输变电新技术.ppt

电力系统新技术The NEW Technology of Power System,内容简介,我国电力系统的现状与发展发电新技术：核电、风电、太阳能光伏发电 输电新技术（1）特高压输电（2）高压直流输电（3）柔性交流输电,一、我国电力系统的现状与发展,电力系统示意图,现代社会离不开电力-人类社会生存和发展的三大要素：物质、能量和信息-现代工业社会建立在物质和能量的基础之上，能量流、物质流、信息流推动当代社会进化。,持续29个小时的大面积停电，给5000万美国人和加拿大人的生活带来极大不便，造成的经济损失达300亿美元。罪魁祸首是配电网设计不合理。由于天气炎热，用电量猛增，各电厂开足马力进行供电。一家发电厂突然出现了故障，开关自动跳闸，其他电厂马上自动增加发电量进行支援。这些电厂本来就处于饱和状态，由于一下子超负荷运转，结果电厂全部发生跳闸。在短短9秒钟之内，美国7州和加拿大1省就引发了灾难性的多米诺效应。,2003年北美大停电,1.1 我国电力工业现状,截止2005年底，全国发电装机容量达到5亿千瓦。其中，水电占22.9%，火电占75.6%，核电占1.5%。2005年全国发电量达到24747亿千瓦时，全社会用电量达到24689亿千瓦时，同比增长13.45%。人均用电量1800多千瓦时。居民用电量约占11%，人均218千瓦时.全国人均用电量为世界平均水平的一半，仅为发达国家的到。“今、明两年不缺电”,1.2“十一五”我国电力建设,我国电力工业发展的主要特点是：（1）西电东送、南北互供、全国联网；（2）火电和电网技术升级；（3）建立开放的电力市场。电源建设：到达2010年，装机容量达到7.86亿千瓦。电网建设：（1）建设交流1000千伏试验示范工程；（2）800千伏直流输电工程；（3）三峡输变电工程；（4）跨区输电工程，西北750千伏网架初具规模；（5）加强和拓展500千伏和330千伏网架；（6）加强城乡电网的建设改造。（投资：1.2万亿元）,二、发电新技术,发电类型：火电：汽轮机-发电机组单机容量达到60万kW（600MW），正在研制100万kW 机组。水电：水轮机-发电机组单机容量达到70万kW。核电新能源发电：风力发电、太阳光伏发电,最大直径10.6米、高5.06米,三峡水电站发电机组,70万kW*26台=1820万kW,2.1 核电:核燃料,2.1 核电：核反应堆类型,分为重水堆和轻水堆。轻水堆又分为压水堆和沸水堆。重水堆是利用天然铀作燃料，用重水做慢化剂和冷却剂。燃料成本低，但重水十分昂贵。重水堆核电站可以实现不停堆换燃料（与压水堆核电站相比，重水堆核电站可以实现不停堆换料（压水堆每年一次停堆换料，一般需要60天）。重水：由1个重氢（氘，含有一个质子和一个中子）和1个氧原子组成的化合物。,2.1 核电:核电站,给水泵,核电,火力发电,2.1 核电反应堆类型:沸水堆,2.1 核电反应堆类型:压水堆,反应堆压水容器断面图,沸水堆（BWR）,压水堆（PWR）,控制棒,核电站反应堆运行中心控制室,2.2 风力发电技术,风的产生:风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动；大气压差是风产生的根本原因。,风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米秒(m/s),分13级,2.2 风力发电技术,风力资源：在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带及岛屿。风能最佳区：(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海上岛屿；(2)内蒙古、甘肃北部；(3)黑龙江南部、吉林东部。风能较佳区：(1)西藏高原中北部；（2）三北北部；(3)东南沿海(离海岸线20-50kM),2.2 风力发电技术,风电场,2.2 风力发电技术,风力发电机组包括两大部分：（1）风力机：将风能转换为机械能。有各种类型，按容量分：微型(100kW)。（2）发电机：将机械能转换为电能。10kW以下的，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；l00kW以上的并网运行的风力发电机组，则应用同步发电机或异步发电机。,2.2 风力发电技术,水平轴风力发电机组(600kW)基本结构,风力发电系统 风力发电机组、监测装置、控制系统、储能装置(1)独立运行方式 把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。（2）并网运行方式,2.2 风力发电技术,控制系统 中、大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统，来实现控制、监测功能。恒速桓频方式：即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。变速恒频方式：即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振现象等问题。,2.2 风力发电技术,控制系统主要功能,按预先设定的风速值(一般为34ms)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将发电机并人电网。借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态。当风速大于最大运行速度(一般设定为25ms)时实现自动停机。故障保护。通过调制解调器与电话线连接。,世界风力发电现状与展望商业化机组的单机容量从55 kW-1650 kW。世界最大的风力发电机组：美国GE公司的“超级风力机”，单机功率为7.3MW，风车直径为112m.运行可靠性和发电成本接近常规火电，装机容量每年以近30的速度递增。德国到2001年风电装机容量873万kW，按计划，到2010年，风电电量将占总发电量的12.5；到2050年，将占到50。丹麦的风电电量2003年占全国总发电量的18，规划到2030年，风电将占总发电量的50。中国到2005年底风电装机容量超过100万kW。,2.2 风力发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,太阳能利用主要有两个途径：即光热技术和光电技术。光电技术指的是光伏发电，是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。太阳能电池发电的原理：半导体的光电效应，即一些半导体材料受到光照时，载流子数量会剧增，导电能力随之增强，即半导体光敏特性。,太阳能光伏发电基本原理以PN结为例，当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N区到P区的电流。,2.3 太阳能光伏发电技术,在PN结中形成电势差，这就形成了电源。,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,光伏建筑一体化 光伏与建筑一体化（BIPV）提出了“建筑物产生能源”的新概念，即通过建筑物，主要是屋顶和墙面与光伏发电集成起来，使建筑物自身利用绿色、环保的太阳能资源生产电力。BIPV系统可以划分为光伏屋顶结构和光伏墙结构两种形式,2.3 太阳能光伏发电技术,光伏与建筑的结合的两种方式：（1）建筑与光伏系统相结合：把封装好的的光伏组件安装在居民住宅或建筑物的屋顶上，再与逆变器、蓄电池、控制器、负载等装置组成一个发电系统。（2）建筑与光伏器件相结合：将光伏器件与建筑材料集成一体，用光伏组件代替屋顶、窗户和外墙，形成光伏与建筑材料集成产品，既可以当建材，又能利用绿色太阳能资源发电。,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,2.3 太阳能光伏发电技术,太阳能光伏发电系统两种运行模式:（1）独立供电方式（2）并网供电方式：光伏发电系统所发出的直流电通过逆变器变换为交流电，与公共电网联网。,当今世界太阳能发电有80%是并网发电,光伏与建筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例。目前世界上最大的太阳能屋顶光伏系统安装在德国慕尼黑贸易展览中心。慕尼黑商贸中心的6座大厦都装光电屋顶，共有7812个无框架光电板，每个光电板共有84个单晶硅太阳能电池，输出功率为130W，光电板总和峰值功率为1016kW，光电板占屋顶面积58%。发出的直流电经过逆变电器送至20000伏中压电网。,2.3 太阳能光伏发电技术,三、输电新技术,输电技术的发展趋势：高电压、大容量、远距离目标：提高输送能力主要技术：特高压输电、高压直流输电、柔性交流输电,3.1 特高压输电,我国发展特高压指的是在现有500kV交流和500kV直流之上采用更高一级电压等级输电技术，包括1000kV级交流特高压和800kV直流特高压两部分，简称国家特高压骨干电网。,3.1 特高压输电,特高压输电技术的优点：（1）能满足远距离、大容量输电的需要。交流特高压输电线路的送电能力每回线可以接近或超过4000MW；（2）适用于电网本身容量较大，电网间交换功率较多的电网；（3）节省输电走廊（4）减少输电损耗（5）降低短路电流（6）减少输电瓶颈，适应电力市场开放（7）实现更大范围的资源优化配置,500kV输电线路,特高压输电的关键问题（1）特高压输变电设备的制造技术：如变压器、开关设备、互感器等（2）特高压输电系统过电压与绝缘配合（3）安全稳定控制（4）输电线路对环境影响（电磁辐射）,3.1 特高压输电,3.1 特高压输电,国外特高压输电发展情况 上世纪60年代开始，美国、前苏联、意大利、日本及巴西等都先后制定了特高压输电规划和开展试验研究工作；前苏联和日本分别建设了交流1000kV级输变电工程（其中前苏联为1150kV），目前均降压500kV运行。国外特高压技术发展迟缓主要是由于用电市场趋于饱和，增长空间有限，在已有的交流输电网上采用FACTS技术可以满足发展需要。,3.1 特高压输电,我国特高压输电发展情况西北750kV输变电工程:设备国产化已取得较大突破，为1000kV级特高压技术装备研发打下了良好基础。1000kV特高压试验示范工程：特高压输电线路全长约650公里，包括两个特高压变电站和一个开关站。800kV直流输电工程：金沙江一期工程包括溪洛渡、向家坝两个梯级水电站，总装机容量达1860万千瓦。国家电网公司经反复论证，推荐采用3回800千伏级直流输电方案，其中送电华中一回，送电华东2回，每回输送容量640万kW，线路总长度4820公里,3.2 高压直流输电（HVDC）,直流输电优点和特点(与交流输电相比):输送容量大；输送功率的大小和方向可以快速控制和调节；直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半；直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低；直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行；能够提高电力系统暂态稳定水平。,3.2 高压直流输电（HVDC）,高压直流输电的换流技术,AC,AC,DC,DC,500kV,500kV,500kV,换流站I,换流站II,整流站 逆变站,3.2 高压直流输电（HVDC）,换流阀70年代前：汞弧阀70年代前之后-现在：晶闸管（电控、光控）HVDC中使用的晶闸管芯片的最高参数：直径已达到125mm，反向非重复电压大于8kV，稳态直流电流能力达4kA。,例1天广500kV直流输电工程西起贵州安龙马窝，东至广州北郊，总投资39.8亿元。规模:500kV、1.8kA、双极额定容量1800MW，线路全长980km，该线共用100mm、8kV、2.2kA晶闸管3744只。例2三峡至常州500kV直流输电工程全长890km，额定输电容量3 000MW。换流阀为空气绝缘水冷户内悬挂式双重阀,采用125mm、7.2kV、3kA晶闸管，4300只。,3.2 高压直流输电（HVDC）,换流器件今后的发展 进入90年代以后，绝缘栅极晶闸管（IGBT）首先在工业驱动装置上得到广泛的应用，1997年世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的直流输电工业性试验工程，在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3MW和10kV。由于这种IGBT换流器的功能强，体积小，可以减少换流站的滤波装置，省去换流变压器，简化换流站结构，而称之为轻型直流输电（HVDC Light）。但IGBT损耗大，不利于大型直流工程的采用。今后集成门极换相晶闸管（IGCT）和碳化硅等新型半导体器件的开发，给直流输电技术的发展将创造更好的条件。,3.2 高压直流输电（HVDC）,3.2 高压直流输电（HVDC）,高压直流输电在我国的发展80年代建成了我国自行研制的舟山直流输电工程（100 kV，100 mw，55 km）和代表当时世界先进水平的葛洲坝上海（简称葛上）500 kV直流输电工程。三常直流输电工程于2003年投入运行;三广直流工程、贵广直流工程于2004年投运。这3项工程的送电容量均为300万kw，送电距离均在1000 km左右。“十一五”期间，还将建设几个500 kV或800 kV的直流输电工程。,3.3 柔性交流输电系统（FACTS）,什么是柔性交流输电系统？80年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）首次提出FACTS（Flexible AC Transmission Systems）概念：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。专家们预计这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。,3.3 柔性交流输电系统（FACTS）,柔性交流输电技术：电力电子技术与现代控制技术结合，实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。柔性交流输电系统的作用：能在较大范围有效控制潮流；线路输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条500kV线路的安全送电极限为10002000kW，线路的热极限为3000kW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高50%100%；电网和设备故障的危害可得到限制；易阻尼消除电力系统振荡，提高系统的稳定性。,3.3 柔性交流输电系统（FACTS）,FACTS的主要设备静止无功补偿器（SVC）静止无功发生器（ASVG）：清华大学与河南省电力局联合研制我国首台用于220kV电网的20Mvar的ASVG。可控串联电容补偿器（TCSC）：电科院、东北电业管理局及清华大学等单位合作研制500kV的TCSC装置有源电力滤波器（APF）故障限流器、固态断路器、动态电压恢复器（DVR）超导储能统一潮流控制器（UPFC）,串联补偿器,有源电力滤波器（APF）,22MVA动态电压恢复器（DVR）,集成门极换相晶闸管（IGCT）,谢谢！,