CN106602566A - 一种具有高供电品质的超导交直流定制电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，主要应用于新能源系统，通过第一超导交流母线和第二超导交流母线将新能源系统产生的交流电能传送至与各个超导交流支路对应连接的交流负荷，以及通过第一超导直流母线和第二超导直流母线将新能源系统产生的直流电能传送至与各个超导直流支路对应连接的直流负荷，由于第一超导交流母线、第二超导交流母线、超导交流支路、第一超导直流母线、第二超导直流母线和超导直流支路上分别并联连接有相应的超导储能装置，因此，通过相应的超导储能装置快速响应线路上电能功率的波动，提高系统的响应速度和供电品质，同时对安装在线路上的超导储能装置容量要求更小，降低了总的装置研制成本。

Description

一种具有高供电品质的超导交直流定制电力系统

技术领域

本发明涉及定制电力技术领域，特别涉及具有高供电品质的超导交直流定制电力系统

背景技术

近年来包括风能、太阳能等在内的多种自然能源被直接用作大容量并网或离网发电。由于自然能源具有间歇性、不稳定性等技术问题，自然能源发电站的输出功率和电压存在较剧烈的动态波动性，往往需要增设额外的电力储能设备，并通过动态的电能吸收或补偿操作以完成持续、稳定的电能供用。现有的电力储能设备主要为蓄电池储能器，但是其动态响应速度较慢，无法实现快速的电能吸收或补偿。具备快速动态响应、高运行效率特征的超导磁储能器可以弥补蓄电池储能器的技术缺陷，但是其能量密度较低、研制成本昂贵。

根据电能负荷对供电可靠性和供电品质的要求不同，为使供配电系统达到技术上的合理和经济上的节约，往往会对电能负荷进行分级供电处理。具有不同电能质量要求的电能负荷可以被分类为一级负荷、二级负荷、三级负荷、四级负荷等。目前，定制电力系统往往采用常规的电力电子技术和配电自动化技术，受限于蓄电池储能器的响应速度和常规铜或铝导线的导通损耗，现有的定制电力系统仍存在响应速度较慢、运行效率不高等问题。虽然利用高温超导线制备的超导电缆、常规超导变压器、超导电抗器、超导磁储能器、超导故障限流器等超导电力装置已逐渐应用至输配电系统中，用于代替常规的电力设备，但是，在定制电力技术领域中，由于超导磁储能器的能量密度低，而且在交流负荷对供电品质要求高的情况下，需要大容量超导磁储能器，这就极大地增加了装置研制成本。同时，由于传输线路的长度影响，一旦超导磁储能器安装位置确定，其只能快速响应距离较近的传输线路上产生的功率波动，而对于距离较远的传输线路上产生的功率波动不能快速响应，运行效率不高，因此，超导电力装置在定制电力技术领域的使用，仍存在很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于：解决在定制电力技术中应用超导电力装置，存在装置研制成本高，整体响应速度不快，整体供电品质不高的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，应用于具有风力发电站和/或光伏发电站的新能源系统，其特征在于，包括用于将所述新能源系统产生的交流电能输送给交流负荷使用的超导交流电力子系统和用于将所述新能源系统产生的直流电能输送给直流负荷使用的超导直流电力子系统；其中，

所述超导交流电力子系统中，所述新能源系统将其产生的交流电能输送至第一超导交流母线上，所述第一超导交流母线通过一个断路器和一个超导限流变压器与超导交流电缆串联连接，再经过所述超导交流电缆将交流电能输送至第二超导交流母线上，所述第二超导交流母线连接有多条超导交流支路，其中，每条超导交流支路由一个断路器，一个常规超导变压器或超导限流变压器和一条超导交流支路电缆串联连接而成，每条超导交流支路电缆与相应的交流负荷连接，为相应的交流负荷提供相应品质的交流电能；所述第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和至少一条具有超导限流变压器的超导交流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和超导交流支路上交流电能功率的稳定；

所述超导直流电力子系统中，所述新能源系统将其产生的直流电能输送至第一超导直流母线上，所述第一超导直流母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导直流电缆串联连接，再经过所述超导直流电缆将直流电能输送至第二超导母线上，所述第二超导直流母线连接有多条超导直流支路，其中，每条超导直流支路由一个断路器，一个超导电抗器和一条超导直流支路电缆串联连接而成，每条超导直流支路电缆与相应的直流负荷连接，为相应的直流负荷提供相应品质的直流电能；所述第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和至少一条具有超导电抗器的超导直流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和超导直流支路上直流电能功率的稳定；

并且，超导交流支路与超导直流支路之间通过变流器连接，所述超导直流支路通过所述变流器将其传输的直流电能转换为交流电能，补偿所述超导交流支路上的交流电能功率不足，以及所述超导交流支路通过所述变流器将其传输的交流电能转换为直流电能，补偿所述超导直流支路上的直流电能功率不足。

根据一种具体的实施方式，在本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统中，所述超导储能装置包括超导磁储能器，所述超导磁储能器通过一个变流器与外部交流电能传输线路并联连接，或者通过一个斩波器与外部直流电能传输线路连接。

进一步地，本发明的所述超导储能装置还包括蓄电池储能器，并且，所述超导储能装置还包括蓄电池储能器，并且，所述蓄电池储能器通过一个变流器与外部交流电能传输线路并联连接，或者通过一个斩波器与外部直流电能传输线路连接。

根据一种具体的实施方式，在本发明的超导储能装置中，所述超导储能装置响应线路上交流电能的功率波动时，首先启动所述超导磁储能器响应线路上的交流电能功率波动，并在交流电能功率波动的持续时间超过设定时间后，启动所述蓄电池储能器，由所述蓄电池储能器响应线路上的交流电能功率波动。

根据一种具体的实施方式，在本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统中，所述超导限流变压器还具有无感超导线圈，用于限制所述超导交流电缆和超导交流支路电缆上的短路故障电流；所述超导电抗器由一个无感超导线圈和一个超导电感线圈构成，其中，所述超导无感线圈设置在所述超导电感线圈的空腔内。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明中，新能源系统通过第一超导交流母线和第二超导交流母线将交流电能传送至与各个超导交流支路对应连接的交流负荷，以及通过第一超导直流母线和第二超导直流母线将直流电能传送至与各个超导直流支路对应连接的直流负荷，由于第一超导交流母线、第二超导交流母线、超导交流支路、第一超导直流母线、第二超导直流母线和超导直流支路上分别并联连接有相应的超导储能装置，因此，通过相应的超导储能装置进行快速响应交流电能功率或直流电能功率的波动，提高系统的整体响应速度和供电品质，同时对超导储能装置的容量要求更小，降低了总的装置研制成本。

2、本发明中，所采用的超导限流变压器和超导电抗器均具有无感超导线圈。因此，当出现短路故障电流时，线路上的电压跌落，超导储能装置需要补偿电压，由于无感超导线圈具有限制线路上的短路故障电流的作用，使超导储能装置需要补偿的电能功率波动更小，即对超导储能装置的容量要求更小，从而进一步降低超导储能装置的研制成本。同时，由于超导储能装置具有补偿交流电能功率波动的作用，使超导限流变压器和超导电抗器中的无感超导线圈需要限制的短路故障电流变得更小，即对超导限流变压器和超导电抗器的容量要求更小，从而降低超导限流变压器和超导电抗器的研制成本。而且，结合超导储能装置与超导限流变压器和超导电抗器中无感线圈的作用，有效地减缓线路上的电压跌落问题，提高系统的整体供电品质，并使新能源系统安全地完成低电压穿越操作，避免大电流对新能源子系统造成设备损伤。

3、本发明中，由于超导储能装置由蓄电池储能器和超导储能器组合而成，并且，先通过具有较小储能容量的超导磁储能器对进行快速响应，第一时间抑制交流电能功率波动，然后当交流电能功率波动的持续时间超过设定时间后，再通过具有较大储能容量的蓄电池储能器持续抑制交流电能功率波动，从而提高系统的运行效率以及交流电能的供电品质。

4、本发明中，由于超导交流电力子系统的超导交流支路与超导直流电力子系统的超导直流支路通过变流器连接，在需要时，超导直流支路通过变流器将其传输的直流电能转换为交流电能，补偿相应超导交流支路上的交流电能功率不足，同理，超导交流支路也能通过该变流器将其传输的交流电能转换为直流电能，补偿相应超导直流支路上的直流电能功率不足。因此，本发明能够同时提供稳定高品质的直流电能和交流电能。

附图说明：

图1为本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统的一种实施方式的结构示意图。

图中标记：1-超导限流变压器，2-超导电抗器，3-常规超导变压器，10-超导交流电缆，101-第一超导交流支路电缆，102-第二超导交流支路电缆，103-第三超导交流支路电缆，104-第四超导交流支路电缆，11-第一超导交流母线，12-第二超导交流母线，20-超导直流电缆，201-第一超导直流支路电缆，202-第二超导直流支路电缆，203-第三超导直流支路电缆，204-第四超导直流支路电缆，21-第一超导直流母线，22-第二超导直流母线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，应用于具有风力发电站和/或光伏发电站的新能源系统，并将新能源系统产生的交流电能和直流电能输送给交流负荷和直流负荷，同时提高对负载提供的电能品质。

本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统包括超导交流电力子系统和超导直流电力子系统，其中，超导交流电力子系统将新能源系统产生的交流电能输送给交流负荷使用，超导直流电力子系统将新能源系统产生的直流电能输送给直流负荷使用。

在超导交流电力子系统中，新能源系统将其产生的交流电能输送至第一超导交流母线上，第一超导交流母线通过一个断路器和一个超导限流变压器与超导交流电缆串联连接，再经过所述超导交流电缆将交流电能输送至第二超导交流母线上，所述第二超导交流母线连接有多条超导交流支路，其中，每条超导交流支路由一个断路器，一个常规超导变压器或超导限流变压器和一条超导交流支路电缆串联连接而成，每条超导交流支路电缆与相应的交流负荷连接，为相应的交流负荷提供相应品质的交流电能。而且，第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和至少一条具有超导限流变压器的超导交流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和超导交流支路电缆上交流电能功率的稳定。

在超导直流电力子系统中，新能源系统将其产生的直流电能输送至第一超导直流母线上，所述第一超导直流母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导直流电缆串联连接，再经过所述超导直流电缆将直流电能输送至第二超导母线上，所述第二超导直流母线连接有多条超导直流支路，其中，每条超导直流支路由一个断路器，一个超导电抗器和一条超导直流支路电缆串联连接而成，每条超导直流支路电缆与相应的直流负荷连接，为相应的直流负荷提供相应品质的直流电能。而且，第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和至少一条具有超导电抗器的超导直流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和超导直流支路电缆上直流电能功率的稳定。

并且，超导交流电力子系统的超导交流支路与超导直流电离子系统的超导直流支路之间通过变流器相互连接，其中，超导直流支路通过该变流器将其传输的直流电能转换为交流电能，补偿相应超导交流支路上的交流电能功率不足，以及超导交流支路通过该变流器将其传输的交流电能转换为直流电能，补偿相应超导直流支路上的直流电能功率不足。因此，本发明能够同时提供稳定高品质的直流电能和交流电能。

本发明中，新能源系统通过第一超导交流母线和第二超导交流母线将交流电能传送至与各个超导交流支路对应连接的交流负荷，以及通过第一超导直流母线和第二超导直流母线将直流电能传送至与各个超导直流支路对应连接的直流负荷，由于第一超导交流母线、第二超导交流母线、超导交流支路、第一超导直流母线、第二超导直流母线和超导直流支路上分别并联连接有相应的超导储能装置，因此，通过相应的超导储能装置进行快速响应交流电能功率或直流电能功率的波动，提高系统的整体响应速度和供电品质，同时对超导储能装置的容量要求更小，降低了总的装置研制成本。

在本发明中，超导储能装置可直接采用超导磁储能器，并且该超导磁储能器通过一个变流器与外部交流传输线路并联连接，或者通过一个斩波器与外部直流传输线路连接。但是由于一般超导磁储能器的容量比较小，线路上电能功率的波动较为严重或持续时间长，则超导磁储能器必须由超导磁储能器和蓄电池储能器构成，而且超导磁储能器和蓄电池储能器分别通过一个变流器与外部交流传输线路并联连接，或者分别通过一个斩波器与外部直流传输线路并联连接。

具体的，在由超导磁储能器和蓄电池储能器构成的超导储能装置中，当线路上出现电能功率波动，首先通过该线路上设置的超导磁储能器对该线路上的电能功率波动进行响应，并在该线路上电能功率波动时间持续时间超过设定值后，切换为由该线路上设置的蓄电池储能器对该线路上的电能功率波动进行响应。不仅保证线路上的电能功率波动能够被快速吸收/补偿，同时还能够持续地维持线路上的电能功率的稳定。

在本发明中，超导限流变压器具有无感超导线圈，具有限制超导电缆和超导支路上的短路故障电流的作用。因此，当出现短路故障电流时，线路上的电压跌落，超导储能装置需要补偿交流电压功率，由于超导限流变压器的无感线圈具有限制短路故障电流的作用，使超导储能装置需要补偿的交流功率波动变得更小，即对超导储能装置的容量要求更小，从而进一步降低超导储能装置的研制成本。同时，由于超导储能装置具有补偿交流电能功率波动的作用，使超导限流变压器中的无感超导线圈需要限制的短路故障电流变得更小，即对超导限流变压器的容量要求更小，从而降低超导限流变压器的研制成本。而且，结合超导储能装置与超导限流变压器的作用，有效地减缓线路上的电压跌落问题，提高系统的整体供电品质，并使新能源系统安全地完成低电压穿越操作，避免大电流对新能源子系统造成设备损伤。

而且，在本发明中采用的超导电抗器中，超导电抗器由一个无感超导线圈和一个超导电感线圈构成，其中超导无感线圈设置在超导电感线圈的空腔内。超导电感线圈产生的磁场作为超导无感线圈的背景磁场，从而减小了超导无感线圈在故障运行情况下的临界电流值，增大了超导无感线圈的限流电阻值。

在正常运行情况下，超导电感线圈用于补偿超导电缆和超导支路上的直流纹波电压。在故障运行情况下，超导无感线圈用于限制超导电缆和超导支路上的短路故障电流，因此，当出现短路故障电流时，线路上的电压跌落，超导储能装置需要补偿直流电能功率波动，由于超导电抗器的无感线圈具有限制短路故障电流的作用，使超导储能装置需要补偿的直流功率波动变得更小，即对超导储能装置的容量要求更小，从而进一步降低超导储能装置的研制成本。同时，由于超导储能装置具有补偿直流电能功率波动的作用，使超导电抗器的无感超导线圈需要限制的短路故障电流变得更小，即对超导电抗器的容量要求更小，从而降低超导电抗器的研制成本。

在实施时，本发明中的断路器在其连接的线路上的短路故障持续时间超过一定时间后，完成切断线路的操作。

结合图1所示的本发明具有高供电品质的超导交直流定制电力系统的一种实施方式的结构示意图；其中，新能源系统由风力发电站和光伏发电站构成，风力发电站通过变压器与第一超导交流母线连接和通过变流器与第一超导直流母线连接，光伏发电站通过变流器与第一超导交流母线连接和通过斩波器与第一超导直流母线连接。

在超导交流电力子系统中，风力发电站和光伏发电站将各自产生的交流电能输送至第一超导交流母线11上，第一超导交流母线11通过一个断路器和一个超导限流变压器1与超导交流电缆10串联连接，再经过超导交流电缆10将交流电能输送至第二超导交流母线12上，第二超导母线12连接有四条超导交流支路，每条超导交流支路对应不同等级的交流负荷。其中，第一超导交流支路由一个断路器、一个超导限流变压器1和第一超导交流支路电缆101构成，第一超导交流支路电缆101上并联一个超导储能装置，该超导储能装置由超导磁储能器和蓄电池储能器构成，第一超导交流支路对应一级交流负荷。第二超导交流支路由一个断路器、一个超导限流变压器1和第二超导交流支路电缆102构成，第二超导交流支路电缆102上并联一个超导储能装置，该超导储能装置直接采用超导磁储能器，第二超导交流支路对应二级交流负荷。第三超导交流支路由一个断路器、一个超导限流变压器1和第三超导交流支路电缆103构成，第三超导支路对应三级交流负荷。第四超导支路由一个断路器、一个常规超导变压器3和第四超导交流支路电缆104构成，第四超导支路对应四级交流负荷。

在超导直流电力子系统中，风力发电站和光伏发电站将各自产生的直流电能输送至第一超导直流母线21上，第一超导直流母线21通过一个断路器和一个超导电抗器2与超导直流电缆20串联连接，再经过超导直流电缆20将直流电能输送至第二超导直流母线22上，第二超导直流母线22连接有四条超导直流支路，每条超导直流支路对应不同等级的直流负荷。其中，第一超导直流支路由一个断路器、一个超导电抗器2和第一超导直流支路电缆201构成，第一超导直流支路电缆201上并联一个超导储能装置，该超导储能装置由超导磁储能器和蓄电池储能器构成，第一超导直流支路对应一级负荷。第二超导直流支路由一个断路器、一个超导电抗器2和第二超导直流支路电缆202构成，第二超导直流支路电缆202上并联一个超导储能装置，该超导储能装置直接采用超导磁储能器，第二超导直流支路对应二级负荷。第三超导直流支路由一个断路器、一个超导电抗器2和第三超导直流支路电缆203构成，第三超导直流支路对应三级负荷。第四超导直流支路由一个断路器和第四超导直流支路电缆204构成，第四超导直流支路对应四级负荷。

而且，第一超导交流支路电缆101与第一超导直流支路电缆201之间，第二超导交流支路电缆102与第二超导直流支路电缆202之间，第三超导交流支路电缆103与第三超导直流支路电缆203之间和第四超导交流支路电缆104与第四超导直流支路电缆204之间分别通过一个变流器相互连接。并且，在需要时，超导直流支路通过相应的变流器将其传输的直流电能转换为交流电能，补偿相应超导交流支路上的交流电能功率不足。同理，超导交流支路也能通过该变流器将其传输的交流电能转换为直流电能，补偿相应超导直流支路上的直流电能功率不足。因此，本发明能够同时提供稳定高品质的直流电能和交流电能。

在定制电力技术领域，在本发明公开的技术方案上，对各个超导支路的结构进行调整，以适应客户对负荷交流电能品质的不同需求。

Claims (5)

1.一种具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，应用于具有风力发电站和/或光伏发电站的新能源系统，其特征在于，包括用于将所述新能源系统产生的交流电能输送给交流负荷使用的超导交流电力子系统和用于将所述新能源系统产生的直流电能输送给直流负荷使用的超导直流电力子系统；其中，

所述超导交流电力子系统中，所述新能源系统将其产生的交流电能输送至第一超导交流母线上，所述第一超导交流母线通过一个断路器和一个超导限流变压器与超导交流电缆串联连接，再经过所述超导交流电缆将交流电能输送至第二超导交流母线上，所述第二超导交流母线连接有多条超导交流支路，其中，每条超导交流支路由一个断路器，一个常规超导变压器或超导限流变压器和一条超导交流支路电缆串联连接而成，每条超导交流支路电缆与相应的交流负荷连接，并为所述交流负荷提供相应品质的交流电能；所述第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和至少一条具有超导限流变压器的超导交流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导交流母线、所述第二超导交流母线和超导交流支路上交流电能功率的稳定；

所述超导直流电力子系统中，所述新能源系统将其产生的直流电能输送至第一超导直流母线上，所述第一超导直流母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导直流电缆串联连接，再经过所述超导直流电缆将直流电能输送至第二超导母线上，所述第二超导直流母线连接有多条超导直流支路，其中，每条超导直流支路由一个断路器，一个超导电抗器和一条超导直流支路电缆串联连接而成，每条超导直流支路电缆与相应的直流负荷连接，并为所述直流负荷提供相应品质的直流电能；所述第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和至少一条具有超导电抗器的超导直流支路上各并联连接一台超导储能装置，并通过相应的超导储能装置维持所述第一超导直流母线、所述第二超导直流母线和超导直流支路上直流电能功率的稳定；

并且，超导交流支路与超导直流支路之间通过变流器连接，所述超导直流支路通过所述变流器将其传输的直流电能转换为交流电能，补偿所述超导交流支路上的交流电能功率不足，以及所述超导交流支路通过所述变流器将其传输的交流电能转换为直流电能，补偿所述超导直流支路上的直流电能功率不足。

2.如权利要求1所述的具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，其特征在于，所述超导储能装置包括超导磁储能器，所述超导磁储能器通过一个变流器与外部交流电能传输线路并联连接，或者通过一个斩波器与外部直流电能传输线路连接。

3.如权利要求2所述的具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，其特征在于，所述超导储能装置还包括蓄电池储能器，并且，所述蓄电池储能器通过一个变流器与外部交流电能传输线路并联连接，或者通过一个斩波器与外部直流电能传输线路连接。

4.如权利要求3所述的具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，其特征在于，所述超导储能装置响应线路上交流电能的功率波动时，首先启动所述超导磁储能器响应线路上的交流电能功率波动，并在交流电能功率波动的持续时间超过设定时间后，启动所述蓄电池储能器，由所述蓄电池储能器响应线路上的交流电能功率波动。

5.如权利要求1所述的具有高供电品质的超导交直流定制电力系统，其特征在于，所述超导限流变压器还具有无感超导线圈，用于限制所述超导交流电缆和超导交流支路电缆上的短路故障电流；所述超导电抗器由一个无感超导线圈和一个超导电感线圈构成，其中，所述超导无感线圈设置在所述超导电感线圈的空腔内。