超導(dǎo)無線核相儀電力技術(shù)在未來智能電網(wǎng)應(yīng)用研究，智能電網(wǎng)已成為電力工業(yè)重要發(fā)展方向[ 126 ] 。智能電網(wǎng)必須能解決未來電網(wǎng)發(fā)展所面臨的一些關(guān)鍵問題,比如特大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題;電網(wǎng)支持大規(guī)?？稍偕茉催\行的能力問題;電網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)代電力前沿技術(shù)的能力問題等。

從研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程來看,美國側(cè)重于在需求側(cè)管理、配電網(wǎng)重構(gòu)、分布式發(fā)電管理等方面;歐洲側(cè)重于推廣分布式發(fā)電;中國的研究起步相對較晚,從大電網(wǎng)和中低壓電網(wǎng)2個角度同時切入,在華東電網(wǎng)、華北電網(wǎng)都得到了較大的發(fā)展,但*成熟并產(chǎn)業(yè)化的成果相對較少

。智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展是一個多學(xué)科交叉的嶄新學(xué)術(shù)領(lǐng)域,需要從多角度統(tǒng)攬問題,更需要新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用,以適應(yīng)未來電網(wǎng)的要求。
　　超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)[ 7213 ] 。超導(dǎo)技術(shù)的實用化、產(chǎn)業(yè)化會對電力領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。超導(dǎo)技術(shù)界普遍為,新一代高溫超導(dǎo)帶材（釔系高溫超導(dǎo)帶材）有望在5年后商品化,之后超導(dǎo)電力技術(shù)將會出現(xiàn)一個快速增長的時期,在2010年—2015年期間,各種高溫超導(dǎo)電力裝置將會陸續(xù)進(jìn)入實用化階段。

據(jù)超導(dǎo)工業(yè)界預(yù)測: 2010年,超導(dǎo)電力技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到75億美元; 2020年,將達(dá)到750億美元以上。目前,超導(dǎo)電力技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展時期[ 729 ] ,若干超導(dǎo)電力設(shè)備,如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)等已在電力系統(tǒng)試運行。采用超導(dǎo)電力技術(shù),可以大大提升電力工業(yè)的發(fā)展水平、促進(jìn)電力工業(yè)的重大變革。

　　智能電網(wǎng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、可再生能源的包容性、電能質(zhì)量都有根本性的提高;而超導(dǎo)電力技術(shù)的進(jìn)步為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)帶來了重大機遇并有可能提供解決方案。

然而,由于電力系統(tǒng)的特殊性、電力設(shè)備運行條件的復(fù)雜性,如何應(yīng)對超導(dǎo)電力裝置應(yīng)用會給電力系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn),目前在理論研究還是設(shè)備運行方面都沒有充分的準(zhǔn)備。
 

　　本文考慮未來能源結(jié)構(gòu)的重大變化及超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展,基于我國目前電力系統(tǒng)現(xiàn)狀,從系統(tǒng)角度出發(fā),對超導(dǎo)電力技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用做出具有前瞻性的探討,重點討論了超導(dǎo)儲能技術(shù)、超導(dǎo)電纜技術(shù)、超導(dǎo)限流器技術(shù)等超導(dǎo)新技術(shù)在智能電網(wǎng)的應(yīng)用前景及其主要研究發(fā)展方向。

2　超導(dǎo)電力技術(shù)簡介

　　西方政府和工業(yè)界對超導(dǎo)電力技術(shù)的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化非常重視。美國zui近提出的“美國電網(wǎng)2030”計劃,把超導(dǎo)電力技術(shù)放在一個十分重要的位置上,并計劃采用超導(dǎo)電力技術(shù)建設(shè)骨干電網(wǎng)。

美國能源部認(rèn)為超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)電力工業(yè)*的高技術(shù)儲備,發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是檢驗美國將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實踐,而日本新能源開發(fā)機構(gòu)（NEDO）則認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)的高技術(shù)競爭中保持優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。

可以認(rèn)為:超導(dǎo)電力技術(shù)將是21世紀(jì)具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義的一種高新技術(shù)。
　　我國一直重視超導(dǎo)技術(shù)的研究,*電工研究所,清華大學(xué)、華中科技大學(xué)和華北電力大學(xué)正在開展超導(dǎo)技術(shù)的研究,且取得了較大的成果,目前超導(dǎo)電力技術(shù)與*水平總體上仍然存在著一定的差距。
　　超導(dǎo)電力技術(shù)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、多工業(yè)背景,其研究內(nèi)容紛繁復(fù)雜。本文從電網(wǎng)系統(tǒng)的角度出發(fā),著重闡述超導(dǎo)電力技術(shù)在未來智能電網(wǎng)的系統(tǒng)級的應(yīng)用探討。

　　超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用,包括輸電電纜、限流器、電動機、發(fā)電機、變壓器、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等在內(nèi)的一系列高溫超導(dǎo)產(chǎn)品[ 7211 ] ,對提高電網(wǎng)容量、電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性[ 12214 ]具有重要意義,將給電力技術(shù)的發(fā)展、智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

超導(dǎo)技術(shù)在未來智能電網(wǎng)的應(yīng)用

提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性
　　智能電網(wǎng)所具有的自治和自愈能力從根本上保證大電網(wǎng)的運行的安全穩(wěn)定性,未來智能電網(wǎng)的能量流動的雙向性,決定了必須有新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用以緩和甚至消除電力系統(tǒng)擾動所造成的影響,以適應(yīng)未來電網(wǎng)發(fā)展的要求。
　　作為對大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的控制手段,大型超導(dǎo)儲能裝置作為一個獨立、反應(yīng)快速、可獨立輸出有功及無功的電源,加入到電力系統(tǒng)中,可以提高系統(tǒng)的有功備用率,提高了系統(tǒng)在故障情況下的應(yīng)急能力。

快速的有功及無功調(diào)節(jié),使得系統(tǒng)的可控性增強,應(yīng)對大擾動的能力增強,從而強化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有大電網(wǎng)穩(wěn)定裝置（如電氣制動等）相比,有響應(yīng)速度快、過剩能量能回收等優(yōu)點,能適應(yīng)智能電網(wǎng)對暫態(tài)穩(wěn)定的要求,提升了電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

因此可以將超導(dǎo)儲能看成是一種能與電網(wǎng)交換有功功率的靈活交流輸電系統(tǒng)（ FACTS）裝置,功能更加強大,可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定由被動致穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃又路€(wěn)。

　　提高暫態(tài)穩(wěn)定性的另一個重要因素是故障部分的及時隔離,如果電氣設(shè)備不能及時隔離故障,暫態(tài)穩(wěn)定則無從談起。而隨著電網(wǎng)的容量在不斷地擴大,使得其短路電流水平迅速提高,由于電氣設(shè)備須按短路容量水平來設(shè)計,這就使得開關(guān)設(shè)備的成大大升高,甚至無法選型。

為了降低短路電流,目前方法不管是從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)還是從運行方式上或者在電氣設(shè)備方面考慮,費用均非常高,容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定;超導(dǎo)故障限流器是近年來發(fā)展起來的限制短路電流的新技術(shù)裝備,超導(dǎo)故障限流器,利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/常態(tài)轉(zhuǎn)變特性,由零電阻迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦柚?從而達(dá)到降低系統(tǒng)的短路電流的目的。超導(dǎo)故障限流器能滿足智能電網(wǎng)對暫態(tài)穩(wěn)定的快速性和準(zhǔn)確性的要求。
　　因此,通過超導(dǎo)故障限流器及時快速隔離故障,通過超導(dǎo)儲能裝置補償不平衡有功功率,均能提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性,以滿足智能電網(wǎng)的對系統(tǒng)暫態(tài)安全穩(wěn)定的基本要求。
3. 2　提高電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性
　　我國未來智能電網(wǎng)雖然有可再生能源的加入,但仍然遵循著大電網(wǎng)、大機組的發(fā)展發(fā)向,遠(yuǎn)距離大容量輸送電能不可避免,降低了系統(tǒng)運行的動態(tài)安全性。
　　大規(guī)?；ソy(tǒng)小干擾穩(wěn)定與否主要表現(xiàn)在區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的功率振蕩。如果在輸電系統(tǒng)中,能對功率越限部分進(jìn)行實時補償,在功率過高時吸收功率,在功率過低時釋放功率,以平穩(wěn)聯(lián)絡(luò)線功率,則能有效提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)具有能快速充、放電的功能,并且可對系統(tǒng)提供瞬時有功功率與無功功率的支持,通過附加阻尼控制器,可以對線路功率進(jìn)行實時補償,阻尼系統(tǒng)振蕩。

　　提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的另一個方面是增強互統(tǒng)的電氣,為了加強互統(tǒng)的電氣,采用特高壓（ > 500kV）輸電系統(tǒng)是較好的解決的方法。但是在特高壓中,特別是傳輸大容量電能的電纜,在設(shè)計和制造上存在很多技術(shù)上的難點,對絕緣和對空間使用有很苛刻的要求。

使用超導(dǎo)電纜進(jìn)行輸電是基于超導(dǎo)技術(shù)的可行的解決方法。超導(dǎo)電纜具有傳輸容量大、損耗小、靈活性高、占地空間小、無污染等顯著優(yōu)點,是解決電能傳輸“瓶頸”的較好選擇。采用超導(dǎo)電纜技術(shù),由于其在超導(dǎo)狀態(tài)下阻抗很小,采用超導(dǎo)電纜技術(shù)可以大大加強互統(tǒng)之間的電氣,提高電網(wǎng)的小干擾安全性。
　　因此,通過超導(dǎo)儲能技術(shù)提高系統(tǒng)阻尼,通過超導(dǎo)電纜技術(shù)加強系統(tǒng)電力,均能提高電力系統(tǒng)第1期陳　中,等: 超導(dǎo)電力技術(shù)在未來智能電網(wǎng)應(yīng)用研究5　1的小干擾穩(wěn)定性,以滿足智能電網(wǎng)對小干擾安全穩(wěn)定的基本要求。
  　提升電網(wǎng)的抗打擊能力
　　電網(wǎng)的外部打擊包括自然力、人為、恐怖主義、戰(zhàn)爭等因素, （ 2008年冰凍災(zāi)害導(dǎo)致我國多個省市電網(wǎng)大規(guī)模長時間停電,以及2009年大雪導(dǎo)致安徽電網(wǎng)的停電事故,更加凸現(xiàn)了這一需要） 。智能電
網(wǎng)的防御能力是指電網(wǎng)抵御外部破壞的能力,其目的是電網(wǎng)在遭受一系列的外部打擊后,仍能維持穩(wěn)定運行并向關(guān)鍵負(fù)荷穩(wěn)定地輸送電力。
　　提高電網(wǎng)的抗打擊能力,zui重要的保證重要負(fù)荷（軍事負(fù)荷、信息商業(yè)中心等）的供電,因此在配電系統(tǒng)中,中小型的超導(dǎo)儲能系統(tǒng),由于其反應(yīng)速度快、容量密度高等優(yōu)點,可以作為緊急備用電源保護(hù)敏感負(fù)載。
　　提高電網(wǎng)的防御能力,表現(xiàn)在非正常工況下仍然能對重要負(fù)荷輸送大量電力。超導(dǎo)電纜技術(shù)可以在比常規(guī)電纜較低的運行電壓下將巨大的電能利用超導(dǎo)電纜傳輸而進(jìn)入城市負(fù)荷中心。因此在輸電走廊遭受大量破壞時,可以利用超導(dǎo)電纜保證重要負(fù)荷的供電。
　　因此,超導(dǎo)儲能能量備用技術(shù)和超導(dǎo)電纜大容量能量輸送技術(shù)均能有效增強智能電網(wǎng)的防御能力,對于應(yīng)付情況有積極的應(yīng)用前景。
     　對可再生能源的包容性
　　可再生能源是未來電力能源的重要組成部分,要使這種能源得到充分有效的利用,必須采用新的技術(shù)措施改善其品質(zhì)并使其能更為有效地與大電網(wǎng)聯(lián)結(jié),能與其它能源系統(tǒng)互動,實現(xiàn)動態(tài)綜合優(yōu)化平衡,提高能源系統(tǒng)的總體效率。智能電網(wǎng)所具有的兼容性是指電力系統(tǒng)能夠開放性地兼容各種類型能源的能力,也正是契合了可再生能源的發(fā)展要求。
　　由于可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點,且光伏發(fā)電系統(tǒng)不具有傳統(tǒng)水輪機組或汽輪機組的機械慣性,風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量及慣性與傳統(tǒng)發(fā)電機組相比也有很大的差別。這種發(fā)電方式的重大變化將導(dǎo)致電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運行、管理、控制方式發(fā)生變革,電力系統(tǒng)的、安全、可靠和靈活性將會受到極大的限制。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)將為電網(wǎng)提供的儲能備用、為提高可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)的比例和提高電網(wǎng)的安全可靠性起到至關(guān)重要的作用,并對分布式發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行、改善可再生能源發(fā)電電能質(zhì)量和功率平衡方面有重要意義。
　　因為可再生能源不穩(wěn)定,所以系統(tǒng)需要在任時候都能夠提供所需要的能量和消耗過剩的能量。解決方法包括使用很大的能量緩存、與鄰近電網(wǎng)進(jìn)行能量互補交換。高溫超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)儲能裝置的綜合應(yīng)用能夠使電網(wǎng)健壯,有助于實現(xiàn)與相鄰電網(wǎng)的電能交換。
　　對于大容量的風(fēng)力發(fā)電站群,各臺發(fā)電機之間的連接以及和主電網(wǎng)的連接,必須考慮電氣的緊密型對周圍環(huán)境的影響,內(nèi)部冷卻的超導(dǎo)電纜則適用于風(fēng)力發(fā)電站之間部分的互聯(lián),不僅加強了風(fēng)機之間的電氣,而且*不會影響到周圍的生態(tài)環(huán)境。
　　因此,分布式中小型超導(dǎo)儲能技術(shù)以及與超導(dǎo)電纜技術(shù)的綜合應(yīng)用契合了智能電網(wǎng)的兼容性要
求,提高了智能電網(wǎng)對可再生能源的包容性,具有重要的應(yīng)用價值。
3. 5　提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量
　　在信息化社會,電網(wǎng)電壓和頻率的波動會帶來信息系統(tǒng)發(fā)生故障的嚴(yán)重后果,同時對工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生致命的影響。智能電網(wǎng)所具有的和友性能力,是指電網(wǎng)與需求側(cè)、發(fā)電商、環(huán)境和諧相處的能力,也是電網(wǎng)能充分滿足負(fù)荷側(cè)的要求,因此提高系統(tǒng)供電品質(zhì)是智能電網(wǎng)必須重視的課題。
　　在輸電層面,對于大功率遠(yuǎn)距離輸變電系統(tǒng),可以通過大型超導(dǎo)儲能裝置提升電網(wǎng)電能質(zhì)量。超導(dǎo)儲能可以瞬時吸收和釋放能量,避免頻率的波動;同時超導(dǎo)儲能通過電壓/無功支持,可使電壓極為穩(wěn)定,波動很小。
　　在配電層面,對于中小型超導(dǎo)儲能,特別是微超導(dǎo)儲能,可利用其高速調(diào)節(jié)有功、無功特性來改善功率因數(shù),穩(wěn)定電網(wǎng)頻率,控制電壓的瞬時波動, 平衡電網(wǎng)次諧波振蕩,從而大大改善供電質(zhì)量,滿足軍事、工業(yè)、民用電力的需要。在改善電能質(zhì)量時,超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的儲能容量不一定需要很大,但功率容量一般很大。
　　因此,超導(dǎo)儲能技術(shù)能在輸電和配電兩個層面上提高電網(wǎng)電能質(zhì)量,以滿足智能電網(wǎng)的電能性要求。
3. 6　建立“集約型”電力系統(tǒng)
　　智能電網(wǎng)所具有的性,是指電網(wǎng)提高設(shè)備利用率、減少線損、降低運營成本的能力,通過新型技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用以提高網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性。超導(dǎo)電纜使用無阻和高臨界電流密度的高溫超導(dǎo)線材作導(dǎo)體,極大的提高了電流能量傳輸能力。超導(dǎo)電纜具有低損耗的特點,即使計及低溫冷卻所需的電力,其電力損耗仍比常規(guī)電纜要小。因此大大減少了網(wǎng)絡(luò)損耗。
　　超導(dǎo)電纜具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點,能夠在不增大電纜尺寸和不增大損耗的條件下增加傳輸功率。并且對環(huán)境影響小。所以從電纜安裝空間有限和安全角度出發(fā),更適合給大城市和特殊場合供電,節(jié)約了安裝空間,節(jié)約了土地和資金。因此,超導(dǎo)電纜具有的大容量、低損耗、結(jié)構(gòu)緊湊的特點滿足智能電網(wǎng)性、經(jīng)濟(jì)性的要求,具有重要的應(yīng)用前景。
　　超導(dǎo)變壓器和超導(dǎo)電機由于其容量有限,但是具有占地面積小,能量密度高、損耗小等特點,適用于對自然環(huán)境要求特別高的場合。
4　超導(dǎo)技術(shù)在智能電網(wǎng)的研究方向
　　與傳統(tǒng)電力裝置相比,超導(dǎo)電力裝置具有許多*不同的特性,這種特性必會對電力系統(tǒng)特性產(chǎn)生影響。在這種系統(tǒng)和裝置相互作用下,會在已形成的現(xiàn)代大規(guī)模電力系統(tǒng)的高階非線性復(fù)雜動態(tài)模型中引入*不同類型的數(shù)學(xué)方程,二者結(jié)合將帶來許多新的學(xué)科問題,對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)理論提出了新的挑戰(zhàn)。
　　因此,必須從系統(tǒng)角度出發(fā),對超導(dǎo)電力系統(tǒng)理論開展研究。研究方向主要包括:

　超導(dǎo)電力裝置的動力學(xué)建模研究。由于超導(dǎo)電力裝置具有許多*不同的特性,特別表現(xiàn)在時間尺度和動作特性等方面。因此與傳統(tǒng)的元件類似,要對超導(dǎo)電力裝置進(jìn)行動力學(xué)建模,以分析其對電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定的影響。
　

超導(dǎo)電力系統(tǒng)的分級建模和控制。超導(dǎo)電力應(yīng)用大功率電力電子能量變換、控制裝置,其動態(tài)行為和模型具有其特殊性,在裝置級和系統(tǒng)級兩個層次上對建模和控制提出更高的要求。

　　含超導(dǎo)電力裝置的智能電力系統(tǒng)建模理論。超導(dǎo)電力裝置對電氣運行方式、溫度、電磁環(huán)境等非常敏感,其狀態(tài)變換也非常迅速,而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)理論已不適應(yīng),需要擴展至超導(dǎo)電力裝置理論體系才能滿足超導(dǎo)技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用要求。
 

　　超導(dǎo)電力裝置與智能電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行。超導(dǎo)電力裝置特性可能對電力系統(tǒng)具有*陌生的環(huán)境,因此,對于傳統(tǒng)的電網(wǎng)運行方式、保護(hù)、控制等要隨之調(diào)整,只有兩者協(xié)調(diào)運行,才能zui大化地發(fā)揮超導(dǎo)的*性,才能適應(yīng)未來電網(wǎng)運行要求。

   超導(dǎo)電力系統(tǒng)智能控制策略。智能電網(wǎng)決策與控制的實時性、易用性和互操作性都大大提高,要求超導(dǎo)電力系統(tǒng)滿足其控制要求,包括故障的快速檢測、判斷和預(yù)測、電能質(zhì)量和系統(tǒng)實時同步跟蹤等。研究超導(dǎo)電力系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)對措施及裝置的控制策略、控制方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　快速可控裝置的智能協(xié)調(diào)控制。超導(dǎo)電力裝置的應(yīng)用將改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中快速可控元件主要集中于電網(wǎng)端部節(jié)點的發(fā)電機和負(fù)荷的局面,使電網(wǎng)各環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)快速可控元件,這對各類快速可控裝置的協(xié)調(diào)控制提出更高的要求和新的挑戰(zhàn)。