{电力公司管理}面向21世纪的电力系统技术

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1、面向21世纪的电力系统技术周孝信 院士,艾 欣 电力系 电力市场课题组 电子邮件： 办公室：教一楼148房间 电话： 80798456,面向21世纪的电力系统技术,一、 电力系统发展面临的挑战 （一） 环境保护的严厉制约 （二） 大容量远距离输电的需求 （三） 大电网互联、跨国联网发展的趋势 （四） 电力市场化体制改革的影响 二、 我国电力工业和电力系统发展的要求 三、 研究开发面向21世纪的电力系统技术 （一） 大容量交/直流输电技术 （二） 灵活交流输电（FACTS）技术 （三） 大电网互联的运行控制技术 1、 互联电力系统低频振荡控制的研究 2、 全球卫星定位系统（GPS）在电网安全监视

2、和稳定控制中应用的研究 3、 防止大面积停电的控制和恢复策略的研究 （四）电力系统分析和仿真技术 1、 电力系统分析技术的发展趋势 2、 电力系统分析软件技术的发展 3、 电力系统数学仿真与物理模拟,一、 电力系统发展面临的挑战,回顾一个多世纪以来电力工业和电力系统的发展，深感由于经济发展和技术进步带来的巨大变化。上世纪的8090年代，是电力系统的初创时期。据记载，1882年在美国纽约建成了世界第一个完整的电力系统。这是一个由发电机、电缆和负载组成的直流电力系统。然而由于直流输电系统的局限性，人们转而研究交流输电技术，并在上一个世纪之交，确立了交流输电系统进一步发展和应用的基本取向，从而带来了

3、本世纪交流高电压输电和电力系统的大发展。从本世纪初到60年代末，最高交流输电电压从12.44千伏和60千伏提高到735千伏和765千伏。在此期间，电力系统规模也迅速扩大，电网互联程度不断加强。在交流输电和电力系统大发展的同时，从50年代开始，又发展了高压直流输电技术，奠定了当今高压交/直流电力系统的基础。 今天，又是一个世纪之交。面对经济全球化趋势和科技迅猛发展的形势，有100多年历史的“古老”电力系统，在其发展的进程中，又将面临一系列新的挑战。,（一） 环境保护的严厉制约,随着全球经济的不断发展和民众环境意识的增强，电力工业发展受到环保制约的程度将越来越大，发达国家的情形更为突出，新输电线路

4、的建设往往因民众的反对而不能实施。欧美国家1000千伏以上特高压输电发展计划之所以中止，除电力需求增长缓慢的因素之外，环保的考虑也是重要原因。面对这种情况，不少发达国家采取的对策是充分挖掘现有输电线路的潜力，解决系统中潮流分布不合理的问题，改善电力系统运行的稳定性，提高输电系统的输送能力。,（一） 环境保护的严厉制约,环保的制约更多地表现在电源建设上。将来会更多地开发对环境影响较小的电源形式，如洁净煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电、远方大型水电、核电及新能源发电。电源结构的改变，将因电源原动机特性和电源分布的不同而影响电力系统的性能，包括其调节性能和动态性能。1996年7月，马来西亚的马来半

5、岛电力系统崩溃、大面积停电事故，其根本原因除网络结构薄弱外，当时电网运行机组中燃气轮机比重大，在系统大功率缺额情况下，这些机组因超出力而导致过热，从而引起大量跳闸停机，造成系统频率崩溃而全网停电。这是因电源结构变化使系统动态性能变坏造成恶性事故的典型案例。未来电源结构和分布发生改变是不可避免的。这就要求我们进一步研究由此带来的影响，研究各种电源原动机特性及相应的系统控制策略，开发新的控制装置，从而改善系统运行特性，避免电力系统事故的发生。,（二） 大容量远距离输电的需求,当前世界电力工业发展趋势，尽管发达国家用电需求增长缓慢，但发展中国家用电需求仍在迅速增长，大量的电源资源有待开发利用。因此总

6、的看来，大容量远距离输电仍有较强的发展势头，一些发展中国家和地区特别是东亚、东南亚地区、南美洲地区仍在进行大规模的电网建设。大容量远距离输电系统，如中国的三峡输电系统、金沙江水电甚至雅鲁藏布江水电的开发及其输电系统，巴西亚马逊河水电开发及其输电系统等，这些系统的建设无疑将是对现有电力系统技术的挑战。,（三）大电网互联、跨国联网发展的趋势,冷战结束后，全球和地区经济一体化的步伐加快；又由于能源分布和经济发展的不平衡及电网互联运行的巨大效益，使大电网互联、跨国联网输电的趋势不断发展。如东西欧联网，欧洲发输电联盟（UCPTE）早在1963年就实现了西欧各成员国400千伏交流联网，以后又通过直流同英国

7、、瑞典实现非同期联网。目前西欧电网与东欧国家电网联网正在逐步实现。其中1995年9月原民主德国电网与西欧电网联网，1995年10月波兰、捷克、匈牙利三国电网与西欧电网同期互联。此外还有若干拟议中的地区性跨国联网，如环波罗的海地区联网，环地中海地区联网，东南亚地区联网，环日本海地区联网等，其中波罗的海沿岸11国的18家电力公司已于近期合作进行了一项研究，拟通过相关国家之间的交/直流联网实现环波罗的海电力共同市场，并已成立了环波罗的海电力合作组织（BALTREL）。另据报道，地中海地区的突尼斯与隔海相望的西班牙已实现联网送电。我国与周边国家的联网也在考虑和规划之中。如拟议中的澜沧江水电（景洪电站）

8、开发向泰国送电、俄罗斯西伯利亚水电向中国华北等地送电等，如能实现都可以形成跨国的电网互联。,（三）大电网互联、跨国联网发展的趋势,大电网互联和跨国联网将对电力系统运行带来一系列的新问题。如波兰、捷克、匈牙利电网同期接入UCPTE西欧电网之后，即观察到弱阻尼的甚至负阻尼的频率和功率振荡。当从东到西或从西到东联网传送的功率超过1000兆瓦时，就有振荡产生。美国西部电网1996年78月连续两次发生连锁反应式大电网稳定破坏和大面积停电事故，充分表明这种类型事故是当前及未来电网运行安全的最大威胁。因此寻求电网更为有效的控制措施，确保互联电力系统的安全稳定运行是我们面临的又一重要课题。,（四）电力市场化体

9、制改革的影响,当前全球范围内正在逐步实行电力系统市场化的体制改革。尽管各国改革的模式不同，但其根本宗旨都是企业打破电力行业垄断，促进市场竞争，提高效率，降低成本和电价，从而提高本国经济在国际市场上的竞争能力。一些西方国家对长途电信、民用航空等公用事业进行了类似改革并获得了成功。英国从90年代开始的电力市场化改革，也取得了降低典型工业用户的电价20%以上的效果。,（四）电力市场化体制改革的影响,然而电力市场化改革也给电力系统运行和控制带来一系列的新问题。根据电力市场运作的要求，电网首先必须提供能灵活控制潮流的能力，还应最大限度地满足电源与用户之间输送能力的要求。此外，在发电、输电和供电分别独立经

10、营的条件下，保持电网的安全稳定运行水平也是需要解决的重要课题。,（四）电力市场化体制改革的影响,以上4点表明，世纪之交的电力系统的发展正面临着新的挑战。然而这也预示着有100多年发展历史的传统电力系统将有新的发展机遇。相应地，采用现代高科技的面向21世纪的电力系统新技术必将得到不断创新和发展。,二、 我国电力工业和电力系统发展的要求,1987年我国发电装机容量突破100吉瓦（1G瓦=103兆瓦），1995年突破200吉瓦，到1997年底达到250吉瓦，居世界第二位。500千伏超高压输电线路总长度已超过13000千米。6个跨省大区电网和5个独立省网都得到了较快发展。到1996年底，华东电网装机容

11、量已达到38.22吉瓦；由广东、广西、云南、贵州四省电网互联组成的南方联营电网总装机容量也已达38.419吉瓦。这表明我国电力系统已进入大电网互联运行的时代。,二、 我国电力工业和电力系统发展的要求,展望未来，到2000年，我国电力总装机容量将接近300吉瓦。正在兴建的三峡电站和三峡输电系统将于2009年建成。东北、华北之间500千伏交流联网将于近期实现。到2010年，随着三峡输电系统的建成，在我国中部将形成沿长江流域包括川渝、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统，预计总容量将会接近200吉瓦。与此同时，北方的华北、东北、西北电网将实现互联；南方电网将进一步加强。届时，全国将形成北、中、南三

12、大互联电网的格局。通过它们之间的互联，预期2020年左右将基本实现全国联网。随着东部地区核电的建设，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的远距离输电和电网互联将得到进一步加强。 我国电力系统的发展，是世界电力系统发展的重要组成部分。我国电力系统发展面临的大容量远距离输电和大电网互联问题，将是我们未来1020年内要解决的主要问题。环境保护制约和电力体制改革的影响也将现实地提到日程，必须引起我们高度重视。,三、 研究开发面向21世纪的电力系统技术,面对当今世界和我国电力系统发展的巨大挑战，我们必须研究开发面向21世纪的先进电力系统技术。传统技术和电子信息技术、电力电子技术、先进控制理论及技术等高

13、新技术的进步为这一目标的实现提供了坚实可靠的基础。 结合我国实际的具体研究开发目标可有如下四个方面。,（一） 大容量交/直流输电技术,当前我国的现实任务是提高500千伏交流输电线路的输送能力。应积极研究500千伏同塔双回或紧凑型线路的技术。在500千伏紧凑型线路方面，由华北电力集团公司牵头组织的工程化研究已取得成果，并应用于实际的线路工程。应积极研究采用线路的串联电容补偿技术。近期阳城江苏的500千伏线路将建设我国第一座500千伏串联电容补偿站。对此，希望能进一步实现国产化，并在其他工程上推广应用。,（一） 大容量交/直流输电技术,应进一步开展大容量高压直流输电的研究。直流输电以其输电容量大、

14、稳定性好、控制调节灵活等优点受到电力部门的欢迎。我国除葛南线于1990年早已投运外，容量为1800兆瓦的天生桥广州500千伏直流输电工程正在建设。三峡华东的第一条直流输电线路的建设在积极筹备。可以预见，直流输电在我国有进一步应用的前景。但在技术上，直流输电还存在着控制系统技术复杂、与交流输电系统相配合时可能诱发次同步谐振等问题。对此，还要在交/直流系统相互配合协调方面做大量的试验研究工作。,（一） 大容量交/直流输电技术,关于500千伏以上交流输电，是采用800千伏（750千伏）级还是1000千伏级的电压水平问题，笔者认为应根据实际需要决定。如我国西北电网已建成较强的330千伏系统，当前因黄河

15、水电和陕北大型火电的开发和外送，330千伏电压等级已无法满足输电的需要，急需提高电压等级。对330千伏系统而言，国外经验一般认为上一个电压等级以750千伏级较为合适。加拿大魁北克电网于1965年投入其735千伏系统：美国AEP电力公司于1969年建成765千伏线路，其后巴西伊泰普工程也于80年代建成765千伏输电系统。因此，可以认为750千伏电压级输电无论设备还是系统都有成熟的技术和经验。如经论证适合于我国西北电网，则应决策着手开始建设。至于1000千伏特高压输电，亦不应排除在我国应用的可能性，特别是对未来金江水电开发大规模外送，亦存在着比直流输电更为优越的可能性。因此，1000千伏级的特高电

16、压技术，作为技术储备仍应开展必要的研究。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,FACTS是电力电子技术在电力系统中应用的重要方面。作为在交流输电系统中引入的可控制的一次设备，FACTS装置的应用可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。特别是可以实现电力系统动态过程中相量角度的控制，为未来电力系统动态和稳定性控制的新策略提供了必要手段 。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,FACTS技术的概念自80年代后期提出以来，有关学术研究、技术开发和工程实践已取得大量成果。对此笔者在1995年的一篇文章中曾有论述。自那时以来，FACTS技术的开发和工程应用又有新的发展。具有对电压、阻抗、相位综合控制功能的统一潮流控制器（UPFC）的示范工程（并、串联装置容量各160兆伏安）即将在美国AEP电力公司投运，其并联装置已于1997年建成。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,我国已开始对FACTS技术进行有系统的研究开发。其中对500千伏超高压输电线路可控串联补偿（TCS