電力技術的發展趨勢及應用前景

電力技術的發展趨勢及應用前景－、電力新技術的社會需求二、高效潔凈的燃煤發電技術三、輸電技術進展四、新型緊湊化電氣設備五、分布式發電裝置六、現代配電系統－、電力新技術的社會需求20世紀工程技術的劃時代成就之一就是電的日益廣泛應用。電力已成為生產發展和社會變革最重要的技術基礎。電力技術的不斷進步，迅速改變著社會的面貌，對人們的生產方式和生活方式產生著重大影響，電氣化的程度已成為現代化最顯著的標志。因此，在美國國家工程院評選出的20項"20世紀最偉大的工程技術成就"中，電氣化名列榜首。在我國類似的評選中，電氣化也名列前茅。－、電力新技術的社會需求在步入新世紀的時候，人類面臨的重大挑戰是實現可持續發展，而在可持續發展的條件下滿足日益增長的能源和電力需求則是世界各國面臨的最緊迫任務之一。我國由于人均擁有的一次能源極其有限、能源強度高、油氣資源短缺、能源利用引起的環境污染嚴重，要在提供充足可靠的能源和電力供應的同時減少環境污染，難度比其他國家大得多。根據預測，到2050年，我國國內一次能源年生產能力約為30億噸標準煤，人均僅有兩噸標準煤左右，人均能耗僅能達到目前全世界的平均水平。－、電力新技術的社會需求過去，電力技術主要屬于傳統技術的范疇。近年來，電力技術的發展日益顯現出高技術與傳統技術交叉、融合的趨勢。高技術領域的信息技術、電力電子技術、新材料技術的突飛猛進使傳統電力系統己經或將要發生重大變革。以下僅舉數例加以說明。二、高效潔凈的燃煤發電技術煤炭是許多國家的重的一次能源，因此，高效潔凈的燃煤發電技術是一個重要而又難度甚大的研究領域。研究的重點是在提高發電效率的同時盡可能減少二氧化硫、氮氧化物和其他有害物質的排放。已經有不少污染排放控制的技術，如煤的燃前預處理、爐內噴鈣、循環流化床、煙氣脫疏等。正在研究和示范的減排技術還有整體煤氣化聯合循環、加壓循環流化床等。目前國外發達國家的燃煤發電廠普遍安裝了脫硫設各。關于發電過程溫室效應氣體的減排，國內外尚無經濟、有效的"脫碳"技術，二氧化碳分離和儲存的技術還處在研究階段。二、高效潔凈的燃煤發電技術美國能源部最近提出了發展"超潔凈燃煤發電廠"計劃（圖1）。這種發電廠使用水煤漿制氫，然后供給高溫燃料電池及聯合循環發電裝置。在發電的流程中，碳將合成為碳酸鹽而被"扣留"在地面。其發電效率可達60％以上，二氧化碗、二氧化碳和其他有害物質的排放量都非常低。這項技術能否廣泛應用取決于經濟性，而經濟性又取決于關鍵技術（高溫燃料電池、"扣碳"技術）研究的進展。這當中又涉及許多新材料、新工藝流程的研究。因此，估計這種電廠真正用于工程尚需時日。

由于煤炭是我國主要的一汰能源，燃煤發電廠在未來相當長的時間內仍然是發電的主力。目前我國30％的煤炭用于發電，預計到2050年這個比例將達到70％以上。因此，研究高效潔凈燃煤發電新技術對我國的可持續發展至關重要。二、高效潔凈的燃煤發電技術二、高效潔凈的燃煤發電技術在我國，燃煤發電的粉塵排放已經得到有效的控制，但只有少量電廠安裝了脫硫設備。一些成熟的脫疏技術尚不能在我國廣泛應用，其原因是費用過高。潔凈煤發電近期發展的重點是采用高效機組（如超臨界機組）和采取符合國情的污染排故控制的措施，如燃用低疏煤，加強煤的預處理和加緊研究低價而有效的脫碗、脫硝技術等。三、輸電技術進展1.三相高壓交流輸電

在可預見到的未來，三相高壓交流輸電仍將是輸電和聯網的主要方式。20世紀70年代以前主要靠提高電壓來增加線路輸電能力。到目前為止，商業化運行的交流輸電工程最高額定電壓為765kV（800kV等級）。全世界已經有12個國家建成了800kV等級的交流輸電系統。前蘇聯建成了900ｋｍ的1150kV特高壓輸電線路并經過了試運行，后因多種原因降壓為500kV運行。日本建成了短距離的1000kV輸電線路，目前在500kV下運行。美國、意大利、瑞典等國曾執行過特高壓（1000kV及以上）輸電計劃，后因環保限制、設備可靠性不高和有更好的替代方案等原因而擱置和取消。由此可見，近20年來輸電電壓的發展出現了明顯的飽和趨勢。在特高壓輸電的工程應用前景不明朗的情況下，交流輸電發展的重點已轉向采用新技術提高線路輸送能力、提高線路的使用效率和線路走廊利用率等。三、輸電技術進展隨著大型復雜互聯電網的出現，如何使電網更加有效、如何提高輸電線路的使用效率成為世界各國研究的重要課題。傳統的交流電網的參數（阻抗、電壓、相位等）是不能大幅度連續調節的，而實際運行中的電力潮流分布又由電路定則決定，因此電網內部線路及聯絡線在運行中實際的潮流分布與這些線路的設計輸送能力相差甚遠；－部分線路已過載或接近穩定極限，而另一部分線路去ｐ被迫在遠低于線路額定輸送容量下運行。這就是說，由于電網的"木桶效應"，一部分線路有電送不出，而另一部分線路卻無電可送。另外，電網作為電力市場的物質載體，即發電廠和電力用戶間電力交易的渠道，也需要滿足對電力潮流靈活凋節控制的要求。這就提出了靈活調節線路潮流、突破瓶頸限制、增加線路輸送能力，以充分利用現有電網資源、提高線路使用效率的要求。發達國家由于環保的嚴格限制，新建輸電線路十分困難，使得這一要求顯得更為迫切。顯然，依靠常規的電力技術難以解決這種間題，需要研究發展新的技術。三、輸電技術進展2.靈活交流輸電

靈活交流輸電（FACTS）的概念是20世紀80年代末期由美國電力研究院（EPRI）捉出的。FACTS技術改變了傳統交流輸電的概念，將使未來的電力系統發生革命性的變化。它應用現代電力電子技術與現代控制技術，實現了交流輸電系統的阻抗、電壓、相位的靈活快速調節，達到大幅度提高線路輸送能力、阻尼系統振茲撬高系矯蔗守7ｋ乎的目的.電力電子技術的快速發展為FACTS技術的實用化創造了條件。近10年來，可控整流器、可關斷器件的開斷能力不斷提高。100ｍｍ直徑的晶閘管的耐壓己達到6～10kV的水平，通過電流己達到6kA以上，6kV，6kA的可關斷晶閘管（GTO）己有商品。單個電力電子器件的開斷能力已達到30～40MW的水平，使電子開關用于高電壓、大功率的輸配電一次系統成為可能。圖2表示6kV，6kA的可關斷晶閘管（GTO）元件。三、輸電技術進展三、輸電技術進展近年來，FACTS技術已經在美國、日本、瑞典、巴西等國的重要的超高壓輸電工程中得到應用。有代表性的FACTS設備有，可控串聯補償器、靜止同步補償器、統一潮流控制器等。圖3為美國卡因塔230kV可控串補工程。這套裝置安裝在當地電網的輸電的瓶頸處，突破了線路穩定極限，將輸送能力提高了一倍左右，從而在4年內可收回投資。三、輸電技術進展三、輸電技術進展我國由于輸電距離長、電網結構不甚合理和電網建設滯后等原因，輸電線路的輸送能力較低，應用新技術提高電網的利用率的潛力還很大。我國正在研究將這項技術用于“西電東送”工程。基于硅片的電力電子器件進一步向更高電壓、更大功率的方向發展，將使電力系統發生重大變革。這被稱為"硅片引起的第二次革命"。以碳化硅（SiC）為基片的新型電力電子器件的耐壓和熱容量可大幅度攫高，而元件的損耗卻大大降低，從而使元件的開斷功率可望有數量級的提高。這頂示著用固態電子斷路器取代傳統機械的高壓斷路器（油開關、六氟化碗開關、真空開關等）已為期不遠，屆時，真正的數字化電力系統將成為現實。

三、輸電技術進展3.高壓直流輸電

高壓直流輸電是應用換流技術將交流電轉換為直流電輸送到落點處再逆變為交流的一種輸電技術。它的優點是：可以用來實現異步聯網；在輸電距離超過臨界距離時比交流輸電更經濟；利用相同的線路走廊可比交流輸送更多的電力；適合于跨海送電等。

端對端直流輸電已是一種成熟的遠距離輸電技術。全球己建成了57個直流輸電工程，10項正在建設中，主要用于聯網、遠距離輸電和跨海送電等。端對端的直流輸電猶如沒有出口的直達高速路，線路不能中途落點。它對受端電網的容量、落點在同一負荷區的多條直流輸電線路之間的電氣距離等有嚴格的要求。因此，現在的直流輸電技術的應用范圍受到一定的限制。

三、輸電技術進展為了解決直流輸電多電源供電、多落點受電問題，研究出多端直流輸電技術。已投運的多端直流輸電工程是加拿大－美國的五端直流輸電工程。由于控制器協調困難等原因，目前實際上只有三端接人運行。

新一代直流輸電系統正在研究開發之中。新系統有望大幅度簡化設各、減少換流站的占地、降低造價。由于采用可關斷的電力電子器件組成換流器，換流過程不受受端系統短路容量的影響，新系統不會出現換相失敗和多條直流輸電線路落點在同一負荷區時發生的相互影響等問題。新一代的直流輸電技術實用化的關鍵在于電力電子技術的突破和造價的大幅度降低。四、新型緊湊化電氣設備由于發達地區的土地己成為稀缺資源，為了盡量減少變電站的占地、減少環境影響，以便降低投資、縮短建設工期，近年來出現了電氣設備緊湊化、模塊化，不同類型的電氣設備集成為一體的傾向。由于絕緣材料、光纖測量技術和制造工藝的進步，現已出現了斷路器、隔離開關、接地開關、電壓及電流互感器及控制保護設各集成為一體的緊湊化、模塊化的變電站設備。它可以視為介于全封閉組合電器（GIS）和常規的敞開式變電站之間的一種集成化設備。這類設各有不同的商品名稱和集成度，但設計思路是相同的，即通過集成來改善設備的技術性能、減少占地和環境影響、降低造價。圖4為一座500ｋＶ的緊湊化變電站。四、新型緊湊化電氣設備絕緣材料的進步也促進了發電機和變壓器的集成。最近國外研制成功所謂的"電力發生器"（powerformer），它采用特殊的電纜來代替原來發電機定子中的矩形截面導線，使電機絕緣的耐壓成數量級的提高。發電機出口的電壓可達400KV，因此不需要升壓變壓器就可把發電機直接連接到架空線路。"電力發生器"的優點除了使升壓變電站大大簡化以外，還有熱性能好、短路電流小、便于維護檢修等伏點。這種技術用于電力變壓器的設計，開發出新式的干式高壓變壓器。變壓器高低壓繞組均用電纜繞制（圖幻。與傳統的充油電力變壓器相比，這種新式變壓器具有結構簡單、無火災和泄漏的危險、運行維護工作量小、耐受短路能力強、繞組外部處在地電位人身安全性好、電場影響很小等優點。四、新型緊湊化電氣設備

五、分布式發電裝置分布式發電裝置是指功率為數kW至MW級的中、小型模塊式，直接安置在用戶近旁，與環境兼容的獨立電源。有代表性的分布式電源是指燃料電池（fuelcell）和微型燃氣輪機（micro-turbine）。

分布式電源主要用以提高供電可靠性，可在電網崩漬和意外災害（例如地震、暴風雪、恐怖分子襲擊、戰爭）情況下維持重要用戶的可靠供電。它特別適合于組成分布式的熱電聯供或熱電冷聯供系統。與大型計算機－微機的關系類似，分布式電源將是未來"微型電力系統"的重要組成部分，在未來電力市場中是一種有競爭力的發電方式。此外，燃料電池很有希望成為電動車、筆記本電腦和手機的長效電源。

五、分布式發電裝置1.燃料電池

燃料電池是扭燃料的化學能直接轉換為電能的裝置，被稱為21世紀的分布式電源。燃料電池的工作過程很像電解水的逆過程。通常，完整的燃料電池發電系統由電池堆、燃料供給系統、空氣供給系統、冷卻系統、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電泡還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無需配備重整器。燃料電泡發電的優點是.發電效率高、污染排放極小、噪聲低、省水、安裝工期短、可在用戶附近安裝，以及節省輸配電系統投資等（圖6）。五、分布式發電裝置五、分布式發電裝置2.微型燃氣輪機

微型燃氣輪機是指功率為幾ｋｗ至幾十ｋｗ，以天然氣、甲烷等為燃料的超小型燃氣輪機。微型燃氣輪機的工作溫度為500℃左右，轉速為96000r/min左右，發電效率可達30％，對燃料的適應性比燃料電池好。目前國外己有微型燃氣輪機產品出售，如Capstone公司生產的微型燃氣輪機，其發電效率為28％，額定勸率75kW，可以連續運行6000h無需檢修，可以由計算機控制自動聯網或離網運行（圖7）。五、分布式發電裝置六、現代配電系統現代化社會要求充足、可靠、優質的電能供應。隨著城市化的進程和現代化大城市的出現，配電系統的重要性與日懼增。現在，發達國家近半數的電力投資用于配電系統。現代化大都市供電負荷密度大、供電方式復雜、可靠性要求高，以及供電負荷不斷增加、供電網升格快，因此，現代化大都市的配電系統運行、調度、控制和維護都需要十分復雜的技術。六、現代配電系統現代企業中，由于變頻調速驅動器、機器人、自動生產線、精密加工工具、可編程控制器和計算機信息系統的日益廣泛使用，對電能質量提出了日益嚴格的要求。這些設各對電源波動和各種干擾十分敏感，任何供電質量的惡化都可能造成重大損失。通常，重要用戶為保證優質的不間斷供電，往住獨自采取改善可靠性和電能質量的措施，