电力系统新技术课程课件

电力系统新技术

TheNEWTechnologyofPowerSystem

1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2一、我国电力系统的现状与发展电力系统示意图3

●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。

4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51.1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１／６到１／１０。“今、明两年不缺电”

61.2“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）7二、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8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kW92.1核电:核燃料天然铀低浓缩铀U-238U-238U-235U-235102.1核电：：核反反应堆堆类型型分为重重水堆堆和轻轻水堆堆。轻轻水堆堆又分分为压压水堆堆和沸沸水堆堆。重水堆堆是利利用天天然铀铀作燃燃料，，用重重水做做慢化化剂和和冷却却剂。。燃料料成本本低，，但重重水十十分昂昂贵。。重水水堆核核电站站可以以实现现不停停堆换换燃料料（与与压水水堆核核电站站相比比，重重水堆堆核电电站可可以实实现不不停堆堆换料料（压压水堆堆每年年一次次停堆堆换料料，一一般需需要60天）。。重水：：由1个重氢氢（氘氘，含含有一一个质质子和和一个个中子子）和和1个氧原子组组成的化合合物。11●2.1核电:核电站给水泵核电火力发电122.1核电—反应堆类型型:沸水堆汽轮机循环水泵给水泵反应堆安全壳控制棒132.1核电—反应堆类型型:压水堆反应堆安全壳控制棒反应堆压力容器汽轮机给水泵循环水泵14●反应堆压水水容器断面面图沸水堆（BWR）压水堆（PWR）控制棒15●核电站反应应堆运行中中心控制室室161718192021222.2风力发电技技术风的产生:风是地球外外表大气层层由于太阳阳的热辐射射而引起的的空气流动动；大气压压差是风产产生的根本本原因。风速与风级级：风速就是空空气在单位位时间内移移动的距离离，国际上上的单位是是米／秒(m/s),分13级232.2风力发电技技术风力资源：：在中国，，风能资源源主要分布布在新疆、、内蒙古等等北部地区区和东部至至南部沿海海地带及岛岛屿。风能最佳区区：(1)东南沿海、、山东半岛岛、辽东半半岛以及海海上岛屿；；(2)内蒙古、甘甘肃北部；；(3)黑龙江南部部、吉林东东部。风能较佳区区：(1)西藏高原中中北部；（（2）三北北部部；(3)东南沿海(离海岸线20-50kM)24252.2风力发电技技术风电场26272.2风力发电技技术28风力发电机机组包括两大部部分：（1）风力机：将风能转转换为机械械能。有各各种类型，，按容量分分：微型(<1kW)、小型(1-10kW)、中型(10-100kW)、大型(>100kW)。（2）发电机：将机械能能转换为电电能。10kW以下的，采采用永磁式式或自励式式交流发电电机，经整整流后向负负载供电及及向蓄电池池充电；l00kW以上的并网网运行的风风力发电机机组，则应应用同步发发电机或异异步发电机机。2.2风力发电技技术29●水平轴风力力发电机组组(600kW)基本结构30风力发电系系统风力发电机机组、监测测装置、控控制系统、、储能装置置(1)独立运行方方式把风力发电电机组输出出的电能经经蓄电池蓄蓄能，再供供应用户使使用，如需需要交流电电，则要加加逆变器。。（2）并网运行行方式2.2风力发电技技术31控制系统中、大型风风力发电机机组皆配有有由微机或或可编程控控制器(PLC)组成的控制制系统，来来实现控制制、监测功功能。①恒速桓频频方式：即风力发电电机组的转转速不随风风速的波动动而变化，，始终维持持恒转速运运转，从而而输出恒定定额定频率率的交流电电。②变速恒频频方式：即风力发电电机组的转转速随风速速的波动作作变速运行行，但仍输输出恒定频频率的交流流电。这种种方式可提提高风能的的利用率，，但必须增增加实现恒恒频输出的的电力电子子设备，同同时还应解解决由于变变速运行而而在风力发发电机组文文撑结构上上出现共振振现象等问问题。2.2风力发电技技术32●控制系统主主要功能①按预先设设定的风速速值(一般为3—4m／s)自动启动风风力发电机机组，并通通过软启动动装置将发发电机并人人电网。②借助各种种传感器自自动检测风风力发电机机组的运行行参数及状状态。③当风速大大于最大运运行速度(一般设定为为25m／s)时实现自动动停机。④故障保护护。⑤通过调制制解调器与与电话线连连接。33世界风力发发电现状与与展望●商业化机组组的单机容容量从55kW-1650kW。世界最大大的风力发发电机组：：美国GE公司的“超超级风力机机”，单机机功率为7.3MW，风车直径径为112m.●运行可靠性性和发电成成本接近常常规火电，，装机容量量每年以近近30％的速度递递增。●德国国到到2001年风风电电装装机机容容量量873万kW，按按计计划划，，到到2010年，，风风电电电电量量将将占占总总发发电电量量的的12.5％；；到到2050年，，将将占占到到50％。。●丹麦麦的的风风电电电电量量2003年占占全全国国总总发发电电量量的的18％，，规规划划到到2030年，风电将占占总发电量的的50％。●中国到2005年底风电装机机容量超过100万kW。2.2风力发电技术术342.3太阳能光伏发发电技术太阳能利用主主要有两个途途径：即光热热技术和光电电技术。光电技术指的的是光伏发电电，是根据光光生伏特效应应原理，利用用太阳能电池池将太阳光能能直接转化为为电能。太阳能电池发发电的原理：：半导体的光光电效应，即即一些半导体体材料受到光光照时，载流流子数量会剧剧增，导电能能力随之增强强，即半导体体光敏特性。。35太阳能光伏发发电基本原理理以PN结为例，当晶晶片受光后，，PN结中，N型半导体的空空穴往P型区移动，而而P型区中的电子子往N型区移动，从从而形成从N区到P区的电流。2.3太阳能光伏发发电技术36在PN结中形成电势势差，这就形形成了电源。。2.3太阳能光伏发发电技术372.3太阳能光伏发发电技术38光伏建筑一体体化光伏与建筑一一体化（BIPV）提出了“建建筑物产生能能源”的新概概念，即通过过建筑物，主主要是屋顶和和墙面与光伏伏发电集成起起来，使建筑筑物自身利用用绿色、环保保的太阳能资资源生产电力力。BIPV系统可以划分分为光伏屋顶顶结构和光伏伏墙结构两种种形式．2.3太阳能光伏发发电技术39光伏与建筑的的结合的两种种方式：（1）建筑与光伏伏系统相结合合：把封装好好的的光伏组组件安装在居居民住宅或建建筑物的屋顶顶上，再与逆逆变器、蓄电电池、控制器器、负载等装装置组成一个个发电系统。。（2）建筑与光伏伏器件相结合合：将光伏器器件与建筑材材料集成一体体，用光伏组组件代替屋顶顶、窗户和外外墙，形成光光伏与建筑材材料集成产品品，既可以当当建材，又能能利用绿色太太阳能资源发发电。2.3太阳能光伏发发电技术402.3太阳能光伏发发电技术412.3太阳能光伏发发电技术422.3太阳能光伏发发电技术432.3太阳能光伏发发电技术442.3太阳能光伏发发电技术452.3太阳能光伏发发电技术462.3太阳能光伏发发电技术472.3太阳能光伏发发电技术482.3太阳能光伏发发电技术492.3太阳能光伏发发电技术太阳能光伏发发电系统两种运行行模式:（1）独立供电方方式（2）并网供电方方式：光伏发发电系统所发发出的直流电电通过逆变器器变换为交流流电，与公共共电网联网。。50当今世界太阳阳能发电有80%是并网网发电,光伏伏与建筑一体体化已经占整整个世界太阳阳能发电最大大比例。目前世世界上上最大大的太太阳能能屋顶顶光伏伏系统统安装装在德德国慕慕尼黑黑贸易易展览览中心心。慕慕尼黑黑商贸贸中心心的6座大厦厦都装装光电电屋顶顶，共共有7812个个无框框架光光电板板，每每个光光电板板共有有84个单单晶硅硅太阳阳能电电池，，输出出功率率为130W，光电电板总总和峰峰值功功率为为1016kW，，光电板板占屋屋顶面面积58%。发发出的的直流流电经经过逆逆变电电器送送至20000伏中压压电网网。2.3太阳能能光伏伏发电电技术术51三、输输电新新技术术输电技技术的的发展展趋势势：高高电压压、大大容量量、远远距离离目标：：提高高输送送能力力主要技技术：：特高高压输输电、、高压压直流流输电电、柔柔性交交流输输电523.1特高压压输电电我国发发展特特高压压指的的是在在现有有500kV交流和和±500kV直流之之上采采用更更高一一级电电压等等级输输电技技术，，包括括1000kV级交流流特高压压和±800kV直流特高压压两部部分，，简称称国家家特高高压骨骨干电电网。。533.1特高压压输电电特高压压输电电技术术的优优点：：（1）能满满足远远距离离、大大容量量输电电的需需要。。交流流特高高压输输电线线路的的送电电能力力每回回线可可以接接近或或超过过4000MW；（2）适适用于于电网网本身身容量量较大大，电电网间间交换换功率率较多多的电电网；；（3）节节省输输电走走廊（4）减减少输输电损损耗（5）降降低短短路电电流（6）减减少输输电瓶瓶颈，，适应应电力力市场场开放放（7）实实现更更大范范围的的资源源优化化配置置54500kV输电线线路55特高压压输电电的关关键问问题（1）特高高压输输变电电设备备的制制造技技术：：如变变压器器、开开关设设备、、互感感器等等（2）特高高压输输电系系统过过电压压与绝绝缘配配合（3）安全全稳定定控制制（4）输电电线路路对环环境影影响（（电磁磁辐射射）3.1特高压压输电电563.1特高压压输电电国外特特高压压输电电发展展情况况上世纪纪60年代开开始，，美国国、前前苏联联、意意大利利、日日本及及巴西西等都都先后后制定定了特特高压压输电电规划划和开开展试试验研研究工工作；；前苏苏联和和日本本分别别建设设了交交流1000kV级输变变电工工程（（其中中前苏苏联为为1150kV），目目前均均降压压500kV运行。。国外特特高压压技术术发展展迟缓缓主要要是由由于用用电市市场趋趋于饱饱和，，增长长空间间有限限，在在已有有的交交流输输电网网上采采用FACTS技术可可以满满足发发展需需要。。573.1特高压压输电电我国特特高压压输电电发展展情况况西北750kV输变电电工程程:设备国国产化化已取取得较较大突突破，，为1000kV级特高高压技技术装装备研研发打打下了了良好好基础础。1000kV特高压压试验验示范范工程程：特特高压压输电电线路路全长长约650公里，，包括括两个个特高高压变变电站站和一一个开开关站站。±800kV直流流输输电电工工程程：：金金沙沙江江一一期期工工程程包包括括溪溪洛洛渡渡、、向向家家坝坝两两个个梯梯级级水水电电站站，，总总装装机机容容量量达达1860万千瓦。。国家电电网公司司经反复复论证，，推荐采采用3回±800千伏级直直流输电电方案，，其中送送电华中中一回，，送电华华东2回，每回回输送容容量640万kW，线路总总长度4820公里583.2高压直流流输电（（HVDC）直流输电电优点和和特点(与交流输输电相比比):①输送容量量大；②输送功率率的大小小和方向向可以快快速控制制和调节节；③直流架空空线路的的走廊宽宽度约为为交流线线路的一一半；④直流电缆缆线路没没有交流流电缆线线路中电电容电流流的困扰扰，没有有磁感应应损耗和和介质损损耗，基基本上只只有芯线线电阻损损耗，绝绝缘电压压相对较较低；⑤直流输电电工程的的一个极极发生故故障时另另一个极极能继续续运行；；⑥能够提高高电力系系统暂态态稳定水水平。593.2高压直流流输电（（HVDC）高压直流流输电的的换流技技术ACACDCDC500kV500kV±500kV换流站I换流站II整流站逆逆变站603.2高压直流输输电（HVDC）换流阀70年代前：汞弧阀70年代前之后后-现在：晶闸管（电电控、光控控）HVDC中使用的晶晶闸管芯片片的最高参参数：直径径已达到125mm，反向非重重复电压大大于8kV，稳态直流流电流能力力达4kA。61[例1]天广500kV直流输电工工程西起贵贵州安龙马马窝，东至至广州北郊郊，总投资资39.8亿元。规模模:±500kV、1.8kA、双极额定定容量1800MW，线路全长长980km，该线共用用φ100mm、8kV、2.2kA晶闸管3744只。[例2]三峡至常州州±500kV直流输电工工程全长890km，额定输电电容量3000MW。换流阀为为空气绝缘缘水冷户内内悬挂式双双重阀,采用ф125mm、7.2kV、3kA晶闸管，4300只。3.2高压直流输输电（HVDC）62换流器件今今后的发展展进入90年代以后，，绝缘栅极极晶闸管（（IGBT）首先在工工业驱动装装置上得到到广泛的应应用，1997年世界上第第一个采用用IGBT构成电压源源换流器的的直流输电电工业性试试验工程，，在瑞典中中部投入运运行，其输输送功率和和电压为3MW和10kV。由于这种IGBT换流器的功功能强，体体积小，可可以减少换换流站的滤滤波装置，，省去换流流变压器，，简化换流流站结构，，而称之为为轻型直流输输电（HVDCLight）。但IGBT损耗大，不不利于大型型直流工程程的采用。。今后集成门极换换相晶闸管管（IGCT）和碳化硅等等新型半导导体器件的的开发，给给直流输电电技术的发发展将创造造更好的条条件。3.2高压直流输输电（HVDC）633.2高压直流输输电（HVDC）高压直流输输电在我国国的发展80年代建成了了我国自行行研制的舟舟山直流输输电工程（（±100kV，100mw，55km）和代表当当时世界先先进水平的的葛洲坝—上海（简称称葛上）±500kV直流输电工工程。三常直流输输电工程于于2003年投入运行行;三广直流工工程、贵广广直流工程程于2004年投运。这这3项工程的送送电容量均均为300万kw，送电距离离均在1000km左右。“十一五””期间，还还将建设几几个±500kV或±800kV的直流输电电工程。643.3柔性交流输输电系统（（FACTS）什么是柔性性交流输电电系统？80年代中期，，美国电力力科学研究究院（EPRI）首次提出出FACTS（FlexibleACTransmissionSystems）概念：应用用大功率、、高性能的的电力电子子元件制成成可控的有有功或无功功电源以及及电网的一一次设备等等，以实现现对输电系系统的电压压、阻抗、、相位角、、功率、潮潮流等的灵灵活控制，，将原基本本