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超导储能及其在电力系统中的应用研究综述



们夕









综合述 评

超 导 储 能 及 其 在 电 力 系 统 中 的应 用 研 究综 述
华北 电 力 大学
摘 要
,

周晓兰

韩居 华

/>




简要介 绍 了超 导 储 能在 国外 发 展
,

阐述 了 超 导 储 能 的原 理



组 成及 其在 电力 系统 中应 用 的重 要 意义
,

的概 况

概 述 了超 导 储 能 技 术 目前 面 临 的 几 个 关键 问 题


并针 对 我 国超 导 储 能 研 究落 后 的现状

提 出 了一 些

建 设 性 的对 策
关键 词

超导储 能

电 力 系统

应用

综述

超导储 能 线圈
,
,

是 利 用 由超 导 线 制 成 的


超 导 线 圈充 电 之 后

,

,

将开关

闭合


,

使开关



将 电 网 供 电励 磁 所 产 生 的磁 场 能 量 储 存 起 年 来 超 导 储 能 的 研 究 一 直 是 电力 系 统
,
,

超 导 线 圈 中便 成 短 路状 态
,

由于 在 超 导 线 圈

来 在 需 要 时再将 此储存 能 量送 回 电 网或作它 用

这 一 闭合 回 路 内 电流 不 会 衰 减 而 永 久 流 通
电流

永久

近 材料
兴未艾

永 久 电流 的 能 量 便 以磁 场 的 形 式 储 存 在
,

应 用 超 导 技 术 的热 点 尤 其

年 由 于 高温 超 导
以 丘

超导线 圈 中 式中

其大 小 可用 下 式表 示
?

其 临界 温 度 值 达 到
,


的 研 究取 为磁 能
电池 了为

得 实质 性 进 展


使 得 这 一 领 域 的研 究 工 作 显 得 方

,

电流

为 电感



计 划 较 为 庞 大 且 研 究 工 作 较 为 系统 性 的

要数美 国 早在

美 国威 斯 康 星 大 学 应 用


超 导 中心 的 超 导 电 感 线 圈和 三 相

发明了
,







格 里 茨桥 路 组 成 的
也 由此 开 始 了


电能储 存 系 统 并 获 得 了 美 国 专 利 所 储 存 的 是 电磁 能
如 蓄 电池 储 能


电 力应 用 的研 究 与 开 发 阶 段
,

由于
,

液氦
,

开关


暖水 瓶


、沪 吃

因此 它 与 其 它 形 式 的储 能



永 久 电流

压缩空气储能
,

抽 水储 能和 飞轮

臂含
八八八

储 能等相 比
量 快
电压


,

有 许 多 明显 的优 点 其次

首先

,

它不经

计日


磁能

过 其 它 形 式 的能量 转 换
,

可 长期无损 耗地储存 能
,

其返 回效 率 高达
至儿十

由 于与 电 网 的 因而 响应速度

超 异线 圈

连 接 可 通 过 晶 闸 管 变流 器 来 实现
再者
,

,

采用


可使 电网



原理图

频率



有功和 无 功 功率容 易调 节
,

此外
,

,

这 种储 能装 置 还 具 有 调 节 容 易 制


建筑不 受地点限

超 导储 能 系统的组 成及 研 究 现 状
系 统 的基 木 组 成 由 图 超导线 圈
置 于 真 空 绝 热 冷 却 容 器 中 的超 导 线 圈
,

维护 方 便 以及无 污 染 等优 点



所以

技 术 在 电 力 工 业 中将 有


泛 的 商业 应 用 前 景



所示


,

其主要

部 件 的 作 用 及 目前 研 究现 状 简 介 如 下

超 导 能的原 理 储
根 据 超 导体 极低 温 度 卜即 达 到 超 导状 态 后 电
阻 为 零 的特 性
,

是整
二是

个 种
,

系统 的 核 心 部件




超 导 线 圈 的 结 构有 两


可 以给 出 如 图

所示 的
,

原 给

是将 线 圈 叠 加 成 圆 筒 形 的 筒 形 线 圈

理图



图 中在 开 关

断 开状态 卜 接通 开关

将 线 圈 排 列 在 圆 周 上 的 圆环 形 线 圈

圆筒 形 结构

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比 环 形 简单

,

适用 于 大 型


,

但缺 点是 易产

要 提 高 超 导储 能 系 统 中永 久 电 流 开 关 的 效 率 须 尽 量减少 储 能损 失 电阻减 到最 小 用于当


,



生漏磁场

环 形 线 圈 可 以最 大 限度 她 减 少 螺 旋 管
,

,

因 而 必 须 将 开 关 闭合 时 的

外 的磁 场
小规 模 的

并 可 减 少 占地 面 积


尤 其 是 环 形 多级
,

结 构 是 目前 较 为 理 想 的线 圈 结 构

特 别适用 于 中

直 流 断路 器 发 生 故 障 时瞬 时切 断 电 路





交直流 送 电装 置 变 换装 置 直、
?

开 发 大 电流 能 均 匀 通 过 多 个 接 点 的 直 流 断路 器
保 护 电阻
超 导线 圈



【 ,

厂 ,一





卿 赘障 矍



,

爹 季


,

冷冻 装置

超 导储 能 的用 途 及 国 外最 新进展
电力 系统 中 规 模 与主 要 用 途 之 间 的关

碎熄 检测 器

系如表
的基 本构 成

所示




不 同 规模
安装地 点

的应 用 情 况
应 用 目的和 作用 改善 稳 定 性
因数

所 用 超 导 线 圈 中 的 电流 很 大
调整 负荷 所 用 的 大 中 型 以上
,

特别是

规模
?

的 额 定 电流 要 达 到
,

级 负载 端




输 电线 电源


小波 动 负载 调

所 以 为 保 证 超 导 稳 定 性 及 克服 由于 线 圈耐压 强 度 的
,
?

端 小容 量 电厂 光 伏 平 电压 波 动 调 节 校 正 功 率
发 电和 风 力 发 电 系统 级 配 电站 和 中 型 发 电厂 间 断 型 电源 调 平 输 出 电压 波 动

伴 随 电流 增 大 而 产 生 的 高 电 压

大波 动 负 载 调 平

提 高是

关 键 技 术 此 外 用 于 平 衡 负荷 的
,



,

调 节 频 率 调 节 及 瞬时备用 功

的效率也 很重要

为减少 外部 热 量侵 入冷 却器

率 改善 电源 可 靠 性
?

开 发 热 系 数 低 的 电流 导 线 也 是 一 个 重 要 的 开 发 课



大 型 发 电厂 及 适 合 十


减 少传 输容 量 和 电站 建 设 减 热效率 频 率调 节 及 瞬 时备 用 功率 改善 电源 可靠性





的一 切 其 它 地 少传输损 失 改 善 发 电设 备 的

深 冷和真 空泵 系统

深冷系统维持
低 温状 态


线 圈 运 行 时 所 需 要 的极
由于 超 导 材 料

而 真 空 低 温 容器 的功能 则 是减 少 外部


特 别 是 高 温超 导 材 料
,

和低
,

环 境 向深 冷 线 圈 内 的热 传 导

温超 导 磁 体 技 术 的 发展
界 各 国进 行 了 更 积 极

,


,

年代 中 期 以 来




超导 线 圈 碎熄 检 测 器
用 于 快 速检 测 超 导 线 圈 由 于 失 超 而产 生 的 碎 熄

,



更 广 泛 的研 究 开 发 工 作

这 一 时 期 的 鲜 明特 点 是
也 在 于 中小规模
目前
,

研 究 和 开 发 的 目标 不 仅
系统


它 与保 护 电阻 一 起 作 为 保 护 系统


使储 存 于 超导线 圈

在 于 电 力 系 统 负 载 调 平 用 的 大 规模
国外 小 型
,

,

线 圈 内的 能 量 安 全 释 放 中的交流损 失 到最 低 限 度
, ,

要 降低
,

系统 的 多 用 途 实 际 应 用
已 形 成 商业 产 品
,


必 须将 稳 定 性 好 的 导 体截 面 积 降

中大 型

为此在 发 生 碎熄 时
,
,

要 求 能在短 时

实 用 化 问题较 多 比 如 导 体 和 线 圈结 构 电
磁 力支撑


间 内准 确 检 测 出 碎 熄 故 障 之 前迅 速 排 除 故 障
电力调 节 系统

在 温 升 不 致烧 坏 线 圈


材 料 选 用 及 边 缘 磁 场 等 方 面 尚有 大 量
,

因此需要有 能 从背景 噪 声 中

的工 作 可 做
,

它 与小型


相比
,

,

主 要 是 降低


确 实 识 别 短路 信 号 的 高 灵 敏 度 检 测 器 为 供 了接
又将



超 导 体 的价 格
,

不 过 大 中型

装置 在一 些 国

家 支 持 下 也 实施 了 一 些 项 目 并 正 在进 行 研 究 与 公 用 电 网 或 其 它 用 户 之 间提

在美 国 早 在
用 护

年代 洛 斯 阿 拉 莫 斯 实 验 室 利


在 电 网 低 负荷 时

,

将 多 余 的 电 力转 换
,


超 导 储 能系统进 行 了 电 网 负载 调 节 的 模 拟 并 与 威 斯 康 星 大 学 一 起 长 期进 行 了 大 能量

成 直 流 电储 存 于

中 而 当 电 网 负荷 高 峰 时


研究

,

的直 流 电 转 换 成 交流 电补 充 到 电 网 中
,

系 统 用 于 电力 系 统 负载 调 节 的 研 究
和 论证工作




设计

另外

也 可 调 节 电力 系 统 的 功 率 因 数 永 久 电流 开 关
,



,

洛 斯 阿 拉 莫斯 开 始 实 施 建 系统


造 用 于 提 高输 电 线 路 稳 定 性 的
以长 期 高 效地 储 能


使超 导 线 圈两 端 短 路

由于 该 系 统 可 克服 线 路 卜 存在 的

负阻尼 振

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,

从 而 使 线 路 的动 态 稳 定 极 限 增 加 了




,

需要 半径为 需考虑


的场 地



环 形 线 圈无 此 问题

,

线 路 总输 电能 力为 济效 益
出一 发的 的 的 唯 一 实例




,

具 有 卜 大 的经

但 所 需 导体 的 量 约 为 前 者 的 变流器 耗 及 安 全 性 等 问题 成本 占 比 重 很大




,

故 形 状 问题 仍






年 该 组 件成 功 地运行 一 年 属 年
,

世 界 首例

美 国战 略 防御立 案办公 室提
工 程 实验 模 型

沿用现有技术


,

存在 规格







的计划





前美国

电力 公 司 与 项 目很 受 关 注
,

公 司合作 开

成 本 影 响 实用 应 开 发低 造 价 的



小型
,


成本

它 是 以实 用 为 目
,

造价 尤 其 比 其 它 相 应 技 术 成 本 高

其 中变 流 器 所

它 采用 脉 冲 线 圈


是一种工业设 年前后 完


成 场

,

因而 意义 很 大

该 项 目预 定



此外

年 初 建 立 的美 国 超 导 电公 司 小型 系 统 并 推 向市

结束 语
在 超 导 的 电 力应 用 中
,

研 制 了两 种 形 式 的


需要 的 技 术 较


年 术 中心 力公 司 的
网试 验


,

日本 成 立 了
?

研究会
环形



其 中由

简单
元件
一样

,

应 作 为超 导 电力应 用 的主 选 课 题
它将和 其它元件


通 产 省 自然 能 源 局 委 托

国 际超 导产 业技

技 术 的 研 究 和 发 展 将 使 电力 系 统 中产 生
,



种新 的

进行的

?

装置 正在
项 目和 九 州 电

发电



输电
,




配 电等
也 使 电力

设 计 之 中 关 西 电力 公 司 的

,

成 为 电 力 系 统 的重 要 组 成 部 分 安全运行 水平
、 。

系统 的 电能 质 量
,

电厂 经 济 效 益

计划项 目 此外
,




年完成后 进行 联 瑞 士 和 俄 罗 斯 等 国都


进 一 步提 高 我 国 于 究工 作
,

年 代 中 期 开 始低 温超 导 研 超 导磁 体和 低温 及 应 用 技
,

在 超 导材 料

德国



加拿大

术 等 方 面 都 已 奠 定 了 一 定 的基 础

在某 些 领 域 如


进 行 了超 导 储 能 装 置 的 设 计

高 但对

,

氧 化 物 超 导块 材 的 研 究 处 于 国 际 领 先 水 平
的 研 究几 乎 还 是 一 片 空 白 的 资金 投 入


,

国家 应 予

今后 超 导储 能有 待 解 决 的 问题
技 术 正 处 于当 今 高 新 技 术 的 前 沿
具 有 广 阔 的 商业 应 用 前 景


一定

电 力部 门更 应 该 重 视 和 积 极

支 持这方面 的 工 作 并
无 论从理论 卜 还是
,


,

在 国 外 研 究 的基 础 上 制 定 出
,

符 合 我 国 国 情 的 研 究 计划
限 目标
,

选择 明确 和 实 际 的 有

争 取 在 未来 的 电 力 工 业 建 设 方 面 赶 上 世


从 实验 室 中 均 己 证 明 这 一 点

为 了加 速



界 发 展 的 步伐

术 的实用化 进 程
卜 个 问题 几

,

在 今 后 的研 究 中 要 着 重 考 虑 以

参 考 文 献
大 型 线 圈 的支 承 材 料 造 价
,

电磁 力 支 承

与结构 问题



,

碎熄 断路保护

解 决 断路后 能量释放



控 制 线 圈温 升 的 问 题



永 久 电流 开 关 储 能 损 失大
却的
,

迄 今 研 究 的 超 导 常规 导
,
,


,

,

电 的 开 关 和 超 导 接 点方 式 都 未 突 破 常 温 常规 开 关

余运佳 惠 东 中 大 型 超 导储 能 装 置 的 研 制 与 应 用 中 国
电力
,
,

难 以实用

高温 超 导 体

线圈
, ,

目前 液氮 冷


余运佳 超 导储 能 应 用 于 电力 方 面 的 研 究 高技 术 通 讯
,

,

线 圈 的磁 场 强 度 不 够


故 应 不 断 提 高线

材 临 界温 度 值 以提 高 场 强
的 温 度 使磁 场 强 化 漏 磁场


或 利 用 液氮
,

氢之 间

入江 富 士 男 超 电导
己课
,



不 庄 午 一储藏
,



开 发状 况 开 发状 况

题 电气 学 会 论 文 志
,

根 尾 定纪 超 电导 电力储藏

夕 又 于 么
,



考虑 经 济 性

用 圆筒 形 线 圈 为





将 来展 望 电气 评 论

好 但 环 保 限定漏 磁场 不超过

大型

下转第



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,



,

另 一 部 分 是 由 两 套 结 合 设 备 引起 的


受 母 线 侧 阻 抗 变 化 的影 响 求


分 流 损 失将 达 不 到 要

的工 作衰耗



变 电 站 近 端 跨 越 衰 耗 测 试接 线 原 理 图
,



高频 电 缆 输 入 阻 抗 测 试 原 理 接 线 图

如 实测 的 跨 越 衰 耗 与 标 准 值 相 近

则线路阻
,

波器正常

,

否 则 需要 检 修




这里 要注 意

阻波器 以便 今

参 考 文 献
陈维千 电力线 载波通信 北 京 水 利 电力 出版 社 施 育华 电力 载波 通 道 北 京 水利 电力 出 版 社 赵 伟 电 力线 载波通 信 系统 指 南 社
, , ,

首 次 投 运 的测 试 记 录 等 资 料 要 妥 善 保 存
后 测 试 时进 行 比较 分 析


,

,

跨越 衰 耗 的理 论 值 可 按 下 式 计 算
,

昆明 云 南 科 技 出 版



及 及
式中

潘 莹 玉 董 翔 梁 超 线 路 阻 波 器 的原理 结构 及 维 护测
,



,

,

及 为母 线 两 侧 线 路 阻 波 等 效 阻 抗
及 为 被 串通 道 接
的两 条 线 路
,

试 农 村 电气化

,

寿 为 变 电站 母 线 等 效 高频 阻 抗
收端等效 阻抗
的输 入 阻 抗 例如

,


几 为接到 公共母 线
一 般 有几 及


收稿 日期





某 变 电站







,



相 地祸合线路侧 阻抗 一 般 取

阻波器等

效 阻 抗及 求得
,

及 均取





,

把数值代入上 式可 一

上接 第
黄 晓英
, ,


超 导电磁储 能 的原理


构造 及 应用

供用 电

,

张 秀彬 张 颖 璐 超 导 储 能与 电 网 调 峰 上 海 交 通 大 学
,

如 果某一 阻波器击 穿 如
刀、 一



,



学报

,

,



余运佳 超 导储 能 电力应用 的新 进 展 低温 与 超 导
,

,

阻 波 器 频 率特 性 测 试

这 种 测 试方法 也 可 在 带 电情 况 下 进 行 如 图



将 载频 振 荡器

接一 相应 的终端 电阻
指示为 改 变 振 荡 器 输 出频 率
,

,

调节


, ,

输出

,

使 电平 表
,

再将 终 端 阻 抗 换
,

成 高频 电缆


观 察被测线
余运 佳 超 导技 术在 电力方面 的应 用

,

,

路 阻 波 器 在 阻 塞 频 带 内 电平 的变 化 线路 阻波器 正 常 线 路 阻波器故 障
, ,

尸 △

电工 技 术杂 志

,



因 为线路 阻 波器击 穿后

电缆 的输 入 阻 抗将

修 改稿 日期



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