由于我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配,电力的远距离输送不可避免,特别是未来可再生能源的规模开发与利用,将会进一步加剧这种不匹配的格局,大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。尽管特高压输电技术在大容量、远距离输送方面与传统高压输电方式相比有较大的优势,但仍需占用大量的输电走廊。而高温超导直流电缆利用超导体的零电阻高密度载流能力,可以在更低的电压等级上实现比特高压更大的传输容量,且可利用已有的输电通道。因此,未来超导输电技术的一个重要的发展趋势就是发展高温超导直流输电电缆。由于超导直流输电电缆无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。然而,为了推动超导输电电缆的规模化应用,也需要发展大冷量、长寿命且高可靠性的低温循环冷却系统^[1]。

近年来,随着天然气、煤层气及页岩气等广义天然气资源的大规模开发利用,资源气体的液化集输技术也变得尤为重要。目前,深冷混合工质节流制冷技术是国际范围内天然气液化领域的主导制冷技术。由于压缩机是制冷机中唯一的运动部件,而能够采用普冷领域技术成熟的单级油润滑制冷压缩机,为这种制冷技术的高可靠性带来了保障,同时可以大大降低成本^[2]。鉴于超导输电电缆对低温冷却循环系统的迫切需求以及深冷混合工质节流制冷技术的成熟和规模化利用,超导直流输电电缆需要的冷却系统,如果采用天然气等燃料的混合工质(温度80~90 K)作为高温超导电缆的冷却载冷剂,同时混合工质自身作为低温燃料实现远距离输运,间隔配置低温制冷机补偿载冷剂漏冷损失,就可实现输电和输气的一体化。因此,发展“超导直流能源管道”将是能源互联网建设的一个重要方向^[3]。

构建能源互联网,将来输电网络建设可选用的一种重要方式是电压源型高压直流输电(VSC-HVDC),直流短路故障电流的快速断开问题是VSC-HVDC电网亟待解决的关键技术问题之一。VSC-HVDC电网的直流侧线路上一旦发生短路故障,相当于换流器直流侧的电容直接放电,其短路电流会在几个毫秒到达峰值,快速的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题,同时因为换流器中有反并联的二极管会形成不控整流桥,所以单纯控制换流器无法切断故障电流。一般认为,直流故障电流应在2~5 ms内开断或切除,因此,对高压直流断路器的故障电流开断的级别以及快速性提出了非常高的要求。

目前,尽管高压直流断路器被认为是解决直流电网短路故障问题的有效办法之一,随着直流电网的进一步发展,高压直流断路器将面临更多的挑战。直流故障限流器与高压直流断路器相配合是解决直流短路故障的一种新方法。通过直流故障限流器有效限制故障电流的峰值和降低其上升速率,实现高压直流断路器的轻型化。超导直流限流器是VSC-HVDC电网故障限流的一个研究热点。超导限流器具有电流触发、响应迅速、不影响电网稳态运行的特点。同时,YBCO超导带材的商业化为超导直流限流器的发展提供了有力的保障。因此,针对VSC-HVDC电网的直流侧的短路故障问题,开展超导直流限流器的研究,对于提高VSC-HVDC电网运行稳定性有非常重要的意义。

超导直流能源管道和超导直流限流器是未来能源互联网发展的两大核心技术。超导直流能源管道技术有利于实现包括电能的多种能源的高效、远距离传输;超导直流限流器有利于提高超导直流能源管道运行的可靠性。本文将对超导直流输电电缆和超导直流限流器的研究现状和发展趋势进行综述,并对于未来能源互联网的建设提出几点简单的建议。

超导输电技术是利用高载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术,超导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料和维持超导状态的低温管道构成。根据绝缘方式不同,超导输电电缆分为温绝缘和冷绝缘两种类型。由于超导材料在液氮温区的载流能力可达到100~1 000 A/mm²(约是普通铜或铝的载流能力的50~500倍),且其传输损耗在直流下几乎为零,因此,超导直流输电技术具有显著优势,主要可归纳为^[3]:

1)容量大、损耗低:超导直流输电电缆的传输电流可达10~50 kA,输送容量是同电压等级直流电缆的2~10倍;其输电损耗主要来自循环冷却系统,约为常规电缆的25%~50%。

2)体积小、种量轻:由于载流密度高,超导输电系统的安装占地空间小,可利用现有的基础设施敷设超导电缆;由于导线截面积比普通铜电缆或铝电缆大大减少,输电系统的总重量可大大降低。

3)系统运行灵活:由于超导体的载流能力与运行温度有关,可通过降低运行温度来增加容量,因而有更大的运行灵活性。

由于上述优越性,超导直流输电技术可为未来电网提供一种全新的低损耗、大容量、远距离电力传输方式。美国电力科学研究院对超导直流输电系统所做的技术经济评估表明^[4],如果超导带材的价格可降低到20~50美元/kA·m,超导直流输电技术的技术经济性和常规直流输电技术相比将具有明显优势,因而随着技术的不断发展及超导带材价格的不断降低,未来可望得到重要应用。

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。表1列出了近年来全球主要超导电缆的研发与示范项目^[5-7]。

2009年,美国提出了 “Tres Amigas超级变电站”项目,该超级变电站原计划采用超导直流输电技术实现其国内三大电网之间的互联,但据称由于资金募集没有到位等原因,该项目中的高温超导直流输电电缆将由常规直流电缆替代。2010年,日本中部大学完成了一组长200 m、±20 kV/2 kA高温超导直流电缆的研制和实验(如图1所示)^[5]。

2014年,韩国在济州岛开始示范一组500 m长、±80 kV/500 MW的超导直流输电电缆(如图2所示),并利用该电缆作为可再生能源接入电网的通道^[6]。2015年由千代田化工建设、住友电工、日本中部大学及樱花互联网公司组成的研究协会成功进行了一条长500 m、1.5 kA/100 MVA高温超导直流电缆的测试,将用于连接樱花互联网公司建设的一个太阳能发电系统和公司的石狩数据中心,从而使直流太阳能电力不需要转换成交流电,就能被数据中心使用^[7]。

2013年,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长360 m、电流达10 kA的高温直流超导电缆,如图3所示^[8]。该电缆采用架空方式布线,连接变电所的整流装置将电流输送到电解铝车间的汇流母线。

如前所述,VSC-HVDC电网存在的主要问题之一是短路故障电流的限制和开断问题。由于上述原因,开发针对VSC-HVDC电网的直流断路器,成为一项非常有意义的研究课题。目前,适用于直流断路器的研究技术路线主要有3种:纯机械开关和谐振过零开断型、纯固态开关型、机械开关和固态开关混合型。采用纯机械开关和谐振过零原理开断的直流断路器尽管造价相对较低,但为了实现毫秒级快速开断,需要对电容器进行预充电,且需要实现快速灭弧。纯固态开关型直流断路器由于采用了大量的固态开关管,造价过高,且存在较大的通态损耗。由机械开关和固态开关混合实现的电流转移型直流断路器,在近些年得到了更多关注。2012年,ABB完成的320 kV/2 kA的混合型高压直流断路器,可以在2 ms 内开断16 kA 的故障电流^[9]; Alstom公司开发的120 kV/1.5 kA纯固态直流断路器,可以在1.2 ms 内开断 7.5 kA的故障电流; 国网智能院开发的200 kV混合型高压直流断路器,可以在3 ms内开断15 kA的短路电流^[10]。然而,当前的纯固态和混合型直流断路器,由于采用了大量的固态开关器件,普遍存在可靠性低、一致性差和价格昂贵等弊病。另外,高压大容量多端直流电网系统的故障电流通常可达数万安培,远远超过当前直流断路器的开断能力。如果能够在VSC-HVDC线路中串入短路故障限流器(FCL),用故障限流器去抑制故障电流的上升速度并限制短路电流的大小,就可降低对断路器开断容量的要求。直流故障限流器有电阻型、电感型、阻抗型等不同类型,不同的断路器需要配合特定类型和参数的限流器才可实现最佳的限流开断效果。各类断路器和限流器的可能组合如图4所示。

对于直流电网而言,直接串联电抗器限流不但影响了电网响应的动态特性,而且在断开故障电流时容易产生反向高电压,影响机械型直流断路器电弧的熄灭和直流电网换流器的安全性。采用超导直流限流器与直流断路器相配合是解决直流短路故障的一种有效方法。通过超导直流限流器可以有效限制故障电流的峰值和降低其上升速率,从而实现高压直流断路器的轻型化。当然,为了降低超导直流限流器的造价,采用超导直流限流器与常规电抗器混合限流也是一种可以尝试的途径。表2列出了近年来国际上主要超导直流限流器的研发项目。

2005年,西门子用YBCO超导薄膜研制了一台900 V/1 kA的超导限流器样机用于直流限流实验,将预计最大150 kA的电流限制在2 730 A^[11];2009年,日本东京电机大学设计了一种基于超导限流的400 V小型直流断路器系统,通过实验观测了超导直流限流器在限流过程中的电阻变化情况^[12];2005年,华中科技大学设计了一种饱和电抗型超导直流限流器小型样机;2012年,中国科学院电工研究所开始进行200 kV/1.5 kA超导直流限流器的概念设计^[13],如图5所示;2013年,上海交通大学也将一台由多个YBCO限流单元组成的限流器用于直流限流试验^[14],如图6所示。

随着VSC-HVDC电网的发展及世界各国对超导直流限流器技术的进一步深入研究和创新,超导直流限流器的性能、经济性、可靠性及可用性将大大提高,有望成为一种在VSC-HVDC电网中广泛使用的设备。

随着可再生能源比重的不断增加,现有输电网的交流运行模式将面临日益严峻的挑战^[15-16],采用直流输电网的模式可能是较好的选择。正因为如此,未来超导输电技术的一个重要的发展趋势就是发展高温超导直流输电电缆。采用超导直流输电电缆可以最大程度地提高输电效率。同时,超导直流输电电缆需要的冷却系统,如果采用基于天然气等燃料的混合工质(温度为80~90 K)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Bi系、Y系、Tl系和Hg系高温超导材料的临界温度均已超过了上述混合工质冷却所可达到的温度,Bi系高温超导带材在90 K温度下临界电流可达100 A左右,而85 K低温制冷技术的相对卡诺效率也可达20%左右,从设备造价和制冷效率两个方面来看,已具备研制输电输气一体化“超导直流能源管道”的可行性;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,不仅可将不可调度的波动能源转变成可调度的能源,而且可用于超导输电电缆的冷却,这对于降低输电输气系统的整体造价具有非常重要的意义^[3]。图7给出了超导直流能源管道系统的示意图。

此外,直流输电网中的短路故障开断也是一个非常重要的问题。利用超导直流限流器可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容易。未来超导直流限流器发展的趋势是面向高电压、大容量VSC-HVDC系统,超导直流限流与断路功能深度融合,通过模块化设计、状态实时监控、故障诊断及保护等手段,进一步降低超导直流限流器的造价及运维费用,并提高系统的可靠性。

随着能源的变革,一次能源以可再生能源为主,终端能源以电力为主的格局逐步形成,这些重要变化为电网的建设带来严峻的挑战。为了应对这些挑战,构建全球能源互联网逐渐为世界各国所共识。超导输电技术在近期尽管还受超导材料性能、成本以及低温制冷手段制约,难以大规模推广应用,但从远期来看,随着超导带材临界温度的提高和造价的降低、低温制冷效率和可靠性的提升,超导直流能源管道和超导直流限流器相关技术的开发利用将推动能源互联网的建设。对于能源互联网和智能电网而言,智能化电力设备的开发和利用是一个重要研究方向。相对于常规电力设备,由于超导电力设备本身价格昂贵,更加需要开发状态实时监控和故障诊断的手段,这不仅可为超导电力设备的运行和维护提供帮助,而且更有助于推动整个电网设备的智能化升级改造。