超導技術在未來的應用領域與作用

摘要 大力發(fā)展可再生能源并實現(xiàn)清潔能源變革，是當今能源領域的大趨勢。隨著可再生能源越來越多地接入電網(wǎng)，將對直流輸電和大規(guī)模儲能技術提出愈加迫切的需求。在此背景下，超導直流輸電技術、超導直流限流器以及基于超導電性的電力儲能技術等具有潛在的應用前景。文章較為系統(tǒng)地介紹上述直流超導電力裝置的原理、優(yōu)勢以及近些年國內(nèi)外的進展等。

1 引 言

化石能源資源有限，且在利用過程中產(chǎn)生大量污染物和排放溫室氣體，對環(huán)境造成重大影響，因而是不可持續(xù)的能源。為此，人們已經(jīng)逐漸認識到必須大力發(fā)展可再生能源，不斷提高可再生能源的比重，并逐步實現(xiàn)可再生能源對化石能源的替代。

由于可再生能源受天氣影響大且具有間歇性、波動性、分散性、地理上不可平移性等特點，把大量的可再生能源接入電網(wǎng)，將給未來電網(wǎng)帶來一系列重大挑戰(zhàn)［1］。一方面，需要進一步發(fā)展跨區(qū)大電網(wǎng)，以實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的各種可再生能源資源的時空互補利用。這對遠距離大規(guī)?？稍偕茉吹碾娏斔吞岢隽酥匾魬?zhàn)，大力發(fā)展柔性直流輸電正是應對這個挑戰(zhàn)的有效途徑之一［2—5］。在柔性直流輸電系統(tǒng)中，短路電流的快速限制和開斷是重要的技術難題。另一方面，隨著大量波動性電源的接入，規(guī)模化的電力儲能技術將成為迫切需求。

超導體具有零電阻、高密度載流能力和完全抗磁性等奇特的電磁特性，在電力輸送和儲能方面的應用中，可望為應對上述挑戰(zhàn)提供潛在的技術支撐。本文將著重介紹超導直流輸電和基于超導電性的電力儲能技術的原理和研究進展。

2 超導能源管道

超導直流輸電是利用超導體的零電阻和高密度載流能力發(fā)展起來的新型輸電技術，通常需要采用液態(tài)介質(zhì)冷卻以維持電纜導體的超導態(tài)，但介質(zhì)循環(huán)冷卻系統(tǒng)給超導直流輸電增加了運維成本?；诳稍偕茉粗苽涞囊簯B(tài)清潔燃料（如液氫、液化天然氣（LNG）等），其輸送也需要專用保溫絕熱管道和低溫制冷系統(tǒng)。因此，將超導直流輸電與低溫液體燃料輸送管道相結(jié)合，兩者共用制冷系統(tǒng)和傳輸絕熱管道，在液體燃料輸送的同時冷卻超導電纜，進而形成一體化輸送的“超導能源管道”，可望成為未來能源輸送的技術選擇之一。

液化天然氣的沸點為 110 K，液氫的沸點為 21 K，目前已有的高溫超導材料BSCCO的臨界溫度達到了 110 K，而TlBaCuO（Tc~125 K）和HgBaCuO（Tc～150 K）的臨界溫度已超過了液化天然氣的沸點溫度。因此，從已有超導體的臨界溫度來看，目前已具備研制超導能源管道的基本條件。發(fā)展超導能源管道也成為超導直流輸電技術的重要方向，為未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設提供了新的思路。

自從上世紀末首次提出“氫電混輸超導能源管道”概念后［6］，美、日、俄、歐等國家和地區(qū)相繼開展了輸氫/輸電能源管道的探索和研究工作［7—10］。中國科學院電工研究所與中國電力科學院等單位合作，開展了超導直流能源管道的概念設計研究［11—13］，主要包括液氫溫區(qū)超導電纜設計方法、低溫制冷系統(tǒng)設計及沿程溫度分布等。在此基礎上，完成了 1 km、10 kV/2 kA 氫電混輸超導直流能源管道的技術方案設計，并采用MgB2帶材研制了 6 m 長、10 kV/2 kA 的超導直流電纜樣機，在實驗室內(nèi)進行了18 kV直流耐壓試驗和直流穩(wěn)態(tài)載流測試，為氫電混輸超導能源管道的研制和安全性評估奠定了基礎，樣機的測試現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 氫電混輸超導直流能源管道測試現(xiàn)場

考慮到液化天然氣（LNG）管道輸送的現(xiàn)實性，肖立業(yè)等提出了電力/LNG混輸?shù)某瑢茉垂艿涝O想［14］，并帶領團隊與中國電力科學院等單位合作，開展LNG超導直流能源管道的系列研究工作，完成了不同工況下能源管道的動態(tài)穩(wěn)定性分析、超導直流能源管道的故障演化及安全防御策略研究，并提出了低溫燃料冷卻、絕緣介質(zhì)保護的直流能源管道原理結(jié)構，如圖2所示。該能源管道采用超導電纜在內(nèi)、LNG在外的嵌套結(jié)構，實現(xiàn)電力和LNG共輸。

圖2 直流能源管道原理驗證樣機結(jié)構

2019年7月，項目團隊研制出 10 m 長、10 kV/1 kA 超導直流能源管道樣機，并通過了多種測試，測試現(xiàn)場如圖3所示。該樣機在 100 K 溫度下的臨界電流為 885 A，在90 K時的額定電流高于 1 kA，液體燃料輸送的速率超過 15 L/min，并在92—100 K 溫度下通過了 18.5 kV、2 小時直流耐壓試驗［14］。

通過 10 m 長 10 kV/1 kA 超導直流能源管道樣機的研制和性能測試，項目團隊進一步優(yōu)化和改進了超導直流能源管道的結(jié)構和技術方案，目前正在開展 30 m 長、±100 kV/1 kA 超導直流能源管道的研制，預計2021年完成系統(tǒng)集成和實驗運行［15］。

圖3 10 m 長 10 kV/1 kA 超導直流能源管道測試現(xiàn)場

3 超導直流限流器

柔性直流輸電技術在可再生能源并網(wǎng)和電力輸送中的應用日益增加，基于這項技術的多端直流輸電和直流電網(wǎng)將成為重要的發(fā)展方向。其中，直流系統(tǒng)短路電流的快速開斷問題長期以來是一個難題。進一步提高直流斷路器的開斷容量的難度和代價較大；串聯(lián)電抗器雖可限制短路電流的上升速度，但對控制的靈活性造成不利影響且損耗大。為此，肖立業(yè)等提出發(fā)展高壓超導直流限流器來解決這個問題，并發(fā)表了概念設計方案［16］。

超導直流限流器利用超導體特有的零電阻和超導態(tài)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，由大量無感繞組串并聯(lián)組成，可以等效為一個串接在電網(wǎng)中、浸泡在液氮內(nèi)的可變電阻。當線路處于正常狀態(tài)時，無感繞組處于超導態(tài)，電流可以無阻通過超導限流器；當短路故障發(fā)生后，短路電流瞬間超過無感繞組臨界電流而失超，超導限流器很快呈現(xiàn)出一個合適的電阻，并有效地限制短路電流的大小和上升速度。

圖4 高溫超導無感繞組的結(jié)構設計效果圖及接線示意圖

隨著可再生能源和直流電網(wǎng)的發(fā)展，超導直流限流器已經(jīng)引起了國內(nèi)外越來越廣泛的關注［17—19］。2019年12月，中國科學院電工研究所研制成功 40 kV/2 kA 超導直流限流器樣機。該樣機采用12組螺線管繞組，每組內(nèi)外同芯嵌套、電流反向，組間上下交叉串的無感組合結(jié)構；其內(nèi)部接線示意圖如圖4所示。

圖5 （左）高溫超導限流單元；（右） 40 kV/2 kA 超導直流限流器考核現(xiàn)場

樣機在 65 K 下通過了額定 2 kA 的長時間載流考核、直流 74 kV 下持續(xù)2小時以及疊加 100 kV雷電沖擊等系列耐壓性能考核，高溫超導限流單元及系統(tǒng)考核現(xiàn)場如圖5所示。隨后進行了故障限流、失超恢復等性能試驗，典型測試結(jié)果如圖6所示，樣機在 9 kA、10 ms 沖擊下的失超恢復時間小于 300 ms，最大耐受電流超過10.5 kA，最大限流電阻超過 2.5 Ω［20］。

圖6 不同電壓下限流器沖擊電流測試結(jié)果

試驗證明，本團隊研制的超導直流限流器樣機具備快速限流和快速恢復能力。因此，以該超導直流限流器為模塊，采用串并聯(lián)方式可以合理組合成各種更高電壓等級和更大容量的超導直流限流器，從而為解決高壓直流短路電流限制和開斷問題提供一種新的技術途徑。

4 基于超導電性的電力儲能技術

4.1 超導儲能系統(tǒng)

超導儲能系統(tǒng)（SMES）利用超導線圈產(chǎn)生的磁場來進行能量的儲存，需要時可將電磁能返回給電網(wǎng)或其他負載。SMES具有響應速度快、響應功率高等優(yōu)點，用于電網(wǎng)中可以改善電壓穩(wěn)定性、電能品質(zhì)，并提高功率因數(shù)。

近10多年來，隨著高溫超導材料的發(fā)展和高溫超導帶材商業(yè)化產(chǎn)品的出現(xiàn)，韓國、日本、美國、中國等國家的高溫超導儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)取得了很大進展。中國科學院電工研究所、清華大學、華中科技大學等均開展了高溫超導儲能系統(tǒng)的研究，取得了良好的示范或試驗效果。中國科學院電工研究所研發(fā)成功的 1 MJ/0.5 MVA 高溫超導儲能系統(tǒng)，于2011年在 10 kV 超導變電站并網(wǎng)示范運行［21］，這是國際首臺并入實際電網(wǎng)示范運行的高溫超導儲能系統(tǒng)。

圖7 超導儲能—限流系統(tǒng)采用的混合型高溫超導線圈（右）及內(nèi)部自繞組接線圖（左）

在此基礎上，結(jié)合超導儲能和超導限流器的特點，中國科學院電工研究所與西電集團公司合作，聯(lián)合研發(fā)成功 1 MJ / 0.5 MVA 高溫超導儲能—限流系統(tǒng)，在一套裝置上實現(xiàn)了兩種功能。其中，高溫超導儲能線圈的電感 13.3 H，額定儲能量 1 MJ，線圈照片及內(nèi)部接線如圖7所示［22］。該裝置利用超導線圈大電感的特性，同時將超導線圈作為儲能和限流的環(huán)節(jié)。在正常狀態(tài)下，利用超導線圈的儲能特性，對風力發(fā)電輸出波動的有功功率進行補償；而在故障狀態(tài)下，將超導線圈串入風力發(fā)電機的定子回路，抑制風力發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子過電流（裝置故障限流測試結(jié)果如圖8所示），并減小轉(zhuǎn)子反向感生電動勢，從而大大提高了風力發(fā)電機的低電壓穿越能力。2016年，項目團隊完成系統(tǒng)集成并在玉門風電場并網(wǎng)試驗，試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖8 超導儲能—限流系統(tǒng)三相短路故障限流（上）和相間短路故障限流 （下） 測試結(jié)果

在弱風和強風條件下的現(xiàn)場測試結(jié)果表明，高溫超導儲能—限流系統(tǒng)對風力發(fā)電機的有功補償和有功平滑效果明顯［23］。

圖9 1 MJ/0.5 MVA 超導儲能—限流系統(tǒng)在玉門風電場并網(wǎng)試驗現(xiàn)場

4.2 真空管道永磁—超導磁懸浮儲能

現(xiàn)有儲能技術中除抽水儲能外都難以實現(xiàn)大容量儲能，而抽水儲能受地域限制大且響應速度慢。為此，結(jié)合超導磁懸浮技術的優(yōu)點，肖立業(yè)等提出了一種新型的規(guī)?；?a target="_blank">機械儲能技術——真空管道超導磁懸浮列車儲能，其系統(tǒng)原理結(jié)構如圖10所示［24］。其中，永磁體安裝在環(huán)形軌道、車體底面和側(cè)面上，高溫超導塊材安裝在軌道側(cè)面的低溫容器內(nèi)。列車的懸浮利用永磁懸浮方式，軌道側(cè)面的超導體與列車側(cè)面的永磁體相互作用，由于超導體的磁通釘扎效應，超導體與永磁體的相互作用將能夠維持列車的相對穩(wěn)定性。

圖10 真空管道超導磁懸浮儲能系統(tǒng)結(jié)構圖

采用重載磁懸浮列車首尾相連組成環(huán)形，并采用直線電機驅(qū)動。通過將電能轉(zhuǎn)化為重載列車的動能，能量便以動能的形式儲存在真空管道內(nèi)，需要的時候把動能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)。由于是物理儲能，環(huán)保無二次污染，還具有功率調(diào)節(jié)靈活、調(diào)節(jié)范圍大、選址方便等優(yōu)勢。

與抽水蓄能、壓縮空氣儲能等大規(guī)模儲能技術相比，真空管道永磁—超導磁懸浮儲能系統(tǒng)具有響應快、無任何環(huán)境污染、功率調(diào)節(jié)靈活等多方面優(yōu)勢，且無選址問題，除了可以用于電網(wǎng)大規(guī)模電力存儲外，還可以用于脈沖高功率電源等，應用前景廣闊［24］。目前，肖立業(yè)團隊正在進行實驗室原理樣機的研制，將通過原理樣機驗證該項儲能技術的可行性、可靠性以及經(jīng)濟性等。

5 總 結(jié)

化石能源不僅資源有限且其使用會導致環(huán)境污染，是不可持續(xù)的能源，大力發(fā)展可再生能源是當今能源發(fā)展的大趨勢。高比例可再生能源接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)將對直流輸電、直流故障限流和大規(guī)模儲能技術提出愈加迫切的需求。由于超導體所具有的獨特物理特性，在滿足上述需求方面具有潛在的應用價值。我們對直流能源管道、超導直流限流器以及基于超導電性的電力儲能技術等的基本原理進行研究并在結(jié)構上做出創(chuàng)新，研制了相應的裝置，通過實驗或并網(wǎng)試驗運行驗證了原理的可行性。希望對從事該領域的科研人員和研究生有所借鑒作用。

致 謝 感謝邱清泉研究員、郭文勇研究員以及張國民研究員等對本文的貢獻以及在本文寫作過程中的熱心幫助。

參考文獻

［1］ 肖立業(yè)。 科學通報，2015，60（25）：2367

［2］ 劉振亞。 中國電力企業(yè)管理，2019，（4）：11

［3］ 張寧，邢璐，魯剛。 中國能源，2018，40（3）：5

［4］ 劉增訓，游沛羽，周勤勇。 電力工程技術，2020，39（5）：59

［5］ 王煜奇。 直流配電網(wǎng)若干關鍵問題研究。 東南大學博士論文，2019

［6］ Ishigohka T. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1995，5（2）：949

［7］ Grant P M. IEEE Transactions on Appiled Superconductivity，2005，15（2）：1810

［8］ Nakayama T et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2009，19（3）：2062

［9］ Vysotsky V S et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23：5400906

［10］ Trevisani L et al. Cryogenics，2007，47：113

［11］ 邱清泉，靖立偉 等。 低溫燃料冷卻阻燃氣體保護的超導能源管道。 發(fā)明專利，2017，CN107300129A

［12］ 邱清泉，肖立業(yè) 等。 液化天然氣冷卻 CF4 保護的超導能源管道。 發(fā)明專利，2017，CN107610835B

［13］ 邱清泉 等。 一種耐沖擊耐燒蝕的超導能源管道。 發(fā)明專利，2019，CN110021460A

［14］ Qiu Q Q，Xiao L Y et al. Supercond. Sci. Technol.，2020，33（9）：095007

［15］ Qiu Q Q，Xiao L Y et al. Cryogenics，2020，109：103120

［16］ Xiao L Y et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23：5401506

［17］ Leon W et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2017，27：5602009

［18］ Yehia D M et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2018，28：5603105

［19］ Chen L et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2019，29：5600607

［20］ Qiu Q Q，Xiao L Y et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2020，30（6）：5602305

［21］ Xiao L Y et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2012，22：5000104

［22］ Zhang J Y，Xiao L Y et al. J. Supercond. Nov. Magn.，2019，32：521

［23］ Guo W Y et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2018，28：5700505

［24］ Tang W B，Xiao L Y et al. IEEE on Power & Energy Society Section，2020，8：89351
編輯：lyn