现代电力系统技术及其发展

1现代电力系统技术及其发展清华大学电机系电力系统研究所周双喜[e-mail]2005-10-17于山西大学工程学院2内容1现代电力系统是怎样的系统？2电力系统技术发展2（1）发电系统技术发展2（2）输电系统技术发展2（3）供电系统技术发展3目前两项关注的电力系统技术3(1)提高输电能力的综合技术3(2)电力系统稳定控制技术31现代电力系统是怎样的系统？大系统与小系统？大机组、大电厂、大电网、大电流、高电压/独立电力系统、分布式发电、微型电网（micro-grid)集中与分散？独立分散发电→集中发、输、配电/分布式发、配电静态与动态系统？发电和负荷连续、几乎瞬时平衡的要求，并受传输网络约束。始终处于动态平衡之中；潮流计算/小扰动稳定计算/大扰动稳定计算4现代电力系统是怎样的系统（续）线性与非线性系统？稳态，小扰动/暂态，大扰动;节点功率注入的潮流方程/节点电流注入的潮流方程强大与脆弱系统？强大的作功能力，互联系统强壮/电力系统脆弱的因素很多：☞自然灾害和气候条件☞大的电力系统元件故障☞控制和保护系统故障☞信息和通信系统故障☞人为的错误☞战争与恐怖袭击☞电力系统不稳定问题☞负荷对电力系统的反作用☞不合适/错误的系统模拟和估计☞竞争的电力市场环境中的脆弱性☞不能获得、综合和利用可靠的信息5现代电力系统是怎样的系统（续）电力系统是难以驾驭的大停电事故是不可避免的尽可能减少和缓解大停电事故6现代电力系统是怎样的系统（续）确定性与不确定性系统？电力系统计划和运行中不确定性(uncertainty)来源☞发电可用性；☞传输容量；☞负荷；☞配电系统；☞分布式发电；☞电力市场化运营；7现代电力系统是怎样的系统（续）√不确定的系统→近似为确定性的系统，用确定性数学方法研究√不确定的系统→用不确定性数学方法研究（概率统计、马尔可夫过程、蒙特卡洛方法、区间数学、风险评估等）8现代电力系统是怎样的系统（续）电用系统组成/电力系统信息化/数字电力系统？√物流系统：发、输、配、用√信息流系统：系统状态的传感、传输、处理、评价、应用√货币流（交易）系统：电能的生产成本、运行费用、电能特殊商品如何通过市场进行交易，电能如何定价，利益如何分配对电力系统信息化和数字电力系统的理解92（1）发电系统的发展电能的优点：其他形式的能量→电能→其他形式的能量发电系统电厂是实现将其它形式的能量转换为电能的工厂。一次能源的来源归为三类：太阳；地球内部；地球和其它天体的相互作用10火力发电发展趋势火电厂规模和数量不断扩大，效率不断提高，火电机组继续向高参数、大容量发展。超临界大功率机组是当前最为成熟的发电技术。超临界机组主蒸气35Mpa，600OC以上。日本橘湾电厂1050MW，机组热效率48％；循环流化床燃烧（CFBC）和增压流化床燃烧（PFBC）技术，燃烧效率＞99％，发电厂效率50％（燃气和蒸汽）联合循环发电迅速发展，净效率突破60％清洁煤燃烧，脱硫（NOX）技术11世界上平均单机容量发展趋势（分布→集中→分布）190020001000MWGraduallytoDGOriginatedfromDG12水力发电继续发展大型水电站继续增加，十分重视抽水蓄能电站建设两种水电开发方式：常规水电站和抽水蓄能电站近期水电建设特点：水电资源丰富的国家多在建设大型水电站，水电资源开发程度较高的国家在大力建设抽水蓄能电站（目前唯一能大量储存电能的方法）世界上1000MW以上常规水电站100多座。巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，装机12600MW；委内瑞拉的古里水电站，装机12300MW；中国二滩水电站3300MW（建成），三峡水电站，18200MW告，加上地下电站的6台机组，最终装机容量可达到2240万千瓦（已有13台机投入运行，2005完成投运14台）水电开发有利也有弊，建水电，利大于弊13核电稳步发展经济、清洁、大规模生产；核安全?担负基本负荷，1998年提供16％电力，减少8％温室气体排放趋势：有核电国家增多；核电站数量增多；核电大致平稳发展；目前全球大约有全球３２个国家建有核电站，全世界共有441座核电站，还有27座尚处于建设阶段2020年之前，全世界建设60座核电站。印度将建成10座大规模核电站，中国将建成6座。到2020年，核能发电占全球总发电量的份额将从16%扩大到17%。未来的第四代核反应堆体系能够生产“持续、经济、安全可靠、避免核扩散和能够抵御攻击的”电力（重庆，2006年开工）14四代反应堆第一代反应堆是20世纪50～70年代建造的原型堆：美国1957年60MW压水堆（希平港）；法国1956年天然铀石墨气冷堆（UNGG）和英国的石墨气冷堆（MAGNOX）。第二代反应堆是20世纪70年代到2000年投入运行的商业反应堆，有美国、欧洲、日本的压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）；俄罗斯的轻水堆（VVER）；东欧国家的压力管式沸水堆（RBMK），加拿大和印度的坎杜重水堆（CANDU）。其中PWR和BWR向着更简单、可靠和经济的方向发展。这两种反应堆目前占世界核电反应堆总数的85%。第三代反应堆发展的要求始于1979年美国三里岛核事故。主要目标是要提高反应堆的安全性，EPR的设计和改进是法德15年的研发成果。该反应堆具有安全性大幅提高；造价降低；长寿命废物量降低；竞争力提高。15四代反应堆第四代反应堆是2000年由美国能源部倡议，2001年成立了第四代反应堆国际论坛（GIF），参加方有：阿根廷、巴西、即拿大、法国、日本、韩国、南非、瑞士、英国和美国。国际合作内容：—持久性：从长远看有利于节省自然资源（铀）；废物量最少化；—经济竞争性：降低投资费用与运行费用；—安全和可靠性：能排除疏散核电厂外部人员的必要性；—加强防扩散和实体保护能力。2002年选择了最具前景的6种反应堆概念核系统。其中有2种高温气冷堆，2种液态金属（钠和铅合金）冷却堆，1种超临界水冷堆和1种熔盐反应堆。6种系统中有4种是快中子堆，5种采取的是闭合燃料循环，并对乏燃料中所含全部锕系元素进行整体再循环。16发电系统的发展（续）集中式发电厂自动化程度极大提高，普遍采用计算机控制，运行条件极大改善；生产效率有很大提高17新能源、新发电方式兴起，清洁、可再生能源发电受到高度重视考虑：环境压力能源危机经济分散的电力用户高技术的发展18新能源、新发电方式兴起，清洁、可再生能源发电受到高度重视（1）世界进入风力发电复兴时期，驶入了“快车道”大风电:实用化；产业化；规模化；大型化；商业化.并网运行小风电:不联网，偏远地区，全世界风电装机容量年均增长率是全球增长速度最快的能源之一，近五年的增长速度为35%~50%。2012年，超过110，000MW。2004年中国累计风电机组1292台，装机容量76.4万kW。共有43个风电场。分布在14个省（市、区）。与2003年累计装机56.7万kW相比，2004年累计装机增长率为34.7%。几个百万kW等级风电场已开始建设中国“乘风计划”，目标宏伟。19风能利用——从古到今20新能源、新发电方式兴起，清洁、可再生能源发电受到高度重视（续）（2）太阳能发电系统多姿多彩，各国竞相制订太阳热、太阳光能源利用计划“阳光屋顶计划”、“太阳能家庭供电系统”、“环保型住宅”；“百万屋顶计划”；农村住宅光电池供电；90年代太阳能发电年增长率达17％；研发了各种太阳能光伏电池（PV）：单晶硅多晶硅（较贵）；非晶硅薄膜（老化问题）；染料纳米半导体（工艺问题）；燃料感应太阳能电池，外形就像一张纸，有A4纸一半那么大。这种电池每平方厘米面积可产生4．8毫瓦电力（韩国）21太阳光伏电池阵列22燃料电池(FuelCell-FC）√燃料电池是一种将化学能转化成电能的新型能源生产方式，它利用氢和氧两种元素相互作用产生电流。效率可达60％√氧气可以直接从空气中提取，氢气要从酒精、汽油、天然气或其它炭氢化合物中提取。“不挑食”23（4）微燃气轮机发电（smallgasfiredmicro-turbines)功率范围在25kW－75kW转速96000/min；燃料：天然气、甲烷、汽油、柴油；工作温度5000C；发电效率30%，热电联产效率达75%不同于调峰用燃气轮机发电，可以组成电、热、冷联合循环系统24新能源、新发电方式兴起，清洁、可再生能源发电受到高度重视（续）（5）其他发电技术生物质能（沼气、垃圾、秸秆）、小水电、余热电厂、热电联供（集中供热汽、水）、地热电站、太空电站、大气发电上述这些新发电方式，全世界目前占发电总量的2％，商用价值有限；2010年占10％；前景远大；25主要分布式发电特性比较262（2）输电系统技术的发展对输电系统的要求传输功率大；保持系统稳定（同步角度稳定/电压合格稳定/频率合格稳定）；损耗（能量、电压）小、输电走廊小；环境友好输电网络的无源特性，只有少量“控制阀门”或“升压泵”来调节各线路上电的流动。电力按物理定律（节点电流和回路电压的基尔霍夫定律）而不是按拥有者或合同权限流动。控制作用基本上限于调节发电输出以满足负荷需要或开合开关以重构网络27输电线路三个基本关系式（1）元件上的电压降落（2）元件上功率损耗P，Q，U必须用同一侧量。（3）线路传输功率（功角、电压稳定）θ为U1、U2之间角度XUUUQcos212112XUQPQRUQPP2222222222112UXQRPUUU282（2）输电系统技术的发展（续）输电系统技术发展√提高交流输电能力的综合技术：超高压、特高压输电；紧凑型输电；柔性输电技术；多相输电；分频输电√HVDC和VSC-HVDC(HVDCLight)电力电子技术用于输电系统，增强了网络的可控性（柔性）292（3）供、配电系统的发展城镇化→城网规划、建设的机遇大都市负荷密度高，高压配电，220进城，20kV代替10kV；供电可靠性和电能质量要求越来越高(99.9%↗99.99%)配电网结构从辐射网→环网(环网建设，开环运行，自动投切）降低网损完善的配电自动化系统分布式电源接入配电网，相互影响30具有分布式发电的配电系统313（1）提高输电线路传输能力的技术（1）特高压输电（1000KVAC）（2）超高压直流输电（800KVDC）（3）柔性输电技术（4）HVDCT和VSC-HVDC（5）大截面导线（6）其它输电技术32(1)特高压输电特高压输电技术是指在500kV以及750kV交流和±500kV直流之上高一级电压等级的输电技术，包括交流（1000kV及其以上）和直流（±800kV及其以上）美国邦维尔电力局（BPA）有1200kV2.2km三相电气试验线路；前苏联建成2条1150kV输电线，至今500kV降压运行；日本第1条1000kV输电线路，南北走向，降压500kV运行至今；在交流输电系统中，线路输送能力正比于电压的平方；在电压等级提高后，单位宽度走廊的自然功率也显著提高，并且还能改善电力系统并联运行的稳定性。33额定电压与输电距离和传输功率提高输电容量和距离34(1)特高压输电（续）节省输电走廊，节省占地限制系统短路电流（开断电流50～63kA）35(1)特高压输电（续）经济性36(1)特高压输电（续）特高压输电的技术难度大，在设备制造、材料选取、系统运行等方面都要进行深入的研究。与电力系统有关的关键技术：过电压限制与绝缘配合；输电线路和变电所的过电压控制；二次潜供电流的熄弧问题；输电线路的导线结构；无功平衡（特高压线路的充电功率约为同长度500kV线路的5倍）；特高压输电对环境的影响还要通过长期的观察才能得到充分论证37(2)紧凑型输电方式从交流输电原理出发，采用增加导线分裂数与分裂距离，减小相间距离，优化导线排列，充分利用导线表面积，大辐度提高线路自然功率的输电技术。38紧凑型输电特点是相间距离明显缩小，增大了电容，减小了电感，从而减小了线路的波阻抗