超导电力装置规模化应用中的基础性理论和技术课题

石 晶， 张立晖， 徐 颖， 张中平， 蒲东昇， 郭树强， 任 丽， 唐跃进

(强电磁工程与新技术国家重点实验室， 华中科技大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430074)

超导电力装置规模化应用中的基础性理论和技术课题

石 晶， 张立晖， 徐 颖， 张中平， 蒲东昇， 郭树强， 任 丽， 唐跃进

(强电磁工程与新技术国家重点实验室， 华中科技大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430074)

超导装置在电力系统中的有效应用可以大幅度提高输配电线路的输送容量，改善电能的质量，降低电网的损耗，减少电力设备占地和环境污染。国内外研究单位开展了大量的研究开发工作，研制出各类超导电力装置并挂网示范运行。本文在现有超导电力装置研究的基础上，分析超导装置引入电力系统后带来的一系列基础理论和技术问题，分别从装置层面、运行层面及系统层面具体分析并概要性地总结研究思路，以解决超导装置与电力系统的相互配合问题，促进超导装置在电力系统中的工程化应用的进程。

超导电力装置； 超导电力装置与系统的互相作用； 电力系统安全可靠性； 电力系统运行经济性

1 引言

在未来的电力系统中，超导技术被赋予了重大的期望，受到国内外研究单位及电力工业部门的广泛关注。我国的国家电网公司和南方电网公司相继成立了超导电力技术的研究部门，中船重工、上海电缆研究所、东方电机、西电集团等设备制造厂家也先后启动了超导电力装置(以下简称超导装置)的研究开发工作。目前，超导电机、超导变压器、超导电缆、超导限流器、超导磁储能系统等超导装置已相继研制成功，并挂网进行了示范运行[1-5]。

虽然超导装置相较于常规装置具有体积小、重量轻、损耗低、效率高等优点，但是目前超导电力技术仍未获得推广应用，其主要原因在于：①成本，超导装置的成本往往远大于同类常规装置；②可靠性，超导装置中超导部件以及低温系统的可靠性尚不能给予人们足够的信心；③运行与维护，人们对超导装置对电力系统性能的影响的研究尚不透彻，对超导装置的运行维护及其寿命也心存疑虑，如超导限流器与继电保护的协调动作、低温系统部件的维护与寿命。由此可见，为了实现超导装置在电力系统中的规模化应用，还需要解决若干与系统运行相关联的技术性问题。本文将分别从超导装置的设计制造、运行、超导装置对电力系统的影响三个层面，对含超导装置电力系统中具有普遍性的理论与技术问题进行梳理，期望能对促进超导电力技术的工程化应用有所增益。

2 超导装置研制中的课题

2.1超导导线内磁通运动与大电流导体

在超导电力应用中，超导体的磁通钉扎力是超导导线在稳定直流下无损耗、在交流下低损耗的根本保证，体现在超导导线的技术参数上就是临界电流、临界磁场以及交流损耗。目前的高温超导导线临界电流与磁场的大小及方向的关联性均太强，虽然高温超导体自身的各向异性结构是天然的不足，但目前对超导装置在电力系统动态运行环境下导线内部的磁通运动与其温度、磁场之间的关系还需要更深入的研究，以获得性能更高的电力装置用的高温超导导线，包括开发新类别超导体的导线。

满足电力系统应用需求的超导装置一般需要通流容量大、电磁换位容易的超导导体，目前的高温超导带材还难以满足这类要求。超导变压器、超导电机、超导磁储能及超导限流器等所需要的大容量超导线圈中单纯地利用多根导体并联或简单的导线换位，很容易在并联支路之间出现环流问题，降低超导导线的利用率。因此，需从磁通钉扎、导线制作工艺入手提高导线的性能，研发适合电磁换位的超导带材，同时以优化电磁性能为目标开发大电流导体。

2.2超导装置的热稳定性

超导装置在电网中运行时不可避免地会承受电力系统的动态过程所导致的电流、电压的变化，从而使超导部件经历动态过程，其电磁稳定性、热稳定性都会面临挑战。

不同的超导装置，因其目标功能不同，在电力系统中的运行环境也不同，所承受的动态过程也有差异。超导电机、超导变压器、超导电缆所承受的动态过程一般需具备短时过负荷能力，以及承受在保护(迅速限流或切除故障)下的暂态过电流。有的研究工作提出使超导变压器、超导电缆兼有限制故障电流功能[6]，这同时会提高这些超导装置对热稳定性的要求。超导限流器，特别是利用超导体失超电阻的电阻型限流器，其热稳定性更为重要，要防止失超不均匀使得超导部件毁损[7]。

图1为储能磁体内的电流变化示意图。超导磁储能系统在储能备用状态下磁体电流恒定，不产生损耗也不会有温度变化。然而，如图1所示，一旦储能系统接到功率补偿指令需要吸收或者释放功率时，磁体电流是动态变化的，这时就会在超导磁体内部产生交流损耗，磁体温度上升，临界电流下降，这将影响储能系统的功率补偿能力。

图1 储能磁体内的电流变化示意图Fig.1 Diagram of current variation in energy storage magnet

为保证超导装置的热稳定性，需要从分析超导导体内部的磁通运动出发，研究不同动态条件下导体的临界电流变化、交流损耗变化、失超以及失超传播特性；在超导部件及其冷却系统方面，应研究不同介质的热传递基础物理数据并建立数据库和相应的电磁、热传递的数学模型，分析电力系统处于稳态、动态和暂态过程中超导部件内部的传热特性及其演变机理与规律，实现超导部件的热稳定性优化设计。

2.3超导装置的动态电压分布特性

超导装置在系统运行过程中可能会承受各种过电压，包括因电流突变诱发的感应过电压、操作产生的过电压乃至雷电过电压，对于使用PWM控制变流器的装置，如超导磁储能，其超导磁体还会承受方波电压在磁体分布参数电路中的折反射导致的过电压。

从外部传递过来的过电压作用于超导绕组时，会因为绕组的分布参数产生电压的不均匀分布，这与常规变压器绕组在雷电冲击下的电压分布不匀机理相同。但是，超导绕组所处的低温环境及拥有的极低电阻特性，使得其分布参数以及波过程的衰减特性都不同于常规绕组。

因此，应研究并建立超导部件在不同绝缘材料和绝缘结构下的暂态电磁模型，分析各类动态过电压下超导部件的电压分布特性。

2.4低温绝缘材料及绝缘结构设计

绝缘是关系到电力设备安全性和可靠性的关键技术。超导装置需要从极低温至外部环境温度的整个温区内的绝缘安全。绝缘安全与绝缘材料的性能、绝缘结构以及承受的过电压形态相关。虽然国内外许多研究机构在低温绝缘技术领域都进行了相关研究[8-10]，但其仍然是值得关注的关键技术课题。

(1)绝缘材料

常用的低温固体绝缘材料主要有聚酰亚胺(PI)、聚四氯乙烯、环氧树脂等材料。PI膜具有稳定的物化、电学及力学性质，被应用于低温超导磁体的层间、匝间以及对地绝缘。中国科学院理化技术研究所提出了改良PI膜介电性能的方法[11]，还有许多学者研究了改进环氧聚醚的超低温韧性、冲击强度以及弯曲、压缩和拉伸性能的方法[12]。

在液体和气体绝缘特性方面，对液氦、液氮的研究较为充分，但在受热状态下的液、气混合状态、不同温度下的蒸发气体的绝缘性能数据仍然较少。

为满足跨越低温到室温的绝缘需求，应加强不同绝缘材料在不同温度下的绝缘性能、机械性能研究并建立数据库。绝缘性能应包括不同温度下的介电参数、耐压水平、电荷积聚性能和局部放电特性、绝缘材料的寿命特性。另外，为了适应超导材料及其应用技术的发展，也需要将绝缘性能研究拓展到更高液化温度的单质气体、混合气体。

(2)绝缘结构

绝缘结构问题包括超导部件局部的绝缘形式和超导部件的整体绝缘结构。局部绝缘形式有单一介质绝缘和复合绝缘两种。复合绝缘较为复杂，在交流损耗或失超状态下，可能有液体、气体、多重固体绝缘的绝缘复合形态。目前，对这类绝缘结构的局部放电、耐压特性的研究还很少。整体绝缘结构涉及到跨温区、机械性能、分布参数的考量等诸多因素。

(3)可能承受的电压

电气设备的绝缘设计与它可能承受的电压密切相关，可以通过改善外部环境降低对绝缘水平的要求。这里以超导磁储能为例简要说明。

超导磁储能系统一般采用PWM的变流器与电力系统相连接，在与交流电网进行功率交换时，高频PWM脉冲电压会在超导磁体上产生尖峰过电压[13]。有多种技术手段可以降低这种尖峰电压，如改善超导磁体的分布参数，设置高频滤波器，甚至设计新型变流器拓扑结构，探索从源头上消除超导磁体上的高频PWM脉冲电压。

2.5多物理场耦合设计及场路耦合设计

2.1节～2.4节的4项基础性关键技术课题表明，超导导线的通流能力与磁场的大小、方向相关，其优化设计需要考虑电流、磁场、温度、应力的相互关联特性；绝缘设计需要考虑电场强度及其分布；动态热稳定性、电压分布特性需要与传热、电力系统分析相结合。因此，超导装置的设计离不开多物理场的耦合分析，而进一步的发展方向则是场路耦合分析与设计，甚至可以考虑一个小目标——超导装置优化设计中的虚拟运行实验。

超导磁储能系统的场路耦合优化设计应考虑的主要因素如图2所示[14]。基于场路耦合同时结合多物理场共同影响的优化方法考虑较为全面，对于提高超导装置的经济性和稳定性具有重要作用。

图2 超导磁储能磁体场路耦合设计的主要影响因素Fig.2 Main influence factors of field circuit coupling design for SMES

由图2可知，超导磁体上分布的磁场大小和方向都是不均匀的，考虑到超导导线的临界电流和磁场的关系，超导磁体或线圈的电磁设计需要实现相当精细的局域计算。虽然电路的分析可用等效电路的方式简化电力系统模型，但由于涉及的部件、影响因素众多，在大型超导装置上实现多场耦合设计、场路耦合设计是一项大型的系统性任务，需要庞大的基础性物理参数数据库、不同对象的数学模型、面对大数据分析的快速计算方法以及稳定收敛的多目标优化方法。目前还没有商业化软件能真正实现场路耦合分析与设计。

3 含超导装置的电力系统运行问题

3.1安全可靠性

现代社会对电力供应的可靠性要求越来越高，对电力设备的安全性能、运行维护手段提出了更高的标准。目前，虽然研究者们在研发不同超导装置过程中进行了多种性能检测试验，但均未能形成标准化的规程。为提高超导装置的安全性及长期运行可靠性，需对装置的入网标准、实验规程、运行中的状态监测与评估方法等开展相关研究工作[15]。

(1)入网标准与试验规程

超导装置入网前必须系统地检测其技术性能，这就要求建立一套完整的、标准化的试验程序及试验方法验证其已达到入网标准。这类标准与规范应包括针对不同超导装置、不同应用场景和目标的试验内容、试验次序、试验方法、合格指标。

(2)试验方法与参数指标

超导装置的部分基本性能试验可以复制或参考常规电力装置的检测方法，与超导特性相关联、需要研究的试验方法及其参数指标主要有以下三类：①特殊功能的性能指标，例如低温系统的冷却效率、限流器的限流能力、超导磁储能的动态功率补偿能力、失超保护的动作性能(在装置上直接实施这项试验存在风险)；②通流能力的裕度；③承受暂态或动态过负荷时的热稳定裕度。

(3)运行状态监测与状态评估

电力设备的运行状态监测与评估对于提高设备的运行安全、降低维护费用具有重要意义，也是智能电网的重要组成部分。超导装置的状态监测首先要实现的功能是预警和启动失超保护，其技术要求远高于常规电力设备的运行监测，需研究快速、准确、可靠的信号处理、模式识别及智能分析等技术手段。可靠的状态评估结论也可用来控制超导装置的运行，设置某些可在线调节的功能阈值以确保安全。

3.2优化配置

超导装置在电力系统中的优化配置，既能确保超导装置功能的有效发挥，也能提高电力系统的经济性。不同装置有不同的功能，可类比无功补偿中的灵敏度分析，研究不同功能在电网络中的灵敏节点和支路的分析理论，实现含预测电力需求增长的电力系统网络优化和超导装置的优化配置方法。

超导磁储能是一种新型的电力装置，它具备储能能力，可实现负荷调节、有功功率和无功功率的动态补偿等多种应用目标。对超导磁储能而言，优化配置除了上述寻求灵敏配置点之外，分布式的分散配置是有效解决大型储能磁体制作困难、降低设备失效风险的一种技术手段。

3.3运行控制

随着社会对电力安全和供电可靠性要求的提高、电力电子设备的大量应用、间歇性波动性新能源的接入、智能电网的发展，控制技术在电力系统中的重要性正在持续增强。而超导装置的应用，将为电力系统中的运行控制增添新的内容，需要研究多目标控制、协调控制、基于状态评估的安全运行控制等控制策略和方法。

(1)对同一控制目标的多台装置协调控制

超导磁储能系统、超导磁悬浮飞轮储能、超导限流器、超导可调电抗器这类需快速响应电力系统状态变化的装置，需要与已有的稳定性控制、FACTS装置、保护装置等协调动作。这一方面能提高对目标参数的调控效果，另一方面也能减小超导装置的容量要求。例如，将具有快速响应能力且充放电循环寿命长的超导磁储能与成本低但响应速度慢的电池储能协调运行，使超导磁储能负责高频、暂态的峰值功率补偿，而电池负责低频、持续时间长的功率补偿，则既可以延长电池的使用寿命，又能有效降低高成本超导磁储能的储能容量要求。

因多种技术因素的制约，超导磁储能、超导磁悬浮飞轮储能难以实现单机超大容量。可以通过储能系统模块化、分散应用的概念实现大容量储能，即在某一应用地点采用多台超导装置共同运行或在区域电网中的不同位置布置多台装置，这时则需要实现多台超导装置之间的协调控制[16,17]。

(2)基于状态评估的安全运行控制

超导体的通流能力与温度相关，也有研究表明超导线圈承载的电流不同时其磁场分布以及电感参数也会发生变化。因此，超导装置的输出能力与多个状态参数相关。以超导磁储能为例，不同电流值有不同的储能容量，其在不同时刻能吸收或输出的能量及功率也不同。因此，需根据储能磁体当前的储能状态及温度等因素，确定其在此时能输出的最大容量和功率，即实施基于状态评估的控制[18]。

3.4经济性分析

与常规电力装置相比较，超导装置的高成本是制约其规模化应用的重要因素之一。但是，超导装置的应用可带来一系列的附加效益，诸如降低电压等级，节省用地面积，提高电网的安全性，改善供电品质等。以超导电缆为例，有研究表明在大城市中，即使采用低温超导电缆，也可因降低电压等级、简化网络结构而获得经济效益[19]。在具有高密度用电需求但送电走廊昂贵的大城市，超导电缆甚至将成为必要的选择。因此，应研究新的电力装置的经济性评估概念和方法，综合评价电力系统中应用超导装置的经济性。

4 超导装置的引入对电力系统的影响

4.1系统阻尼特性

超导装置在稳定直流下具有零电阻，在交流下虽会产生交流损耗，但其阻抗远低于常规导体的电阻值。当大规模引入超导装置特别是出现发电机、变压器、输电线路一体超导化时，有可能导致电力系统阻尼特性的变化，不利于抑制系统中的功率振荡。虽然出现这种情形还需要较长的时间，但应从控制稳定性理论出发，研究低阻尼系统的稳定控制问题，探索改善系统阻尼特性的方法[20]。实际上，研究系统阻尼特性以及抑制振荡的理论和方法，也有助于超导磁储能系统的有效利用。

4.2电力系统网架结构

超导装置一般具有容量和容量密度大的特点，而且在正常运行状态阻抗很小。与常规的电力设备相比较，对于相同容量和相同的输电通道，超导装置可以用更低的电压输送电力；而对于相同的电压，超导装置可以输送更大容量的电力。因此，在高密度供电的城市电网，使用超导装置可以通过降低电压等级减少下游大量电力设备的成本，也可以通过增加输送容量简化网络结构。

超导电缆近期的应用场合之一是供电密度高的城市电网，应结合3.4节的经济性分析，研究网络构架的优化方法，以获取更大的效益，促进超导技术在电力系统中的应用。

4.3与系统保护协调配合

在电力系统中引入超导装置可能因为它们特有的阻抗特性和失超特性，对电力系统现有的继电保护装置产生影响。因此，必须研究以下几方面的课题：①系统原有保护装置的运行特性研究；②超导装置在系统电流、电压波动及故障过程中的阻抗变化特性分析；③引入超导装置后系统保护设备运行特性分析；④协调运行特性设计；⑤含超导装置的电力系统保护动作时序修改及完善。

以超导限流器为例，其基本原理是在电力系统故障过程中，增加了系统阻抗的电阻分量或电抗分量以限制短路电流，由于不同类型限流器所呈现的不同阻抗特性，其引入的电阻/电感分量都可能导致原本特性圆内的测量阻抗向量延伸至圆外，从而使得距离保护拒动。

在分析超导装置与系统相互作用的基础上，应根据所引入超导装置的详细运行特性，重新对继电保护参数进行整定，确立新的继电保护方案[21,22]。

5 结论

本文从超导装置的设计制造、运行、超导装置对电力系统的影响三个层面，分析了超导电力装置规模化应用中的基础性理论和技术课题，并针对不同层面的问题提出具体的研究思路，促进超导装置在电力系统中的工程化应用的进程。相关工作需要科研单位、设备制造企业、电力企业等相关部门的共同努力才能推进超导装置的工程化应用。

此外，应根据现有电力系统的运行特性及需求，探索超导装置新的应用模式，进一步开发新型超导装置，如超导直流限流器、新型超导电抗器等，拓展超导技术在电力系统中的应用范围。

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Fundamentaltheoreticalandtechnicaltopicsforlargescaleapplicationofsuperconductingdevicesinpowersystems

SHI Jing, ZHANG Li-hui, XU Ying, ZHANG Zhong-ping, PU Dong-sheng,GUO Shu-qiang, REN Li, TANG Yue-jin

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The application of superconducting devices in power system can greatly increase the capacity of transmission lines, improve the power quality, reduce the power loss, and decrease the power equipment occupation area as well as the environmental pollution. Many research institutes in China and abroad have done much related research. Different kinds of superconducting power devices have been developed and connected to grid for demonstration operation. Based on the research achievements of superconducting power devices, this paper mainly focuses on a series of fundamental theoretical and technical topics about the introducing of superconducting devices in power system. To achieve the coordination between superconducting devices and power system, the research approaches are analyzed and summarized from device aspect, operation aspect and system aspect, and the results will be used to promote the engineering application of superconducting devices in power system.

superconducting power device; interaction between superconducting devices and power system; security and reliability of power system; economic operation of power system

10.12067/ATEEE1707033

1003-3076(2017)10-0063-06

TM26

2017-07-10

湖北省自然科学基金重点类项目(2016CFA075)

石 晶(1980-), 女, 湖北籍, 副教授, 博士, 研究方向为超导电力装置的研发与应用；张立晖(1992-), 男, 浙江籍, 硕士研究生, 研究方向为超导电力装置的系统应用。