电力前沿技术的现状和前景.doc

电力前沿技术的现状和前景郑健超中国电力科学研究院电力技术是通向可连续发展的桥梁，这个论断已经逐步成为人们的共鸣。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证雷同的能源服务水平的前提下,使用电力这种优质能源最干净、便利，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生涯质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、贮存、调配和使用的技术将成为来世纪电力技术的重点领域。电力技术属于传统技术的领域，技术翻新和涌现重大冲破的机遇要比信息科学、性命科学、材料科学等新兴学科少得多。然而，应当看到，电力技术与其他学科的彼此穿插和浸透的趋势越来越显明。电力研究的一些前沿课题反应了这种趋势。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展远景进行评述。1分布式电源分布式发电装置(Distributed Generation)是指功率为数千瓦至50 MW小型模块式的、与环境兼容的独破电源。这些电源由电力部门、电力用户或第3方所有，用以知足电力系统和用户特定的要求。如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节俭输变电投资、提高供电可靠性等等。当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机(Microtur_bines)和各种工程用的燃料电池(Fuel Cell)。因其具有良好的环保性能，分布式电源与小机组已不是统一概念。1.1应用背景由于公家对输电线路可能产生的电磁影响的忧愁，开拓新的线路走廊越来越困难。例如，北美和西欧许多国家已决定一般不再兴修新的输电线路。于是，直接安顿在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代方案。其次，与大电网配合，分布式电源可大大地提高供电可靠性，可在电网瓦解和意外灾祸(例如地震、狂风雪、人为破坏、战斗)情况下，维稳重要用户的供电。加拿大魁北克省1997年冰雪灾造成输配电线路灾害性损坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电。人们意识到，如果能有与电网配合的分布式电源在运行，供电可靠性将会大大地提高，一些灾害性效果是可以避免的。对供电网难以到达的边远分散用户，分布式电源在技术经济上拥有竞争力。此外，发展电动车电源是研究发展分布式电源的重要推能源。1.2微型燃气轮机微型燃气轮机(Micro Turbine),是功率为几千瓦至多少十千瓦，转速为96 000 r/min，以自然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500，其发电效力可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的打破常常取决于材料科学的先进。1.3燃料电池燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的安装。它是一种很有发展前程的干净和高效的发电方式，被称为21世纪的散布式电源。1.3.1燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)改变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则构成电流。通常，完全的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供应系统、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，电池堆是中心。低温燃料电池还应装备燃料改质器(又称为燃料重整器),表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表(。高温燃料电池存在内重整功能，毋庸配备重整器。磷酸型燃料电池(PAFC)是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池(MCFC)，工作在高温(600700)下，重整反映可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池(SOFC)被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交流膜燃料电池是最有盼望的电动车电源。1.3.2性能和特色燃料电池有以下长处：(1)有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达584%。通过热电联产或结合轮回综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基础无关，小型设备也能得到高效率。(2)处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力十分强，可以在1 s内追随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。(4)安装周期短，安装地位灵活，可省去新建输配电系统。目前燃料电池大范围利用的阻碍是造价高，在经济性上要与惯例发电方法竞争尚需时日。1.3.3技术关键和研究课题燃料电池的技巧要害涉及电池性能、寿命、大型化、价钱等与贸易化有关的名目，重要波及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池(MCFC)在高温前提下液体电解质的丧失跟腐蚀渗漏下降了电池的寿命，使MCFC的大型化及适用化受到限度。须要解决电池形成资料的腐化；电极细孔结构变更使电池机能降落等问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特别要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性(不通过气体)的电解质，在氧化锆中参加Y2O3天生钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.030.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应该有足够的机械强度外，必需具有高度的气体致密性，否则将损失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用普通金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替换材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度假使能降低到700以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。2大功率电力电子技术的应用硅片引起的第二次革命2.1大功率电力电子器件的重大进展电力电子学(Power Electronics)的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件(High Power Electronics)的快速发展也引起了电力系统的重大变更，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。目前，已经生产出6 kA、6 kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30 MW左右，这无疑是一个宏大的提高。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅(晶闸管)用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电(FACTS)、定质电力技术(Custom Power)以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的电力研究前沿。2.2灵活交流输电技术(FACTS)灵活的交流输电系统(FACTS)是80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展敏捷。专家们预计在未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充足利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。机动交换输电技术是指电力电子技术与现代控制技术联合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的持续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送才能和提高电力系统稳固水平，降低输电损耗。FACTS技术的出现和应用的背景是：(1)发展电力市场的需要。原作为公用事业之一的电力面临着放松管制(Deregulation)的改造。一些国家公布法令划定用户可以发电并售电给电网，容许电力用户可自在抉择供电者，许可履行趸售托送(Wholesale Wheeling)，某些地域甚至答应实施电力零售托送。发电厂和电力用户可以根据协定通过电网售受电力。电网作为电力市场的物资载体，即发电厂和电力用户间电力输送和分配的通道，需要满意对电力潮流灵活调节控制的要求，而常规的交流输电系统却很难适应这一变化。(2)发展互联电网的需要。在发达国家已造成了紧密相连、多电压等级的复杂互联电网。由于电路定则使然，电网内部线路及联系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；一部分线路已过载或濒临稳定极限，而另一部分线路却被迫在远低于线路额外输送容量下运行。这就提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增添输送能力，以充分利用现有电网资源的要求。发达国家由于环保的严格制约，新建输电线路十分困难,，使得这一要求更为急切。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需要促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。近年来，灵活交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。尽管灵活交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，并证实了它在提高线路输送能力、阻尼系统振荡、快速调节系统无功、提高系统稳定等方面的优胜性能，但其推广应用的进展步调比预期的要慢。主要起因有：工程造价比常规的解决方案高，因此，只有在常规技术无奈解决的情况下，用户才会求助于FACTS技术；FACTS技术还需要进一步完美。目前FACTS技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FACTS装置控制系统的和谐配合问题；FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的连接问题；FACTS控制纳入现有的电网调度控制系统问题等等。也有专家认为，FACTS技术尚不能更快推广应用是因为电力部门对新技术持谨严张望立场，只有相称成熟的技术才会大规模应用。随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，可能会在不远的未来比常规的输配电计划更具竞争力。国际大电网会议开展了有关STATCOM与SVC性能价格比的探讨，不少专家认为，由于STATCOM不需要采用大量的电容器就可以实现无功的倏地调节，而电容器的价格多年比拟稳定，不大可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会一直降低，故预计STATCOM会比SVC(静止无功补偿器)更有竞争力。若将超导储能装置与STATCOM配合，可以实现系统有功功率的快速调节，这是以往任何的常规设备不能胜任的。FACTS技术也在精益求精，一些新的FACTS装置被开发出来，例如可转换静止补偿器(Convertible Static Compensator)，它由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制2条以上线路潮流(有功、无功)、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。可转换静止补偿用具有下列功能：(1)静止同步补偿器的并联无功弥补功能；(2)静止同步串联补偿器的功能；(3)综合潮流控制器功能；(4)控制2条线路以上潮流的线间潮流控制(IPFC)功能；CSC被以为是第3代灵巧交流输电装置。电力电子器件的发展趋势是：一方面研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。最近，国外公司发布研制胜利以碳化硅(SiC)为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的断开功率可望有数目级的奔腾。这预示用电子高压断路器代替机械的高压断路器(油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等)已成为现实的可能。假如电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统完全的灵活调节控制便将成为事实。2.3定质电力技术定质电力(Custom Power)技术是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户供给用户特定要求的电力供给的技术。现代产业的发展对提高供电的牢靠性、改良电能质量提出了越来越高的要求。在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动出产线、精细的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛应用，对电能质量的控制提出了日益严厉的请求。这些设备对电源的稳定和各种干扰十分敏感，任何供电品质的恶化可能会造成产品德量的降低，产生重大损失。重要用户为保证优质的不间断供电，往往本人采取措施，如安装不间断电源(UPS)，但是这并不是经济合理的解决措施。基本的前途在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电能供应。因此，便产生了以电力电子技术和现代控制技术为基础的定质电力技术(Custom Power Technology)。为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器(DSTATCOM)。它由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压，发生和接收电网的无功功率，同时可以抑制电压闪变。这是定质电力的关键设备之一。此外，静止无功产生器和固态开关配合，可在电网发生故障的暂态过程中坚持电压恒定。另一关键设备是动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer)，它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。2.4新型直流输电技术直流输电已是成熟技术。造价较高是其与交流送电竞争的不利因素。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。直流输电性能立异的典范例子是轻型直流输电系统(Light HVDC)，它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送间隔也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。此外，可关断的器件组成换流器,充气娃娃，由于采用可关断的电力电子器件，可以罢黜换相失败之虞，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛)的供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。2.5同步开断技术同步开断(Synchronized Switching)是在电压或电流的指定相位实现电路的断开或闭合。在实践上应用同步开断技术可完整防止电力体系的操作过电压。这样，由操作过电压决定的电力设备绝缘程度可大幅度降低，因为操作引起设备(包含断路器自身)的破坏也可大大减少。目前，高压开关都是属于机械开关，开断的时光长、疏散性大，难以实现正确的定相开断。目前的同步开断设备是运用一套庞杂的电子把持装置，实时丈量各种影响开断时间分散性的参质变化，对开断时刻的提前量进行修改。即使采用了这种代价昂贵的措施，因为机械开关特征决议，还不能做到精确的定相开断，设计职员还不敢贸然降低电气设备的绝缘水平，以防同步开断失败造成设备损毁。因而，同步开断的上风不施展出来。实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。美国西屋公司已制造出13 kV、600A、由GTO元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3 ms，这是一般机械开关无法比较的。现在，由固态开关构成的电容器组的配电系统软开关已问世。2.6未来全可控的电力系统现在的电力系统由于还依附高压机械开关(油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等)实现线路、设备、负荷的投切，尚不能做到完全可控。这是因为机械的慢过程不可能控制电的快进程。电网控制目前只能做到部分控制，实质上依然是一个调度员的决策支撑系统。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统真正的灵活调节控制便将成为现实。3状态维修技术状态维修技术(Condition Based Maintenance)可以包涵可靠性为中央的维修技术(RCM)和预测维修技术(PDM)。3.1应用背景这2项技术最初是应用于航空航天系统，后来移植应用于核电站的维修，近年已成功地用于发电厂设备的维修，并正在用于输变电设备的检修。电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高，维修治理的重要性日益显现出来。维修费用占电力本钱的比例也不断提高。一座现代化核电站的运行维修费用已超过燃料费用。如何采取公道的维修策略和准确决定维修方案，以保障在不降低可靠性的条件下节省维修费用，便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。近年来，由于电力体系的改革，电力设备的维修也开始进入市场，过去电力部门独家负责设备维修的局势已被攻破，电力设备制造部门也开始参与维修这一领域。由于设备制作商对设备的设计和单薄环节一目了然，加上备品备件起源有保证，往往在承接维修合同的竞争中处于有利位置。电力部分对设备的运行状态十分熟悉，对系统中可能呈现的各种电气、热、机械应力和睦象影响因素十分懂得，承当维修义务也具备优势。竞争增进了技术的发展。过去电力设备维修常用的定时检修(Timebased Maintenance)和以定时检验为基础，根据教训决定延伸或缩短维修周期的做法已不能满意需要，需要发展新技术。3.2主要技术内容以可靠性为中央的维修(RCM)和预测性维修是相互严密接洽而又不同的2个技术领域。以可靠性为核心的维修(Reliabilitycentered Maintenance)是在对元件的可能故障对全部系统可靠性影响评估的基础上决定维修规划的一种维修策略。RCM技术在60年代末开端发展起来。当时由于宽体客机的投运，系统变得十分复杂，航空系统沿用定时大修的传统方法在经济上变得不可接收。根据元件故障成果的严峻程度断定维修打算的RCM收到了良好后果，使航空系统可靠性提高。现在RCM已成为全世界简直所有航空公司采用的方法。80年代美国EPRI将RCM引入核电站的维修，后来又应用于火电厂，获得了提高可靠性和降低维修用度的目标。当初正在研究变电站设备的RCM技术。预测性维修(Predictive Maintenance)是根据对埋伏故障进行在线或离线测量的成果和其余信息来部署维修的技术。其症结是依附进步的故障诊断技术对潜伏故障进行分类和严峻性分析(Criticality Analysis),以决定设备(部件)是否需要即时退出运行和应及时采取的措施。综上所述，电力设备状况维修技术涉及复杂大系统可靠性评估、先进的传感技术、信息采集处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、故障严重性分析、寿命估量等范畴。3.3先进传感器先进的传感器(Advanced Sensor)是实现预测性维修的重要手腕,是一个长盛不衰的研究热点。这是因为,故障诊断技术的发展首先决定于是否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决议的基础。为了提高故障诊断水平，研究各种新型传感器便成为电力界的研究热门。本来用于军事的传感技术，也有一部分移植到电力设备的状态监测上来。例如，用于锅炉管道高温应变测量的光纤传感器，是带有内部谐振腔的光导纤维，它可直接贴在被测管道上。用于测量锅炉焚烧室中温度的传感器，是用氧化铝保护的铂电阻，其测量精度优于1%。美国电力研究院已开发出一种直接测量分析油中气体的金属*.绝缘子*.半导体传感器，它可在线直接测量和分析油中的4种气体并监督其变化趋势，现已用于一些电力部门的变压器。下一步工作是把测量微水的传感器和它集成起来，并配合负荷电流测量，弄清油中气体、水分随负荷的变化关联。对紫外光下发萤光的一些传感器，可能会用于测量发电厂中的高平和应变。研究人员还在研究应用偏振光遥测电场和磁场的技术，研究用压电材料的薄膜来测量腐蚀和积尘，传感器测得数据的无线传输也是需要解决的一个重要问题。3.4故障诊断的信息处理技术对采集到的信号加工处理，要比采集信号本身更为艰苦，信号加工和处理的目的有3：从现场中大量的背景干扰信号中提取有用的信号；依据测得的信号进行故障分类；断定故障的重大水平，以便决定设备是否需要退出运行。为抑制现场测量中不可避免的干扰，除了应用硬件滤波器和数字滤波技术以外，近年的研究发明小波变换技术可有效地滤除稳态信号(如现场测试中常常碰到的载波信号干扰和噪杂声干扰)，可以把有用信号从比信号强几个数量级的干扰中提掏出来。故障信号的分类则是更为难题的研究课题。从前用频谱来辨别故障类型的办法有很大的局限性。由于很多不同类型的故障信号频谱往往有一局部甚至大部门是重叠的，在频域内很难加以分辨。研究故障的指纹特征以及提取和辨认指纹特点的方法便成为故障诊断研究的一个重要的分支。在研究的故障分类方式有：神经网络、专家系统、小波分析、分形维剖析等。4电磁兼容技术电磁兼容(EMC)是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且错误该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事甚至国民生活各个方面。在当今信息社会，随着电子技术、计算机技术的发展，一个系统中采用的电气及电子设备数量大大增长，而且电子设备的频带日益加宽，功率逐渐增大，敏锐度提高，联接各种设备的电缆网络也越来越复杂，因此，电磁兼容问题日显重要。电力系统中，在电网容量增大、输电电压增高的同时，以盘算机和微处置器为基本的继电维护、电网控制、通讯设备得到普遍采取。因此，电力系统电磁兼容问题也变得非常凸起。例如，集继电保护、通信、SCADA功效于一体的变电站综合主动化设备，通常装置在变电站高压设备的邻近，该设备能畸形工作的先决条件就是它可能蒙受变电站中在正常操作或事变情形下产生的极强的电磁干扰。此外，由于古代的高压开关经常与电子节制和保护设备集成于一体，因此，对这种强电与弱电设备组合的设备不仅需要进行高电压、大电流的实验，同时还要通过电磁兼容的试验。GIS的隔分开关操作时，能够产生频率高达数兆赫的疾速暂态电压。这种快捷暂态过电压不仅会危及变压器等设备的绝缘，而且会通过接地网向别传播，干扰变电站继电掩护、掌握设备的正常工作。跟着电力系统自动化水平的进步，电磁兼容技术的重要性日益浮现出来。4.1电磁兼容技术的主要内容和发展趋势电力系统电磁兼容的主要内容包括：(1)电磁环境评价。即通过实测或数字仿真等手段，对设备在运行时可能受到的电磁干扰水平(幅值、频率、波形等)进行估计。例如，利用可挪动的电磁兼容测试车对高压输电线路或变电站产生的各种干扰进行实测，或通过电磁暂态计算程序对可能产生的瞬变电磁场进