1、 l、电力新技术的社会需求l二、高效洁净的燃煤发电技术l三、输电技术进展l四、新型紧凑化电气设备l五、分布式发电装置l六、现代配电系统l20世纪工程技术的划时代成就之一就是电的日益广泛应用。电力已成为生产发展和社会变革最重要的技术基础。电力技术的不断进步，迅速改变着社会的面貌，对人们的生产方式和生活方式产生着重大影响，电气化的程度已成为现代化最显著的标志。因此，在美国国家工程院评选出的20项20世纪最伟大的工程技术成就中，电气化名列榜首。在我国类似的评选中，电气化也名列前茅。l在步入新世纪的时候，人类面临的重大挑战是实现可持续发展，而在可持续发展的条件下满足日益增长的能源和电力需求则是世界各国
2、面临的最紧迫任务之一。我国由于人均拥有的一次能源极其有限、能源强度高、油气资源短缺、能源利用引起的环境污染严重，要在提供充足可靠的能源和电力供应的同时减少环境污染，难度比其他国家大得多。根据预测，到2050年，我国国内一次能源年生产能力约为30亿吨标准煤，人均仅有两吨标准煤左右，人均能耗仅能达到目前全世界的平均水平。l如果大力发展洁净煤、核电、水电、可再生能源和开发油气资源的计划不能如期实现，我国将面临严重的能源短缺，大量进口能源将不可避免，环境状况也将更加恶化。为应对这一严峻挑战的战略有：强化节能战略的实施，强化洁净煤发电技术的应用，加快发展水电、核电和其他可再生能源发电。可以看出，实施这些
3、发展战略都意味着必须加逮我国电气化的进程，提高电力在终端能源中的比例，尽可能把一汰能源清沽高效地转换为电能使用。为此目的，必须在电能的生产、传输、储存、分配和使用的各个环节使用新技术。这一重大社会需求决定了未来电力技术的发展方向。l过去，电力技术主要属于传统技术的范畴。近年来，电力技术的发展日益显现出高技术与传统技术交叉、融合的趋势。高技术领域的信息技术、电力电子技术、新材料技术的突飞猛进使传统电力系统己经或将要发生重大变革。以下仅举数例加以说明。l煤炭是许多国家的重的一次能源，因此，高效洁净的燃煤发电技术是一个重要而又难度甚大的研究领域。研究的重点是在提高发电效率的同时尽可能减少二氧化硫、氮
4、氧化物和其他有害物质的排放。已经有不少污染排放控制的技术，如煤的燃前预处理、炉内喷钙、循环流化床、烟气脱疏等。正在研究和示范的减排技术还有整体煤气化联合循环、加压循环流化床等。目前国外发达国家的燃煤发电厂普遍安装了脱硫设各。关于发电过程温室效应气体的减排，国内外尚无经济、有效的脱碳技术，二氧化碳分离和储存的技术还处在研究阶段。l美国能源部最近提出了发展超洁净燃煤发电厂计划（图1）。这种发电厂使用水煤浆制氢，然后供给高温燃料电池及联合循环发电装置。在发电的流程中，碳将合成为碳酸盐而被扣留在地面。其发电效率可达60以上，二氧化碗、二氧化碳和其他有害物质的排放量都非常低。这项技术能否广泛应用取决于经
5、济性，而经济性又取决于关键技术（高温燃料电池、扣碳技术）研究的进展。这当中又涉及许多新材料、新工艺流程的研究。因此，估计这种电厂真正用于工程尚需时日。由于煤炭是我国主要的一汰能源，燃煤发电厂在未来相当长的时间内仍然是发电的主力。目前我国30的煤炭用于发电，预计到2050年这个比例将达到70以上。因此，研究高效洁净燃煤发电新技术对我国的可持续发展至关重要。l在我国，燃煤发电的粉尘排放已经得到有效的控制，但只有少量电厂安装了脱硫设备。一些成熟的脱疏技术尚不能在我国广泛应用，其原因是费用过高。洁净煤发电近期发展的重点是采用高效机组（如超临界机组）和采取符合国情的污染排故控制的措施，如燃用低疏煤，加强
6、煤的预处理和加紧研究低价而有效的脱碗、脱硝技术等。l1.三相高压交流输电在可预见到的未来，三相高压交流输电仍将是输电和联网的主要方式。20世纪70年代以前主要靠提高电压来增加线路输电能力。到目前为止，商业化运行的交流输电工程最高额定电压为765kV（800kV等级）。全世界已经有12个国家建成了800kV等级的交流输电系统。前苏联建成了900的1150kV特高压输电线路并经过了试运行，后因多种原因降压为500kV运行。日本建成了短距离的1000kV输电线路，目前在500kV下运行。美国、意大利、瑞典等国曾执行过特高压（1000kV及以上）输电计划，后因环保限制、设备可靠性不高和有更好的替代方案
7、等原因而搁置和取消。由此可见，近20年来输电电压的发展出现了明显的饱和趋势。在特高压输电的工程应用前景不明朗的情况下，交流输电发展的重点已转向采用新技术提高线路输送能力、提高线路的使用效率和线路走廊利用率等。l随着大型复杂互联电网的出现，如何使电网更加有效、如何提高输电线路的使用效率成为世界各国研究的重要课题。传统的交流电网的参数（阻抗、电压、相位等）是不能大幅度连续调节的，而实际运行中的电力潮流分布又由电路定则决定，因此电网内部线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能力相差甚远；部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线路去被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就是说，由于电
8、网的木桶效应，一部分线路有电送不出，而另一部分线路却无电可送。另外，电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力交易的渠道，也需要满足对电力潮流灵活凋节控制的要求。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加线路输送能力，以充分利用现有电网资源、提高线路使用效率的要求。发达国家由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使得这一要求显得更为迫切。显然，依靠常规的电力技术难以解决这种间题，需要研究发展新的技术。2.灵活交流输电灵活交流输电（FACTS）的概念是20世纪80年代末期由美国电力研究院（EPRI）捉出的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生革命性的变化
9、。它应用现代电力电子技术与现代控制技术，实现了交流输电系统的阻抗、电压、相位的灵活快速调节，达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振兹撬高系矫蔗守7乎的目的.电力电子技术的快速发展为FACTS技术的实用化创造了条件。近10年来，可控整流器、可关断器件的开断能力不断提高。100直径的晶闸管的耐压己达到610kV的水平，通过电流己达到6kA以上，6kV，6kA的可关断晶闸管（GTO）己有商品。单个电力电子器件的开断能力已达到3040MW的水平，使电子开关用于高电压、大功率的输配电一次系统成为可能。图2表示6kV，6kA的可关断晶闸管（GTO）元件。l近年来，FACTS技术已经在美国、日本、瑞典、巴西
10、等国的重要的超高压输电工程中得到应用。有代表性的FACTS设备有，可控串联补偿器、静止同步补偿器、统一潮流控制器等。图3为美国卡因塔230kV可控串补工程。这套装置安装在当地电网的输电的瓶颈处，突破了线路稳定极限，将输送能力提高了一倍左右，从而在4年内可收回投资。l我国由于输电距离长、电网结构不甚合理和电网建设滞后等原因，输电线路的输送能力较低，应用新技术提高电网的利用率的潜力还很大。我国正在研究将这项技术用于“西电东送”工程。基于硅片的电力电子器件进一步向更高电压、更大功率的方向发展，将使电力系统发生重大变革。这被称为硅片引起的第二次革命。以碳化硅（SiC）为基片的新型电力电子器件的耐压和热
11、容量可大幅度攫高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的开断功率可望有数量级的提高。这顶示着用固态电子断路器取代传统机械的高压断路器（油开关、六氟化碗开关、真空开关等）已为期不远，届时，真正的数字化电力系统将成为现实。l3.高压直流输电高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实现异步联网；在输电距离超过临界距离时比交流输电更经济；利用相同的线路走廊可比交流输送更多的电力；适合于跨海送电等。端对端直流输电已是一种成熟的远距离输电技术。全球己建成了57个直流输电工程，10项正在建设中，主要用于联网、远距离输电和跨海送电等。端对端的直流
12、输电犹如没有出口的直达高速路，线路不能中途落点。它对受端电网的容量、落点在同一负荷区的多条直流输电线路之间的电气距离等有严格的要求。因此，现在的直流输电技术的应用范围受到一定的限制。l为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多端直流输电技术。已投运的多端直流输电工程是加拿大美国的五端直流输电工程。由于控制器协调困难等原因，目前实际上只有三端接人运行。新一代直流输电系统正在研究开发之中。新系统有望大幅度简化设各、减少换流站的占地、降低造价。由于采用可关断的电力电子器件组成换流器，换流过程不受受端系统短路容量的影响，新系统不会出现换相失败和多条直流输电线路落点在同一负荷区时发生的相互影响
13、等问题。新一代的直流输电技术实用化的关键在于电力电子技术的突破和造价的大幅度降低。l由于发达地区的土地己成为稀缺资源，为了尽量减少变电站的占地、减少环境影响，以便降低投资、缩短建设工期，近年来出现了电气设备紧凑化、模块化，不同类型的电气设备集成为一体的倾向。由于绝缘材料、光纤测量技术和制造工艺的进步，现已出现了断路器、隔离开关、接地开关、电压及电流互感器及控制保护设各集成为一体的紧凑化、模块化的变电站设备。它可以视为介于全封闭组合电器（GIS）和常规的敞开式变电站之间的一种集成化设备。这类设各有不同的商品名称和集成度，但设计思路是相同的，即通过集成来改善设备的技术性能、减少占地和环境影响、降低
14、造价。图4为一座500的紧凑化变电站。l绝缘材料的进步也促进了发电机和变压器的集成。最近国外研制成功所谓的电力发生器（power former），它采用特殊的电缆来代替原来发电机定子中的矩形截面导线，使电机绝缘的耐压成数量级的提高。发电机出口的电压可达400KV，因此不需要升压变压器就可把发电机直接连接到架空线路。电力发生器的优点除了使升压变电站大大简化以外，还有热性能好、短路电流小、便于维护检修等伏点。这种技术用于电力变压器的设计，开发出新式的干式高压变压器。变压器高低压绕组均用电缆绕制（图幻。与传统的充油电力变压器相比，这种新式变压器具有结构简单、无火灾和泄漏的危险、运行维护工作量小、耐受
15、短路能力强、绕组外部处在地电位人身安全性好、电场影响很小等优点。l分布式发电装置是指功率为数kW至MW级的中、小型模块式，直接安置在用户近旁，与环境兼容的独立电源。有代表性的分布式电源是指燃料电池（fuel cell）和微型燃气轮机（micro-turbine）。分布式电源主要用以提高供电可靠性，可在电网崩渍和意外灾害（例如地震、暴风雪、恐怖分子袭击、战争）情况下维持重要用户的可靠供电。它特别适合于组成分布式的热电联供或热电冷联供系统。与大型计算机微机的关系类似，分布式电源将是未来微型电力系统的重要组成部分，在未来电力市场中是一种有竞争力的发电方式。此外，燃料电池很有希望成为电动车、笔记本电脑
16、和手机的长效电源。l1.燃料电池燃料电池是扭燃料的化学能直接转换为电能的装置，被称为21世纪的分布式电源。燃料电池的工作过程很像电解水的逆过程。通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电泡还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无需配备重整器。燃料电泡发电的优点是.发电效率高、污染排放极小、噪声低、省水、安装工期短、可在用户附近安装，以及节省输配电系统投资等（图6）。l2.微型燃气轮机微型燃气轮机是指功率为几至几十，以天然气、甲烷等为燃料的超小型燃气轮机。微型燃
17、气轮机的工作温度为500左右，转速为96 000r/min左右，发电效率可达30，对燃料的适应性比燃料电池好。目前国外己有微型燃气轮机产品出售，如Capstone公司生产的微型燃气轮机，其发电效率为28，额定劝率75kW，可以连续运行6000h无需检修，可以由计算机控制自动联网或离网运行（图7）。l现代化社会要求充足、可靠、优质的电能供应。随着城市化的进程和现代化大城市的出现，配电系统的重要性与日惧增。现在，发达国家近半数的电力投资用于配电系统。现代化大都市供电负荷密度大、供电方式复杂、可靠性要求高，以及供电负荷不断增加、供电网升格快，因此，现代化大都市的配电系统运行、调度、控制和维护都需要十
18、分复杂的技术。l现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密加工工具、可编程控制器和计算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量提出了日益严格的要求。这些设各对电源波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化都可能造成重大损失。通常，重要用户为保证优质的不间断供电，往住独自采取改善可靠性和电能质量的措施，例如安装不间断电源（UPS）、安装自备发电机并用机械开关来切换，在重要设备人口处安装滤波器和过电压保护设各等。但是，经济合理的解决办法是由供电部门采用配电新技术，向用户提供可靠的、不同质量等级、不同电价的个性化电能供应。l灵活、可靠、智能配电系统（friends）是一种灵活、可靠性高、可
19、提供多种品质电力的电能流通系统，现处在研究阶段。它相当于用户附近的一个电力改质中心。改质中心产生多种品质的电能，通过静止电子开关与高压侧配电线和低压侧配电线灵活地连接。另一方面通过通信网络，在改质中心进行信息处理和交换。l配电管理系统是配电技术中发展最快的一个领域，其内容通常包括：SCADA系统、馈线自动化系统、地理信息和设备管理系统、故障报修应答系统、负荷管理系统、自动抄表系统等。这些系统通常有不同的组合，并可与离线的管理信息系统集成。配电自动化系统发展的趋势是发展建立在开放式平台上的综合配电自动化系统，用以实现配电系统的数据采集监视、无功自动调节、故障隔离、设备管理、负荷控制、用电管理等功能。l先进的仪表是配电系统的重要组成部分。现代电能表计系统除电能计量的功能外，还具有负荷调查（实现所谓的对用户不打扰的调查）、显示实时电价和电价区间、电能质量监控、供电者和用户间双向通信、用户访问、自诊断及警报、误差软件补偿等功能。
