電力前沿技術的現(xiàn)狀和前景

1、電力前沿技術的現(xiàn)狀和前景摘要：“電力技術是通向可持續(xù)開展的橋梁，這個論斷已經(jīng)逐漸成為人們的共識。研究說明，為了實現(xiàn)可持續(xù)開展，應盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，進步電力在終端能源中的比例。因為，在保證一樣的能源效勞程度的前提下,使用電力這種優(yōu)質(zhì)能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。假如能將大量分散燃用的化石燃料都高效干凈地轉(zhuǎn)換為電力使用，人們賴以生存的環(huán)境和生活質(zhì)量就會大大改善。關鍵詞：電力技術前沿技術開展前景1分布式電源分布式發(fā)電裝置DistributedGeneratin是指功率為數(shù)千瓦至50小型模塊式的、與環(huán)境兼容的獨立電源。這些電源由電力部門、電力用戶或第3方所有，用以滿足電力系統(tǒng)和用

2、戶特定的要求。如調(diào)峰、為遙遠用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，節(jié)省輸變電投資、進步供電可靠性等等。1.1應用背景由于公眾對輸電線路可能產(chǎn)生的電磁影響的憂慮，開拓新的線路走廊越來越困難。例如，北美和西歐許多國家已決定一般不再興建新的輸電線路。于是，直接安置在用戶近旁的分布式發(fā)電裝置便成為一種替代方案。其次，與大電網(wǎng)配合，分布式電源可大大地進步供電可靠性，可在電網(wǎng)崩潰和意外災害例如地震、暴風雪、人為破壞、戰(zhàn)爭情況下，維持重要用戶的供電。加拿大魁北克省1997年冰雪災造成輸配電線路災難性破壞，引起大面積停電，許多重要用戶長期不能恢復供電。人們認識到，假如能有與電網(wǎng)配合的分布式電源在運轉(zhuǎn)，供電可靠性將會大大地

3、進步，一些災難性后果是可以防止的。對供電網(wǎng)難以到達的遙遠分散用戶，分布式電源在技術經(jīng)濟上具有競爭力。此外，開展電動車電源是研究開展分布式電源的重要推動力。1.2微型燃氣輪機微型燃氣輪機irTurbine,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為96000r/in，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的打破常常取決于材料科學的進步。1.3燃料電池燃料電池是直接把燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它是一種很有開展前途的干凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀的分布式電源。1.3.1

4、燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質(zhì)到達陽極與氫離子結合成水，外電路那么形成電流。通常，完好的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應裝備燃料改質(zhì)器又稱為燃料重整器。高溫燃料電池具有內(nèi)重整功能，無須裝備重整器。磷酸型燃料電池PAF是目前技術成熟、已商業(yè)化的燃料電池。如今已能消費大容量加壓型11的設備及便攜式250k等各種設備。第2代燃料電池的

5、溶融碳酸鹽電池F，工作在高溫600700下，重整反響可以在內(nèi)部進展，可用于規(guī)模發(fā)電，如今正在進展兆瓦級的驗證試驗。固體電解質(zhì)燃料電池SF被稱為第3代燃料電池。由于電解質(zhì)是氧化鋯等固體電解質(zhì)，將來可用于煤基燃料發(fā)電。質(zhì)子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。1.3.2性能和特點目前燃料電池大規(guī)模應用的障礙是造價高，在經(jīng)濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。1.3.3技術關鍵和研究課題燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關的工程，主要涉及新的電解質(zhì)材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池F在高溫條件下液體電解質(zhì)的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使F的大型化及實用化受到限制。需要解決電池

6、構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。固體氧化物燃料電池SF使用固體電解質(zhì)且工作溫度很高,對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩(wěn)定和致密性不通過氣體的電解質(zhì)，在氧化鋯中參加Y23生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質(zhì)薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質(zhì)薄膜。實用的電解質(zhì)膜的厚度為0.030.05。比較先進的已到達0.01。這樣薄的電解質(zhì)陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，必須具有高度的氣體致密性，否那么將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。

7、鉑的穩(wěn)定性好，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質(zhì)子導電的電解質(zhì)。工作溫度倘假設能降低到700以下，SF的造價就可以大幅度降低。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2大功率電力電子技術的應用硅片引起的“第二次革命2.1大功率電力電子器件的重大進展電力電子學PerEletrnis的應用已經(jīng)有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調(diào)速、大功率換流已經(jīng)是比較成熟的技術。大功率電子器件HighPerEletrnis的快速開展也引起了電力系統(tǒng)的重大變革，通常稱為硅片引起的第二次革命。近10多年來，可控整流器(SR)、可關斷的晶閘管(GT)、S控制

8、的晶閘管(T)、絕緣門極雙極性三極管(IGBT)等大功率高壓開關器件的開斷才能不斷進步。目前，已經(jīng)消費出6kA、6kV的GT，單個元件的開斷功率可到達30左右，這無疑是一個宏大的進步。近年來，大功率電子器件已經(jīng)廣泛應用于電力的一次系統(tǒng)?？煽毓杈чl管用于高壓直流輸電已經(jīng)有很長的歷史。大功率電子器件應用于靈敏的交流輸電FATS、定質(zhì)電力技術ustPer以及新一代直流輸電技術那么是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應用，將成為下世紀的電力研究前沿。2.2靈敏交流輸電技術(FATS)靈敏的交流輸電系統(tǒng)(FATS)是80年代后期出現(xiàn)的新技術，近年來在世界上開展迅速。專家們預計在將來這項技術

9、將在電力輸送和分配方面將引起重大變革，對于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源和實現(xiàn)電能的高效利用，將會發(fā)揮重要作用。靈敏交流輸電技術是指電力電子技術與現(xiàn)代控制技術結合以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度進步輸電線路輸送才能和進步電力系統(tǒng)穩(wěn)定程度，降低輸電損耗。2開展互聯(lián)電網(wǎng)的需要。在興旺國家已形成了嚴密相連、多電壓等級的復雜互聯(lián)電網(wǎng)。由于電路定那么使然，電網(wǎng)內(nèi)部線路及聯(lián)絡線在運行中實際的潮流分布與這些線路的設計輸送才能相差甚遠；一局部線路已過載或接近穩(wěn)定極限，而另一局部線路卻被迫在遠低于線路額定輸送容量下運行。這就提出了靈敏調(diào)節(jié)線路潮流、打破瓶頸限制、增加輸送

10、才能，以充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源的要求。興旺國家由于環(huán)保的嚴格限制，新建輸電線路非常困難，使得這一要求更為迫切。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負荷調(diào)變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯(lián)補償裝置等，只能實現(xiàn)局部穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態(tài)過程中快速靈敏連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)開展的需求促進了靈敏交流輸電這項新技術的開展和應用。近年來，靈敏交流輸電技術已經(jīng)在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。盡管靈敏交流輸電技術已在多個輸電工程中得到應用，并證明了它在進步線路輸送才能、阻尼系統(tǒng)振蕩、快速調(diào)節(jié)

11、系統(tǒng)無功、進步系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的優(yōu)越性能，但其推廣應用的進展步伐比預期的要慢。主要原因有：工程造價比常規(guī)的解決方案高，因此，只有在常規(guī)技術無法解決的情況下，用戶才會求助于FATS技術；FATS技術還需要進一步完善。目前FATS技術的應用還局限于個別工程，假如大規(guī)模應用FATS裝置，還要解決一些全局性的技術問題，例如：多個FATS裝置控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合問題；FATS裝置與已有的常規(guī)控制、繼電保護的銜接問題；FATS控制納入現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)問題等等。也有專家認為，F(xiàn)ATS技術尚不能更快推廣應用是因為電力部門對新技術持慎重觀望態(tài)度，只有相當成熟的技術才會大規(guī)模應用。隨著電力電子器件的性能進步和造

12、價降低，以電力電子器件為核心部件的FATS裝置的造價會降低，可能會在不遠的將來比常規(guī)的輸配電方案更具競爭力。國際大電網(wǎng)會議展開了有關STAT與SV性能價格比的討論，不少專家認為，由于STAT不需要采用大量的電容器就可以實現(xiàn)無功的快速調(diào)節(jié)，而電容器的價格多年比較穩(wěn)定，不大可能大幅度下降；相反，電力電子器件的價格會不斷降低，故預計STAT會比SV靜止無功補償器更有競爭力。假設將超導儲能裝置與STAT配合，可以實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率的快速調(diào)節(jié)，這是以往任何的常規(guī)設備不能勝任的。2.3定質(zhì)電力技術現(xiàn)代工業(yè)的開展對進步供電的可靠性、改善電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動器、機器人、自

13、動消費線、精細的加工工具、可編程控制器、計算機信息系統(tǒng)的日益廣泛使用，對電能質(zhì)量的控制提出了日益嚴格的要求。這些設備對電源的波動和各種干擾非常敏感，任何供電質(zhì)量的惡化可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大損失。2.4新型直流輸電技術直流輸電已是成熟技術。造價較高是其與交流送電競爭的不利因素。新一代的直流輸電是指進一步改善性能、大幅度簡化設備、減少換流站的占地、降低造價的技術。直流輸電性能創(chuàng)新的典型例子是輕型直流輸電系統(tǒng)LightHVD，它采用GT、IGBT等可關斷的器件組成換流器，省去了換流變壓器，整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送間隔 也具有競爭力，從而使中等容量的輸電在較

14、短的輸送間隔 也能與交流輸電競爭。此外，可關斷的器件組成換流器，由于采用可關斷的電力電子器件，可以免除換相失敗之虞，對受端系統(tǒng)的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)海上石油平臺、海島的供電，今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。2.5同步開斷技術同步開斷(SynhrnizedSithing)是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。在理論上應用同步開斷技術可完全防止電力系統(tǒng)的操作過電壓。這樣，由操作過電壓決定的電力設備絕緣程度可大幅度降低，由于操作引起設備包括斷路器本身的損壞也可大大減少。目前，高壓開關都是屬于機械開關，開斷的時間長、分散性大，難以實現(xiàn)準確的定相

15、開斷。目前的同步開斷設備是應用一套復雜的電子控制裝置，實時測量各種影響開斷時間分散性的參量變化，對開斷時刻的提早量進展修正。即便采取了這種代價昂貴的措施，由于機械開關特性決定，還不能做到準確的定相開斷，設計人員還不敢貿(mào)然降低電氣設備的絕緣程度，以防同步開斷失敗造成設備損毀。因此，同步開斷的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。實現(xiàn)同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。美國西屋公司已制造出13kV、600A、由GT元件組成的固態(tài)開關，安裝在新澤西州的變電站中使用。GT開斷時間可縮短到1/3s，這是一般機械開關無法比較的。如今，由固態(tài)開關構成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開關已問世。2.6將來全可控的電力系統(tǒng)如今的

16、電力系統(tǒng)由于還依賴高壓機械開關油斷路器、六氟化硫斷路器、真空開關等實現(xiàn)線路、設備、負荷的投切，尚不能做到完全可控。這是因為機械的慢過程不可能控制電的快過程?！半娋W(wǎng)控制目前只能做到局部控制，本質(zhì)上仍然是一個調(diào)度員的決策支持系統(tǒng)。假如電力系統(tǒng)的高壓機械開關一旦被大功率的電子開關取代，那么電力系統(tǒng)真正的靈敏調(diào)節(jié)控制便將成為現(xiàn)實。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3狀態(tài)維修技術狀態(tài)維修技術nditinBasedaintenane可以包涵可靠性為中心的維修技術R和預測維修技術PD。3.1應用背景這2項技術最初是應用于航空航天系統(tǒng)，后來移植應用于核電站的維修，近年已成功地用于發(fā)電廠設備的維修，并正在用于輸變電設備的檢

17、修。電力系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于電力設施的可靠性。隨著電網(wǎng)容量的增大和用戶對供電可靠性要求的進步，維修管理的重要性日益顯現(xiàn)出來。維修費用占電力本錢的比例也不斷進步。一座現(xiàn)代化核電站的運行維修費用已超過燃料費用。如何采取合理的維修策略和正確決定維修方案，以保證在不降低可靠性的前提下節(jié)省維修費用，便成為電力部門或負責設備維修的公司面臨的重要課題。3.2主要技術內(nèi)容以可靠性為中心的維修R和預測性維修是互相嚴密聯(lián)絡而又不同的2個技術領域。3.3先進傳感器先進的傳感器(AdvanedSensr)是實現(xiàn)預測性維修的重要手段,是一個長盛不衰的研究熱點。這是因為,故障診斷技術的開展首先決定于能否獲取盡可能多的有用信息，這是數(shù)據(jù)處理和診斷決策的基矗為了進步故障診斷程度，研究各種新型傳感器便成為電力界的研究熱點。原來用于軍事的傳感技術，也有一局部移植到電力設備的狀態(tài)監(jiān)測上來。例如，用于鍋爐管道高溫應變測量的光纖傳感器，是帶有內(nèi)部諧振腔的光導纖維，它可直接貼在被測管道上。用于測量鍋爐燃燒室中溫度的傳感器，是用氧化鋁保護的鉑電阻，其測量精度優(yōu)于1%。3.4故障診斷的信息處理技術為抑制現(xiàn)場測量中不可防止的干擾，除了應用硬件濾波器和數(shù)字濾波技術以外，近年的研究發(fā)現(xiàn)小波變換技術可有效地濾除穩(wěn)態(tài)信號如現(xiàn)場測試中經(jīng)常遇到的載波信號干擾和噪雜聲干擾)，可以把有用信號從比信號強幾個數(shù)量級的