電力系統(tǒng)新技術課程課件

電力系統(tǒng)新技術

TheNEWTechnologyofPowerSystem

1內容簡介

我國電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展發(fā)電新技術：核電、風電、太陽能光伏發(fā)電輸電新技術（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、能量和信息

---現(xiàn)代工業(yè)社會建立在物質和能量的基礎之上，能量流、物質流、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，結果電廠全部發(fā)生跳閘。在短短9秒鐘之內，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?、明兩年不缺電”

61.2“十一五”我國電力建設我國電力工業(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)技術升級；（3）建立開放的電力市場。電源建設：到達2010年，裝機容量達到7.86億千瓦。電網(wǎng)建設：（1）建設交流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)的建設改造。（投資：1.2萬億元）7二、發(fā)電新技術發(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。●水電：水輪機-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：核反應堆堆類型分為重水堆和輕輕水堆。輕水堆堆又分為壓水堆堆和沸水堆。重水堆是利用天天然鈾作燃料，，用重水做慢化化劑和冷卻劑。。燃料成本低，，但重水十分昂昂貴。重水堆核核電站可以實現(xiàn)現(xiàn)不停堆換燃料料（與壓水堆核核電站相比，重重水堆核電站可可以實現(xiàn)不停堆堆換料（壓水堆堆每年一次停堆堆換料，一般需需要60天）。重水：由1個重氫（氘，含含有一個質子和和一個中子）和和1個氧原子組成的的化合物。11●2.1核電:核電站給水泵核電火力發(fā)電122.1核電—反應堆類型: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: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●反應堆壓水容器器斷面圖沸水堆（BWR）壓水堆（PWR）控制棒15●核電站反應堆運運行中心控制室室161718192021222.2風力發(fā)電技術風的產(chǎn)生:風是地球外表大大氣層由于太陽陽的熱輻射而引引起的空氣流動動；大氣壓差是是風產(chǎn)生的根本本原因。風速與風級：：風速就是空氣氣在單位時間間內移動的距距離，國際上上的單位是米米／秒(m/s),分13級232.2風力發(fā)電技術術風力資源：在在中國，風能能資源主要分分布在新疆、、內蒙古等北北部地區(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、山山東半島、遼遼東半島以及及海上島嶼；；(2)內蒙古、甘肅肅北部；(3)黑龍江南部、、吉林東部。。風能較佳區(qū)：：(1)西藏高原中北北部；（2）三北北部；；(3)東南沿海(離海岸線20-50kM)24252.2風力發(fā)電技術術風電場26272.2風力發(fā)電技術術28風力發(fā)電機組組包括兩大部分分：（1）風力機：將風能轉換換為機械能。。有各種類型型，按容量分分：微型(<1kW)、小型(1-10kW)、中型(10-100kW)、大型(>100kW)。（2）發(fā)電機：將機械能轉轉換為電能。。10kW以下的，采用用永磁式或自自勵式交流發(fā)發(fā)電機，經(jīng)整整流后向負載載供電及向蓄蓄電池充電；；l00kW以上的并網(wǎng)運運行的風力發(fā)發(fā)電機組，則則應用同步發(fā)發(fā)電機或異步步發(fā)電機。2.2風力發(fā)電技術術29●水平軸風力發(fā)發(fā)電機組(600kW)基本結構30風力發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)風力發(fā)電機組組、監(jiān)測裝置置、控制系統(tǒng)統(tǒng)、儲能裝置置(1)獨立運行方式式把風力發(fā)電機機組輸出的電電能經(jīng)蓄電池池蓄能，再供供應用戶使用用，如需要交交流電，則要要加逆變器。。（2）并網(wǎng)運行方方式2.2風力發(fā)電技術術31控制系統(tǒng)中、大型風力力發(fā)電機組皆皆配有由微機機或可編程控控制器(PLC)組成的控制系系統(tǒng)，來實現(xiàn)現(xiàn)控制、監(jiān)測測功能。①恒速桓頻方方式：即風力發(fā)電機機組的轉速不不隨風速的波波動而變化，，始終維持恒恒轉速運轉，，從而輸出恒恒定額定頻率率的交流電。。②變速恒頻方方式：即風力發(fā)電機機組的轉速隨隨風速的波動動作變速運行行，但仍輸出出恒定頻率的的交流電。這這種方式可提提高風能的利利用率，但必必須增加實現(xiàn)現(xiàn)恒頻輸出的的電力電子設設備，同時還還應解決由于于變速運行而而在風力發(fā)電電機組文撐結結構上出現(xiàn)共共振現(xiàn)象等問問題。2.2風力發(fā)電技術術32●控制系統(tǒng)主要要功能①按預先設定定的風速值(一般為3—4m／s)自動啟動風力力發(fā)電機組，，并通過軟啟啟動裝置將發(fā)發(fā)電機并人電電網(wǎng)。②借助各種傳傳感器自動檢檢測風力發(fā)電電機組的運行行參數(shù)及狀態(tài)態(tài)。③當風速大于于最大運行速速度(一般設定為25m／s)時實現(xiàn)自動停停機。④故障保護。。⑤通過調制解解調器與電話話線連接。33世界風力發(fā)電電現(xiàn)狀與展望望●商業(yè)化機組的的單機容量從從55kW-1650kW。世界最大的的風力發(fā)電機機組：美國GE公司的“超級級風力機”，，單機功率為為7.3MW，風車直徑為為112m.●運行可靠性和和發(fā)電成本接接近常規(guī)火電電，裝機容量量每年以近30％的速度遞增增。●德國到2001年風電裝機容容量873萬kW，按計劃，到到2010年，風電電量量將占總發(fā)電電量的12.5％；到2050年，將占到50％?！竦湹娘L電電電量2003年占全國總發(fā)發(fā)電量的18％，規(guī)劃到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)電技術術342.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術太陽能利用主主要有兩個途途徑：即光熱熱技術和光電電技術。光電技術指的的是光伏發(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結為例，當晶晶片受光后，，PN結中，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36在PN結中形成電勢勢差，這就形形成了電源。。2.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術372.3太陽能光伏發(fā)發(fā)電技術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構和光光伏墻結構兩種形形式．2.3太陽能光伏發(fā)電技技術39光伏與建筑的結合合的兩種方式：（1）建筑與光伏系統(tǒng)統(tǒng)相結合：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402.3太陽能光伏發(fā)電技技術412.3太陽能光伏發(fā)電技技術422.3太陽能光伏發(fā)電技技術432.3太陽能光伏發(fā)電技技術442.3太陽能光伏發(fā)電技技術452.3太陽能光伏發(fā)電技技術462.3太陽能光伏發(fā)電技技術472.3太陽能光伏發(fā)電技技術482.3太陽能光伏發(fā)電技技術492.3太陽能光伏發(fā)電技技術太陽能光伏發(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易展覽覽中心。慕尼黑商商貿中心的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51三、輸電新技術輸電技術的發(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：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)展特高壓壓指的是在現(xiàn)有有500kV交流和±500kV直流之上采用更更高一級電壓等等級輸電技術，，包括1000kV級交流特高壓和±800kV直流特高壓兩部分，，簡稱國家特高高壓骨干電網(wǎng)。。533.1特高壓輸電特高壓輸電技術術的優(yōu)點：（1）能滿足遠距離離、大容量輸電電的需要。交流流特高壓輸電線線路的送電能力力每回線可以接接近或超過4000MW；（2）適用于電網(wǎng)網(wǎng)本身容量較大大，電網(wǎng)間交換換功率較多的電電網(wǎng)；（3）節(jié)省輸電走走廊（4）減少輸電損損耗（5）降低短路電電流（6）減少輸電瓶瓶頸，適應電力力市場開放（7）實現(xiàn)更大范范圍的資源優(yōu)化化配置54500kV輸電線路55特高壓輸電的關關鍵問題（1）特高壓輸變電電設備的制造技技術：如變壓器器、開關設備、、互感器等（2）特高壓輸電系系統(tǒng)過電壓與絕絕緣配合（3）安全穩(wěn)定控制制（4）輸電線路對環(huán)環(huán)境影響（電磁磁輻射）3.1特高壓輸電563.1特高壓輸電國外特高壓輸電電發(fā)展情況上世紀60年代開始，美國國、前蘇聯(lián)、意意大利、日本及及巴西等都先后后制定了特高壓壓輸電規(guī)劃和開開展試驗研究工工作；前蘇聯(lián)和和日本分別建設設了交流1000kV級輸變電工程（（其中前蘇聯(lián)為為1150kV），目前均降壓壓500kV運行。國外特高壓技術術發(fā)展遲緩主要要是由于用電市市場趨于飽和，，增長空間有限限，在已有的交交流輸電網(wǎng)上采采用FACTS技術可以滿足發(fā)發(fā)展需要。573.1特高壓輸電我國特高壓輸電電發(fā)展情況西北750kV輸變電工程:設備國產(chǎn)化已取取得較大突破，，為1000kV級特高壓技術裝裝備研發(fā)打下了了良好基礎。1000kV特高壓試驗示范范工程：特高壓壓輸電線路全長長約650公里，包括兩個個特高壓變電站站和一個開關站站?！?00kV直流輸電工程：：金沙江一期工工程包括溪洛渡渡、向家壩兩個個梯級水電站，，總裝機容量達達1860萬千瓦。國家電電網(wǎng)公司經(jīng)反復復論證，推薦采采用3回±800千伏級直流輸電電方案，其中送送電華中一回，，送電華東2回，每回輸送容容量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)點和和特點(與交流輸電相比比):①輸送容量大；②輸送功率的大小小和方向可以快快速控制和調節(jié)節(jié)；③直流架空線路的的走廊寬度約為為交流線路的一一半；④直流電纜線路沒沒有交流電纜線線路中電容電流流的困擾，沒有有磁感應損耗和和介質損耗，基基本上只有芯線線電阻損耗，絕絕緣電壓相對較較低；⑤直流輸電工程的的一個極發(fā)生故故障時另一個極極能繼續(xù)運行；；⑥能夠提高電力系系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水水平。593.2高壓直流輸電（（HVDC）高壓直流輸電的的換流技術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70年代前：汞弧閥70年代前之后-現(xiàn)在：晶閘管（電控、、光控）HVDC中使用的晶閘管管芯片的最高參參數(shù)：直徑已達達到125mm，反向非重復電電壓大于8kV，穩(wěn)態(tài)直流電流流能力達4kA。61[例1]天廣500kV直流輸電工程西西起貴州安龍馬馬窩，東至廣州州北郊，總投資資39.8億元。規(guī)模:±500kV、1.8kA、雙極額定容量量1800MW，線路全長980km，該線共用φ100mm、8kV、2.2kA晶閘管3744只。[例2]三峽至常州±500kV直流輸電工程全全長890km，額定輸電容量量3000MW。換流閥為空氣氣絕緣水冷戶內內懸掛式雙重閥閥,采用ф125mm、7.2kV、3kA晶閘管，4300只。3.2高壓直流輸電（（HVDC）62換流器件今后的的發(fā)展進入90年代以后，絕緣緣柵極晶閘管（（IGBT）首先在工業(yè)驅驅動裝置上得到到廣泛的應用，，1997年世界上第一個個采用IGBT構成電壓源換流流器的直流輸電電工業(yè)性試驗工工程，在瑞典中中部投入運行，，其輸送功率和和電壓為3MW和10kV。由于這種IGBT換流器的功能強強，體積小，可可以減少換流站站的濾波裝置，，省去換流變壓壓器，簡化換流流站結構，而稱稱之為輕型直流輸電（（HVDCLight）。但IGBT損耗大，不利于于大型直流工程程的采用。今后集成門極換相晶晶閘管（IGCT）和碳化硅等新型型半導體器件的的開發(fā)，給直流流輸電技術的發(fā)發(fā)展將創(chuàng)造更好好的條件。3.2高壓直流輸電（（HVDC）633.2高壓直流輸電（（HVDC）高壓直流輸電在在我國的發(fā)展80年代建成了我國國自行研制的舟舟山直流輸電工工程（±100kV，100mw，55km）和代表當時世世界先進水平的的葛洲壩—上海（簡稱葛上上）±500kV直流輸電工程。。三常直流輸電工工程于2003年投入運行;三廣直流工程、、貴廣直流工程程于2004年投運。這3項工程的送電容容量均為300萬kw，送電距離均在在1000km左右?！笆晃濉逼陂g間，還將建設幾幾個±500kV或±800kV的直流輸電工程程。643.3柔性交流輸電系系統(tǒng)（FACTS）什么是柔性交流流輸電系統(tǒng)？80年代中期，美國國電力科學研究究院（EPRI）首次提出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：應用大功功率、高性能的的電力電子元件件制成可控的有有功或無功電源源以及電網(wǎng)的一一次設備等，以以實現(xiàn)對輸電系系統(tǒng)的電壓、阻阻抗、相位角、、功率、潮流等等的靈活控制，，將原基本不可可控的電網(wǎng)變得得可以全面控制制。從而大大提提高電力系統(tǒng)的的高度靈活性和和安全穩(wěn)定性，，使得現(xiàn)有輸電電線路的輸送能能力大大提高。。