電力系統(tǒng)新技術(shù)課程課件

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)代社會離不開電力

---人類社會生存和發(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、信息流推動當代社會進化。

4持續(xù)29個小時的大面積停電，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)濟損失達300億美元。罪魁禍首是配電網(wǎng)設(shè)計不合理。由于天氣炎熱，用電量猛增，各電廠開足馬力進行供電。一家發(fā)電廠突然出現(xiàn)了故障，開關(guān)自動跳閘，其他電廠馬上自動增加發(fā)電量進行支援。這些電廠本來就處于飽和狀態(tài)，由于一下子超負荷運轉(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)了災難性的多米諾效應。

●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)電裝機容量達到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)電量達到24747億千瓦時，全社會用電量達到24689億千瓦時，同比增長13.45%。人均用電量1800多千瓦時。居民用電量約占11%，人均218千瓦時.全國人均用電量為世界平均水平的一半，僅為發(fā)達國家的１／６到１／１０?！敖瘛⒚鲀赡瓴蝗彪姟?/p>

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；（3）建立開放的電力市場。電源建設(shè)：到達2010年，裝機容量達到7.86億千瓦。電網(wǎng)建設(shè)：（1）建設(shè)交流1000千伏試驗示范工程；（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）加強和拓展500千伏和330千伏網(wǎng)架；（6）加強城鄉(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-發(fā)電機組單機容量達到60萬kW（600MW），正在研制100萬kW機組?！袼姡核啓C-發(fā)電機組單機容量達到70萬kW?！窈穗姟裥履茉窗l(fā)電：風力發(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)電機組70萬kW*26臺=1820萬kW92.1核電:核燃料天然鈾低濃縮鈾U-238U-238U-235U-235102.1核電：：核反反應堆堆類型型分為重重水堆堆和輕輕水堆堆。輕輕水堆堆又分分為壓壓水堆堆和沸沸水堆堆。重水堆堆是利利用天天然鈾鈾作燃燃料，，用重重水做做慢化化劑和和冷卻卻劑。。燃料料成本本低，，但重重水十十分昂昂貴。。重水水堆核核電站站可以以實現(xiàn)現(xiàn)不停停堆換換燃料料（與與壓水水堆核核電站站相比比，重重水堆堆核電電站可可以實實現(xiàn)不不停堆堆換料料（壓壓水堆堆每年年一次次停堆堆換料料，一一般需需要60天）。。重水：：由1個重氫氫（氘氘，含含有一一個質(zhì)質(zhì)子和和一個個中子子）和和1個氧原子組組成的化合合物。11●2.1核電:核電站給水泵核電火力發(fā)電122.1核電—反應堆類型型:沸水堆汽輪機循環(huán)水泵給水泵反應堆安全殼控制棒132.1核電—反應堆類型型:壓水堆反應堆安全殼控制棒反應堆壓力容器汽輪機給水泵循環(huán)水泵14●反應堆壓水水容器斷面面圖沸水堆（BWR）壓水堆（PWR）控制棒15●核電站反應應堆運行中中心控制室室161718192021222.2風力發(fā)電技技術(shù)風的產(chǎn)生:風是地球外外表大氣層層由于太陽陽的熱輻射射而引起的的空氣流動動；大氣壓壓差是風產(chǎn)產(chǎn)生的根本本原因。風速與風級級：風速就是空空氣在單位位時間內(nèi)移移動的距離離，國際上上的單位是是米／秒(m/s),分13級232.2風力發(fā)電技技術(shù)風力資源：：在中國，，風能資源源主要分布布在新疆、、內(nèi)蒙古等等北部地區(qū)區(qū)和東部至至南部沿海海地帶及島島嶼。風能最佳區(qū)區(qū)：(1)東南沿海、、山東半島島、遼東半半島以及海海上島嶼；；(2)內(nèi)蒙古、甘甘肅北部；；(3)黑龍江南部部、吉林東東部。風能較佳區(qū)區(qū)：(1)西藏高原中中北部；（（2）三北北部部；(3)東南沿海(離海岸線20-50kM)24252.2風力發(fā)電技技術(shù)風電場26272.2風力發(fā)電技技術(shù)28風力發(fā)電機機組包括兩大部部分：（1）風力機：將風能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為機械械能。有各各種類型，，按容量分分：微型(<1kW)、小型(1-10kW)、中型(10-100kW)、大型(>100kW)。（2）發(fā)電機：將機械能能轉(zhuǎn)換為電電能。10kW以下的，采采用永磁式式或自勵式式交流發(fā)電電機，經(jīng)整整流后向負負載供電及及向蓄電池池充電；l00kW以上的并網(wǎng)網(wǎng)運行的風風力發(fā)電機機組，則應應用同步發(fā)發(fā)電機或異異步發(fā)電機機。2.2風力發(fā)電技技術(shù)29●水平軸風力力發(fā)電機組組(600kW)基本結(jié)構(gòu)30風力發(fā)電系系統(tǒng)風力發(fā)電機機組、監(jiān)測測裝置、控控制系統(tǒng)、、儲能裝置置(1)獨立運行方方式把風力發(fā)電電機組輸出出的電能經(jīng)經(jīng)蓄電池蓄蓄能，再供供應用戶使使用，如需需要交流電電，則要加加逆變器。。（2）并網(wǎng)運行行方式2.2風力發(fā)電技技術(shù)31控制系統(tǒng)中、大型風風力發(fā)電機機組皆配有有由微機或或可編程控控制器(PLC)組成的控制制系統(tǒng)，來來實現(xiàn)控制制、監(jiān)測功功能。①恒速桓頻頻方式：即風力發(fā)電電機組的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不隨風風速的波動動而變化，，始終維持持恒轉(zhuǎn)速運運轉(zhuǎn)，從而而輸出恒定定額定頻率率的交流電電。②變速恒頻頻方式：即風力發(fā)電電機組的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨風速速的波動作作變速運行行，但仍輸輸出恒定頻頻率的交流流電。這種種方式可提提高風能的的利用率，，但必須增增加實現(xiàn)恒恒頻輸出的的電力電子子設(shè)備，同同時還應解解決由于變變速運行而而在風力發(fā)發(fā)電機組文文撐結(jié)構(gòu)上上出現(xiàn)共振振現(xiàn)象等問問題。2.2風力發(fā)電技技術(shù)32●控制系統(tǒng)主主要功能①按預先設(shè)設(shè)定的風速速值(一般為3—4m／s)自動啟動風風力發(fā)電機機組，并通通過軟啟動動裝置將發(fā)發(fā)電機并人人電網(wǎng)。②借助各種種傳感器自自動檢測風風力發(fā)電機機組的運行行參數(shù)及狀狀態(tài)。③當風速大大于最大運運行速度(一般設(shè)定為為25m／s)時實現(xiàn)自動動停機。④故障保護護。⑤通過調(diào)制制解調(diào)器與與電話線連連接。33世界風力發(fā)發(fā)電現(xiàn)狀與與展望●商業(yè)化機組組的單機容容量從55kW-1650kW。世界最大大的風力發(fā)發(fā)電機組：：美國GE公司的“超超級風力機機”，單機機功率為7.3MW，風車直徑徑為112m.●運行可靠性性和發(fā)電成成本接近常常規(guī)火電，，裝機容量量每年以近近30％的速度遞遞增?！竦聡鴩降?001年風風電電裝裝機機容容量量873萬kW，按按計計劃劃，，到到2010年，，風風電電電電量量將將占占總總發(fā)發(fā)電電量量的的12.5％；；到到2050年，，將將占占到到50％。?！竦滬湹牡娘L風電電電電量量2003年占占全全國國總總發(fā)發(fā)電電量量的的18％，，規(guī)規(guī)劃劃到到2030年，風電將占占總發(fā)電量的的50％?！裰袊?005年底風電裝機機容量超過100萬kW。2.2風力發(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)光光生伏特效應應原理，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：：半導體的光光電效應，即即一些半導體體材料受到光光照時，載流流子數(shù)量會劇劇增，導電能能力隨之增強強，即半導體體光敏特性。。35太陽能光伏發(fā)發(fā)電基本原理理以PN結(jié)為例，當晶晶片受光后，，PN結(jié)中，N型半導體的空空穴往P型區(qū)移動，而而P型區(qū)中的電子子往N型區(qū)移動，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)中形成電勢勢差，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光伏建筑一體體化光伏與建筑一一體化（BIPV）提出了“建建筑物產(chǎn)生能能源”的新概概念，即通過過建筑物，主主要是屋頂和和墻面與光伏伏發(fā)電集成起起來，使建筑筑物自身利用用綠色、環(huán)保保的太陽能資資源生產(chǎn)電力力。BIPV系統(tǒng)可以劃分分為光伏屋頂頂結(jié)構(gòu)和光伏伏墻結(jié)構(gòu)兩種種形式．2.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)39光伏與建筑的的結(jié)合的兩種種方式：（1）建筑與光伏伏系統(tǒng)相結(jié)合合：把封裝好好的的光伏組組件安裝在居居民住宅或建建筑物的屋頂頂上，再與逆逆變器、蓄電電池、控制器器、負載等裝裝置組成一個個發(fā)電系統(tǒng)。。（2）建筑與光伏伏器件相結(jié)合合：將光伏器器件與建筑材材料集成一體體，用光伏組組件代替屋頂頂、窗戶和外外墻，形成光光伏與建筑材材料集成產(chǎn)品品，既可以當當建材，又能能利用綠色太太陽能資源發(fā)發(fā)電。2.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)402.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)412.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)422.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)432.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)442.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)452.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)462.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)472.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)482.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)492.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術(shù)太陽能光伏發(fā)發(fā)電系統(tǒng)兩種運行行模式:（1）獨立供電方方式（2）并網(wǎng)供電方方式：光伏發(fā)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)發(fā)出的直流電電通過逆變器器變換為交流流電，與公共共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。。50當今世界太陽陽能發(fā)電有80%是并網(wǎng)網(wǎng)發(fā)電,光伏伏與建筑一體體化已經(jīng)占整整個世界太陽陽能發(fā)電最大大比例。目前世世界上上最大大的太太陽能能屋頂頂光伏伏系統(tǒng)統(tǒng)安裝裝在德德國慕慕尼黑黑貿(mào)易易展覽覽中心心。慕慕尼黑黑商貿(mào)貿(mào)中心心的6座大廈廈都裝裝光電電屋頂頂，共共有7812個個無框框架光光電板板，每每個光光電板板共有有84個單單晶硅硅太陽陽能電電池，，輸出出功率率為130W，光電電板總總和峰峰值功功率為為1016kW，，光電板板占屋屋頂面面積58%。發(fā)發(fā)出的的直流流電經(jīng)經(jīng)過逆逆變電電器送送至20000伏中壓壓電網(wǎng)網(wǎng)。2.3太陽能能光伏伏發(fā)電電技術(shù)術(shù)51三、輸輸電新新技術(shù)術(shù)輸電技技術(shù)的的發(fā)展展趨勢勢：高高電壓壓、大大容量量、遠遠距離離目標：：提高高輸送送能力力主要技技術(shù)：：特高高壓輸輸電、、高壓壓直流流輸電電、柔柔性交交流輸輸電523.1特高壓壓輸電電我國發(fā)發(fā)展特特高壓壓指的的是在在現(xiàn)有有500kV交流和和±500kV直流之之上采采用更更高一一級電電壓等等級輸輸電技技術(shù)，，包括括1000kV級交流流特高壓壓和±800kV直流特高壓壓兩部部分，，簡稱稱國家家特高高壓骨骨干電電網(wǎng)。。533.1特高壓壓輸電電特高壓壓輸電電技術(shù)術(shù)的優(yōu)優(yōu)點：：（1）能滿滿足遠遠距離離、大大容量量輸電電的需需要。。交流流特高高壓輸輸電線線路的的送電電能力力每回回線可可以接接近或或超過過4000MW；（2）適適用于于電網(wǎng)網(wǎng)本身身容量量較大大，電電網(wǎng)間間交換換功率率較多多的電電網(wǎng)；；（3）節(jié)節(jié)省輸輸電走走廊（4）減減少輸輸電損損耗（5）降降低短短路電電流（6）減減少輸輸電瓶瓶頸，，適應應電力力市場場開放放（7）實實現(xiàn)更更大范范圍的的資源源優(yōu)化化配置置54500kV輸電線線路55特高壓壓輸電電的關(guān)關(guān)鍵問問題（1）特高高壓輸輸變電電設(shè)備備的制制造技技術(shù)：：如變變壓器器、開開關(guān)設(shè)設(shè)備、、互感感器等等（2）特高高壓輸輸電系系統(tǒng)過過電壓壓與絕絕緣配配合（3）安全全穩(wěn)定定控制制（4）輸電電線路路對環(huán)環(huán)境影影響（（電磁磁輻射射）3.1特高壓壓輸電電563.1特高壓壓輸電電國外特特高壓壓輸電電發(fā)展展情況況上世紀紀60年代開開始，，美國國、前前蘇聯(lián)聯(lián)、意意大利利、日日本及及巴西西等都都先后后制定定了特特高壓壓輸電電規(guī)劃劃和開開展試試驗研研究工工作；；前蘇蘇聯(lián)和和日本本分別別建設(shè)設(shè)了交交流1000kV級輸變變電工工程（（其中中前蘇蘇聯(lián)為為1150kV），目目前均均降壓壓500kV運行。。國外特特高壓壓技術(shù)術(shù)發(fā)展展遲緩緩主要要是由由于用用電市市場趨趨于飽飽和，，增長長空間間有限限，在在已有有的交交流輸輸電網(wǎng)網(wǎng)上采采用FACTS技術(shù)可可以滿滿足發(fā)發(fā)展需需要。。573.1特高壓壓輸電電我國特特高壓壓輸電電發(fā)展展情況況西北750kV輸變電電工程程:設(shè)備國國產(chǎn)化化已取取得較較大突突破，，為1000kV級特高高壓技技術(shù)裝裝備研研發(fā)打打下了了良好好基礎(chǔ)礎(chǔ)。1000kV特高壓壓試驗驗示范范工程程：特特高壓壓輸電電線路路全長長約650公里，，包括括兩個個特高高壓變變電站站和一一個開開關(guān)站站?！?00kV直流流輸輸電電工工程程：：金金沙沙江江一一期期工工程程包包括括溪溪洛洛渡渡、、向向家家壩壩兩兩個個梯梯級級水水電電站站，，總總裝裝機機容容量量達達1860萬千瓦。。國家電電網(wǎng)公司司經(jīng)反復復論證，，推薦采采用3回±800千伏級直直流輸電電方案，，其中送送電華中中一回，，送電華華東2回，每回回輸送容容量640萬kW，線路總總長度4820公里583.2高壓直流流輸電（（HVDC）直流輸電電優(yōu)點和和特點(與交流輸輸電相比比):①輸送容量量大；②輸送功率率的大小小和方向向可以快快速控制制和調(diào)節(jié)節(jié)；③直流架空空線路的的走廊寬寬度約為為交流線線路的一一半；④直流電纜纜線路沒沒有交流流電纜線線路中電電容電流流的困擾擾，沒有有磁感應應損耗和和介質(zhì)損損耗，基基本上只只有芯線線電阻損損耗，絕絕緣電壓壓相對較較低；⑤直流輸電電工程的的一個極極發(fā)生故故障時另另一個極極能繼續(xù)續(xù)運行；；⑥能夠提高高電力系系統(tǒng)暫態(tài)態(tài)穩(wěn)定水水平。593.2高壓直流流輸電（（HVDC）高壓直流流輸電的的換流技技術(shù)ACACDCDC500kV500kV±500kV換流站I換流站II整流站逆逆變站603.2高壓直流輸輸電（HVDC）換流閥70年代前：汞弧閥70年代前之后后-現(xiàn)在：晶閘管（電電控、光控控）HVDC中使用的晶晶閘管芯片片的最高參參數(shù)：直徑徑已達到125mm，反向非重重復電壓大大于8kV，穩(wěn)態(tài)直流流電流能力力達4kA。61[例1]天廣500kV直流輸電工工程西起貴貴州安龍馬馬窩，東至至廣州北郊郊，總投資資39.8億元。規(guī)模模:±500kV、1.8kA、雙極額定定容量1800MW，線路全長長980km，該線共用用φ100mm、8kV、2.2kA晶閘管3744只。[例2]三峽至常州州±500kV直流輸電工工程全長890km，額定輸電電容量3000MW。換流閥為為空氣絕緣緣水冷戶內(nèi)內(nèi)懸掛式雙雙重閥,采用ф125mm、7.2kV、3kA晶閘管，4300只。3.2高壓直流輸輸電（HVDC）62換流器件今今后的發(fā)展展進入90年代以后，，絕緣柵極極晶閘管（（IGBT）首先在工工業(yè)驅(qū)動裝裝置上得到到廣泛的應應用，1997年世界上第第一個采用用IGBT構(gòu)成電壓源源換流器的的直流輸電電工業(yè)性試試驗工程，，在瑞典中中部投入運運行，其輸輸送功率和和電壓為3MW和10kV。由于這種IGBT換流器的功功能強，體體積小，可可以減少換換流站的濾濾波裝置，，省去換流流變壓器，，簡化換流流站結(jié)構(gòu)，，而稱之為為輕型直流輸輸電（HVDCLight）。但IGBT損耗大，不不利于大型型直流工程程的采用。。今后集成門極換換相晶閘管管（IGCT）和碳化硅等等新型半導導體器件的的開發(fā)，給給直流輸電電技術(shù)的發(fā)發(fā)展將創(chuàng)造造更好的條條件。3.2高壓直流輸輸電（HVDC）633.2高壓直流輸輸電（HVDC）高壓直流輸輸電在我國國的發(fā)展80年代建成了了我國自行行研制的舟舟山直流輸輸電工程（（±100kV，100mw，55km）和代表當當時世界先先進水平的的葛洲壩—上海（簡稱稱葛上）±500kV直流輸電工工程。三常直流輸輸電工程于于2003年投入運行行;三廣直流工工程、貴廣廣直流工程程于2004年投運。這這3項工程的送送電容量均均為300萬kw，送電距離離均在1000km左右。“十一五””期間，還還將建設(shè)幾幾個±500kV或±800kV的直流輸電電工程。643.3柔性交流輸輸電系統(tǒng)（（FACTS）什么是柔性性交流輸電電系統(tǒng)？80年代中期，，美國電力力科學研究究院（EPRI）首次提出出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：應用用大功率、、高性能的的電力電子子元件制成成可控的有有功或無功功電源以及及電網(wǎng)的一一次設(shè)備等等，以實現(xiàn)現(xiàn)對輸電系系統(tǒng)的電壓壓、阻抗、、相位角、、功率、潮潮流等的靈靈活控制，，將原基本本