,=0.008,1000MW0.008=,8MW,高温超导电缆,冷冻机功率：418kW/15km,418kW 2=,0.836MW,设：高溫超导体交流损耗为低温超导体的10倍,33,高温超导配电电缆,常规油浸配电电缆,同样容量，同样电压等级,3,1,常规油浸电缆,高温超导电缆,损耗比较,1/3（包括制冷功率）,34,外部,系统,外部,系统,仅用常规电缆,使用超导电缆,降低网络损耗,减少占地面积,降低电压等级,改善电网结构,大城市电网中应用超导电缆,35,(5) 超导磁储能系统,充电，吸收能量,储能：,E,=,Li,2,/2,释放能量,储能损耗低,响应速度快,四象限可控,提高系统稳定,改善供电品质,提供紧急电源,储存调节电能,SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage,I,换 流 器,系统,I,换 流 器,系统,I,换 流 器,系统,PMW,控制换流器的使用可以实现四象限控制功率。,a. 基本原理,36,换流器,超导线圈,L,控制信号（至电力系统）,变压器,线圈保护,冷却装置,控制器,门极触发,电路,功率,补偿,三相,母线,b. 系统动作原理,37,GTO7,GTO2,Y-,电压源型变换电路,C,GTO1,GTO3,GTO5,GTO4,GTO6,超导线圈,D1,D2,GTO8,斩波器,L,L,电网,L,c.电压型AC/DC变流器原理,38,R,D2,D1,G6,G4,G2,G5,G3,G1,C,L,电网,超导线圈,L,L,d.电流型AC/DC变流器原理,39,超导体,电机,I,永久磁体,储能 飞轮,真空环境,电力变换装置,控制装置,储能：,E,=,Mr,2,2,/4,超导体,磁体,(6) 超导磁悬浮飞轮储能系统,40,超导储能系统的基本功能,快速提供有功和无功功率：,提高稳定性（中小型）,改善供电品质（小型）,作为紧急备用电源,调节峰值（大型）,分散电源和独立电源系统,41,e. 超导磁储能装置的基本特性,超导体电阻为零，不损耗能量,冷却系统功率消耗不断降低,效率可达90%以上，比抽水储能等高,储能损耗低,通过电力电子型变流器，既能储能又能释放电能,快速响应,响应速度快,通过电力电子换流器，,对有功功率和无功功率实现四象限控制,主动致稳,四象限可控,42,水电,火电,系统,SMES,响应时间：毫秒级,水门响应,时间：分级,励磁响应,时间：秒级,汽门响应,时间：秒级,响,应,时,间,比,较,汽门控制:秒级,水门控制:秒分级,SMES:毫秒级,励磁控制:秒级,43,SFCL： Superconducting Fault Current Limiter,（7）超导限流器,G,负载,G,G,负载,电源增加，短路电流增大,44,SFCL： Superconducting Fault Current Limiter,超导态，电阻为零 温度、磁场、电流 高于临界值,为常态，有电阻,超导态超导体,常态超导体,R0,R=0,接线图,等效图,（7）超导限流器,原理之一：利用超导体的常态和超导态之间的电阻变化,45,原理之二：利用超导体的麦斯纳效应产生非线性效果,超导态时，磁通不能通过铁心，本身为,短路二次绕组，电抗小；,失超之后，磁通可通过铁心，电抗变大,I,46,原理之三：利用超导体的无损通流能力,3,1,4,2,i,ac,U,利用直流超导线圈产生一个很大的安匝数使铁芯饱和，在故障状态下铁芯去饱和从而产生很大的电抗限制故障电流。两组各限流半个周波。,A工作点,B工作点,大电抗区,小电抗区,正常电流,故障电流,47,断路器开断容量不足,系统1,系统2,系统1,系统2,SFCL,正常时:零电阻,故障时:大阻抗,正常电流,故障电流,限流后电流,限 制,电 流,限流开断,降低设备成本,降低电动/热稳定要求,SFCL,正常时:零电阻,故障时:大阻抗,提高系统稳定性,48,（8）超导电力的优越性小结,超导体,电流密度大,电阻为零,超导电力装置,体积小,重量轻,容量大,送电密度高,输电极限大,节省空间等,高密度大容量送电能力,简化网络结构,降低损耗,提高效益、节省资源、保护环境,49,超导限流器,全封闭超导输电系统,大城市负荷中心,外部,系统,SMES1,SMES2,超导电缆,50,
展开阅读全文