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题目

超导电力技术在智能电网的应用

2015 年6月

摘要

随着人们对环境与资源保护意识的增强，对生活方式的改善以及信息化社会的发展，对电力系统的经济性、供电可靠性、供电质量、供电容量和密度将提出

更高的要求。未来电力工业的发展方向主要向智能化发展，而发展智能电网离不开超导电力技术的有力支持。超导电力技术作为21世纪的高新技术之一，其应用与发展具有不可忽视的战略意义。通过应用超导电力技术，可有效促进电力工业发展水平的提升，推动电力工业改革与发展。以我国实际国情为出发点，再加上电力工业发展的实际情况，超导电力技术在未来智能电网中的运用，将解决电力工业发展面临的各种难题，已成为电力工业可持续发展的必经之路。研究超导电力技术在智能电网中的应用对我国的电力系统的发展具有重要的意义。本文基于我国电力系统的现状，并考虑未来能源结构的重大变化以及超导技术的迅速发展，从系统角度出发，对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨。

关键词：超导电力；智能电网；应用与发展；可持续发展；前瞻性

一、引言

智能电网对于我国电网的发展具有重要的意义，智能电网无论是在稳定性，

经济性还是对于可再生资源的包容性以及电能智能上与传统电网相比都有了显

著的提升；而超导电力技术对于智能电网的开发具有关键的作用，为智能电网的建设提供了有力的条件。但是，由于电力系统的运行具有自身的特殊性和复杂性

的特点，因此，在超导电力技术应用的同时，肯定会给当前的电力系统带来一定的挑战，从目前的情况来看，我国无论是从理论上还是实践上对于超导电力技术

还缺乏一定的准备。本文基于我国电力系统的现状，并考虑未来能源结构的重大变化以及超导技术的迅速发展，从系统角度出发，对超导电力技术在智能电网的应用做出具有前瞻性的探讨。

二、超导技术的产生和发展

1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或

临界温度，常用Tc表示。超导是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突

然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）因为这个温度很低，在绝对零度附近。因而目前为止，应用不是很广泛，但是科学家在研究高温超导，如

果研究成功，用这种材料导电时不损耗电能，不产生热量，可以节约能源。

在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。金属汞是超导体。进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，单个金属的超导转变温度都

很低，没有应用价值。因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。其中Nb3Ge 的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。当超导体显示

导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。这里又一次看到材料发展与科学技术互相

促进的关系。

低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了

突破。瑞士Bednorz和Müller发现他们研制的La-Ba-CuO混合金属氧化物具有超导电性，转变温度为35K。这是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合

金属氧化物超导体的研究方向。接着中、美科学家发现Y-Ba-CuO混合金属氧化物在90K具有超导电性，这类超导氧化物的转变温度已高于液氮温度（77K），高温超导材料研究获得重大进展。一连串激动人心的发现在世界上掀起了“超导热”。目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。高温超导体的研究方兴未艾，人们殷切地期待

着室温超导材料的出现。

人们发现C60与碱金属作用能形成AxC60（A代表钾、铷、铯等），它们都是超导体，大多数AxC60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物

超导体是无机超导体，它们都是层状结构，属二维超导。而AxC60则是有机超导体，它们是球状结构，属三维超导。因此AxC60这类超导体是很有发展前途的超导材料。

20世纪末，科学家合成了在室温下具有超导性能的复合材料，室温超导材

料的研制成功使超导的实际应用成为可能。超导研究引起各国的重视，一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。

三、超导技术在智能电网的应用

（1）提高电力系统暂态稳定性

超导故障限流器是近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备，超导故

障限流器，利用超导体的超导/常态转变特性，由零电阻迅速转变为高阻值，从

而达到降低系统的短路电流的目的。超导故障限流器能满足智能电网对暂态稳定

的快速性和准确性的要求。

（2）提高电力系统小干扰稳定性

我国未来智能电网虽然有可再生能源的加入，但仍然遵循着大电网、大机

组的发展发向，远距离大容量输送电能不可避免，降低了系统运行的动态安全性。大规模互联系统小干扰稳定与否主要表现在区域联络线的功率振荡。如果在输电系统中，能对功率越限部分进行实时补偿，在功率过高时吸收功率，在功率过低时释放功率，以平稳联络线功率，则能有效提高系统小干扰稳定性。超导储能系

统具有能快速充、放电的功能，并且可对系统提供瞬时有功功率与无功功率的支持，通过附加阻尼控制器，可以对线路功率进行实时补偿，阻尼系统振荡。使用

超导电缆进行输电是基于超导技术的可行的解决方法。超导电缆具有传输容量

大、损耗小、灵活性高、占地空间小、无污染等显著优点，是解决电能传输瓶颈

的较好选择。采用超导电缆技术，由于其在超导状态下阻抗很小，采用超导电缆技术可以大大加强互联系统之间的电气联系，提高电网的小干扰安全性。

（3）对可再生能源的包容性

可再生能源是未来电力能源的重要组成部分，要使这种能源得到充分有效

的利用，必须采用新的技术措施改善其品质并使其能更为有效地与大电网联结，

能与其它能源系统互动，实现动态综合优化平衡，提高能源系统的总体效率。智能电网所具有的兼容性是指电力系统能够开放性地兼容各种类型能源的能力，也正是契合了可再生能源的发展要求。

（4）建立集约型电力系统

智能电网所具有的高效性，是指电网提高设备利用率、减少线损、降低运

营成本的能力，通过新型技术和设备的应用以提高网络的经济性。超导电缆具有的大容量、低损耗、结构紧凑的特点满足智能电网高效性、经济性的要求，具有

重要的应用前景。超导变压器和超导电机由于其容量有限，但是具有占地面积小，能量密度高、损耗小等特点，适用于对自然环境要求特别高的场合。

四、超导技术在智能电网的研究方向

与传统电力装置相比，超导电力装置具有许多完全不同的特性，这种特性必会对电力系统特性产生影响，对传统的电力系统理论提出了新的挑战。因此，必须从系统角度出发，对超导电力系统理论开展研究。研究方向主要包括：

(1)超导电力装置的动力学建模研究

由于超导电力装置具有许多完全不同的特性，特别表现在时间尺度和动作特性等方面。因此与传统的元件类似，要对超导电力装置进行动力学建模，以分析其对电力系统稳态和动态稳定的影响。

(2)超导电力系统的分级建模和控制