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(zāi)難性的多米諾效應(yīng)。

●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：核反應(yīng)應(yīng)堆類型分為重水堆和和輕水堆。輕輕水堆又分為為壓水堆和沸沸水堆。重水堆是利用用天然鈾作燃燃料，用重水水做慢化劑和和冷卻劑。燃燃料成本低，，但重水十分分昂貴。重水水堆核電站可可以實現(xiàn)不停停堆換燃料（（與壓水堆核核電站相比，，重水堆核電電站可以實現(xiàn)現(xiàn)不停堆換料料（壓水堆每每年一次停堆堆換料，一般般需要60天）。重水：由1個重氫（氘，，含有一個質(zhì)質(zhì)子和一個中中子）和1個氧原子組成成的化合物。。11●2.1核電:核電站給水泵核電火力發(fā)電122.1核電—反應(yīng)堆類型:沸水堆汽輪機循環(huán)水泵給水泵反應(yīng)堆安全殼控制棒132.1核電—反應(yīng)堆類型:壓水堆反應(yīng)堆安全殼控制棒反應(yīng)堆壓力容器汽輪機給水泵循環(huán)水泵14●反應(yīng)堆壓水容容器斷面圖沸水堆（BWR）壓水堆（PWR）控制棒15●核電站反應(yīng)堆堆運行中心控控制室161718192021222.2風力發(fā)電技術(shù)術(shù)風的產(chǎn)生:風是地球外表表大氣層由于于太陽的熱輻輻射而引起的的空氣流動；；大氣壓差是是風產(chǎn)生的根根本原因。風速與風級：：風速就是空氣氣在單位時間間內(nèi)移動的距距離，國際上上的單位是米米／秒(m/s),分13級232.2風力發(fā)電技術(shù)術(shù)風力資源：在在中國，風能能資源主要分分布在新疆、、內(nèi)蒙古等北北部地區(qū)和東東部至南部沿沿海地帶及島島嶼。風能最佳區(qū)：：(1)東南沿海、山東半半島、遼東半島以以及海上島嶼；(2)內(nèi)蒙古、甘肅北部部；(3)黑龍江南部、吉林林東部。風能較佳區(qū)：(1)西藏高原中北部；；（2）三北北部；(3)東南沿海(離海岸線20-50kM)24252.2風力發(fā)電技術(shù)風電場26272.2風力發(fā)電技術(shù)28風力發(fā)電機組包括兩大部分：（1）風力機：將風能轉(zhuǎn)換為機機械能。有各種類類型，按容量分：：微型(<1kW)、小型(1-10kW)、中型(10-100kW)、大型(>100kW)。（2）發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換為為電能。10kW以下的，采用永磁磁式或自勵式交流流發(fā)電機，經(jīng)整流流后向負載供電及及向蓄電池充電；；l00kW以上的并網(wǎng)運行的的風力發(fā)電機組，，則應(yīng)用同步發(fā)電電機或異步發(fā)電機機。2.2風力發(fā)電技術(shù)29●水平軸風力發(fā)電機機組(600kW)基本結(jié)構(gòu)30風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電機組、監(jiān)監(jiān)測裝置、控制系系統(tǒng)、儲能裝置(1)獨立運行方式把風力發(fā)電機組輸輸出的電能經(jīng)蓄電電池蓄能，再供應(yīng)應(yīng)用戶使用，如需需要交流電，則要要加逆變器。（2）并網(wǎng)運行方式2.2風力發(fā)電技術(shù)31控制系統(tǒng)中、大型風力發(fā)電電機組皆配有由微微機或可編程控制制器(PLC)組成的控制系統(tǒng)，，來實現(xiàn)控制、監(jiān)監(jiān)測功能。①恒速桓頻方式：：即風力發(fā)電機組的的轉(zhuǎn)速不隨風速的的波動而變化，始始終維持恒轉(zhuǎn)速運運轉(zhuǎn)，從而輸出恒恒定額定頻率的交交流電。②變速恒頻方式：：即風力發(fā)電機組的的轉(zhuǎn)速隨風速的波波動作變速運行，，但仍輸出恒定頻頻率的交流電。這這種方式可提高風風能的利用率，但但必須增加實現(xiàn)恒恒頻輸出的電力電電子設(shè)備，同時還還應(yīng)解決由于變速速運行而在風力發(fā)發(fā)電機組文撐結(jié)構(gòu)構(gòu)上出現(xiàn)共振現(xiàn)象象等問題。2.2風力發(fā)電技術(shù)32●控制系統(tǒng)主要功能能①按預(yù)先設(shè)定的風風速值(一般為3—4m／s)自動啟動風力發(fā)電電機組，并通過軟軟啟動裝置將發(fā)電電機并人電網(wǎng)。②借助各種傳感器器自動檢測風力發(fā)發(fā)電機組的運行參參數(shù)及狀態(tài)。③當風速大于最大大運行速度(一般設(shè)定為25m／s)時實現(xiàn)自動停機。。④故障保護。⑤通過調(diào)制解調(diào)器器與電話線連接。。33世界風力發(fā)電現(xiàn)狀狀與展望●商業(yè)化機組的單機機容量從55kW-1650kW。世界最大的風力力發(fā)電機組：美國國GE公司的“超級風力力機”，單機功率率為7.3MW，風車直徑為112m.●運行可靠性和發(fā)電電成本接近常規(guī)火火電，裝機容量每每年以近30％的速度遞增?！竦聡?001年風電裝機容量873萬kW，按計劃，到2010年，風電電量將占占總發(fā)電量的12.5％；到2050年，將占到50％。●丹麥的風電電量2003年占全國總發(fā)電量量的18％，規(guī)劃到2030年，風電將占總發(fā)發(fā)電量的50％?！裰袊?005年底風電裝機容量量超過100萬kW。2.2風力發(fā)電技術(shù)342.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)太陽能利用主要有有兩個途徑：即光光熱技術(shù)和光電技技術(shù)。光電技術(shù)指的是光光伏發(fā)電，是根據(jù)據(jù)光生伏特效應(yīng)原原理，利用太陽能能電池將太陽光能能直接轉(zhuǎn)化為電能能。太陽能電池發(fā)電的的原理：半導(dǎo)體的的光電效應(yīng)，即一一些半導(dǎo)體材料受受到光照時，載流流子數(shù)量會劇增，，導(dǎo)電能力隨之增增強，即半導(dǎo)體光光敏特性。35太陽能光伏發(fā)電基基本原理以PN結(jié)為例，當晶片受受光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)36在PN結(jié)中形成電勢差，，這就形成了電源源。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)372.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)38光伏建筑一體化光伏與建筑一體化化（BIPV）提出了“建筑物物產(chǎn)生能源”的新新概念，即通過建建筑物，主要是屋屋頂和墻面與光伏伏發(fā)電集成起來，，使建筑物自身利利用綠色、環(huán)保的的太陽能資源生產(chǎn)產(chǎn)電力。BIPV系統(tǒng)可以劃分為光光伏屋頂結(jié)構(gòu)和光光伏墻結(jié)構(gòu)兩種形形式．2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)39光伏與建筑的結(jié)合合的兩種方式：（1）建筑與光伏系統(tǒng)統(tǒng)相結(jié)合：把封裝裝好的的光伏組件件安裝在居民住宅宅或建筑物的屋頂頂上，再與逆變器器、蓄電池、控制制器、負載等裝置置組成一個發(fā)電系系統(tǒng)。（2）建筑與光伏器件件相結(jié)合：將光伏伏器件與建筑材料料集成一體，用光光伏組件代替屋頂頂、窗戶和外墻，，形成光伏與建筑筑材料集成產(chǎn)品，，既可以當建材，，又能利用綠色太太陽能資源發(fā)電。。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)402.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)412.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)422.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)432.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)442.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)452.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)462.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)472.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)482.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)492.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種運行模式式:（1）獨立供電方式（2）并網(wǎng)供電方式：：光伏發(fā)電系統(tǒng)所所發(fā)出的直流電通通過逆變器變換為為交流電，與公共共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。50當今世界太陽能發(fā)發(fā)電有80%是并并網(wǎng)發(fā)電,光伏與與建筑一體化已經(jīng)經(jīng)占整個世界太陽陽能發(fā)電最大比例例。目前世界上最大的的太陽能屋頂光伏伏系統(tǒng)安裝在德國國慕尼黑貿(mào)易展覽覽中心。慕尼黑商商貿(mào)中心的6座大廈都裝光電屋屋頂，共有7812個無框架光電電板，每個光電板板共有84個單晶晶硅太陽能電池，，輸出功率為130W，光電板總和峰值值功率為1016kW，光電板占屋頂面積積58%。發(fā)出的的直流電經(jīng)過逆變變電器送至20000伏中壓電網(wǎng)。2.3太陽能光伏發(fā)電技技術(shù)51三、輸電新技術(shù)輸電技術(shù)的發(fā)展趨趨勢：高電壓、大大容量、遠距離目標：提高輸送能能力主要技術(shù)：特高壓壓輸電、高壓直流流輸電、柔性交流流輸電523.1特高壓輸電我國發(fā)展特高壓指指的是在現(xiàn)有500kV交流和±500kV直流之上采用更高高一級電壓等級輸輸電技術(shù)，包括1000kV級交流特高壓和±800kV直流特高壓兩部分，簡簡稱國家特高壓骨骨干電網(wǎng)。533.1特高壓輸電特高壓輸電技術(shù)的的優(yōu)點：（1）能滿足遠距離、、大容量輸電的需需要。交流特高壓壓輸電線路的送電電能力每回線可以以接近或超過4000MW；（2）適用于電網(wǎng)本本身容量較大，電電網(wǎng)間交換功率較較多的電網(wǎng)；（3）節(jié)省輸電走廊廊（4）減少輸電損耗耗（5）降低短路電流流（6）減少輸電瓶頸頸，適應(yīng)電力市場場開放（7）實現(xiàn)更大范圍圍的資源優(yōu)化配置置54500kV輸電線路55特高壓輸電的關(guān)鍵鍵問題（1）特高壓輸變電設(shè)設(shè)備的制造技術(shù)：：如變壓器、開關(guān)關(guān)設(shè)備、互感器等等（2）特高壓輸電系統(tǒng)統(tǒng)過電壓與絕緣配配合（3）安全穩(wěn)定控制（4）輸電線路對環(huán)境境影響（電磁輻射射）3.1特高壓輸電563.1特高壓輸電國外特高壓輸電發(fā)發(fā)展情況上世紀60年代開始，美國、、前蘇聯(lián)、意大利利、日本及巴西等等都先后制定了特特高壓輸電規(guī)劃和和開展試驗研究工工作；前蘇聯(lián)和日日本分別建設(shè)了交交流1000kV級輸變電工程（其其中前蘇聯(lián)為1150kV），目前均降壓500kV運行。國外特高壓技術(shù)發(fā)發(fā)展遲緩主要是由由于用電市場趨于于飽和，增長空間間有限，在已有的的交流輸電網(wǎng)上采采用FACTS技術(shù)可以滿足發(fā)展展需要。573.1特高壓輸電我國特高壓輸電發(fā)發(fā)展情況西北750kV輸變電工程:設(shè)備國產(chǎn)化已取得得較大突破，為1000kV級特高壓技術(shù)裝備備研發(fā)打下了良好好基礎(chǔ)。1000kV特高壓試驗示范工工程：特高壓輸電電線路全長約650公里，包括兩個特特高壓變電站和一一個開關(guān)站?！?00kV直流輸電工程：金金沙江一期工程包包括溪洛渡、向家家壩兩個梯級水電電站，總裝機容量量達1860萬千瓦。國家電網(wǎng)網(wǎng)公司經(jīng)反復(fù)論證證，推薦采用3回±800千伏級直流輸電方方案，其中送電華華中一回，送電華華東2回，每回輸送容量量640萬kW，線路總長度4820公里583.2高壓直流輸電（HVDC）直流輸電優(yōu)點和特特點(與交流輸電相比):①輸送容量大；②輸送功率的大小和和方向可以快速控控制和調(diào)節(jié)；③直流架空線路的走走廊寬度約為交流流線路的一半；④直流電纜線路沒有有交流電纜線路中中電容電流的困擾擾，沒有磁感應(yīng)損損耗和介質(zhì)損耗，，基本上只有芯線線電阻損耗，絕緣緣電壓相對較低；；⑤直流輸電工程的一一個極發(fā)生故障時時另一個極能繼續(xù)續(xù)運行；⑥能夠提高電力系統(tǒng)統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。。593.2高壓直流輸電（HVDC）高壓直流輸電的換換流技術(shù)ACACDCDC500kV500kV±500kV換流站I換流站II整流站逆逆變站603.2高壓直流輸電（HVDC）換流閥閥70年代前前：汞弧閥閥70年代前前之后后-現(xiàn)在：：晶閘管管（電電控、、光控控）HVDC中使用用的晶晶閘管管芯片片的最最高參參數(shù)：：直徑徑已達達到125mm，反向向非重重復(fù)電電壓大大于8kV，穩(wěn)態(tài)態(tài)直流流電流流能力力達4kA。61[例1]天廣500kV直流輸輸電工工程西西起貴貴州安安龍馬馬窩，，東至至廣州州北郊郊，總總投資資39.8億元。。規(guī)模模:±500kV、1.8kA、雙極極額定定容量量1800MW，線路路全長長980km，該線線共用用φ100mm、8kV、2.2kA晶閘管管3744只。[例2]三峽至至常州州±500kV直流輸輸電工工程全全長890km，額定定輸電電容量量3000MW。換流流閥為為空氣氣絕緣緣水冷冷戶內(nèi)內(nèi)懸掛掛式雙雙重閥閥,采用ф125mm、7.2kV、3kA晶閘管管，4300只。3.2高壓直直流輸輸電（（HVDC）62換流器器件今今后的的發(fā)展展進入90年代以以后，，絕緣緣柵極極晶閘閘管（（IGBT）首先先在工工業(yè)驅(qū)驅(qū)動裝裝置上上得到到廣泛泛的應(yīng)應(yīng)用，，1997年世界界上第第一個個采用用IGBT構(gòu)成電電壓源源換流流器的的直流流輸電電工業(yè)業(yè)性試試驗工工程，，在瑞瑞典中中部投投入運運行，，其輸輸送功功率和和電壓壓為3MW和10kV。由于這這種IGBT換流器器的功功能強強，體體積小小，可可以減減少換換流站站的濾濾波裝裝置，，省去去換流流變壓壓器，，簡化化換流流站結(jié)結(jié)構(gòu)，，而稱稱之為為輕型直直流輸輸電（（HVDCLight）。但IGBT損耗大大，不不利于于大型型直流流工程程的采采用。。今后集成門門極換換相晶晶閘管管（IGCT）和碳化化硅等等新型型半導(dǎo)導(dǎo)體器器件的的開發(fā)發(fā)，給給直流流輸電電技術(shù)術(shù)的發(fā)發(fā)展將將創(chuàng)造造更好好的條條件。。3.2高壓直直流輸輸電（（HVDC）633.2高壓直直流輸輸電（（HVDC）高壓直直流輸輸電在在我國國的發(fā)發(fā)展80年代建建成了了我國國自行行研制制的舟舟山直直流輸輸電工工程（（±100kV，100mw，55km）和代代表當當時世世界先先進水水平的的葛洲洲壩—上海（（簡稱稱葛上上）±500kV直流輸輸電工工程。。三常直直流輸輸電工工程于于2003年投入入運行行;三廣直直流工工程、、貴廣廣直流流工程程于2004年投運運。這這3項工程程的送送電容容量均均為300萬kw，送電電距離離均在在1000km左右。?！笆灰晃濉薄逼陂g間，還還將建建設(shè)幾幾個±500kV或±800kV的直流流輸電電工程程。643.3柔性交交流輸輸電系系統(tǒng)（（FACTS）什么是是柔性性交流流輸電電系統(tǒng)統(tǒng)？80年代中中期，，美國國電力力科學(xué)學(xué)研究究院（（EPRI）首次次提出出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：：應(yīng)用用大功功率、、高性性能的的電力力電子子元件件制成成可控控的有有功或或無功功電源源以及及電網(wǎng)網(wǎng)的一一次設(shè)設(shè)備等等，以以實現(xiàn)現(xiàn)對輸輸電系系統(tǒng)的的電壓壓、阻阻抗、、相位位角、、功率率、潮潮流等等的靈靈活控控制，，將原原基本本不可可控的的電網(wǎng)網(wǎng)變得得可以以全面面控制制。從從而大大大提提高電電力系系統(tǒng)的的高度度靈活活性和和安全全穩(wěn)定定性，，使得得現(xiàn)有有輸電電線路路的輸輸送能能力大大大提提高。。專家們們預(yù)計計這項項技術(shù)術(shù)將在在電力力輸送送和分分配方方面將將引起起重大大變革革，對對于充充分利利用現(xiàn)現(xiàn)有電