電力系統(tǒng)新技術(shù)

TheNEWTechnologyofPowerSystem

1內(nèi)容簡介

我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展發(fā)電新技術(shù)：核電、風(fēng)電、太陽能光伏發(fā)電輸電新技術(shù)（1）特高壓輸電（2）高壓直流輸電（3）柔性交流輸電2一、我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展電力系統(tǒng)示意圖3

●現(xiàn)代社會(huì)離不開電力

---人類社會(huì)生存和發(fā)展的三大要素：物質(zhì)、能量和信息

---現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)建立在物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)之上，能量流、物質(zhì)流、信息流推動(dòng)當(dāng)代社會(huì)進(jìn)化。

4持續(xù)29個(gè)小時(shí)的大面積停電，給5000萬美國人和加拿大人的生活帶來極大不便，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)300億美元。罪魁禍?zhǔn)资桥潆娋W(wǎng)設(shè)計(jì)不合理。由于天氣炎熱，用電量猛增，各電廠開足馬力進(jìn)行供電。一家發(fā)電廠突然出現(xiàn)了故障，開關(guān)自動(dòng)跳閘，其他電廠馬上自動(dòng)增加發(fā)電量進(jìn)行支援。這些電廠本來就處于飽和狀態(tài)，由于一下子超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果電廠全部發(fā)生跳閘。在短短9秒鐘之內(nèi)，美國7州和加拿大1省就引發(fā)了災(zāi)難性的多米諾效應(yīng)。

●2003年北美大停電51.1我國電力工業(yè)現(xiàn)狀截止2005年底，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5億千瓦。其中，水電占22.9%，火電占75.6%，核電占1.5%。2005年全國發(fā)電量達(dá)到24747億千瓦時(shí)，全社會(huì)用電量達(dá)到24689億千瓦時(shí)，同比增長13.45%。人均用電量1800多千瓦時(shí)。居民用電量約占11%，人均218千瓦時(shí).全國人均用電量為世界平均水平的一半，僅為發(fā)達(dá)國家的１／６到１／１０?！敖?、明兩年不缺電”

61.2“十一五”我國電力建設(shè)我國電力工業(yè)發(fā)展的主要特點(diǎn)是：（1）西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)；（2）火電和電網(wǎng)技術(shù)升級(jí)；（3）建立開放的電力市場(chǎng)。電源建設(shè)：到達(dá)2010年，裝機(jī)容量達(dá)到7.86億千瓦。電網(wǎng)建設(shè)：（1）建設(shè)交流1000千伏試驗(yàn)示范工程；（2）±800千伏直流輸電工程；（3）三峽輸變電工程；（4）跨區(qū)輸電工程，西北750千伏網(wǎng)架初具規(guī)模；（5）加強(qiáng)和拓展500千伏和330千伏網(wǎng)架；（6）加強(qiáng)城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)改造。（投資：1.2萬億元）7二、發(fā)電新技術(shù)發(fā)電類型：●火電：汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到60萬kW（600MW），正在研制100萬kW機(jī)組?！袼姡核啓C(jī)-發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到70萬kW。●核電●新能源發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電、太陽光伏發(fā)電8最大直徑10.6米、高5.06米

●三峽水電站發(fā)電機(jī)組70萬kW*26臺(tái)=1820萬kW92.1核電:核燃料天然鈾低濃縮鈾U-238U-238U-235U-235102.1核電：核反應(yīng)堆堆類型分為重水堆和輕輕水堆。輕水堆堆又分為壓水堆堆和沸水堆。重水堆是利用天天然鈾作燃料，，用重水做慢化化劑和冷卻劑。。燃料成本低，，但重水十分昂昂貴。重水堆核核電站可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)不停堆換燃料料（與壓水堆核核電站相比，重重水堆核電站可可以實(shí)現(xiàn)不停堆堆換料（壓水堆堆每年一次停堆堆換料，一般需需要60天）。重水：由1個(gè)重氫（氘，含含有一個(gè)質(zhì)子和和一個(gè)中子）和和1個(gè)氧原子組成的的化合物。11●2.1核電:核電站給水泵核電火力發(fā)電122.1核電—反應(yīng)堆類型:沸水堆汽輪機(jī)循環(huán)水泵給水泵反應(yīng)堆安全殼控制棒132.1核電—反應(yīng)堆類型:壓水堆反應(yīng)堆安全殼控制棒反應(yīng)堆壓力容器汽輪機(jī)給水泵循環(huán)水泵14●反應(yīng)堆壓水容器器斷面圖沸水堆（BWR）壓水堆（PWR）控制棒15●核電站反應(yīng)堆運(yùn)運(yùn)行中心控制室室161718192021222.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)風(fēng)的產(chǎn)生:風(fēng)是地球外表大大氣層由于太陽陽的熱輻射而引引起的空氣流動(dòng)動(dòng)；大氣壓差是是風(fēng)產(chǎn)生的根本本原因。風(fēng)速與風(fēng)級(jí)：：風(fēng)速就是空氣氣在單位時(shí)間間內(nèi)移動(dòng)的距距離，國際上上的單位是米米／秒(m/s),分13級(jí)232.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)風(fēng)力資源：在在中國，風(fēng)能能資源主要分分布在新疆、、內(nèi)蒙古等北北部地區(qū)和東東部至南部沿沿海地帶及島島嶼。風(fēng)能最佳區(qū)：：(1)東南沿海、山山東半島、遼遼東半島以及及海上島嶼；；(2)內(nèi)蒙古、甘肅肅北部；(3)黑龍江南部、、吉林東部。。風(fēng)能較佳區(qū)：：(1)西藏高原中北北部；（2）三北北部；；(3)東南沿海(離海岸線20-50kM)24252.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)風(fēng)電場(chǎng)26272.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)28風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組包括兩大部分分：（1）風(fēng)力機(jī)：將風(fēng)能轉(zhuǎn)換換為機(jī)械能。。有各種類型型，按容量分分：微型(<1kW)、小型(1-10kW)、中型(10-100kW)、大型(>100kW)。（2）發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電能。。10kW以下的，采用用永磁式或自自勵(lì)式交流發(fā)發(fā)電機(jī)，經(jīng)整整流后向負(fù)載載供電及向蓄蓄電池充電；；l00kW以上的并網(wǎng)運(yùn)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組，則則應(yīng)用同步發(fā)發(fā)電機(jī)或異步步發(fā)電機(jī)。2.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)29●水平軸風(fēng)力發(fā)發(fā)電機(jī)組(600kW)基本結(jié)構(gòu)30風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組、監(jiān)測(cè)裝置置、控制系統(tǒng)統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置置(1)獨(dú)立運(yùn)行方式式把風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組輸出的電電能經(jīng)蓄電池池蓄能，再供供應(yīng)用戶使用用，如需要交交流電，則要要加逆變器。。（2）并網(wǎng)運(yùn)行方方式2.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)31控制系統(tǒng)中、大型風(fēng)力力發(fā)電機(jī)組皆皆配有由微機(jī)機(jī)或可編程控控制器(PLC)組成的控制系系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制、監(jiān)測(cè)測(cè)功能。①恒速桓頻方方式：即風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的轉(zhuǎn)速不不隨風(fēng)速的波波動(dòng)而變化，，始終維持恒恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，，從而輸出恒恒定額定頻率率的交流電。。②變速恒頻方方式：即風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨隨風(fēng)速的波動(dòng)動(dòng)作變速運(yùn)行行，但仍輸出出恒定頻率的的交流電。這這種方式可提提高風(fēng)能的利利用率，但必必須增加實(shí)現(xiàn)現(xiàn)恒頻輸出的的電力電子設(shè)設(shè)備，同時(shí)還還應(yīng)解決由于于變速運(yùn)行而而在風(fēng)力發(fā)電電機(jī)組文撐結(jié)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)共共振現(xiàn)象等問問題。2.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)32●控制系統(tǒng)主要要功能①按預(yù)先設(shè)定定的風(fēng)速值(一般為3—4m／s)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)力力發(fā)電機(jī)組，，并通過軟啟啟動(dòng)裝置將發(fā)發(fā)電機(jī)并人電電網(wǎng)。②借助各種傳傳感器自動(dòng)檢檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)組的運(yùn)行行參數(shù)及狀態(tài)態(tài)。③當(dāng)風(fēng)速大于于最大運(yùn)行速速度(一般設(shè)定為25m／s)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停停機(jī)。④故障保護(hù)。。⑤通過調(diào)制解解調(diào)器與電話話線連接。33世界風(fēng)力發(fā)電電現(xiàn)狀與展望望●商業(yè)化機(jī)組的的單機(jī)容量從從55kW-1650kW。世界最大的的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組：美國GE公司的“超級(jí)級(jí)風(fēng)力機(jī)”，，單機(jī)功率為為7.3MW，風(fēng)車直徑為為112m.●運(yùn)行可靠性和和發(fā)電成本接接近常規(guī)火電電，裝機(jī)容量量每年以近30％的速度遞增增?！竦聡?001年風(fēng)電裝機(jī)容容量873萬kW，按計(jì)劃，到到2010年，風(fēng)電電量量將占總發(fā)電電量的12.5％；到2050年，將占到50％?！竦湹娘L(fēng)電電電量2003年占全國總發(fā)發(fā)電量的18％，規(guī)劃到2030年，風(fēng)電將占占總發(fā)電量的的50％。●中國到2005年底風(fēng)電裝機(jī)機(jī)容量超過100萬kW。2.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)術(shù)342.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)太陽能利用主主要有兩個(gè)途途徑：即光熱熱技術(shù)和光電電技術(shù)。光電技術(shù)指的的是光伏發(fā)電電，是根據(jù)光光生伏特效應(yīng)應(yīng)原理，利用用太陽能電池池將太陽光能能直接轉(zhuǎn)化為為電能。太陽能電池發(fā)發(fā)電的原理：：半導(dǎo)體的光光電效應(yīng)，即即一些半導(dǎo)體體材料受到光光照時(shí)，載流流子數(shù)量會(huì)劇劇增，導(dǎo)電能能力隨之增強(qiáng)強(qiáng)，即半導(dǎo)體體光敏特性。。35太陽能光伏發(fā)發(fā)電基本原理理以PN結(jié)為例，當(dāng)晶晶片受光后，，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而而P型區(qū)中的電子子往N型區(qū)移動(dòng)，從從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。2.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)36在PN結(jié)中形成電勢(shì)勢(shì)差，這就形形成了電源。。2.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)372.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)38光伏建筑一體化光伏與建筑一體化化（BIPV）提出了“建筑物物產(chǎn)生能源”的新新概念，即通過建建筑物，主要是屋屋頂和墻面與光伏伏發(fā)電集成起來，，使建筑物自身利利用綠色、環(huán)保的的太陽能資源生產(chǎn)產(chǎn)電力。BIPV系統(tǒng)可以劃分為光光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光光伏墻結(jié)構(gòu)兩種形形式．2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)39光伏與建筑的結(jié)合合的兩種方式：（1）建筑與光伏系統(tǒng)統(tǒng)相結(jié)合：把封裝裝好的的光伏組件件安裝在居民住宅宅或建筑物的屋頂頂上，再與逆變器器、蓄電池、控制制器、負(fù)載等裝置置組成一個(gè)發(fā)電系系統(tǒng)。（2）建筑與光伏器件件相結(jié)合：將光伏伏器件與建筑材料料集成一體，用光光伏組件代替屋頂頂、窗戶和外墻，，形成光伏與建筑筑材料集成產(chǎn)品，，既可以當(dāng)建材，，又能利用綠色太太陽能資源發(fā)電。。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)402.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)412.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)422.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)432.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)442.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)452.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)462.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)472.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)482.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)492.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種運(yùn)行模式式:（1）獨(dú)立供電方式（2）并網(wǎng)供電方式：：光伏發(fā)電系統(tǒng)所所發(fā)出的直流電通通過逆變器變換為為交流電，與公共共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。50當(dāng)今世界太陽能發(fā)發(fā)電有80%是并并網(wǎng)發(fā)電,光伏與與建筑一體化已經(jīng)經(jīng)占整個(gè)世界太陽陽能發(fā)電最大比例例。目前世界上最大的的太陽能屋頂光伏伏系統(tǒng)安裝在德國國慕尼黑貿(mào)易展覽覽中心。慕尼黑商商貿(mào)中心的6座大廈都裝光電屋屋頂，共有7812個(gè)無框架光電電板，每個(gè)光電板板共有84個(gè)單晶晶硅太陽能電池，，輸出功率為130W，光電板總和峰值值功率為1016kW，光電板占屋頂面積積58%。發(fā)出的的直流電經(jīng)過逆變變電器送至20000伏中壓電網(wǎng)。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)51三、輸電新技術(shù)輸電技術(shù)的發(fā)展趨趨勢(shì)：高電壓、大大容量、遠(yuǎn)距離目標(biāo)：提高輸送能能力主要技術(shù)：特高壓壓輸電、高壓直流流輸電、柔性交流流輸電523.1特高壓輸電我國發(fā)展特高壓壓指的是在現(xiàn)有有500kV交流和±500kV直流之上采用更更高一級(jí)電壓等等級(jí)輸電技術(shù)，，包括1000kV級(jí)交流特高壓和±800kV直流特高壓兩部分，，簡稱國家特高高壓骨干電網(wǎng)。。533.1特高壓輸電特高壓輸電技術(shù)術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）能滿足遠(yuǎn)距離離、大容量輸電電的需要。交流流特高壓輸電線線路的送電能力力每回線可以接接近或超過4000MW；（2）適用于電網(wǎng)網(wǎng)本身容量較大大，電網(wǎng)間交換換功率較多的電電網(wǎng)；（3）節(jié)省輸電走走廊（4）減少輸電損損耗（5）降低短路電電流（6）減少輸電瓶瓶頸，適應(yīng)電力力市場(chǎng)開放（7）實(shí)現(xiàn)更大范范圍的資源優(yōu)化化配置54500kV輸電線路55特高壓輸電的關(guān)關(guān)鍵問題（1）特高壓輸變電電設(shè)備的制造技技術(shù)：如變壓器器、開關(guān)設(shè)備、、互感器等（2）特高壓輸電系系統(tǒng)過電壓與絕絕緣配合（3）安全穩(wěn)定控制制（4）輸電線路對(duì)環(huán)環(huán)境影響（電磁磁輻射）3.1特高壓輸電563.1特高壓輸電國外特高壓輸電電發(fā)展情況上世紀(jì)60年代開始，美國國、前蘇聯(lián)、意意大利、日本及及巴西等都先后后制定了特高壓壓輸電規(guī)劃和開開展試驗(yàn)研究工工作；前蘇聯(lián)和和日本分別建設(shè)設(shè)了交流1000kV級(jí)輸變電工程（（其中前蘇聯(lián)為為1150kV），目前均降壓壓500kV運(yùn)行。國外特高壓技術(shù)術(shù)發(fā)展遲緩主要要是由于用電市市場(chǎng)趨于飽和，，增長空間有限限，在已有的交交流輸電網(wǎng)上采采用FACTS技術(shù)可以滿足發(fā)發(fā)展需要。573.1特高壓輸電我國特高壓輸電電發(fā)展情況西北750kV輸變電工程:設(shè)備國產(chǎn)化已取取得較大突破，，為1000kV級(jí)特高壓技術(shù)裝裝備研發(fā)打下了了良好基礎(chǔ)。1000kV特高壓試驗(yàn)示范范工程：特高壓壓輸電線路全長長約650公里，包括兩個(gè)個(gè)特高壓變電站站和一個(gè)開關(guān)站站?！?00kV直流輸電工程：：金沙江一期工工程包括溪洛渡渡、向家壩兩個(gè)個(gè)梯級(jí)水電站，，總裝機(jī)容量達(dá)達(dá)1860萬千瓦。國家電電網(wǎng)公司經(jīng)反復(fù)復(fù)論證，推薦采采用3回±800千伏級(jí)直流輸電電方案，其中送送電華中一回，，送電華東2回，每回輸送容容量640萬kW，線路總長度4820公里583.2高壓直流輸電（（HVDC）直流輸電優(yōu)點(diǎn)和和特點(diǎn)(與交流輸電相比比):①輸送容量大；②輸送功率的大小小和方向可以快快速控制和調(diào)節(jié)節(jié)；③直流架空線路的的走廊寬度約為為交流線路的一一半；④直流電纜線路沒沒有交流電纜線線路中電容電流流的困擾，沒有有磁感應(yīng)損耗和和介質(zhì)損耗，基基本上只有芯線線電阻損耗，絕絕緣電壓相對(duì)較較低；⑤直流輸電工程的的一個(gè)極發(fā)生故故障時(shí)另一個(gè)極極能繼續(xù)運(yùn)行；；⑥能夠提高電力系系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水水平。593.2高壓直流輸電（（HVDC）高壓直流輸電的的換流技術(shù)ACACDCDC500kV500kV±500kV換流站I換流站II整流站逆逆變站603.2高壓直流輸電（（HVDC）換流閥70年代前：汞弧閥70年代前之后-現(xiàn)在：晶閘管（電控、、光控）HVDC中使用的晶閘管管芯片的最高參參數(shù)：直徑已達(dá)達(dá)到125mm，反向非重復(fù)電電壓大于8kV，穩(wěn)態(tài)直流電流流能力達(dá)4kA。61[例1]天廣500kV直流輸電工程西西起貴州安龍馬馬窩，東至廣州州北郊，總投資資39.8億元。規(guī)模:±500kV、1.8kA、雙極額定容量量1800MW，線路全長980km，該線共用φ100mm、8kV、2.2kA晶閘管3744只。[例2]三峽至常州±500kV直流輸電工程全全長890km，額定輸電容量量3000MW。換流閥為空氣氣絕緣水冷戶內(nèi)內(nèi)懸掛式雙重閥閥,采用ф125mm、7.2kV、3kA晶閘管，4300只。3.2高壓直流輸電（（HVDC）62換流器件今后的的發(fā)展進(jìn)入90年代以后，絕緣緣柵極晶閘管（（IGBT）首先在工業(yè)驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置上得到到廣泛的應(yīng)用，，1997年世界上第一個(gè)個(gè)采用IGBT構(gòu)成電壓源換流流器的直流輸電電工業(yè)性試驗(yàn)工工程，在瑞典中中部投入運(yùn)行，，其輸送功率和和電壓為3MW和10kV。由于這種IGBT換流器的功能強(qiáng)強(qiáng)，體積小，可可以減少換流站站的濾波裝置，，省去換流變壓壓器，簡化換流流站結(jié)構(gòu)，而稱稱之為輕型直流輸電（（HVDCLight）。但I(xiàn)GBT損耗大，不利于于大型直流工程程的采用。今后集成門極換相晶晶閘管（IGCT）和碳化硅等新型型半導(dǎo)體器件的的開發(fā)，給直流流輸電技術(shù)的發(fā)發(fā)展將創(chuàng)造更好好的條件。3.2高壓直流輸電（（HVDC）633.2高壓直流輸電（（HVDC）高壓直流輸電在在我國的發(fā)展80年代建成了我國國自行研制的舟舟山直流輸電工工程（±100kV，100mw，55km）和代表當(dāng)時(shí)世世界先進(jìn)水平的的葛洲壩—上海（簡稱葛上上）±500kV直流輸電工程。。三常直流輸電工工程于2003年投入運(yùn)行;三廣直流工程、、貴廣直流工程程于2004年投運(yùn)。這3項(xiàng)工程的送電容容量均為300萬kw，送電距離均在在1000km左右。“十一五”期間間，還將建設(shè)幾幾個(gè)±500kV或±800kV的直流輸電工程程。643.3柔性交流輸電系系統(tǒng)（FACTS）什么是柔性交流流輸電系統(tǒng)？80年代中期，美國國電力科學(xué)研究究院（EPRI）首次提出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：應(yīng)用大功功率、高性能的的電力電子元件件制成可控的有有功或無功電源源以及電網(wǎng)的一一次設(shè)備等，以以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系系統(tǒng)的電壓、阻阻抗、相位角、、功率、潮流等等的靈活控制，，將原基本不可可控的電網(wǎng)變得得可以全面控制制。從而大大提提高電力系統(tǒng)的的高度靈活性和和安全穩(wěn)定性，，使得現(xiàn)有輸電電線路的輸送能能力大大提高。。