未来电网中的超导电力技术
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2020年10月16日
主要技术参数 三相30米，12.5kV/1.25kA
三相130米，24kV/2.4kA
三相350米，34.5kV/0.8kA
三相200米，13.2kV/3.0kA 三相600米，138kV/2.4kA 三相1,760米，13.8kV/2kA 三相30米，36kV/2kA 三相6,000米，50kV/3kA 三相100米，66kV/1kA 单相500米，77kV/1kA 三相100米，22.9kV/1.25kA 三相500米，22.9kV/1.25kA 三相75米，10.5kV/1.5kA 直流380米，10kA 三相30米，35kV/2kA
密度大2个数量级； ※ 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，
需要时将电磁能返回电网或其它负载。
超导储能技术的优越性
※ 无需能量形式转换，响应速度极快； ※ 功率密度极高，保证系统非常迅速地以
大功率形式与电力系统进行能量交换； ※ ……
超导储能技术的主要功能
※ 作为新能源领域储能环节的关键技术，如用于平滑风力发电输出； ※ 提高电能和供电质量，例如，消除低频振荡，稳定频率和电压；无功功率控制和功率
研究开发单位 瑞士ABB公司 瑞士ABB公司 美国LM公司 美国GA公司 美国LANL实验室 日本东京电力公司 日本Super-ACE计划 美国SuperPower公司 美国AMSC公司 美国Zenergy Power公司 德国NEXANS公司 德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国科学院电工研究所 中国云电英纳超导电缆公司
2020年10月16日
14
超导储能技术
—小型SMES已商品化，用户包括美国军方、半导体厂、芯片制造厂等； —6台3MJ/8MVA小型SMES安装在威斯康星州公用电力北方环型输电网； —8台3MJ/8MW D-SMES在田纳西州TVA电管局500kV输电网； —日本、德国、意大利、法国、芬兰、韩国等都有相关需求或应用研究。
进一步提高电网和用电系统的能效将变得日益紧迫。
Wind
Bio-Mass Energy
Solar Thermal PV
Tide
Wind Hydro
PV
Storage
Future Green
EV
Energy system
超导电力技术在应对未来电网的重大挑战方面将 发挥重大或不可替代的作用
清洁能源变革对电网带来的重大挑战
※ 体积可减少至常规变压器的40-60%； ※ 不存在火灾隐患和噪音等环境污染； ※ 极限单机容量大，……
超导变压器的应用前景
※ 大容量（例如大于30MVA）的超导变 压器具有明显的经济性，可以大大地节 省空间，降低重量；
※ 是变压器的更新换代产品； ※ 超导变压器特有优势的应用，……
研究开发单位 瑞士ABB公司 日本九州大学 日本铁路科学研究所
2020年10月16日
超导限流器
典型研究开发实例
主要技术参数 三相磁屏蔽型，10.5kV/70A 三相电阻型，8kV/800A 三相桥路型，2.4kV/100A 三相桥路型，15kV/1.2kA 三相可控桥，15kV/1kA 三相电抗器型，66kV/750A 单相电阻型，6.6kV/100A 三相矩阵型，138kV/1.2kA 三相电阻型，115kV/1.2kA 三相饱和铁心型，138kV/2-4kA 三相电阻型，10kV/600A 三相电阻型，7.2kV/100A 三相电阻型，22.9kV/630A 三相改进桥路型，10.5kV/1.5kA 三相饱和铁心型，35kV/1.5kA
状况 1996年完成试验 2001年完成研制 2000年试验完毕 2003年完成单相测试 2003年完成测试 2004年完成研制 2005年完成研制 2011年投入运行 2013年投入运行 2011年投入运行 2004年完成测试 2000年研制成功 2007年研制成功 2005年投入试验运行 2008年投入试验运行
如何实现： 通过Tres Amigas超级变电站实现任何两 个电网互联（直流传输）； AC/DC电能变换； 超导直流电缆（Superconductor Electricity Pipelines）。
关于超级变电站： 地点：Clovis, New Mexico； 占地：22.5平方英里； 超导直流电缆：单根5GW/几英里； 模式：三角形互联/2014年投运。
状况 2002年研制成功 2002年并网运行 1996年开始研制 销售多套 2003年完成样机 2001年投入运行 2005年完成测试 即将并网 2005年完成研制和测 试 2005年完成研制 2005年完成实验
目前已有多套低温SMES投入试验运行，小型低温SMES已有商品 出售，短期内以低温SMES为主，高温SMES是今后的主导发展方向。
2020年10月16日
15
超导电机（电动机和发电机）
超导电机的优越性
超导电机的应用前景
※ 体积小，约为常规同等电机1/5-1/10； ※ 重量轻，约为常规同等电机1/5-1/10； ※ 效率高，比常规同等电机高，特别是在
PO/PN低时； ※ 简化系统结构，改善系统可靠性。
※ 大容量（例如大于30MVA）的超导电机 具有明显的经济性，可以大大地节省
空间，降低重量；
※ 是超大型电机的必然选择； ※ 超导电机特有优势的应用，……
33,500hp电机实例
超导发电机
研究开发单位 日本Super G-M计划 日本Super G-M计划 美国超导公司 美国GE公司 美国超导公司 美国超导公司 美国超导公司 美国Zenergy公司 英国Converteam 德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国712研究所
时无阻抗； ※ 传输容量大：是常规电缆的3-5倍； ※ 体积小、无电磁干扰、无火灾隐患；
高温超导电缆应用前景广阔
利用超导体的零电阻和高载流密度的特性，可以实现比特高压更大 的 传 输 容 量 （ 例 如 500kV 的 高 温 超 导 直 流 电 缆 可 以 实 现 2000050000MW的输送容量），并可降低50%左右的传输损耗，具有天然的 短路电流限制功能，还可以大大地节省传输走廊，因此，是实现大容 量输电和打造未来电力传输网的重要技术选择。
状况 1999年投入试验运行 2000年投入试验运行 （二相低温容器损坏） 2006年完成一期试验 2008年完成二期投运 2006年投入试验运行 2008年投入运行 2011年3月投入运行 2001年投入试验运行 2007年计划实施 2001年完成试验 2004年完成试验 2006年商业交付使用 2010年投入运行 2004年投入试验运行 2011年投入工程示范 2004年投入试验运行
超导输电电缆发展现状
研究开发单位 美国Southwire公司
美国Pirelli公司
美国IGC公司
美国AMSC/Pirelli公司 美国AMSC/LIPA公司 美国Southwire公司（新奥尔良） 丹麦NKT公司 荷兰NKT公司（阿姆斯特丹） 日本东京电力公司 日本古河电工公司 韩国DAPAS计划 韩国LS电缆公司（首尔） 中国科学院电工研究所 中国科学院电工研究所（郑州） 中国云电英纳超导电缆公司
中国科学院电工研究所
中国清华大学 中国华中科技大学
主要技术参数 400V/4MJ/6MW，低温超导 1.8kV/4MJ/1.2MW，低温超导 4.5kV/22MJ/10MW，高温超导 1-10MJ/1-40MW，低温超导 2MJ/1250A，低温超导 3.6MJ/1MW，低温超导 2.5kV/1MJ/500A，高温超导 10.5kV/1MJ/0.5MVA，高温超导 380V/100kJ/25kVA，世界首套 超导限流－储能功能集成系统 220V/300kJ/150kVA，低温超导 250V/35kJ/7kVA，高温超导
美国Waukesha公司
德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国科学院电工研究所 中国株洲电力机车厂
主要技术参数
三相18.7kV/420V，630kVA@77K
单相22kV/6.9kV，1MVA@77K
单相25kV/1.2kV，4MVA@77K
单相13.8/6.9kV，1MVA@25K 三相24.9/4.16kV，5/10MVA@30K 单相138/13.8kV，30MVA@70K
2020年10月16日
○可再生能源市场枢纽
○三大电网完全一体化
7
超导限流器
■利用超导体的超导态/正常态转变特性抑制短路故障电流； ■或采用其它方式进行状态转变抑制短路故障电流。
电力系统正常运行时
低阻抗
配
电
发电厂
变压器
超导限流器
变压器
网
发电厂
电力系统发生短路时
高阻抗
变压器
超导限流器
变压器
配 电 网
接地故障
单相25kV/1.4kV，1MVA@65K
单相154kV/22.9kV，60MVA @65K 三相154kV/22.9kV，100MVA@65K
三相10.5kV/0.4kV，630kVA@77K
三相25kV/860V，315kVA@77K
状况
1997年试验运行
2001年完成试验
2005年完成研制
2000年完成测试 2005年完成测试 2006年启动
程示范。
❖ 正在/计划进展中的：
— 最高电压：154kV； — 最大容量：100MVA； — 工程示范。
❖ 发展趋势：
— 30MVA及以上； — 输电系统应用； — 对重量和体积具有严格要求
的场合（例如，地下变电站 或电力机车等）。
超导储能系统
超导储能技术（SMES）的原理
※ 利用超导体的零电阻特性； ※ 超导体的载流密度比常规铜导线的载流
长距离超大容 量的电力输送
超大规模电网 的安全稳定性
保障电力质量 与供电可靠性
保障电力质量 与供电可靠性
超导输 电电缆
超导限 流技术
超导储 能技术
超导变 压器
超导电 机技术
多功能 集成
超导电力技术为未来电网提供解决方案
2020年10月16日
4
超导输电电缆
超导电缆具有显著传输优势
※ 超导体电流密度大：比Cu高两个量级； ※ 传输损耗小，可降低50%以上； ※ 交流阻抗为常规电缆的1/10，直流传输
未来电网中的超导电力技术
2011年3月
主要内容
能源变革对未来电网带来的重大挑战 超导电力技术对未来电网的作用与影响 超导电力技术的发展现状和趋势 我国发展超导电力技术战略目标和技术路线 我国发展超导电力技术的建议
清洁能源变革对未来电网带来的重大挑战
一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的清洁高效能源体系 格局将变成现实
因数调节；补偿大型电动机启动、焊机、电弧炉、大锤、轧机等波动负载； ※ 通过快速的高功率响应特性和输出功率灵活控制特性，提高电力系统稳定性；
超导储能技术
研究开发单位 德国ACCEL 意大利ENEL 法国EC 美国超导公司/IGC公司 韩国KERI 日本九州电力公司 日本九洲大学 中国科学院电工研究所
发电量大幅度增加，但资源和负荷分布不匹配的格局仍将存在，长距离超大容 量的电力输送将成为一个重大的挑战；
随着电网的规模不断扩大，安全稳定性问题更加突出，而可再生能源的间歇性、 不稳定性及电源机电特性的重大变化对电网安全稳定性提出更加严峻的挑战；
可再生能源的特性及直流负荷的增加，对电力质量的提高带来了新的挑战；
2001年完成测试
2004年完成设计 2011年并网运行
2005年试验运行
2005年完成研制
超导变压器的现状
ABB 630kVA Waukesha 10MVA SIEMENS 1MVA DAPAS 100MVA
❖ 已经完成的：
— 最高电压：22.9kV； — 最大容量：1MVA； — 配电系统和电力机车进行工
9
超导限流器
美国SuperPower公司：电阻型SFCL
■基于二代超导带材的矩阵式SFCL； ■短路电流：13.8kA（峰值37kA）；
■装置容量：138kV/1.2kA； ■投运时间：2011年。
2020年10月16日
10
超导变压器
超导变压器的优越性
※ 不存Biblioteka Baidu焦耳热损耗，总体效率高， 节能潜力巨大；
6
Source: http://www.amsc.com/
超导电缆的发展现状
美国：Tres Amigas超级变电站
驱动力： 美国现有三大电网（美国东部电网、西部 电网、德克萨斯电网）之间基本未实 现有效互联； 可再生能源利用快速发展； 超导体具有零电阻效应和高电流传输密度 等不可比拟的巨大优势。
主要技术参数 三相30米，12.5kV/1.25kA
三相130米，24kV/2.4kA
三相350米，34.5kV/0.8kA
三相200米，13.2kV/3.0kA 三相600米，138kV/2.4kA 三相1,760米，13.8kV/2kA 三相30米，36kV/2kA 三相6,000米，50kV/3kA 三相100米，66kV/1kA 单相500米，77kV/1kA 三相100米，22.9kV/1.25kA 三相500米，22.9kV/1.25kA 三相75米，10.5kV/1.5kA 直流380米，10kA 三相30米，35kV/2kA
密度大2个数量级； ※ 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，
需要时将电磁能返回电网或其它负载。
超导储能技术的优越性
※ 无需能量形式转换，响应速度极快； ※ 功率密度极高，保证系统非常迅速地以
大功率形式与电力系统进行能量交换； ※ ……
超导储能技术的主要功能
※ 作为新能源领域储能环节的关键技术，如用于平滑风力发电输出； ※ 提高电能和供电质量，例如，消除低频振荡，稳定频率和电压；无功功率控制和功率
研究开发单位 瑞士ABB公司 瑞士ABB公司 美国LM公司 美国GA公司 美国LANL实验室 日本东京电力公司 日本Super-ACE计划 美国SuperPower公司 美国AMSC公司 美国Zenergy Power公司 德国NEXANS公司 德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国科学院电工研究所 中国云电英纳超导电缆公司
2020年10月16日
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超导储能技术
—小型SMES已商品化，用户包括美国军方、半导体厂、芯片制造厂等； —6台3MJ/8MVA小型SMES安装在威斯康星州公用电力北方环型输电网； —8台3MJ/8MW D-SMES在田纳西州TVA电管局500kV输电网； —日本、德国、意大利、法国、芬兰、韩国等都有相关需求或应用研究。
进一步提高电网和用电系统的能效将变得日益紧迫。
Wind
Bio-Mass Energy
Solar Thermal PV
Tide
Wind Hydro
PV
Storage
Future Green
EV
Energy system
超导电力技术在应对未来电网的重大挑战方面将 发挥重大或不可替代的作用
清洁能源变革对电网带来的重大挑战
※ 体积可减少至常规变压器的40-60%； ※ 不存在火灾隐患和噪音等环境污染； ※ 极限单机容量大，……
超导变压器的应用前景
※ 大容量（例如大于30MVA）的超导变 压器具有明显的经济性，可以大大地节 省空间，降低重量；
※ 是变压器的更新换代产品； ※ 超导变压器特有优势的应用，……
研究开发单位 瑞士ABB公司 日本九州大学 日本铁路科学研究所
2020年10月16日
超导限流器
典型研究开发实例
主要技术参数 三相磁屏蔽型，10.5kV/70A 三相电阻型，8kV/800A 三相桥路型，2.4kV/100A 三相桥路型，15kV/1.2kA 三相可控桥，15kV/1kA 三相电抗器型，66kV/750A 单相电阻型，6.6kV/100A 三相矩阵型，138kV/1.2kA 三相电阻型，115kV/1.2kA 三相饱和铁心型，138kV/2-4kA 三相电阻型，10kV/600A 三相电阻型，7.2kV/100A 三相电阻型，22.9kV/630A 三相改进桥路型，10.5kV/1.5kA 三相饱和铁心型，35kV/1.5kA
状况 1996年完成试验 2001年完成研制 2000年试验完毕 2003年完成单相测试 2003年完成测试 2004年完成研制 2005年完成研制 2011年投入运行 2013年投入运行 2011年投入运行 2004年完成测试 2000年研制成功 2007年研制成功 2005年投入试验运行 2008年投入试验运行
如何实现： 通过Tres Amigas超级变电站实现任何两 个电网互联（直流传输）； AC/DC电能变换； 超导直流电缆（Superconductor Electricity Pipelines）。
关于超级变电站： 地点：Clovis, New Mexico； 占地：22.5平方英里； 超导直流电缆：单根5GW/几英里； 模式：三角形互联/2014年投运。
状况 2002年研制成功 2002年并网运行 1996年开始研制 销售多套 2003年完成样机 2001年投入运行 2005年完成测试 即将并网 2005年完成研制和测 试 2005年完成研制 2005年完成实验
目前已有多套低温SMES投入试验运行，小型低温SMES已有商品 出售，短期内以低温SMES为主，高温SMES是今后的主导发展方向。
2020年10月16日
15
超导电机（电动机和发电机）
超导电机的优越性
超导电机的应用前景
※ 体积小，约为常规同等电机1/5-1/10； ※ 重量轻，约为常规同等电机1/5-1/10； ※ 效率高，比常规同等电机高，特别是在
PO/PN低时； ※ 简化系统结构，改善系统可靠性。
※ 大容量（例如大于30MVA）的超导电机 具有明显的经济性，可以大大地节省
空间，降低重量；
※ 是超大型电机的必然选择； ※ 超导电机特有优势的应用，……
33,500hp电机实例
超导发电机
研究开发单位 日本Super G-M计划 日本Super G-M计划 美国超导公司 美国GE公司 美国超导公司 美国超导公司 美国超导公司 美国Zenergy公司 英国Converteam 德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国712研究所
时无阻抗； ※ 传输容量大：是常规电缆的3-5倍； ※ 体积小、无电磁干扰、无火灾隐患；
高温超导电缆应用前景广阔
利用超导体的零电阻和高载流密度的特性，可以实现比特高压更大 的 传 输 容 量 （ 例 如 500kV 的 高 温 超 导 直 流 电 缆 可 以 实 现 2000050000MW的输送容量），并可降低50%左右的传输损耗，具有天然的 短路电流限制功能，还可以大大地节省传输走廊，因此，是实现大容 量输电和打造未来电力传输网的重要技术选择。
状况 1999年投入试验运行 2000年投入试验运行 （二相低温容器损坏） 2006年完成一期试验 2008年完成二期投运 2006年投入试验运行 2008年投入运行 2011年3月投入运行 2001年投入试验运行 2007年计划实施 2001年完成试验 2004年完成试验 2006年商业交付使用 2010年投入运行 2004年投入试验运行 2011年投入工程示范 2004年投入试验运行
超导输电电缆发展现状
研究开发单位 美国Southwire公司
美国Pirelli公司
美国IGC公司
美国AMSC/Pirelli公司 美国AMSC/LIPA公司 美国Southwire公司（新奥尔良） 丹麦NKT公司 荷兰NKT公司（阿姆斯特丹） 日本东京电力公司 日本古河电工公司 韩国DAPAS计划 韩国LS电缆公司（首尔） 中国科学院电工研究所 中国科学院电工研究所（郑州） 中国云电英纳超导电缆公司
中国科学院电工研究所
中国清华大学 中国华中科技大学
主要技术参数 400V/4MJ/6MW，低温超导 1.8kV/4MJ/1.2MW，低温超导 4.5kV/22MJ/10MW，高温超导 1-10MJ/1-40MW，低温超导 2MJ/1250A，低温超导 3.6MJ/1MW，低温超导 2.5kV/1MJ/500A，高温超导 10.5kV/1MJ/0.5MVA，高温超导 380V/100kJ/25kVA，世界首套 超导限流－储能功能集成系统 220V/300kJ/150kVA，低温超导 250V/35kJ/7kVA，高温超导
美国Waukesha公司
德国西门子公司 韩国DAPAS计划 中国科学院电工研究所 中国株洲电力机车厂
主要技术参数
三相18.7kV/420V，630kVA@77K
单相22kV/6.9kV，1MVA@77K
单相25kV/1.2kV，4MVA@77K
单相13.8/6.9kV，1MVA@25K 三相24.9/4.16kV，5/10MVA@30K 单相138/13.8kV，30MVA@70K
2020年10月16日
○可再生能源市场枢纽
○三大电网完全一体化
7
超导限流器
■利用超导体的超导态/正常态转变特性抑制短路故障电流； ■或采用其它方式进行状态转变抑制短路故障电流。
电力系统正常运行时
低阻抗
配
电
发电厂
变压器
超导限流器
变压器
网
发电厂
电力系统发生短路时
高阻抗
变压器
超导限流器
变压器
配 电 网
接地故障
单相25kV/1.4kV，1MVA@65K
单相154kV/22.9kV，60MVA @65K 三相154kV/22.9kV，100MVA@65K
三相10.5kV/0.4kV，630kVA@77K
三相25kV/860V，315kVA@77K
状况
1997年试验运行
2001年完成试验
2005年完成研制
2000年完成测试 2005年完成测试 2006年启动
程示范。
❖ 正在/计划进展中的：
— 最高电压：154kV； — 最大容量：100MVA； — 工程示范。
❖ 发展趋势：
— 30MVA及以上； — 输电系统应用； — 对重量和体积具有严格要求
的场合（例如，地下变电站 或电力机车等）。
超导储能系统
超导储能技术（SMES）的原理
※ 利用超导体的零电阻特性； ※ 超导体的载流密度比常规铜导线的载流
长距离超大容 量的电力输送
超大规模电网 的安全稳定性
保障电力质量 与供电可靠性
保障电力质量 与供电可靠性
超导输 电电缆
超导限 流技术
超导储 能技术
超导变 压器
超导电 机技术
多功能 集成
超导电力技术为未来电网提供解决方案
2020年10月16日
4
超导输电电缆
超导电缆具有显著传输优势
※ 超导体电流密度大：比Cu高两个量级； ※ 传输损耗小，可降低50%以上； ※ 交流阻抗为常规电缆的1/10，直流传输
未来电网中的超导电力技术
2011年3月
主要内容
能源变革对未来电网带来的重大挑战 超导电力技术对未来电网的作用与影响 超导电力技术的发展现状和趋势 我国发展超导电力技术战略目标和技术路线 我国发展超导电力技术的建议
清洁能源变革对未来电网带来的重大挑战
一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的清洁高效能源体系 格局将变成现实
因数调节；补偿大型电动机启动、焊机、电弧炉、大锤、轧机等波动负载； ※ 通过快速的高功率响应特性和输出功率灵活控制特性，提高电力系统稳定性；
超导储能技术
研究开发单位 德国ACCEL 意大利ENEL 法国EC 美国超导公司/IGC公司 韩国KERI 日本九州电力公司 日本九洲大学 中国科学院电工研究所
发电量大幅度增加，但资源和负荷分布不匹配的格局仍将存在，长距离超大容 量的电力输送将成为一个重大的挑战；
随着电网的规模不断扩大，安全稳定性问题更加突出，而可再生能源的间歇性、 不稳定性及电源机电特性的重大变化对电网安全稳定性提出更加严峻的挑战；
可再生能源的特性及直流负荷的增加，对电力质量的提高带来了新的挑战；
2001年完成测试
2004年完成设计 2011年并网运行
2005年试验运行
2005年完成研制
超导变压器的现状
ABB 630kVA Waukesha 10MVA SIEMENS 1MVA DAPAS 100MVA
❖ 已经完成的：
— 最高电压：22.9kV； — 最大容量：1MVA； — 配电系统和电力机车进行工
9
超导限流器
美国SuperPower公司：电阻型SFCL
■基于二代超导带材的矩阵式SFCL； ■短路电流：13.8kA（峰值37kA）；
■装置容量：138kV/1.2kA； ■投运时间：2011年。
2020年10月16日
10
超导变压器
超导变压器的优越性
※ 不存Biblioteka Baidu焦耳热损耗，总体效率高， 节能潜力巨大；
6
Source: http://www.amsc.com/
超导电缆的发展现状
美国：Tres Amigas超级变电站
驱动力： 美国现有三大电网（美国东部电网、西部 电网、德克萨斯电网）之间基本未实 现有效互联； 可再生能源利用快速发展； 超导体具有零电阻效应和高电流传输密度 等不可比拟的巨大优势。