柔性電力技術(shù)-第1章-電力系統(tǒng)的柔性化技術(shù).ppt

柔性電力技術(shù)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,主講：劉興華山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,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,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)。,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。,單機(jī)無窮大系統(tǒng),以空載電動(dòng)勢和同步電抗表示的功角關(guān)系:,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)體周圍磁場引起的串聯(lián)電感L，由導(dǎo)體之間的電場引起的并聯(lián)電容C。,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,(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。,(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。,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,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),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),(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),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,(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT，Light-triggeredThyristor)。,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。,(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、大功率場合。,(5)功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）功率場效應(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的場合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。,(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)。,TC3300型IGBT變流器,IGBT的導(dǎo)通電納比MOSFET小的多IGBT導(dǎo)通損耗比MOSFET小,(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。,4500v/1100AIGCT組件4500v/4000a不對(duì)稱型igct組件,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。,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,100,k,1M,控制容量（,VA,）,工作頻率（,Hz,）,信息處理領(lǐng)域,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。,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：810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。,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),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)沃罚m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。,14名游客被困永定河門頭溝消防3小時(shí)生死大營救,1、抽水蓄能技術(shù)：利用電能與水力勢能相互轉(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),抽水蓄能電站結(jié)構(gòu)示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖,電站安裝常規(guī)水電機(jī)組1150MW，抽水蓄能機(jī)組390MW，下池閘小電站安裝25MW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,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。,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)4250兆瓦可逆式發(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。,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。,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,全國大中型水電站分布圖,長江流域大中型水電站分布圖,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)150Whkg，比功率達(dá)5000-10000Wkg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬公里,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25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)。,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,核聚變試驗(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,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。,電池組合方式與系統(tǒng)的連接,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),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，以磁場形式存儲(chǔ)電能的方式。,超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能(SMES)的原理,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),5.4能量控制型并聯(lián)補(bǔ)償5.4.1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-268.98C(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)。卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。,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),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/R0R0：T=273K的電阻,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）,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(Hc):逐漸增大磁場到達(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,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(b)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(c)突然撤去外電場，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流,(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，還是先加磁場后降溫，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。,N,N,降溫,加場,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,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，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),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。,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“BaLaCuO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),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(YBaCuO)材料的Tc提高到了92.8K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。,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.,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）。,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,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510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,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、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)。,高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能器,25kJ超導(dǎo)儲(chǔ)能用磁體,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,（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,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,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，將電能變?yōu)槌瑢?dǎo)線圈的磁能存儲(chǔ)起來。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載過大、發(fā)電機(jī)發(fā)電功率不足時(shí)，將超導(dǎo)線圈的磁能變?yōu)殡娔芊祷仉娋W(wǎng)、補(bǔ)充發(fā)電機(jī)發(fā)電量的不足。這樣發(fā)電機(jī)的額定功率就可以小于最大負(fù)載功率，或減少發(fā)電機(jī)的功率儲(chǔ)備。,5、超級(jí)電容蓄能技術(shù)一個(gè)完整的超級(jí)電容器包含雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個(gè)部件。,超級(jí)電容的機(jī)構(gòu)及等值電路,超級(jí)電容器的靜電容量取決于單個(gè)分極的容量及分極的總面積。為增大總面積，通常用粉末狀活性炭制成分極。,根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理,可以將超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩大類。,雙電層電容原理圖,超級(jí)電容器具有廣泛的用途。它與蓄電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)可用來滿足汽車在加速、啟動(dòng)、爬坡時(shí)的高功率要求，以保護(hù)蓄電池系統(tǒng)，并且在汽車緊急剎車是可以瞬間回收能量，從而減少能源浪費(fèi)，節(jié)省能源。超級(jí)電容器也用于其它系統(tǒng)中，如用作燃料電池的啟動(dòng)動(dòng)力、作移動(dòng)通訊和計(jì)算機(jī)的備用電源等。,電容車在一個(gè)站點(diǎn)充電30秒至1分鐘后，空調(diào)車可以連續(xù)運(yùn)行3公里，不開空調(diào)則可以堅(jiān)持行駛5公里，最高時(shí)速可達(dá)44公里。,風(fēng)電變槳用超級(jí)電容器,超級(jí)電容優(yōu)勢：1.具有法拉級(jí)的超大電容量，這比普通電容要大得多。2.可以瞬間釋放的功率比普通電池高近十倍，而且不會(huì)損壞。3.充放電循環(huán)壽命在十萬次以上，傳統(tǒng)電池只能充放數(shù)百次。4.能在40度至60度的環(huán)境溫度中正常使用，傳統(tǒng)電池低溫下效能將會(huì)大大降低。5.有超強(qiáng)的荷電保持能力，漏電量非常小，傳統(tǒng)電池要經(jīng)常充電。6.充電迅速，它的速度比普通電池快幾十倍，幾分鐘就可充滿一輛汽車所需要的電量。7.本身不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，真正免維護(hù)，而傳統(tǒng)電池仍是有污染。缺點(diǎn)：一是它的體積比較大，與體積相當(dāng)?shù)碾姵叵啾?，它的?chǔ)電量要小。二是即使達(dá)到法拉級(jí)的電量，但與傳統(tǒng)電池相比，仍然少得可憐，按目前的技術(shù)，它仍然不能作為電動(dòng)力的主要儲(chǔ)電器，因?yàn)樗碾娏恐荒茯?qū)動(dòng)車輛行駛幾公里。,1.6信息處理與控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用柔性電力技術(shù)中的信息處理與控制有兩層含義：一是理論與算法，包括信息的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、開環(huán)或閉環(huán)控制算法、脈沖產(chǎn)生與合成方法等；二是實(shí)現(xiàn)這些理論與算法的硬件平臺(tái)。簡單系統(tǒng)可能只需一些邏輯電路，復(fù)雜系統(tǒng)可能會(huì)需要監(jiān)測算法實(shí)現(xiàn)、控制功能實(shí)現(xiàn)、觸發(fā)邏輯形成、人機(jī)界面等各個(gè)環(huán)節(jié)。,1、現(xiàn)場可編程門陣列(FPLD)-現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA，F(xiàn)ieldProgrammableGateArray)-復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)。2、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSPDigitalSignalProcessing)3、工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)(IPC，IndustrialPersonalComputer),