电力技术的发展趋势及应用前景

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1、电力技术的发展趋势及应用前景电力技术的发展趋势及应用前景l、电力新技术的社会需求l二、高效洁净的燃煤发电技术l三、输电技术进展l四、新型紧凑化电气设备l五、分布式发电装置l六、现代配电系统、电力新技术的社会需求l20世纪工程技术的划时代成就之一就是电的日 益广泛应用。电力已成为生产发展和社会变革 最重要的技术基础。电力技术的不断进步，迅 速改变着社会的面貌，对人们的生产方式和生 活方式产生着重大影响，电气化的程度已成为 现代化最显著的标志。因此，在美国国家工程 院评选出的20项“20世纪最伟大的工程技术成 就“中，电气化名列榜首。在我国类似的评选 中，电气化也名列前茅。 、电力新技术的社会需求

2、l在步入新世纪的时候，人类面临的重大挑战是 实现可持续发展，而在可持续发展的条件下满 足日益增长的能源和电力需求则是世界各国面 临的最紧迫任务之一。我国由于人均拥有的一 次能源极其有限、能源强度高、油气资源短缺 、能源利用引起的环境污染严重，要在提供充 足可靠的能源和电力供应的同时减少环境污染 ，难度比其他国家大得多。根据预测，到2050 年，我国国内一次能源年生产能力约为30亿吨 标准煤，人均仅有两吨标准煤左右，人均能耗 仅能达到目前全世界的平均水平。、电力新技术的社会需求l如果大力发展洁净煤、核电、水电、可再生能源和开 发油气资源的计划不能如期实现，我国将面临严重的 能源短缺，大量进口能源

3、将不可避免，环境状况也将 更加恶化。为应对这一严峻挑战的战略有：强化节能 战略的实施，强化洁净煤发电技术的应用，加快发展 水电、核电和其他可再生能源发电。可以看出，实施 这些发展战略都意味着必须加逮我国电气化的进程， 提高电力在终端能源中的比例，尽可能把一汰能源清 沽高效地转换为电能使用。为此目的，必须在电能的 生产、传输、储存、分配和使用的各个环节使用新技 术。这一重大社会需求决定了未来电力技术的发展方 向。 、电力新技术的社会需求l过去，电力技术主要属于传统技术的范 畴。近年来，电力技术的发展日益显现 出高技术与传统技术交叉、融合的趋势 。高技术领域的信息技术、电力电子技 术、新材料技术的

4、突飞猛进使传统电力 系统己经或将要发生重大变革。以下仅 举数例加以说明。 二、高效洁净的燃煤发电技术l煤炭是许多国家的重的一次能源，因此，高效洁净的 燃煤发电技术是一个重要而又难度甚大的研究领域。 研究的重点是在提高发电效率的同时尽可能减少二氧 化硫、氮氧化物和其他有害物质的排放。已经有不少 污染排放控制的技术，如煤的燃前预处理、炉内喷钙 、循环流化床、烟气脱疏等。正在研究和示范的减排 技术还有整体煤气化联合循环、加压循环流化床等。 目前国外发达国家的燃煤发电厂普遍安装了脱硫设各 。关于发电过程温室效应气体的减排，国内外尚无经 济、有效的“脱碳“技术，二氧化碳分离和储存的技术 还处在研究阶段。

5、 二、高效洁净的燃煤发电技术l美国能源部最近提出了发展“超洁净燃煤发电厂“计划（图1）。这 种发电厂使用水煤浆制氢，然后供给高温燃料电池及联合循环发 电装置。在发电的流程中，碳将合成为碳酸盐而被“扣留“在地面 。其发电效率可达60以上，二氧化碗、二氧化碳和其他有害物 质的排放量都非常低。这项技术能否广泛应用取决于经济性，而 经济性又取决于关键技术（高温燃料电池、“扣碳“技术）研究的 进展。这当中又涉及许多新材料、新工艺流程的研究。因此，估 计这种电厂真正用于工程尚需时日。 由于煤炭是我国主要的一汰能源，燃煤发电厂在未来相当长的时 间内仍然是发电的主力。目前我国30的煤炭用于发电，预计到 205

6、0年这个比例将达到70以上。因此，研究高效洁净燃煤发电 新技术对我国的可持续发展至关重要。 二、高效洁净的燃煤发电技术二、高效洁净的燃煤发电技术l在我国，燃煤发电的粉尘排放已经得到 有效的控制，但只有少量电厂安装了脱 硫设备。一些成熟的脱疏技术尚不能在 我国广泛应用，其原因是费用过高。洁 净煤发电近期发展的重点是采用高效机 组（如超临界机组）和采取符合国情的 污染排故控制的措施，如燃用低疏煤， 加强煤的预处理和加紧研究低价而有效 的脱碗、脱硝技术等。 三、输电技术进展l 1.三相高压交流输电在可预见到的未来，三相高压交流输电仍将是输电和联网的 主要方式。20世纪70年代以前主要靠提高电压来增加

7、线路输电能 力。到目前为止，商业化运行的交流输电工程最高额定电压为 765kV（800kV等级）。全世界已经有12个国家建成了800kV等级 的交流输电系统。前苏联建成了900的1150kV特高压输电线 路并经过了试运行，后因多种原因降压为500kV运行。日本建成 了短距离的1000kV输电线路，目前在500kV下运行。美国、意大 利、瑞典等国曾执行过特高压（1000kV及以上）输电计划，后因 环保限制、设备可靠性不高和有更好的替代方案等原因而搁置和 取消。由此可见，近20年来输电电压的发展出现了明显的饱和趋 势。在特高压输电的工程应用前景不明朗的情况下，交流输电发 展的重点已转向采用新技术提

8、高线路输送能力、提高线路的使用 效率和线路走廊利用率等。三、输电技术进展l随着大型复杂互联电网的出现，如何使电网更加有效、如何提高 输电线路的使用效率成为世界各国研究的重要课题。传统的交流 电网的参数（阻抗、电压、相位等）是不能大幅度连续调节的， 而实际运行中的电力潮流分布又由电路定则决定，因此电网内部 线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能 力相差甚远；部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线 路去被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就是说，由于 电网的“木桶效应“，一部分线路有电送不出，而另一部分线路却 无电可送。另外，电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电 力用户

9、间电力交易的渠道，也需要满足对电力潮流灵活凋节控制 的要求。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加线 路输送能力，以充分利用现有电网资源、提高线路使用效率的要 求。发达国家由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使 得这一要求显得更为迫切。显然，依靠常规的电力技术难以解决 这种间题，需要研究发展新的技术。三、输电技术进展2.灵活交流输电 灵活交流输电（FACTS）的概念是20世纪80年代末期由美国电力 研究院（EPRI）捉出的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念 ，将使未来的电力系统发生革命性的变化。它应用现代电力电子 技术与现代控制技术，实现了交流输电系统的阻抗、电压、相位 的

10、灵活快速调节，达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振兹 撬高系矫蔗守7乎的目的.电力电子技术的快速发展为FACTS技 术的实用化创造了条件。近10年来，可控整流器、可关断器件的 开断能力不断提高。100直径的晶闸管的耐压己达到610kV 的水平，通过电流己达到6kA以上，6kV，6kA的可关断晶闸管（ GTO）己有商品。单个电力电子器件的开断能力已达到30 40MW的水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系 统成为可能。图2表示6kV，6kA的可关断晶闸管（GTO）元件。三、输电技术进展三、输电技术进展l近年来，FACTS技术已经在美国、日本、瑞典 、巴西等国的重要的超高压输电工程中得

11、到应 用。有代表性的FACTS设备有，可控串联补偿 器、静止同步补偿器、统一潮流控制器等。图 3为美国卡因塔230kV可控串补工程。这套装置 安装在当地电网的输电的瓶颈处，突破了线路 稳定极限，将输送能力提高了一倍左右，从而 在4年内可收回投资。三、输电技术进展三、输电技术进展l我国由于输电距离长、电网结构不甚合理和电网建设 滞后等原因，输电线路的输送能力较低，应用新技术 提高电网的利用率的潜力还很大。我国正在研究将这 项技术用于“西电东送”工程。基于硅片的电力电子器 件进一步向更高电压、更大功率的方向发展，将使电 力系统发生重大变革。这被称为“硅片引起的第二次革 命“。以碳化硅（SiC）为基

12、片的新型电力电子器件的 耐压和热容量可大幅度攫高，而元件的损耗却大大降 低，从而使元件的开断功率可望有数量级的提高。这 顶示着用固态电子断路器取代传统机械的高压断路器 （油开关、六氟化碗开关、真空开关等）已为期不远 ，届时，真正的数字化电力系统将成为现实。 三、输电技术进展l 3.高压直流输电高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到 落点处再逆变为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实 现异步联网；在输电距离超过临界距离时比交流输电更经济；利 用相同的线路走廊可比交流输送更多的电力；适合于跨海送电等 。端对端直流输电已是一种成熟的远距离输电技术。全球己建 成了57个直流输电工程

13、，10项正在建设中，主要用于联网、远距 离输电和跨海送电等。端对端的直流输电犹如没有出口的直达高 速路，线路不能中途落点。它对受端电网的容量、落点在同一负 荷区的多条直流输电线路之间的电气距离等有严格的要求。因此，现在的直流输电技术的应用范围受到一定的限制。 三、输电技术进展l 为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多 端直流输电技术。已投运的多端直流输电工程是加拿大美国的 五端直流输电工程。由于控制器协调困难等原因，目前实际上只 有三端接人运行。新一代直流输电系统正在研究开发之中。新系统有望大幅度 简化设各、减少换流站的占地、降低造价。由于采用可关断的电 力电子器件组成换流器，换

14、流过程不受受端系统短路容量的影响 ，新系统不会出现换相失败和多条直流输电线路落点在同一负荷 区时发生的相互影响等问题。新一代的直流输电技术实用化的关 键在于电力电子技术的突破和造价的大幅度降低。 四、新型紧凑化电气设备l 由于发达地区的土地己成为稀缺资源，为了尽量 减少变电站的占地、减少环境影响，以便降低投资、 缩短建设工期，近年来出现了电气设备紧凑化、模块 化，不同类型的电气设备集成为一体的倾向。由于绝 缘材料、光纤测量技术和制造工艺的进步，现已出现 了断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器 及控制保护设各集成为一体的紧凑化、模块化的变电 站设备。它可以视为介于全封闭组合电器（GIS）

15、和常 规的敞开式变电站之间的一种集成化设备。这类设各 有不同的商品名称和集成度，但设计思路是相同的， 即通过集成来改善设备的技术性能、减少占地和环境 影响、降低造价。图4为一座500的紧凑化变电站 。四、新型紧凑化电气设备l 绝缘材料的进步也促进了发电机和变压器的集成。最近国外 研制成功所谓的“电力发生器“（power former），它采用特殊的电 缆来代替原来发电机定子中的矩形截面导线，使电机绝缘的耐压 成数量级的提高。发电机出口的电压可达400KV，因此不需要升 压变压器就可把发电机直接连接到架空线路。“电力发生器“的优 点除了使升压变电站大大简化以外，还有热性能好、短路电流小 、便于维

16、护检修等伏点。这种技术用于电力变压器的设计，开发 出新式的干式高压变压器。变压器高低压绕组均用电缆绕制（图 幻。与传统的充油电力变压器相比，这种新式变压器具有结构简 单、无火灾和泄漏的危险、运行维护工作量小、耐受短路能力强 、绕组外部处在地电位人身安全性好、电场影响很小等优点。四、新型紧凑化电气设备五、分布式发电装置l 分布式发电装置是指功率为数kW至MW级的中、 小型模块式，直接安置在用户近旁，与环境兼容的独 立电源。有代表性的分布式电源是指燃料电池（fuel cell）和微型燃气轮机（micro-turbine）。分布式电源主要用以提高供电可靠性，可在电网 崩渍和意外灾害（例如地震、暴风雪、恐怖分子袭击 、战争）情况下维持重要用户的可靠供电。它特别适 合于组成分布式的热电联供或热电冷联供系统。与大 型计算机微机的关系类似，分布式电源将是未来“微 型电力系统“的重要组成部分，在未来电力市场中是一 种有竞争力的发电方式。此外，燃料电池很有希望成 为电动车、笔记本电脑和手机的长效电源。五、分布式发电装置l 1.燃料电池燃料电池是扭