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超导输电技术发展现状与趋势

发布时间:2018-03-14 01:35内容来源:新电力网 点击:

  由于直流输电的优势以及发展新能源并网的需求,近年来,超导直流输电技术的研究开发备受重视。美国于2009年10月启动了将三大电网(美国东部电网、西部电网、德克萨斯电网)实现完全互联和可再生能源发电并网的“TresAmigas超级变电站”项目,该超级变电站采用高压直流输电技术(HVDC)实现电网互联,即任何两个电网互联均由AC/DC进行电能变换后通过高温超导直流输电电缆(SuperconductorElectricityPipelines)来实现双向流动,最终建设成为一个占地22.5平方英里、呈三角形互联的可再生能源市场枢纽(RenewableEnergyMarketHub),如图6所示。但由于资金募集没有到位,该项目中的高温超导直流输电电缆将由常规电缆替代。

超导输电技术发展现状与趋势

  图6美国Tres Amigas超级变电站设计方案

  2010年,日本中部大学完成了一组200米长、±20kV/2kA高温超导直流电缆的研制和实验(如图7所示),并计划在此基础上研制2000米长的高温超导直流电缆投入实际电网示范运行。韩国在济州岛智能电网示范项目中,于2018年开始示范一组500米长、80kV/60MW的超导直流输电电缆,并利用该电缆作为可再生能源接入电网的通道。

超导输电技术发展现状与趋势

图7日本中部大学200m长、±20kV/2kA高温超导直流电缆试验系统

  2011年5月,德国就开展千公里级高温超导直流输电示范工程的建设召开了国际可行性专题研讨会,与会者对未来建设长距离高温超导输电电缆以解决大容量的可再生能源输送问题寄予厚望;2011年8月在日本召开的第一届亚洲—阿拉伯可持续能源论坛,提出开发撒哈拉太阳能和风能发电,并采用超导直流输电技术,将电力输送到欧洲和日本的宏伟计划。为此,日本住友电气已经启动了一项旨在利用超导直流输电构造全球性可再生能源网络的前期研究项目(如图8所示)。

  2007年8月,中国科学院电工研究所与河南中孚公司合作,在中孚铝冶炼厂建成360米长、电流达10kA的高温直流超导电缆。该电缆将采用架空方式布线,跨越公司绿化带和内部马路,连接变电所的整流装置将电流输送到电解铝车间的直流汇流大母线。图9是360米、10kA高温超导直流电缆安装现场,该电缆已经于2013年投入示范运行。试验运行表明,与同等容量的常规输电电缆相比,该高温超导电缆可节省输电损耗约65%以上。

超导输电技术发展现状与趋势

  图8日本住友电气关于未来全球超导直流输电网络的设想

超导输电技术发展现状与趋势

  图9安装在厂区的360m/10kA高温直流超导电缆

  4.超导输电技术未来发展趋势

  随着可再生能源比重的不断增加,现有输电网交流运行模式将面临日益严峻的挑战。因此,国际上似乎已经有了以下共识:即采用直流输电网的模式对于建设未来大规模的可再生能源电网可能是较好的选择。

  目前,无论是欧洲的Super Smart Grid构想(2050)还是美国Grid 2030构想,均提出了以直流输电网为骨干的网络结构和输电模式;美国电力科学院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念,其基本设想也是利用直流环形电网来解决资源的综合利用问题和提高供电的安全可靠性;欧洲已经计划到2020年左右将北海地区的海上风电场通过直流电网相连并网,美国规划2020年左右将大西洋沿岸建设的海上风电场通过直流网络向用户提供清洁的能源供应;欧美日等发达国家和地区已经就直流配电网的建设着手制定标准和建立示范工程。

  正因为如此,未来超导输电技术的一个极为重要的发展趋势就是重点发展高温超导直流输电电缆,这一点已经从近年来国际上的研究开发任务中可以看出。由于超导直流输电电缆没有焦耳热损耗和交流损耗,从而可以最大程度地提高输电效率。

  同时,超导输直流电电缆需要的冷却系统,如果采用液化天然气(液化温度为110K)或液氢(液化温度为27K)作为冷却介质,就可以实现输电和输气的一体化。这是因为,一方面,目前已有的高温超导材料如TlBaCuO(Tc~125K)和HgBaCuO(Tc~150K)的临界温度已经超过了液化天然气温度,仅从临界温度的角度看,已经具备研制输电输气一体化“超导能源管道”的可能性;另一方面,由于可再生能源具有波动性的特点,利用可再生能源制备天然气或氢气,不仅可以将不可调度的波动能源转变成可调度的能源,而且可以用于超导输电电缆的冷却。因此,发展“超导能源管道”也将是超导输电技术的另一重要方向。

  此外,直流输电网中的短路故障开断也是一个极其重要的问题。由于超导体存在超导态-正常态转变特性,即超导体在过流时迅速转变为正常态,因而利用超导体研制的短路故障限流器对于超导直流输电系统来说也是很有意义的,它可以迅速将短路电流限制在预定的水平,使得直流短路故障的开断变得更加简易。

  总之,随着直流输电乃至直流输电网的发展,研究开发超导直流输电系统、超导直流输电-输气一体化的“超导能源管道”和直流超导限流器,是未来超导输电技术的重要发展趋势,值得高度关注。

  5.对策与建议

  超导输电技术属于前沿战略性高技术,一旦取得重大突破,将同时对电力、能源、交通、通讯、医疗、科学研究等带来重大的影响。因此建议国家科技部门在国家重点研究计划中设立“超导输电技术研究计划”,予以长期稳定支持,通过制订近、中、远期发展战略路线图,突出目标驱动导向。

  作为重要切入点,建议启动液化天然气温度的长距离“超导能源管道”示范工程项目,通过在超导物理、超导材料、超导输电关键技术及其在电网中应用的关键科学问题的系统性突破,全面推动超导输电技术的发展,并通过15-20年的努力,新电力,建成数百公里级的高温超导输电示范系统,为我国未来能源输送奠定坚实的技术基础。

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