电力前沿技术的现状和前景

1、电力前沿技术的现状和前景摘要：“电力技术是通向可持续开展的桥梁，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究说明，为了实现可持续开展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，进步电力在终端能源中的比例。因为，在保证一样的能源效劳程度的前提下,使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。假如能将大量分散燃用的化石燃料都高效干净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。关键词：电力技术前沿技术开展前景1分布式电源分布式发电装置DistributedGeneratin是指功率为数千瓦至50小型模块式的、与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第3方所有，用以满足电力系统和用

2、户特定的要求。如调峰、为遥远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、进步供电可靠性等等。1.1应用背景由于公众对输电线路可能产生的电磁影响的忧虑，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建新的输电线路。于是，直接安置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进步供电可靠性，可在电网崩溃和意外灾害例如地震、暴风雪、人为破坏、战争情况下，维持重要用户的供电。加拿大魁北克省1997年冰雪灾造成输配电线路灾难性破坏，引起大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电。人们认识到，假如能有与电网配合的分布式电源在运转，供电可靠性将会大大地

3、进步，一些灾难性后果是可以防止的。对供电网难以到达的遥远分散用户，分布式电源在技术经济上具有竞争力。此外，开展电动车电源是研究开展分布式电源的重要推动力。1.2微型燃气轮机微型燃气轮机irTurbine,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/in，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500，其发电效率可达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进步。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装置。它是一种很有开展前途的干净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。1.3.1

4、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)转变为氢离子，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，外电路那么形成电流。通常，完好的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供应系统、空气供应系统、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。低温燃料电池还应装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，无须装备重整器。磷酸型燃料电池PAF是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。如今已能消费大容量加压型11的设备及便携式250k等各种设备。第2代燃料电池的

5、溶融碳酸盐电池F，工作在高温600700下，重整反响可以在内部进展，可用于规模发电，如今正在进展兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池SF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，将来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。1.3.2性能和特点目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。1.3.3技术关键和研究课题燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的工程，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池F在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使F的大型化及实用化受到限制。需要解决电池

6、构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池SF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殊要求。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Y23生成钇稳定氧化锆。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。比较先进的已到达0.01。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否那么将丧失燃料电池的性能。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，难以使用一般金属。

7、铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，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。工作温度倘假设能降低到700以下，SF的造价就可以大幅度降低。转贴于论文联盟.ll.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PerEletrnis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HighPerEletrnis的快速开展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SR)、可关断的晶闸管(GT)、S控制

8、的晶闸管(T)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断才能不断进步。目前，已经消费出6kA、6kV的GT，单个元件的开断功率可到达30左右，这无疑是一个宏大的进步。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敏的交流输电FATS、定质电力技术ustPer以及新一代直流输电技术那么是近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灵敏交流输电技术(FATS)灵敏的交流输电系统(FATS)是80年代后期出现的新技术，近年来在世界上开展迅速。专家们预计在将来这项技术

9、将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分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。灵敏交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度进步输电线路输送才能和进步电力系统稳定程度，降低输电损耗。2开展互联电网的需要。在兴旺国家已形成了严密相连、多电压等级的复杂互联电网。由于电路定那么使然，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才能相差甚远；一局部线路已过载或接近稳定极限，而另一局部线路却被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就提出了灵敏调节线路潮流、打破瓶颈限制、增加输送

10、才能，以充分利用现有电网资源的要求。兴旺国家由于环保的严格限制，新建输电线路非常困难，使得这一要求更为迫切。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，只能实现局部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敏连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网开展的需求促进了灵敏交流输电这项新技术的开展和应用。近年来，灵敏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。尽管灵敏交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，并证明了它在进步线路输送才能、阻尼系统振荡、快速调节

11、系统无功、进步系统稳定等方面的优越性能，但其推广应用的进展步伐比预期的要慢。主要原因有：工程造价比常规的解决方案高，因此，只有在常规技术无法解决的情况下，用户才会求助于FATS技术；FATS技术还需要进一步完善。目前FATS技术的应用还局限于个别工程，假如大规模应用FATS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FATS装置控制系统的协调配合问题；FATS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题；FATS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，FATS技术尚不能更快推广应用是因为电力部门对新技术持慎重观望态度，只有相当成熟的技术才会大规模应用。随着电力电子器件的性能进步和造

12、价降低，以电力电子器件为核心部件的FATS装置的造价会降低，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。国际大电网会议展开了有关STAT与SV性能价格比的讨论，不少专家认为，由于STAT不需要采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年比较稳定，不大可能大幅度下降；相反，电力电子器件的价格会不断降低，故预计STAT会比SV静止无功补偿器更有竞争力。假设将超导储能装置与STAT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。2.3定质电力技术现代工业的开展对进步供电的可靠性、改善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

13、动消费线、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使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰非常敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。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。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统LightHVD，它采用GT、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

14、短的输送间隔 也能与交流输电竞争。此外，可关断的器件组成换流器，由于采用可关断的电力电子器件，可以免除换相失败之虞，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(SynhrnizedSithing)是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。在理论上应用同步开断技术可完全防止电力系统的操作过电压。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，由于操作引起设备包括断路器本身的损坏也可大大减少。目前，高压开关都是属于机械开关，开断的时间长、分散性大，难以实现准确的定相

15、开断。目前的同步开断设备是应用一套复杂的电子控制装置，实时测量各种影响开断时间分散性的参量变化，对开断时刻的提早量进展修正。即便采取了这种代价昂贵的措施，由于机械开关特性决定，还不能做到准确的定相开断，设计人员还不敢贸然降低电气设备的绝缘程度，以防同步开断失败造成设备损毁。因此，同步开断的优势没有发挥出来。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13kV、600A、由GT元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GT开断时间可缩短到1/3s，这是一般机械开关无法比较的。如今，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将来全可控的电力系统如今的

16、电力系统由于还依赖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过程。“电网控制目前只能做到局部控制，本质上仍然是一个调度员的决策支持系统。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，那么电力系统真正的灵敏调节控制便将成为现实。转贴于论文联盟.ll.3状态维修技术状态维修技术nditinBasedaintenane可以包涵可靠性为中心的维修技术R和预测维修技术PD。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

17、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进步，维修管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进步。一座现代化核电站的运行维修费用已超过燃料费用。如何采取合理的维修策略和正确决定维修方案，以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用，便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。3.2主要技术内容以可靠性为中心的维修R和预测性维修是互相严密联络而又不同的2个技术领域。3.3先进传感器先进的传感器(AdvanedSensr)是实现预测性维修的重要手段,是一个长盛不衰的研究热点。这是因为,故障诊断技术的开展首先决定于能否获取尽可能多的有用信息，这是数据处理和诊断决策的基矗为了进步故障诊断程度，研究各种新型传感器便成为电力界的研究热点。原来用于军事的传感技术，也有一局部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。用于测量锅炉燃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%。3.4故障诊断的信息处理技术为抑制现场测量中不可防止的干扰，除了应用硬件滤波器和数字滤波技术以外，近年的研究发现小波变换技术可有效地滤除稳态信号如现场测试中经常遇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