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借助超导系统稳定电网

文章出处:http://aketao.mzdecoration.com   责任编辑:阿克陶变压器厂   发布时间:2018-10-31    点击数:96
借助超导系统稳定电网

借助超导系统稳定电网

由于太阳能发电站和风力发电场的并网发电量越来越高,短路可能导致极大电流流过电力传输线,损坏电网设备。中能研究人员想要通过开发超导故障电流限制器来阻止这种损害。这些系统不仅可靠,而且能稳定电网。很快,这样一个系统原型将在奥格斯堡安装。



将之放置到基片且卷到双线绕组上时,Manfred Wohlfahrt确保嵌入式陶瓷超导材料,可精确到百分之零点零一毫米以内。
目前,围绕着德国能否实现其在2020年将温室气体二氧化碳的排放量降至1990年时的40%这一目标,一场激烈争辩正在展开。与此同时,德国将继续快速扩大对可再生能源的使用。德国能源和水行业协会(BDEW)计算,2014年上半年,可再生能源发电满足了德国用电需求的28.5%,这创下了新的纪录。然而,生态电能的增加,对电网运营商构成了挑战,因为每一个新的风电或光伏发电系统都是必须直接并入电网的新增发电设施。

尽管在正常条件下,这对电网运营商来说不是问题,但如果因挖掘机意外割断电力电缆或一棵树倒在电力传输线上而造成短路,情况就会变得棘手起来。直接并网发电的发电设施越多,流过电力传输线的电流就越多。如果短路电流不受阻碍地流入开关站,那么,它会将电力传输线从底座上扯下来,并烧焦电网设备。

为了防止发生这种损害,连接至变电站和开关站的电力传输线都配备了名为“电路断路器”的短路保护装置。如果短路电流快速升高,那么,电路断路器通常会中断这股电流,但前提条件是,这股电流并不太大。能够像电阻器那样抑制短路电流的串联电抗器,可以针对特别强大的短路电流,提供额外的保护。但串联电抗器的问题是,它们不仅能在出现短路时起到电阻器的作用,而且在正常运行中,它们也是电阻器。这导致了电能的不断浪费。通常,一个串联电抗器线圈可以造成多达25千瓦的电能损耗。专家估计,全球共安装了最多4.4万个串联电抗器。也就是说,这在全球范围内造成了高达110万千瓦的电能损耗,这相当于一座大型电厂的发电量。



中能研究人员Hans-Peter Krämer博士正在检查每一个双线超导绕组,以确保精确缠绕
短路

传统电网是层级系统。这意味着大型集中式发电站向系统输送电能,然后,电能从这里依次流向中压系统、系统,最终输送给企业和住户。诸如变压器等电网设备,将这些传统的电压等级系统分隔开来,以确保安全地将电能从发电设施输配给用户。然而现在,越来越多的沼气和太阳能发电系统及风电场等,都在直接向中压系统输送电能。因此,短路可能引起中压系统难以承受的强大电流。正因如此,电网运营商不得不随着可再生能源并网发电量的增长,相应地升级其系统。仅凭串联电抗器不能完全解决问题,这不仅由于它们会造成电能损耗,而且因为串联电抗器形成的电阻会导致压降。

真正需要的是一个不同于串联电抗器的,不会在正常运行中产生任何电阻的替代解决方案。这样的解决方案确实存在,那就是由钇钡铜氧化物构成的特种陶瓷高温超导材料。这些超导体在输送电能时不会形成任何电阻,因而几乎不会造成任何损耗。然而,要实现这样的属性,必须降低它们的温度。通常是利用温度在零下196摄氏度的液氮来做到这一点。尽管冷却过程也要耗用电能,但专家估算,超导故障电流限制器的能耗,仅为相当的串联电抗器造成的电能损耗的一半。

德国能源和水行业协会(BDEW)计算,2014年上半年,可再生能源发电满足了德国用电需求的28.5%,这创下了新的纪录。



嵌在金属中的超导绕组被嵌入基片。
高温超导材料

20多年来,中能中央研究院的科学家一直在潜心研究高温超导材料。专攻超导材料的中能研究人员Peter Kummeth表示,“我们认为,可再生能源发电量的增长,意味着使用超导故障电流限制器的时机已经成熟。”超导组件和应用研究小组组长Tabea Arndt补充道,“直到几年前,超导材料的价格依然主要取决于制造商的研发成本。从技术推动转变为市场拉动,已经使得超导应用不仅在技术上具有吸引力,而且在经济上也颇为诱人。”超导体优点突出。它们不像串联电抗器那样存在电阻,因此,超导体能提高电网的稳定性和可靠性。如果电网运营商使用了更多串联电抗器,那么,它们将不得不更换网络组件或者安装电气组件,以加强电网。超导体则免去了这些额外工作。

2014年10月,中能中央研究院与奥格斯堡市政供电公司联合发起了一个合作项目。作为面向创新能源和高能效技术的BayINVENT计划的一部分,这个项目得到了巴伐利亚州经济、媒体、能源和技术部的支持。项目合作伙伴希望在2015年年底之前,制作一个超导故障电流限制器原型。这个电流限制器将被安装在奥格斯堡市政供电公司电网与MTU onsite energy(简称“MTU”)运行的一座设施之间。MTU是热电联产设备制造商,它定期在其工厂内对热电联产设备进行试验。同风电场一样,这家企业将其热电联产设备生产的电能输送到奥格斯堡电网中。有时候,这些试验会实现最高1.5万千瓦的尖峰发电量,这大致相当于5台大型风阿克陶变压器组的总发电量。



在-192 C的低温下,在超低温真空环境中缠绕的超导绕组,
几乎不产生任何电阻
超导故障电流限制器

奥格斯堡的这个超导故障电流限制器,将结合使用串联电抗器。正常运行状态下,电流将从超导体中流过,不会产生任何电阻或损耗。这种情况下,在某种意义上,超导体对电流而言是“隐形的”。然而,当发生短路时,强大的短路电流将导致超导体失去其超导属性,突然变成电阻器。这将导致超导体温度升高,仿佛在烤面包机里受到烘烤。此外,这会触发开关,将电流引向串联电抗器,后者则照常充当电阻器。当然,没有串联电抗器,超导体也能起作用。然而,当串联电抗器抑制电流的同时,超导体可以冷却并再生,这样一来,它很快就能自动恢复功能。

喷射式熔断器是串联电抗器的另一个替代之选。同家用保险丝盒中的老式陶瓷熔丝一样,当电网发生短路时,它们会烧断,从而避免造成任何损害。Kummeth的同事Christian Schacherer在中能中央研究院负责电流限制器的研发,她说:“不过,必须人工更换这种熔丝,这是一个相当耗时费力的过程。相比之下,我们的装置中的熔丝则能在超导体再度冷却之后,自动恢复其初始状态。”中能中央研究院研制的电流限制器的另一个优点是,它实现了本质安全,也就是说,它不会发生故障。短路会令其温度升高并自动变成电阻器。Schacherer表示,“另一方面,喷射式熔断器,则可能出现故障,无法熔断。”



为了高效地拦截短路,将在奥格斯堡市政电网与MTU拥有的热电联产电厂之间安装超导故障电流限制器
蓄势待发的市场

中能中央研究院的研究人员在工作中得到了中能能源管理集团的协助。输电集团创新部门的负责人Peter Menke为他所在集团分析了新的超导故障电流限制器的业务前景。他说:“尽管这种超导材料的质量很好,并且不得不冷却系统,但这种超导装置的价格接近于现有的采用串联电抗器的开关站,后者具备我们熟悉的缺点。”虽然有这些优点,但电网运营商不大可能更换其全部现有系统,购置数千台这种新型超导故障电流限制器。Kummeth表示,&www.mzdecoration.com/ldquo;这种装置非常适于增长型利基市场。我认为,最初,它将主要用于制造业,制造厂商必须保护其工厂电网不被短路损害。对于处理大量材料的化工、石化工艺及反应装置,更是如此。这种设施发生故障,会造成巨大损失。”原则上,超导故障电流限制器可用于将几乎任何数量的子网络合并起来。譬如,可以将中压供电网络连接至企业电网,或太阳能发电站和风电场。

Peter Menke认为,这款新型超导故障电流限制器的研发成本相对低廉,仅为几百万欧元,这是非常了不起的。相比之下,中能中央研究院在20世纪90年代末期,在德国研究部的帮助下开发的上一代产品的总研发预算则高达5,000万德国马克(约合2,500万欧元以上)。旧系统研发成本高得多的原因之一,是必须专门为此开发超导材料。如今,中能研发人员充分利用了与其他超导应用的协力效应,使用了可以在市场上购得的材料。研究人员使用这些应用和材料,打造了一个外形小巧、性能强大的故障电流限制器,这是一个巨大的成就。目前,奥格斯堡电网正在安装这个故障电流限制器。

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