電力技術(shù)發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景課件

1、電力技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景 電力技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景、電力新技術(shù)的社會需求二、高效潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù)三、輸電技術(shù)進(jìn)展四、新型緊湊化電氣設(shè)備五、分布式發(fā)電裝置六、現(xiàn)代配電系統(tǒng)、電力新技術(shù)的社會需求20世紀(jì)工程技術(shù)的劃時代成就之一就是電的日益廣泛應(yīng)用。電力已成為生產(chǎn)發(fā)展和社會變革最重要的技術(shù)基礎(chǔ)。電力技術(shù)的不斷進(jìn)步，迅速改變著社會的面貌，對人們的生產(chǎn)方式和生活方式產(chǎn)生著重大影響，電氣化的程度已成為現(xiàn)代化最顯著的標(biāo)志。因此，在美國國家工程院評選出的20項20世紀(jì)最偉大的工程技術(shù)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(shù)的社會需求在步入新世紀(jì)的時候，人類面臨的重

2、大挑戰(zhàn)是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，而在可持續(xù)發(fā)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(wù)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(huán)境污染嚴(yán)重，要在提供充足可靠的能源和電力供應(yīng)的同時減少環(huán)境污染，難度比其他國家大得多。根據(jù)預(yù)測，到2050年，我國國內(nèi)一次能源年生產(chǎn)能力約為30億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，人均僅有兩噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，人均能耗僅能達(dá)到目前全世界的平均水平。、電力新技術(shù)的社會需求如果大力發(fā)展?jié)崈裘?、核電、水電、可再生能源和開發(fā)油氣資源的計劃不能如期實現(xiàn)，我國將面臨嚴(yán)重的能源短缺，大量進(jìn)口能源將不可避免，環(huán)境狀況也將更加惡化。為應(yīng)對這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略有

3、：強化節(jié)能戰(zhàn)略的實施，強化潔凈煤發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，加快發(fā)展水電、核電和其他可再生能源發(fā)電?？梢钥闯觯瑢嵤┻@些發(fā)展戰(zhàn)略都意味著必須加逮我國電氣化的進(jìn)程，提高電力在終端能源中的比例，盡可能把一汰能源清沽高效地轉(zhuǎn)換為電能使用。為此目的，必須在電能的生產(chǎn)、傳輸、儲存、分配和使用的各個環(huán)節(jié)使用新技術(shù)。這一重大社會需求決定了未來電力技術(shù)的發(fā)展方向。 、電力新技術(shù)的社會需求過去，電力技術(shù)主要屬于傳統(tǒng)技術(shù)的范疇。近年來，電力技術(shù)的發(fā)展日益顯現(xiàn)出高技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)交叉、融合的趨勢。高技術(shù)領(lǐng)域的信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、新材料技術(shù)的突飛猛進(jìn)使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)己經(jīng)或?qū)⒁l(fā)生重大變革。以下僅舉數(shù)例加以說明。 二、高效潔凈的燃煤

4、發(fā)電技術(shù)煤炭是許多國家的重的一次能源，因此，高效潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù)是一個重要而又難度甚大的研究領(lǐng)域。研究的重點是在提高發(fā)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(zhì)的排放。已經(jīng)有不少污染排放控制的技術(shù)，如煤的燃前預(yù)處理、爐內(nèi)噴鈣、循環(huán)流化床、煙氣脫疏等。正在研究和示范的減排技術(shù)還有整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)、加壓循環(huán)流化床等。目前國外發(fā)達(dá)國家的燃煤發(fā)電廠普遍安裝了脫硫設(shè)各。關(guān)于發(fā)電過程溫室效應(yīng)氣體的減排，國內(nèi)外尚無經(jīng)濟(jì)、有效的脫碳技術(shù)，二氧化碳分離和儲存的技術(shù)還處在研究階段。 二、高效潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù)美國能源部最近提出了發(fā)展超潔凈燃煤發(fā)電廠計劃（圖1）。這種發(fā)電廠使用水煤漿制氫，然后供給高

5、溫燃料電池及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。在發(fā)電的流程中，碳將合成為碳酸鹽而被扣留在地面。其發(fā)電效率可達(dá)60以上，二氧化碗、二氧化碳和其他有害物質(zhì)的排放量都非常低。這項技術(shù)能否廣泛應(yīng)用取決于經(jīng)濟(jì)性，而經(jīng)濟(jì)性又取決于關(guān)鍵技術(shù)（高溫燃料電池、扣碳技術(shù)）研究的進(jìn)展。這當(dāng)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(fā)電廠在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)仍然是發(fā)電的主力。目前我國30的煤炭用于發(fā)電，預(yù)計到2050年這個比例將達(dá)到70以上。因此，研究高效潔凈燃煤發(fā)電新技術(shù)對我國的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。 二、高效潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù)二、高效潔凈的燃煤發(fā)電技術(shù)在我國，燃

6、煤發(fā)電的粉塵排放已經(jīng)得到有效的控制，但只有少量電廠安裝了脫硫設(shè)備。一些成熟的脫疏技術(shù)尚不能在我國廣泛應(yīng)用，其原因是費用過高。潔凈煤發(fā)電近期發(fā)展的重點是采用高效機(jī)組（如超臨界機(jī)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(yù)處理和加緊研究低價而有效的脫碗、脫硝技術(shù)等。 三、輸電技術(shù)進(jìn)展1.三相高壓交流輸電在可預(yù)見到的未來，三相高壓交流輸電仍將是輸電和聯(lián)網(wǎng)的主要方式。20世紀(jì)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(yè)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(jīng)有12個國家建成了800kV等級的交流輸電系統(tǒng)。前蘇聯(lián)建成了900的115

7、0kV特高壓輸電線路并經(jīng)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(zhí)行過特高壓（1000kV及以上）輸電計劃，后因環(huán)保限制、設(shè)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(fā)展出現(xiàn)了明顯的飽和趨勢。在特高壓輸電的工程應(yīng)用前景不明朗的情況下，交流輸電發(fā)展的重點已轉(zhuǎn)向采用新技術(shù)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(shù)進(jìn)展隨著大型復(fù)雜互聯(lián)電網(wǎng)的出現(xiàn)，如何使電網(wǎng)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(tǒng)的交流電網(wǎng)的參數(shù)（阻抗

8、、電壓、相位等）是不能大幅度連續(xù)調(diào)節(jié)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(wǎng)內(nèi)部線路及聯(lián)絡(luò)線在運行中實際的潮流分布與這些線路的設(shè)計輸送能力相差甚遠(yuǎn)；部分線路已過載或接近穩(wěn)定極限，而另一部分線路去被迫在遠(yuǎn)低于線路額定輸送容量下運行。這就是說，由于電網(wǎng)的木桶效應(yīng)，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(wǎng)作為電力市場的物質(zhì)載體，即發(fā)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(jié)控制的要求。這就提出了靈活調(diào)節(jié)線路潮流、突破瓶頸限制、增加線路輸送能力，以充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源、提高線路使用效率的要求。發(fā)達(dá)國家由于環(huán)保的嚴(yán)格限制，新建輸電線路十分困難，使得這一

9、要求顯得更為迫切。顯然，依靠常規(guī)的電力技術(shù)難以解決這種間題，需要研究發(fā)展新的技術(shù)。三、輸電技術(shù)進(jìn)展2.靈活交流輸電靈活交流輸電（FACTS）的概念是20世紀(jì)80年代末期由美國電力研究院（EPRI）捉出的。FACTS技術(shù)改變了傳統(tǒng)交流輸電的概念，將使未來的電力系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化。它應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，實現(xiàn)了交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓、相位的靈活快速調(diào)節(jié)，達(dá)到大幅度提高線路輸送能力、阻尼系統(tǒng)振茲撬高系矯蔗守7乎的目的.電力電子技術(shù)的快速發(fā)展為FACTS技術(shù)的實用化創(chuàng)造了條件。近10年來，可控整流器、可關(guān)斷器件的開斷能力不斷提高。100直徑的晶閘管的耐壓己達(dá)到610kV的水平，通過電

10、流己達(dá)到6kA以上，6kV，6kA的可關(guān)斷晶閘管（GTO）己有商品。單個電力電子器件的開斷能力已達(dá)到3040MW的水平，使電子開關(guān)用于高電壓、大功率的輸配電一次系統(tǒng)成為可能。圖2表示6kV，6kA的可關(guān)斷晶閘管（GTO）元件。三、輸電技術(shù)進(jìn)展三、輸電技術(shù)進(jìn)展近年來，F(xiàn)ACTS技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用。有代表性的FACTS設(shè)備有，可控串聯(lián)補償器、靜止同步補償器、統(tǒng)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(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的輸電的瓶頸處，突破了線路穩(wěn)定極限，將輸送能力提高了一倍左右，從而在4年內(nèi)可收回投資。三、輸電技術(shù)進(jìn)展三、輸電技術(shù)

11、進(jìn)展我國由于輸電距離長、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不甚合理和電網(wǎng)建設(shè)滯后等原因，輸電線路的輸送能力較低，應(yīng)用新技術(shù)提高電網(wǎng)的利用率的潛力還很大。我國正在研究將這項技術(shù)用于“西電東送”工程?；诠杵碾娏﹄娮悠骷M(jìn)一步向更高電壓、更大功率的方向發(fā)展，將使電力系統(tǒng)發(fā)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(shù)量級的提高。這頂示著用固態(tài)電子斷路器取代傳統(tǒng)機(jī)械的高壓斷路器（油開關(guān)、六氟化碗開關(guān)、真空開關(guān)等）已為期不遠(yuǎn)，屆時，真正的數(shù)字化電力系統(tǒng)將成為現(xiàn)實。 三、輸電技術(shù)進(jìn)展3.高壓直流輸電高壓直流輸電

12、是應(yīng)用換流技術(shù)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸送到落點處再逆變?yōu)榻涣鞯囊环N輸電技術(shù)。它的優(yōu)點是：可以用來實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)；在輸電距離超過臨界距離時比交流輸電更經(jīng)濟(jì)；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(yuǎn)距離輸電技術(shù)。全球己建成了57個直流輸電工程，10項正在建設(shè)中，主要用于聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)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(dá)高速路，線路不能中途落點。它對受端電網(wǎng)的容量、落點在同一負(fù)荷區(qū)的多條直流輸電線路之間的電氣距離等有嚴(yán)格的要求。因此，現(xiàn)在的直流輸電技術(shù)的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 三、輸電技術(shù)進(jìn)展為了解決直流輸電多電源供電、多落點受電問題，研

13、究出多端直流輸電技術(shù)。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(xié)調(diào)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(tǒng)正在研究開發(fā)之中。新系統(tǒng)有望大幅度簡化設(shè)各、減少換流站的占地、降低造價。由于采用可關(guān)斷的電力電子器件組成換流器，換流過程不受受端系統(tǒng)短路容量的影響，新系統(tǒng)不會出現(xiàn)換相失敗和多條直流輸電線路落點在同一負(fù)荷區(qū)時發(fā)生的相互影響等問題。新一代的直流輸電技術(shù)實用化的關(guān)鍵在于電力電子技術(shù)的突破和造價的大幅度降低。 四、新型緊湊化電氣設(shè)備由于發(fā)達(dá)地區(qū)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(huán)境影響，以便降低投資、縮短建設(shè)工期，近年來出現(xiàn)了電氣設(shè)備緊

14、湊化、模塊化，不同類型的電氣設(shè)備集成為一體的傾向。由于絕緣材料、光纖測量技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，現(xiàn)已出現(xiàn)了斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓及電流互感器及控制保護(hù)設(shè)各集成為一體的緊湊化、模塊化的變電站設(shè)備。它可以視為介于全封閉組合電器（GIS）和常規(guī)的敞開式變電站之間的一種集成化設(shè)備。這類設(shè)各有不同的商品名稱和集成度，但設(shè)計思路是相同的，即通過集成來改善設(shè)備的技術(shù)性能、減少占地和環(huán)境影響、降低造價。圖4為一座500的緊湊化變電站。四、新型緊湊化電氣設(shè)備絕緣材料的進(jìn)步也促進(jìn)了發(fā)電機(jī)和變壓器的集成。最近國外研制成功所謂的電力發(fā)生器（power former），它采用特殊的電纜來代替原來發(fā)電機(jī)定子中的矩

15、形截面導(dǎo)線，使電機(jī)絕緣的耐壓成數(shù)量級的提高。發(fā)電機(jī)出口的電壓可達(dá)400KV，因此不需要升壓變壓器就可把發(fā)電機(jī)直接連接到架空線路。電力發(fā)生器的優(yōu)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(hù)檢修等伏點。這種技術(shù)用于電力變壓器的設(shè)計，開發(fā)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(tǒng)的充油電力變壓器相比，這種新式變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、無火災(zāi)和泄漏的危險、運行維護(hù)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(yōu)點。四、新型緊湊化電氣設(shè)備 五、分布式發(fā)電裝置分布式發(fā)電裝置是指功率為數(shù)kW至MW級的中、小型模塊式，直接安置在用戶近旁，與環(huán)境

16、兼容的獨立電源。有代表性的分布式電源是指燃料電池（fuel cell）和微型燃?xì)廨啓C(jī)（micro-turbine）。分布式電源主要用以提高供電可靠性，可在電網(wǎng)崩漬和意外災(zāi)害（例如地震、暴風(fēng)雪、恐怖分子襲擊、戰(zhàn)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(lián)供或熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)。與大型計算機(jī)微機(jī)的關(guān)系類似，分布式電源將是未來微型電力系統(tǒng)的重要組成部分，在未來電力市場中是一種有競爭力的發(fā)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(jī)的長效電源。五、分布式發(fā)電裝置1.燃料電池燃料電池是扭燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，被稱為21世紀(jì)的分布式電源。燃料電池的工作過程很像電解

17、水的逆過程。通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護(hù)與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電泡還應(yīng)配備燃料改質(zhì)器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無需配備重整器。燃料電泡發(fā)電的優(yōu)點是.發(fā)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(jié)省輸配電系統(tǒng)投資等（圖6）。五、分布式發(fā)電裝置五、分布式發(fā)電裝置2.微型燃?xì)廨啓C(jī)微型燃?xì)廨啓C(jī)是指功率為幾至幾十，以天然氣、甲烷等為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度為500左右，轉(zhuǎn)速為96 000r/min左右，發(fā)電效率可達(dá)30，對燃料的適應(yīng)性比

18、燃料電池好。目前國外己有微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品出售，如Capstone公司生產(chǎn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)，其發(fā)電效率為28，額定勸率75kW，可以連續(xù)運行6000h無需檢修，可以由計算機(jī)控制自動聯(lián)網(wǎng)或離網(wǎng)運行（圖7）。五、分布式發(fā)電裝置六、現(xiàn)代配電系統(tǒng)現(xiàn)代化社會要求充足、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)。隨著城市化的進(jìn)程和現(xiàn)代化大城市的出現(xiàn)，配電系統(tǒng)的重要性與日懼增?，F(xiàn)在，發(fā)達(dá)國家近半數(shù)的電力投資用于配電系統(tǒng)?，F(xiàn)代化大都市供電負(fù)荷密度大、供電方式復(fù)雜、可靠性要求高，以及供電負(fù)荷不斷增加、供電網(wǎng)升格快，因此，現(xiàn)代化大都市的配電系統(tǒng)運行、調(diào)度、控制和維護(hù)都需要十分復(fù)雜的技術(shù)。六、現(xiàn)代配電系統(tǒng)現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動器、機(jī)器人、自動生產(chǎn)線、精密加工工具、可編程控制器和計算機(jī)信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對電能質(zhì)量提出了日益嚴(yán)格的要求。這些設(shè)各對電源波動和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化都可能造成重大損失。通常，重要用戶為保證優(yōu)質(zhì)的不間斷供