蒋晓华， 要鹏飞

(清华大学电机系， 北京 100084)

超导电缆的应用系统
——柔性超导直流配电环网综述

蒋晓华， 要鹏飞

(清华大学电机系， 北京 100084)

进入2010年代后，高温超导电缆技术呈现出从单机设备到应用系统的发展新趋势。最具代表性的应用系统一方面是以“柔性超导直流”实现交流电网之间的互联，大幅度提高交流电网之间的潮流容量；另一方面则是将超导交流电缆应用于城市配电网，在不增加变电站及地下电缆沟道的场地空间前提下实现“扩容”。“柔性超导直流配电环网”则是利用“柔性超导直流”将城市临近两座变电站连接起来形成闭环运行模式，以提高城市配电网的安全可靠性及供电质量和效率。本文对高温超导电缆应用系统的发展进行综述，对“柔性超导直流配电环网”的技术方案进行简要分析。

超导； 柔性直流； 配电网； 环网

1 引言

超导电力技术的优势主要是基于超导体的三个重要特性，即极高的电流密度、零电阻以及从超导态到正常态间的相变。这三个重要特性在各种超导电力设备中体现出不同的技术优越性。从近几年的发展趋势来看，超导电力技术的优势可能会更多地体现在由超导电力设备组成的一些特殊的应用系统中。比如，以高温超导直流电缆实现的交流电网之间的互联，可在大幅度提高交流电网之间潮流容量的同时，明显地改善电网的可靠性及安全稳定性。另外，如果以高温超导交流电缆替代常规城市地下电缆，可在实现“扩容”的同时，不增加变电站及地下电缆沟道的场地空间，综合地提高城市“扩容”的经济与社会效益。

以高温超导直流电缆实现交流电网之间的互联为例。如果说美国实现三大电网互联的“超级变电站”Tres Amigas项目为采用“柔性超导直流”输电实现大规模风力及太阳能等可再生能源的入网传输树立了一个长远目标的话，俄罗斯St. Petersburg的高温超导直流电缆系统却为各国的中心大城市提供了一个以超导直流电缆实现配电环网运行从而加强供电安全可靠性的现实解决方案。

在城市“扩容”方面，德国Essen的高温超导交流电缆加限流器系统在全球范围树立了一个高温超导中压“扩容”方案的样板；而美国New York将建设的配电变电站之间通过具有限流功能的高温超导交流电缆直接互联的系统，更是以高温超导电缆实现配电环网运行并确保中心城市供电安全可靠的一个创新思路。

“柔性超导直流配电环网”方案指：中心城市两座相邻的110kV/10kV变电站在110kV输入端，经电压源型整流/逆变器，通过高温超导直流电缆实现背靠背互联，从而构成配电网的可控闭环运行模式，在不增加系统短路容量的前提下，改善中心城市的环网供电结构，提升城市电网供电的安全可靠性，同时还能扩大供电容量。

2 超导电缆应用系统发展现状

图1为美国2010年提出的“超级变电站”(Tres Amigas)系统[1,2]。该系统核心内容是：在Texas州建立“超级变电站”，通过大容量“柔性超导直流”将东部、西部和Texas州三大电网连接起来，实现三大电网之间的潮流互动，同时也便于大规模可再生能源的入网传输。根据初步计划，用高温超导直流电缆取代常规直流电缆，可使三大电网互联的功率等级从2.25GW上升到5GW。Tres Amigas计划于2014年初启动。750MW背靠背式DC-DC变换器将分阶段建设，以满足交换功率的日益增长。开始阶段，这些变换器将与300kV的常规直流母线连接。随着签约功率不断上升，负荷也将持续增长，计划的最大负荷是5GW。当负荷接近3GW时，将用超导直流电缆代替原有的常规直流母线。用于建设第一台750MW变换器的初期预算为5亿$；第二阶段，4亿$的预算将用于建设2.25GW的常规直流母线联网；最后一阶段，10亿$的预算将用于以高温超导直流电缆代替常规直流母线的建设，将联网容量提升到5GW。由于经费没有到位，2016年Tres Amigas提出降低计划容量，预计首先会建设一个连接东部、西部电网的容量约200MW的变电站，预计花费约2亿$[3]。

图1 美国计划建成的超级变电站[1,2]Fig.1 Super substation planned in U.S.[1,2]

图2为俄罗斯联邦电网公司建设的St. Petersburg高温超导直流电缆系统[4,5]。该系统用20kV、50MW、2500m单极性超导直流电缆将St. Petersburg两座变电站的110kV系统通过传统直流输电变流装置连接起来，形成闭环运行模式，实现两个变电站110kV系统之间的潮流互动，以避免城市中心一些后故障系统振荡模式导致供电中断的潜在危险，从而加强城市中心供电的可靠性。项目计划2014年完成2500m超导电缆的制作和测试，2015年上半年完成电缆的安装，2015年下半年完成电缆的通电，2016年整个系统开始投入运行。2016年，超导电缆、电流接头等已通过了测试[6-8]。

图2 俄罗斯St. Petersburg超导直流电缆系统[4,5]Fig.2 Russia St.Petersburg superconducting DC cable system[4,5]

图3为德国Essen的一个10kV、1km高温超导交流电缆加高温超导限流器系统[9-11]。该系统用10kV超导交流电缆替代市中心一个正在老化的常规110kV/10kV输配电系统(一条110kV地下输电线和一台110kV/10kV变压器)，在保持原有地下电缆沟道不变的情况下，实现以10kV传输与原有110kV相同的容量。新的超导系统还具有故障电流限制功能。超导限流器所占空间为变电站里原有的110kV/10kV变压器室。经济分析表明，10kV高温超导中压方案的预算比更新110kV常规高压方案的预算低9.2%，而比10kV常规中压方案的预算仅高6.8%。选择超导方案是因为它比常规中压方案损耗更低、所需场地空间更小。该项目2011年9月启动，电缆系统安装于2013年第三季度完成，2013年第四季度开始试运行。2014年3月10日起，系统开始连续运行。系统总容量为40MV·A(2.3kA)[12]。

图3 德国Essen市中心地下电缆系统采用超导电缆进行改造电气结构变化图[9-11]Fig.3 Electrical structure change of underground cable system using superconducting cable in center of Essen, Germany[9-11]

图4为美国New York的配电变电站通过高温超导交流电缆直接实现闭环运行模式的系统[13-15]。该电缆连接两个邻近配电变电站的变压器二次侧，并具有限制故障电流的固有功能，其优势是：①减小每个变电站对备用变压器的需求；②允许释放每个变电站的容量余度，从而实现“扩容”；③提高配电变电站之间的连通性，将可以在发生灾难性事故或是某个单独的高压馈线断电时，保护城市中的关键负荷。这个高温超导电缆系统原计划在2010年投入运行，但因经济衰退而推迟到2014年开始实施，系统的选址也从Manhattan改到Manhattan北部，系统的电缆长度由200～250m改为170m。

图4 美国New York城市配电变电站通过高温超导电缆连接示意图[15-17]Fig.4 HTS cable connection of substation in New York, U. S. [15-17]

3 “柔性超导直流配电环网”方案

“柔性超导直流配电环网”方案应用电压源型高温超导直流系统，连接相邻110kV配电变电站的110kV入线以构成配电网的闭环运行系统(如图5所示)，从而在不增加系统短路容量的前提下，提高供电可靠性、供电容量以及供电效率。如果该方案的电压等级根据110kV电压而设计为±60kV，那么，采用高温超导直流电缆则可使系统的容量到达到192～288MW。在现有高温超导材料的基础上，高温超导直流电缆长度可以达到km量级。

图5 “柔性超导直流配电环网”方案Fig.5 Flexible superconducting DC closed-loop distribution network scheme

目前，为了提高城市配电网的供电可靠性，两回110kV的供电线路可以通过联络断路器相连，联络断路器在系统正常运行时是断开的，只有当其中某一回线路出现故障时，联络断路器才会闭合，从而通过未故障线路向两座110kV变电站供电，减少因故障造成的停电时间。采用图5中的电压源型高温超导直流系统的闭环连接方式，可以使得两供电线路在系统正常运行时也可以进行功率交换，电压源型直流系统可以任意控制功率的流向和大小，而且在出现故障切换供电线路时的动态相应时间相比联络断路器闭合的动态响应时间明显减小。

随着我国社会经济的快速发展以及人民生活水平的不断改善，对城市供电的可靠性和安全性以及供电质量的要求也越来越高，配电网的开环运行方式已开始显现出其固有的弱点及局限性。在供电可靠性方面，开环运行下的配电网，即便完成了馈线自动化改造，进行故障隔离和故障后倒闸的平均停电时间也不少于30s，相应的供电可靠性为99.995%[18]。高级配电自动化(ADA)要求供电可靠性达到99.9999%，甚至是99.9999999%[18,19]。显然，开环运行下的配电网远未达到ADA的需求。

如果采用闭环运行方式，配电网进行故障隔离和故障后倒闸的平均停电时间可减小到ms量级，而非故障区域则不会出现停电现象。采用闭环运行方式，配电网还可以将民用线路和工业线路组成一个环网，形成各用户用电特性的互补，这样不仅可以提高配电网电压合格率，还可以有效地减小设备的备用容量，提高设备利用率。另外，从供电安全性角度来看，闭环配电网加强了配电系统区域之间的联系，负荷可以从至少两个方向接受电能，这样，在配电系统遭受恐怖袭击或自然灾害时，可以将停电范围控制到最小。

然而，要实现配电网的闭环运行还须解决一系列问题，其中最关键的问题是：闭环后配电网的短路阻抗相当于闭环前开环的两个线路阻抗并联，这会使闭环系统的短路阻抗降低，短路故障电流显著增大。从原理上来讲，通过在环路中串联电抗器可以限制系统短路电流。但是，串联电抗器的引入不仅会给正常运行的系统带来额外的损耗，其本身还会产生一定的压降，从而影响供给负荷的电压水平。另一方面，当需要限制的短路电流很大时，电抗器本身的体积和重量也会十分庞大，在负荷密度较高的城市配电网中难以装设。实际上，如何有效地限制配电网闭环运行时显著增大的短路故障电流已成为目前配电环网发展的主要技术瓶颈。

针对中心大城市配电环网连接的问题，采用直流系统构成环网具有其独特的优势。直流系统可以灵活、有效地控制潮流的方向和大小，而且不会增加系统的短路电流，故而可以有效提高系统的供电可靠性，同时还可避免交流环网存在的问题。与常规直流输电技术相比，电压源型直流输电技术，即所谓的“柔性直流输电”，具有更加强大的控制能力，可以独立解耦控制有功潮流和无功潮流，甚至可以通过控制将其直接用作静止无功补偿器。

图6为两端电压源型直流系统的电路原理图，其中，电压源型变流器(VSC)每个桥臂可由多个IGBT串联而成。一般来说，电压源型直流系统使用六脉冲型式的换流桥；而对于大功率的应用场合，现在更多采用的是十二脉冲型式的换流桥。图6中，交流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起滤波的作用；直流电容器的主要功能则是为关断电流提供一条低电感通路，储备能量以控制潮流，同时为变流器提供电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流，并减小直流侧谐波。电压源型直流输电系统在线路功率流方向反转时，不用改变直流电压的极性，只需改变直流电流的方向。

图6 两端电压源型直流系统电路原理图Fig.6 Circuit of dual voltage source DC system

采用高温超导直流电缆代替普通直流电缆，可以大幅度提高“柔性直流输电”系统的传输容量，而且，高温超导直流电缆的应用还能够基本消除电缆在运行过程中的损耗。以现有高温超导线材为例，超导直流电缆的传输容量可高达常规直流电缆5倍；常规电缆的损耗在8%左右，而高温超导交流电缆的损耗为3%～4%，高温超导直流电缆的损耗则更小，基本只有1%～2%[20]。

与传统的铜导体相比，高温超导体最大的优势就是其超高的载流密度。图7为一段载流量达到3000A(温度77K)的高温超导线材与载流量为1000A的铜线材的尺寸对比[21]。由此可见，采用高温超导带材不仅能够极大地提升输电线路的送电容量，还能够大幅减小电缆的体积，而且超导电缆在运行过程中不会发热，不需要任何散热空间。即便是加上低温容器，整个高温超导电缆的体积也要比相同容量的普通电缆体积小很多，再加上不用考虑散热空间，这为超导电缆在中心城市的敷设带来了明显的便利和经济效益。

图7 高温超导线材与铜线材对比图[21]Fig.7 Comparison of HTS wire and copper wire[21]

目前，城市电缆敷设的主要方式包括以下几类。

(1)直埋敷设。是直接将电缆掩埋在地下的一种方式。这种方式最方便且投资少，但不易散热和维修，而且容易受到各种侵蚀，所以只适用于一些电缆线路走廊不太密集的城市区域。

(2)沟道敷设。一般用于多条电缆的敷设。虽然前期投资会比直埋方式大一些，但有利于采取监测和散热措施，也便于电缆的检修和更新。但如果城市地下管道比较集中，电缆沟道路径的选取将变得非常困难。

(3)隧道敷设。对于一些地下管道集中的中心城市，如果电缆的容量较大，电缆较粗，那么很难进行电缆的布局，这时就必须建设较大空间的地下走廊。然而，隧道敷设最大的缺点是成本太高，而且电缆敷设的工作量也很大。

(4)排管敷设。排管方式在城市电缆敷设中应用最广。对于电缆通道狭窄、城市建设频繁的地区，为了更好地利用各种地形，保护电缆安全运行，这是一种最合理的敷设方式。但其最大的不足是电缆散热条件明显下降，电缆的载流量也随之降低。

综合以上四种电缆敷设的方式可以发现，在增大城市110kV供电线路载流量时，如果采用普通电缆，相对较合适的电缆敷设方式是隧道敷设，这将使得电缆敷设的成本非常高。而采用高温超导直流电缆连接配电变电站的110kV入线，则可以采用最节省空间的排管敷设方式。图8为日本人口密集城市中两类电缆敷设方式的对比图。其中，同样是输送700MV·A的功率，普通275kV电缆需要采用隧道敷设方式，其隧道内径为2.1m，而如果采用66kV的高温超导电缆，则可以采用排管敷设方式，单个排管的直径只有0.15m。在日本人口密集的城市中，隧道敷设的成本在30～60M$/km，而排管敷设的成本只有3～4M$/km。另外，高温超导电缆线路发生火灾爆炸等事故的可能性也更小[22]。

图8 电缆敷设方式[22]Fig.8 Cable laying mode[22]

4 结论

进入2010年代后，高温超导电缆技术呈现出从单机设备到应用系统的发展新趋势。在以高温超导直流电缆实现交流电网之间的互联方面，美国“超级变电站”Tres Amigas系统旨在通过大容量“柔性超导直流”将东部、西部和Texas州三大电网连接起来，实现三大电网之间的潮流互动，同时也便于大规模可再生能源的入网传输；俄罗斯St. Petersburg的高温超导直流电缆将两座变电站的110kV进线端通过传统直流输电变流装置连接起来，形成闭环运行模式，实现两个变电站110kV进线端之间的潮流互动，以避免城市中心一些后故障系统振荡模式导致供电中断的潜在危险，从而加强城市中心供电的可靠性。在城市“扩容”方面，德国Essen的高温超导交流电缆加限流器系统在全球范围树立了一个高温超导中压“扩容”方案的样板；美国New York计划建设的配电变电站之间通过具有限流功能的高温超导交流电缆直接互联的系统，更是以高温超导电缆实现配电环网运行并确保中心城市供电安全可靠的一个创新思路。

“柔性超导直流配电环网”将中心城市两座相邻的110kV/10kV变电站在110kV输入端，经电压源型整流/逆变器，通过高温超导直流电缆实现背靠背互联，从而构成配电网的可控闭环运行模式。在不增加系统短路容量的前提下，改善中心城市的环网供电结构，提升城市电网供电的安全可靠性，同时还能扩大供电容量。

[1] Alaywan Z. The Tres Amigas Superstation: Linking renewable energy and the nation’s grid [A]. 2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting[C]. Providence, USA, 2010. 1-5.

[2] Reynolds M A. Tres Amigas super station - Large scale application of VSC back-to-back technology[A]. 2012 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D) [C]. Orlando, USA, 2012. 1-5.

[3] Edward Klump. Tres Amigas aims smaller after ‘ambitious’ plan stalls [EB/OL]. http://tresamigasllc.com, 2016.

[4] Sytnikov V E, Bemert S E, Ivanov Y V, et al. HTS DC cable line project: On-going activities in Russia[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 5401904.

[5] Brilinskiy A, Gook O, Sevastianova A, et al. Application of high-temperature superconductive cable lines as components of DC transmission systems for enhancing the reliability of megalopolis electric power supply[A]. Proceedings of the 2011 3rd International Youth Conference on Energetics (IYCE) [C]. Leiria, Portugal, 2011. 1-4.

[6] Sytnikov V E, Bemert S E, Kopylov S I, et al. Status of HTS cable link project for St. Petersburg grid[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 5400904.

[7] Sytnikov V E, Bemert S E, Krivetsky I V, et al. The test results of AC and DC HTS cables in Russia[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(3): 5401304.

[8] Sytnikov V E. HTS DC cable line for St. Petersburg project[R]. 11th EPRI Superconductivity Conference, 2013.

[9] Stemmle M, Merschel F, Noe M, et al. Superconducting MV cables to replace HV cables in urban area distribution grids[A]. 2012 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition (T & D) [C]. 2012. 1-5.

[10] Stemmle M, Merschel F, Noe M, et al. Novel grid concepts for urban area power supply[J]. Physics Procedia, 2012, 36: 884-889.

[11] Stemmle M, Merschel F, Noe M, et al. AmpaCity - Installation of advanced superconducting 10 kV system in city center replaces conventional 110 kV cables[A]. 2013 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices[C]. Beijing, China, 2013. 323-326.

[12] Schmidt Frank. Superconducting cable systems for urban areas AmpaCity project - Germany[R]. IEEE PES General Meeting, 2016.

[13] Maguire J, Folts D, Jie Yuan, et al. Development and demonstration of a fault current limiting HTS cable to be installed in the Con Edison Grid[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009, 19(3):1740-1743.

[14] Hee Jin Kim, Jae Woong Shim, Kideok Sim, et al. Assessment of improved power quality due to fault current limiting HTS cable[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 5602104.

[15] Ross M P, Kehrli B. Secure super gridsTM: A new solution for secure power in critical urban centers[A]. 2008 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition[C]. Chicago, USA, 2008. 1-8.

[16] Behzadirafi S, Salehfar H. Using Superconducting Fault Current Limiters to enhance the reliability of power transmission systems[A]. 2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting[C]. Providence, USA, 2010. 1-8.

[17] Moriconi, F, De La Rosa F, Singh A, et al. An innovative compact saturable-core HTS Fault Current Limiter-development, testing and application to transmission class networks[A]. 2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting[C]. Providence, USA, 2010. 1-8.

[18] 黄伟军, 钱远驰, 吕志来(Huang Weijun, Qian Yuanchi, Lv Zhilai). 闭环运行方式城市配电网接线模式的研究(Research of city distribution network layouts for closed-loop system) [J]. 电力系统保护与控制(Power System Protection and Control), 2013, 41(24): 127-127.

[19] Huang Wei-Tzer, Wang Shyi-Wen, Hong Ling-Yi, et al. Nature and operation schemes of normally closed-loop distribution systems[A]. 2008 10th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV 2008) [C]. Hanoi, Vietnam, 2008. 1718-1723.

[20] Gu Chenghong，Zhang Yan，Li Furong，et al．Economic analysis of interconnecting distribution substations via superconducting cables[A]．2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting[C]. San Diego, USA, 2012. 1-5．

[21] McCall Jack. Superconductor electricity pipelines: A new underground transmission solution[R]. Workshop on Superconducting Direct Current Electricity Transmission, 2010.

[22] Hirose M，Masuda T，Sato K，et al．High-temperature superconducting (HTS) DC cable[J]．SEI Technical Review (English Edition), 2006, 61: 29．

ApplicationsystemsofHTS——FlexibleHTSDCdistributionclosed-loopnetwork:anoverview

JIANG Xiao-hua, YAO Peng-fei

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua Univeristy, Beijing 100084, China)

Since 2010, the high-temperature superconducting (HTS) cable technology has a developing trend from stand-alone equipment to application systems. The most representative application system is the “flexible superconducting DC” used to interconnect between AC power grids, which substantially increases power flow capacity between the AC grids. Another example of the application systems is the HTS AC cable application in urban distribution networks, which increases power capacity without increasing substation and underground cable space. “Flexible superconducting DC distribution closed-loop network” makes use of the “flexible superconducting DC” to connect two adjacent substations for the closed-loop operation, which can improve reliability, power quality and efficiency of urban distribution networks. In this paper, the development of the HTS cable application systems is reviewed, and the technical scheme of the “flexible HTS DC distribution closed-loop network” is briefly analyzed.

superconducting; flexible DC; distribution network; closed-loop network

10.12067/ATEEE1707009

1003-3076(2017)10-0032-06

TM725

2017-07-03

蒋晓华(1963-)， 男， 四川籍， 教授， 博导， 研究方向为电力电子技术与应用超导；要鹏飞(1992-)， 男， 内蒙古籍， 博士研究生， 研究方向为电力电子技术。