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柔性電力技術(shù)第章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)當(dāng)前第1頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)課程內(nèi)容第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)第二章電力變換電路與控制第三章發(fā)電領(lǐng)域的電力電子技術(shù)第四章直流輸電技術(shù)第五章輸電系統(tǒng)柔性并聯(lián)補(bǔ)償?shù)诹螺旊娤到y(tǒng)柔性串聯(lián)及混合補(bǔ)償?shù)谄哒氯嵝曰秒娕c負(fù)荷特性當(dāng)前第2頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù)第一節(jié):電力系統(tǒng)特點(diǎn)以及柔性化的必要性1柔性電力技術(shù)的定義:柔性和非柔性基于電力電子技術(shù)在電能的產(chǎn)生,輸送與應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電能的質(zhì)量進(jìn)和形態(tài)進(jìn)行快速、精確控制的技術(shù)。柔性電力技術(shù)實(shí)施的核心是電力電子技術(shù)。 提出者:美國電力科學(xué)研究院的學(xué)者NarainHingorani2電力系統(tǒng)的目標(biāo)
(1)可控性好,形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)。
(2)潮流可控,安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。
(3)模式多樣、質(zhì)量可控的配電系統(tǒng)。
(4)調(diào)節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)。當(dāng)前第3頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)3傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)電力系統(tǒng)是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應(yīng)用而構(gòu)建成的人工系統(tǒng)。依據(jù)電能的流程可劃分為發(fā)電、輸電、配電和用電四個(gè)組成部分。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括:發(fā)電機(jī)、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的用電設(shè)備及保護(hù)與控制設(shè)備。
當(dāng)前第4頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)單機(jī)無窮大系統(tǒng),以空載電動(dòng)勢(shì)和同步電抗表示的功角關(guān)系:當(dāng)前第5頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)變壓器的有載調(diào)壓開關(guān)可具有調(diào)節(jié)高壓線路無功潮流的作用。(3)架空輸電線路
4個(gè)參數(shù):由導(dǎo)體電阻率引起的串聯(lián)電阻R,由相與地之間漏電流引起的并聯(lián)電導(dǎo)G,由導(dǎo)體周圍磁場(chǎng)引起的串聯(lián)電感L,由導(dǎo)體之間的電場(chǎng)引起的并聯(lián)電容C。當(dāng)前第6頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)線路的功率傳輸特性(只考慮在功率傳輸分析中起主導(dǎo)作用的電感參數(shù))
缺點(diǎn):改變潮流的局限性當(dāng)前第7頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(4)負(fù)荷
電壓、頻率調(diào)節(jié)特性較差,即負(fù)荷從系統(tǒng)取用的功率隨系統(tǒng)電壓、頻率的波動(dòng)而發(fā)生變化.
這對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行往往是有利的,但對(duì)用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行則是不利的。
當(dāng)前第8頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點(diǎn):電能不平衡影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。各發(fā)電機(jī)組間必須嚴(yán)格保持同步。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定供電模式單一。電能質(zhì)量控制主要以靜態(tài)調(diào)節(jié)為主。用電負(fù)荷電能利用調(diào)節(jié)性能較差,電能利用率較低。當(dāng)前第9頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)1.3柔性電力技術(shù)的概念、分類和應(yīng)用示例1、發(fā)電領(lǐng)域中的柔性化技術(shù)1)可變速抽水儲(chǔ)能技術(shù)
(ASPS,AdjustableSpeedPumpstorage)2)風(fēng)力發(fā)電中的雙饋感應(yīng)發(fā)電技術(shù)
(DFIG,DoubleFeedInductionGenerator)3)太陽能發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)技術(shù)
(PC,Powerconditioning)4)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)
(SE,StaticExciting)5)新的發(fā)電方式當(dāng)前第10頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)2、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術(shù)1)高壓直流輸電(HVDC,HighVoltageDC)2)靜止無功補(bǔ)償(SVC,StaticVarCompensator)又稱STATCOM3)靜止無功發(fā)生器(SVG,StaticVarGenerator)
4)可控串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備(TCSC:ThyristorControlledSeriesCompensator)5)統(tǒng)一潮流控制器(UPFCUniformPowerFlowController)6)大容量超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)。(SEMS,Super-ConductingMagneticEnergyStorage)7)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC,StaticSynchronousSeriesCompensator)當(dāng)前第11頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第12頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)3、配電網(wǎng)中的柔性化技術(shù)。1)配網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器
(D-SVC,DistributionStaticVarCompensator)2)配網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器
(D-SVG,DistributionStaticVarGenerator)。3)有源電力濾波器(APF,ActivePowerFilter)4)固態(tài)斷路器(SCB,Solid-stateCircuitBreaker)5)輕型直流輸電.(HVDC-Light)。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR,DynamicVoltageRegulator)
配電系統(tǒng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能(D-SMESDistribution-SMES)不間斷電源(UPS,UninterruptiblePowerSupply)
統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQR,UniformPowerQualityRegulator)當(dāng)前第13頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第14頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(4)用電設(shè)備的柔性化技術(shù)。1)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速
(VFD,VariableFrequencyDrive)2)中頻感應(yīng)加熱
(MFIH,MediumFrequencyInductionHeating)3)電力電子鎮(zhèn)流器
(EB,ElectronicBallast)
4)開關(guān)電源
(SMPS,SwitchModePowersupplies)當(dāng)前第15頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)1.4電力電子器件的基本特性與發(fā)展1、按控制方式分類:(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件
(1)功率二極管當(dāng)前第17頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT,Light-triggeredThyristor)。當(dāng)前第18頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)1)LTT不需要高電位邏輯電路和BOD保護(hù)觸發(fā)電路,因此采用LTT的SVC閥塔的元器件數(shù)量將減少近7000個(gè),故障率將下降,可靠性將提高。2)LTT無須輔助電源以給與晶閘管等電位的觸發(fā)回路提供電源,所以交流系統(tǒng)電壓降和外部故障(如直流陷落)對(duì)LTT的影響很小。3)與晶閘管等電位的門極驅(qū)動(dòng)單元取消后,模塊接線被簡化,局部放電和電磁干擾的可能性大為降低,設(shè)備投運(yùn)后維護(hù)工作發(fā)生意外故障的可能性大為降低,LTT晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4)將過電壓保護(hù)功能集成到LTT的晶閘管硅片之中,減少了對(duì)匹配特性的要求,使得保護(hù)具備對(duì)外界影響固有的安全特性。5)閥塔無須預(yù)充電即可啟動(dòng)。缺點(diǎn):LTT需很高的光靈敏度,以適應(yīng)遠(yuǎn)距離控制和長壽命發(fā)光管的實(shí)際要求。當(dāng)前第19頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(4)門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)
GTO是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件。 既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn),以具有自關(guān)斷能力,使用方便,是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大,導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長,限制了器件的開關(guān)頻率;關(guān)斷過程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過熱,嚴(yán)重情況下使器件失效;為了限制dv/dt,需要復(fù)雜的緩沖電路
GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。當(dāng)前第20頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(5)功率場(chǎng)效應(yīng)管(PowerMOSFET)
功率場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制型器件 優(yōu)點(diǎn): 驅(qū)動(dòng)電路簡單,需要的驅(qū)動(dòng)功率??;開關(guān)速度快,高頻特性好,工作頻率高達(dá)100kHz以上。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 缺點(diǎn): 電流容量小,耐壓低,通態(tài)壓降大,一般只適用于功率不超過10kW的場(chǎng)合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
當(dāng)前第21頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)
IGBT是后起之秀,集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身,既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn),又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點(diǎn),是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。 柵極為電壓驅(qū)動(dòng),所需驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)損耗小、工作頻率高,不需緩沖電路,適用于較高頻率的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大,通態(tài)電壓高,導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大;在應(yīng)用于高(中)壓領(lǐng)域時(shí),通常須多個(gè)串聯(lián)。
當(dāng)前第22頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)TC3300型IGBT變流器當(dāng)前第23頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)IGBT的導(dǎo)通電納比MOSFET小的多∴IGBT導(dǎo)通損耗比MOSFET小當(dāng)前第24頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(7)集成門極換流晶閘管(IGCT)
(IntegratedGateCommutatedThyristor)
IGCT是在克服GTO關(guān)斷能力差,重復(fù)關(guān)斷較大電流時(shí)容易產(chǎn)生局部過熱損壞等缺陷而發(fā)展起來的。當(dāng)前第25頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)4500v/1100AIGCT組件
4500v/4000a不對(duì)稱型igct組件當(dāng)前第26頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復(fù)合器件,兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn),又克服了兩者的不足之處,是一種較為理想的MW級(jí)的高(中)壓開關(guān)器件。 與MOSFET相比,IGCT通態(tài)電壓更低,承受電壓更高,通過電流更大;與GTO相比,通態(tài)電壓和開關(guān)損耗進(jìn)一步降低,同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門極電流大大減小,有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。當(dāng)前第27頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
變送領(lǐng)域
產(chǎn)業(yè)、交通領(lǐng)域
GTO
IGBT
MOSFET
晶閘管
100M
10M
1M
100k
10k
1k
100
10
100
1k
10k
100k
1M
控制容量(VA)
工作頻率(Hz)
信息處理領(lǐng)域
當(dāng)前第28頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)010203040功率容量MVA1990198019702000年()晶片直徑(英寸)晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA當(dāng)前第29頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)晶閘管雙向晶閘管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件額定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作頻率(HZ)1M10k100k1k100電力電子器件正朝著容量越來越大、頻率越來越高的方向發(fā)展。當(dāng)前第30頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)1.5儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展1、水電站的開發(fā)方式一、壩式水電站
特點(diǎn):水頭取決于壩高。引用流量較大等
1.河床式電站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上,為避免大量淹沒,建低壩或閘。適用水頭:大中型:25米以下,小型:8~10米以下。2.壩后式水電站(powerstaionatdamtoe)當(dāng)水頭較大時(shí),廠房本身抵抗不了水的推力,將廠房移到壩后,由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大,調(diào)節(jié)性能好。如為土壩,可修建河岸式電站。當(dāng)前第31頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第32頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)二、引水式水電站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩)取水,通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游,集中落差,再經(jīng)壓力管道引水到水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電特點(diǎn):(1)
水頭相對(duì)較高,目前最大水頭已達(dá)2000米以上。(2)引用流量較小,沒有水庫調(diào)節(jié)徑流,水量利用率較低,綜合利用價(jià)值較差。(3)電站庫容很小,基本無水庫淹沒損失,工程量較小,單位造價(jià)較低。類型:(1)無壓引水式(freeflow):引水道是無壓的(如明渠)(2)有壓引水式(pressureflow):引水道是有壓的(壓力隧洞)當(dāng)前第33頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第34頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)三、混合式水電站(mixedpowerplant)在一個(gè)河段上,同時(shí)采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方式稱為混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后,再通過有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差,形成了電站的總水頭。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。適用于上游有優(yōu)良?jí)沃?,適宜建庫,而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉(zhuǎn)彎。同時(shí)兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點(diǎn)。在工程時(shí)間中多稱為引水式,很少用混合式水電站這個(gè)名稱。當(dāng)前第35頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)14名游客被困永定河
門頭溝消防3小時(shí)生死大營救當(dāng)前第36頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn) 1、抽水蓄能技術(shù): 利用電能與水力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換的蓄能技術(shù),是目前國內(nèi)外各電力公司采用的一項(xiàng)大規(guī)模實(shí)用技術(shù)。抽水蓄能:系統(tǒng)負(fù)荷低時(shí),利用系統(tǒng)多余的電能帶動(dòng)泵站機(jī)組將下庫的水抽到上庫(電動(dòng)機(jī)+水泵),以水的勢(shì)能形式貯存起來;放水發(fā)電:系統(tǒng)負(fù)荷高時(shí),將上庫的水放下來推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組(水輪機(jī)+發(fā)電機(jī))發(fā)電,以補(bǔ)充系統(tǒng)中電能的不足。
抽水蓄能的效率還較低,采用可變速技術(shù)后效率也只能達(dá)到75%左右。
四、抽水蓄能電站(pumpedstoragepowerstation)當(dāng)前第37頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖當(dāng)前第38頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)電站安裝常規(guī)水電機(jī)組1×150MW,抽水蓄能機(jī)組3×90MW,下池閘小電站安裝2×5MW水電機(jī)組。常規(guī)機(jī)組于1981年并網(wǎng)發(fā)電,首臺(tái)蓄能機(jī)組于1991年7月投入試運(yùn)行,1992年12月全部機(jī)組投入運(yùn)行。我國第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動(dòng)發(fā)電機(jī)采用可變極(42極、48極)雙速電機(jī),在泵工況低水頭(小于45m)運(yùn)用時(shí)由60MW變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無極變頻變速運(yùn)行,是當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的靜止變頻器。
潘家口抽水蓄能電站當(dāng)前第39頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)廣州抽水蓄能電站上水庫的資料照片1994年3月12日,中國建設(shè)的第一座大型抽水蓄能電站――廣州抽水蓄能電站一期工程完工,四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。它也是當(dāng)時(shí)世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站總裝機(jī)容量240萬千瓦,裝備8臺(tái)30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力的機(jī)組。二期工程2000年全部投產(chǎn)。電站以500kV出線接入廣東電網(wǎng),一期出線兩回,二期出線三回,其中一回作兩期聯(lián)絡(luò),對(duì)外共三回出線納入電網(wǎng),負(fù)責(zé)廣東、香港兩地電網(wǎng)的填谷、凋峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產(chǎn)的嶺澳核電站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)前第40頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第41頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第42頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第43頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)泰安抽水蓄能電站,位于山東省泰安市西郊,大河水庫北邊的山上。工程建設(shè)4×250兆瓦可逆式發(fā)電機(jī)組,計(jì)劃2006年12月30日竣工。機(jī)組投產(chǎn)后,對(duì)促進(jìn)泰安地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展,改善山東電網(wǎng)布局,提高電網(wǎng)運(yùn)行水平都有重要意義。
當(dāng)前第44頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)五、
潮汐電站(tidalenergypowerstation)潮汐:潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運(yùn)動(dòng),即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊(yùn)藏量約為27億kW,若全部轉(zhuǎn)換成電能,每年發(fā)電量大約為1.2萬kW.h。潮汐發(fā)電與原理:利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢(shì)能來發(fā)電的,也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C(jī)械能,再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電)的過程。當(dāng)前第45頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站發(fā)電機(jī)房
當(dāng)前第46頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第47頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)全國大中型水電站分布圖當(dāng)前第48頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)長江流域大中型水電站分布圖當(dāng)前第49頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)2、飛輪蓄能
原理:利用旋轉(zhuǎn)物體所具有的動(dòng)能存儲(chǔ)能量。平均效率在85%以上飛輪電池比能呈可達(dá)150W·h/kg,比功率達(dá)5000-10000W/kg,使用壽命長達(dá)25年,可供電動(dòng)汽車行駛500萬公里當(dāng)前第50頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)150WH飛輪電池的照片1994年,美國阿貢(ANL)國家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維試制一個(gè)儲(chǔ)能飛輪:直徑38厘米,質(zhì)量為11千克,采用超導(dǎo)磁懸浮,飛輪線速度達(dá)1000米/秒。它儲(chǔ)的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃2~5小時(shí)。目前正在開發(fā)儲(chǔ)能達(dá)5000千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠,約需這樣的儲(chǔ)能輪200個(gè)。日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)引發(fā)可控?zé)岷司圩兊难b置。該裝置的飛輪直徑達(dá)6.45米,高1米,重255噸。它所儲(chǔ)存的能量與掛有150個(gè)車廂的列車以100千米/小時(shí)的速度行駛時(shí)所具有的能量相當(dāng)。故將這些能量在極短時(shí)間釋放出來足以引發(fā)核聚變。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)開發(fā)了汽車用機(jī)-電電池(EMB),每個(gè)質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪,每個(gè)電池儲(chǔ)能為1千瓦時(shí),它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上,能使該車以100千米/小時(shí)的速度行駛480千米。機(jī)-電電池共重273千克,若采用鉛酸電池,則共重396千克。機(jī)-電電池所儲(chǔ)的能量為鉛酸電池的2.5倍,使用壽命是鉛酸電池的8倍,且它的“比功率”(即爆發(fā)力)極高,是鉛酸電池的25倍,是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍,它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米/小時(shí)。
當(dāng)前第51頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)軌道交通儲(chǔ)能:應(yīng)用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為蓄能系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)前第52頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)核聚變?cè)囼?yàn)裝置電源用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用當(dāng)前第53頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)3、電池蓄能技術(shù)電池蓄能技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)、使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的蓄能技術(shù)。這種電池可以實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的多次反復(fù)轉(zhuǎn)化,有別于只一次性實(shí)現(xiàn)從化學(xué)能到電能轉(zhuǎn)化的一次電池(不可充電電池),用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)。由于直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電能只能是直流形式,因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)前第54頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)電池組合方式與系統(tǒng)的連接當(dāng)前第55頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)特點(diǎn):(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暫態(tài)特性好,負(fù)荷追隨性能強(qiáng)。(4)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。(5)系統(tǒng)較為復(fù)雜。(6)使都市設(shè)施安全管理復(fù)雜化。種類:NaS電池鋅-氯電池鋅溴電池RF(Redoxflow)當(dāng)前第56頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)4、超導(dǎo)蓄能技術(shù)
超導(dǎo)蓄能(SMES:Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用電流在處于超導(dǎo)狀態(tài)的線圈中流通,以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)電能的方式。
超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能(SMES)的原理
當(dāng)前第57頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
1908年,荷蘭物理學(xué)家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化,因而獲得4.2K的低溫源,為超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)備了條件。三年后即1911年,在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí),昂納斯又發(fā)現(xiàn),汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失,多次精密測(cè)量表明,汞柱兩端壓降為零,他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài),并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義,僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)當(dāng)前第58頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)5.4能量控制型并聯(lián)補(bǔ)償超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES1、SMES概述
1911年,荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn),將汞冷卻到-268.98°C(4.2K)時(shí),汞的電阻突然消失;后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性,由于它的特殊導(dǎo)電性能,卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)??钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。
當(dāng)前第59頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)荷蘭物理學(xué)家昂納斯
(HeikeKamerlinghOnnes)
卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學(xué)家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根,1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓.因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象象1913年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).當(dāng)前第60頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律
如圖所示橫坐標(biāo)表示溫度,縱坐標(biāo)表示在該溫度下汞的電阻與0℃時(shí)汞的電阻之比:R/R0
R0:
T=273K的電阻當(dāng)前第61頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)超導(dǎo)體的分類
在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種(如圖元素周期表中青色方框所示),而在高壓下或制成薄膜狀時(shí)具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種(如圖元素周期表中綠色方框所示)
當(dāng)前第62頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)重要物理參數(shù)
臨界溫度(Tc):
超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流(Ic):超導(dǎo)體無阻載流的能力是有限的,當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí),又會(huì)重新出現(xiàn)電阻,使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流
臨界磁場(chǎng)(Hc):逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后,超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài),把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)當(dāng)前第63頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第64頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)三、超導(dǎo)體的物理特性
(1)零電阻現(xiàn)象(ZeroResistance)T>Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場(chǎng)
(b)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(c)突然撤去外電場(chǎng),超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流
當(dāng)前第65頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
(2)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性,1933年邁斯納發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài),體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外,磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零,且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng),還是先加磁場(chǎng)后降溫,只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài),超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注:S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)三、超導(dǎo)體的物理特性
當(dāng)前第66頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
在錫盤上放一條永久磁鐵,當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí),小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起,升至一定距離后,便懸空不動(dòng)了,這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體,在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng),與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力,磁體越遠(yuǎn)離錫盤,斥力越小,當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí),就懸浮不動(dòng)了。邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)當(dāng)前第67頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)這種情況就象是在超導(dǎo)盤下方,有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。根據(jù)這種原理,可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀以及磁懸浮列車等。當(dāng)前第68頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
1986年4月,喬治·柏諾茲(J.GeorgBednorz,1950-,瑞士)和卡爾·繆勒(KarlA.Muller,1927-,德國)向德國《物理雜志》提交了題為“Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中可能的高Tc超導(dǎo)電性”的論文。后來,日本東京大學(xué)的幾位學(xué)者根據(jù)他們的配方復(fù)制了類似的樣品,證實(shí)鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。
柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)使人類從基本探索和認(rèn)識(shí)超導(dǎo)電性跨越到超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時(shí)代。
柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導(dǎo)電性,共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。高溫超導(dǎo)當(dāng)前第69頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)
把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷一類氧化物,其超導(dǎo)機(jī)理與低溫下的金屬或合金超導(dǎo)有很大不同。
1987年2月24日中國科學(xué)院宣布,趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研組已將釔鋇銅氧
(Y-Ba-Cu-O)材料的Tc提高到了92.8
K以上,從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點(diǎn)為77.3K,價(jià)格比液氦便宜100
倍,冷卻效率高63
倍,且氮又是十分安全的氣體,故大大擴(kuò)展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。當(dāng)前第70頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)五、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用
(1)在電力工程方面的應(yīng)用
圖1超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)
超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗,因而可節(jié)省大量能源;用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用,超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗,從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革.當(dāng)前第71頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)熱絕緣超導(dǎo)電纜的基本結(jié)構(gòu),從內(nèi)到外依次為:管狀支撐物(一般為波紋管,內(nèi)通液氮);超導(dǎo)導(dǎo)體層(超導(dǎo)帶材分層繞制);熱絕緣層(真空隔熱套件);常規(guī)電氣絕緣層(工作在常溫下);電纜屏蔽層和護(hù)層(與常規(guī)電力電纜類似)。當(dāng)前第72頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第73頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置
超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來,需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件,它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈
當(dāng)前第74頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)
在電力領(lǐng)域,利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬~6萬高斯,并且?guī)缀鯖]有能量損失,這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5~10倍,達(dá)1萬兆瓦,而體積卻減少1/2,整機(jī)重量減輕1/3,發(fā)電效率提高50%
當(dāng)前第75頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)超導(dǎo)限流器
超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性,有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流,能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一體,反應(yīng)速度快,正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低,能自動(dòng)復(fù)位,克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn)。當(dāng)前第76頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)當(dāng)前第77頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能器
25kJ超導(dǎo)儲(chǔ)能用磁體當(dāng)前第78頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV
高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”
(2)超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用當(dāng)前第79頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)(3)超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用
用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器,具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn),如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量,并可用于地震預(yù)報(bào)
超導(dǎo)量子干涉儀
當(dāng)前第80頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)超導(dǎo)數(shù)字電路
超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件,其開關(guān)速度可達(dá)10-11秒左右的數(shù)量級(jí),比半導(dǎo)體集成電路快100倍,但功耗卻要低1000倍左右,為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)途徑當(dāng)前第81頁\共有89頁\編于星期一\3點(diǎn)2、SMES的工作原理 超導(dǎo)線圈可以承載大電流而無功率損耗,因而可用以存儲(chǔ)大量磁能。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量大于負(fù)載用電量時(shí),可利用發(fā)電機(jī)的剩余功率對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)供電,
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