本发明涉及定制电力技术领域，特别涉及一种具有高供电品质的超导直流定制电力系统。
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直流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，这种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直流电缆、超导变压器、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直流输配电系统中，用于代替常规的直流电力设备，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，而且在直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。
技术实现要素：
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中，所述新能源系统将其产生的直流电能输送至第一超导母线上，所述第一超导母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导电缆串联连接，再经过所述超导电缆将直流电能输送至第二超导母线上，所述第二超导母线连接有多条超导支路，其中，每条超导支路由一个断路器，一个超导电抗器和一条超导支路电缆串联连接而成，每条超导支路电缆与相应的直流负荷连接，并为所述直流负荷提供直流电能；
并且，所述第一超导母线、所述第二超导母线和至少一条具有超导电抗器的超导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母线、所述第二超导母线和超导支路上直流电能功率的稳定。
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斩波器与外部设备并联连接。
进一步地，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另一个斩波器与外部设备并联连接。
根据一种具体的实施方式，在本发明的所述超导储能装置中，所述超导储能装置响应线路上直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直流电能功率波动，并在直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直流电能功率波动。
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直流定制电力系统中，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母线和第二超导母线将直流电能传送至与各个超导支路对应连接的直流负荷，由于第一超导母线、第二超导母线和超导支路上分别并联连接有相应的超导储能装置，因此，在第一超导母线、第二超导母线和超导支路上直流电能功率的波动，均能够通过相应的超导储能装置进行快速响应，提高了系统的响应速度和供电品质，同时对安装在第一超导母线、第二超导母线和超导支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。
2、本发明中，所采用的超导电抗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直流电压功率，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。而且，结合超导储能装置与超导电抗器的作用，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。
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，并第一时间抑制直流电能功率波动，然后当直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直流电能功率波动，从而提高系统的运行效率以及直流电能的供电品质。
附图说明：
图1为本发明具有高供电品质的超导直流定制电力系统的一种实施方式的结构示意图。
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，将该新能源系统产生的直流电能输送至直流负荷，同时提高向直流负荷提供的直流电能的品质。
本发明具有高供电品质的超导直流定制电力系统中，所述新能源系统将其产生的直流电能输送至第一超导母线上，所述第一超导母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导电缆串联连接，再经过所述超导电缆将直流电能输送至第二超导母线上，所述第二超导母线连接有多条超导支路，其中，每条超导支路由一个断路器，一个超导电抗器和一条超导支路电缆串联连接而成，每条超导支路电缆与相应的直流负荷连接，并为该直流负荷提供直流电能。
并且，所述第一超导母线、所述第二超导母线和至少一条具有超导电抗器的超导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母线、所述第二超导母线和超导支路电缆上直流电能功率的稳定。具体的，超导储能装置通过储存线路上过剩的直流电能，或者补偿线路上不足的直流电能，而维持线路上直流电能功率的稳定。
本发明中，第一超导母线与超导电缆之间设置超导电抗器，超导电抗器能够限制超导电缆上的短路故障电流，并且由第一超导母线上设置的超导储能装置补偿第一超导母线上跌落的直流电压，从而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，新能源系统通过第一超导母线和第二超导母线将直流电能传送至与各个超导支路对应连接的直流负荷，由于第一超导母线、第二超导母线和超导支路上分别并联连接有相应的超导储能装置，因此，在第一超导母线、第二超导母线和超导支路上直流电能功率的波动，均能够通过相应的超导储能装置进行快速响应，提高了系统的响应速度和供电品质，同时对安装在第一超导母线、第二超导母线和超导支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。
本发明中，超导储能装置直接采用超导磁储能器，但是由于一般超导磁储能器的容量比较小，如果第一超导母线、所述第二超导母线和超导支路上的直流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斩波器与第一超导母线或第二超导母线或超导支路并联连接。
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，当线路上出现直流电能功率波动，首先通过该线路上设置的超导磁储能器对该线路上的直流电能功率波动进行响应，并在该线路上直流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直流电能功率波动进行响应。不仅保证线路上的直流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直流电能功率的稳定。
同时，本发明中采用的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。
在本发明实施时，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，完成切断该线路的操作。即在超导电缆上短路故障的持续时间超过阈值时，第一超导母线通过与其相连接的断路器切断对超导电缆的供电。在超导支路电缆短路故障的持续时间超过一定时间后，第二超导母线通过相应的断路器切断对超导支路的供电。
结合图1所示的本发明具有高供电品质的超导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，风力发电站通过变流器与第一超导母线连接，光伏发电站通过斩波器与第一超导母线连接。
具体的，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母线上，第一超导母线通过一个断路器和一个超导电抗器与超导电缆串联连接，再经过超导电缆将直流电能输送至第二超导母线上，第二超导母线连接有四条超导支路，每条超导支路对应具有不同供电品质等级需求的直流负荷。
其中，第一超导支路由一个断路器、一个超导电抗器和第一超导支路电缆构成，第一超导支路电缆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，第一超导支路对应一级负荷。第二超导支路由一个断路器、一个超导电抗器和第二超导支路电缆构成，第二超导支路电缆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，第二超导支路对应二级负荷。第三超导支路由一个断路器、一个超导电抗器和第三超导支路电缆构成，第三超导支路对应三级负荷。第四超导支路由一个断路器和第四超导支路电缆构成，第四超导支路对应四级负荷。
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，以适应客户对负荷直流电能品质的不同需求。