电力电子技术发展的新动向，电力发展前沿技术

电力新技术及其发展趋势

我国“十二五”时期，发展电力工业的基本方针是：以转变电力发展方式为主线，以深化改革和科技创新为动力，坚持节约优先，水电优先发展，优化发展煤电，安全高效发展核电，积极推广新能源发电，适度发展天然气集中发电，因地制宜发展分布式发电，加快建设坚强智能电网，推动电力装备产业升级，促进绿色和谐发展。

从我国电力生产的现状和发展可以看出，我国电网发展已进入超高压、长距离、大容量、自动化和现代化的新阶段，随着电力需求的增长，对节能和环境污染防治的要求也更高、更严。因此，它有着巨大的前景，但也面临着四个方面的严峻挑战，即环境保护的严峻制约、电力市场体制改革的影响、大容量远距离输电技术的要求以及现代城市和企业对高质量电能的需求。

随着全球和区域经济一体化进程的加快，以及能源分布和经济发展的不平衡，大电网互联甚至跨国联网得到了极大的发展。例如，欧洲发电和输电联盟成立于1951年。1963年实现了西欧成员国之间的400千伏互联，随后通过DC输电以非同步方式实现了与英国和瑞典的互联。现在，该网络正在与前东欧国家连接，其中1995年9月与前东德连接，1995年10月与波兰、捷克共和国和匈牙利连接。

又如，在东南亚国家中，正在建设的巴贡水电站和跨海500千伏DC输电工程将实现马东西部的互联互通。下一步将建设秦-马输电线路，形成从泰国经马来西亚到菲律宾的跨境交流/DC混合电网。中国与周边国家的联网也在规划中。比如澜沧江上的景洪电站发达向泰国输电，俄罗斯西伯利亚向华北输电。

在大电网互联和跨国互联运行中，出现了低阻尼甚至欠阻尼等一系列频率和功率振荡，导致连锁失稳，造成大面积停电等现象，需要认真研究和解决。

在这些综合因素的驱动下，对电网的规划、运行、控制、分析和计算提出了越来越高的要求。

电力发展与环境保护

中国的能源现状是人口众多，人均资源极其有限，环境问题突出，能源效率低。此外，联合国发表的一份报告指出，目前的能源生产、分配和使用模式是不可持续的。为了实现可持续发展，我们必须依靠技术进步，提高能源效率，加强可再生能源的利用，并把发展洁净煤技术作为战略重点。

人均指数通常被用作衡量现代化的粗略标准。据统计，1993年以后，西方发达国家和俄罗斯的人均装机容量已经超过1 kW，而一些北欧国家则是数倍。我国台湾省人均装机容量已超过1kW，但电力供应仍供不应求，说明中等发达国家或地区达到或接近1kW的人均装机容量是合理的。

因此，根据“三步走”的发展战略目标，要求到21世纪中叶，中国发电装机容量达到15亿千瓦。这个时候人口要控制在15亿，这样人均装机才能达到1kW。根据可持续发展的要求，我们应该首先发展

在发电量方面，中国可开发的水资源占世界的15%，但人口占世界的21%，所以人均资源并不丰富，只有世界平均水平的70%。即使中国水电资源得到充分开发，如果核电和其他替代能源仍不能占显著比重，煤电仍可能占65%~70%。如果发电效率没有明显提高，那么到2050年，全国的煤炭产量将不足以发电。因此，发电效率必须大大提高，并且需要其他能源的情况的数量已经大大增加。

此外，燃煤造成的环境污染，特别是大量散煤燃烧造成的环境污染的治理是一个严重的问题。当务之急是控制二氧化硫的排放。许多城市的酸雨已经成为人们关注的焦点。中国大气中SO的平均浓度为0.03 ppmh，比日本高三倍的酸雨会导致I森林和农作物毁坏、水质恶化、土壤退化，加速电力系统各部分的生成，甚至造成精细终端闪络事故。三分之二的酸雨是由大量散落的煤造成的。而1/2是在等煤的过程中产生的。因此，发展洁净煤技术已被列为新世纪电力科技发展战略的重要目标之一。

洁净煤技术旨在最大限度地发挥煤炭作为能源的潜在作用，同时实现最少的污染物排放，从而达到煤炭高效清洁利用的目的。洁净煤技术是一项庞大而复杂的系统工程，包括从煤炭开发到利用的所有技术领域。主要研发项目包括煤炭加工、转化、燃烧和污染控制。目前开发领域包括高效低污染开发利用煤炭的全过程，可分为煤炭利用前的净化技术、煤炭燃烧过程中的净化技术、烟气净化技术和煤炭转化技术。

煤炭利用前的净化技术包括选煤、型煤、清洁优化动力配煤和水煤浆。选煤是去除杂质，对煤炭产品进行分级。这是合理利用煤炭资源和保护环境的一项经济有效的技术。

术。型煤是制成具有一定强度和形状的煤制品，在成型时加入适量的固硫剂，可大大减少 SO，排放。洁净优化动力配煤是将不同品质的煤经筛选、破碎、按比例配合等过程，并辅以一定的添加剂，以改变动力煤的化学组成。减少燃煤排放。水煤浆是一种以煤代油的新型燃料，灰分小于10%，超细.配以分散剂，稳定剂，成为液体燃料。

煤炭燃烧中的净化技术包括煤粉低污染燃烧技术和先进的燃烧器、流化床燃烧技术、煤综合利用新技术、煤气-蒸汽联合循环发电技术。

烟气净化技术包括烟气除尘和脱硫、脱氮.其中重点为烟气脱硫脱氮。烟气脱硫分湿式和干式方法，及新近研究开发的半湿法。

煤炭转化技术主要内容为煤炭气化和煤炭液化。

楼料电池技术是反应物燃烧与空气中的氧发生电化学反应而获得电能和热能的装置。以煤作为燃料源的燃料电池发电技术尚处于小规模试验研究阶段，其节能和环保性能很好。

太阳能、风能、地热、潮汐能、垃圾发电、污泥发电等许多新能源发电技术都有较好的环保效果。

新能源发电技术

除了前面已介绍的太阳能、风能、地热、潮汐发电新技术外，其他新能源发电技术有;高炉顶压发电、垃圾发电、污泥发电、高温岩体发电、磁流体发电、波浪发电，海洋温差发电、生物质能发电和燃料电池等。

高炉顶压发电 其技术原理是高炉炼铁产生大量带有一定压力的煤气，这些煤气在输送给用户之前，都得预先经过降温减压，可以利用煤气层在减压前后的压力差进行发电，在炼铁高炉装上高炉顶压发电装置。

垃圾发电 首先将垃圾中的有机物与金属、玻璃、塑料等分离开，然后将有机物送入密封锅炉焚烧，产生的蒸汽用来发电。

污泥发电 利用城市地下水道的污泥中的有机物作为能源，用来发电。日本东京大学发明了一种使污泥很快固化的方法，测定每公斤固化污泥有4 000 kcal热量，相当于低质煤的发热量，用来发电既节省能源，又保护环境卫生。

高温岩体发电在高温岩体上打深度达几百米至上干米的井.一直通到高温岩体层，然后从地面注入高压水，利用喷出的高温蒸汽进行发电。

核聚变发电 聚变能是两个轻原子核聚变成一个较重的核时释放的能量。太阳能主要是氢核即质子聚变释放的。聚恋维持包括太阳在内的星球燃烧了亿万年. 聚变能也是所有化石燃料以及大多数可再生能量的来源。第二次世界大战后，实现了由裂变爆炸引发的大规模轻核聚变反应，这就是氢弹——不受控的聚变能量释放装置。20世纪 50 年代初以来人们致力于受控核聚变的研究，受控核聚变将通过运行聚变反应堆来实现。利用聚变能来生产电能是美好的希望，目前尚有许多问题需要解决。

生物质能资源发电生物质能资源是指可用于转化为能源的有机质资源。主要的生物质能资源包括∶薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、酿酒废醪、糖蜜废水、屠宰废水、豆制品废水等工业有机废水、有机垃圾等。沼气发电就是一种生物质能资源发电。

电能储存技术

电能储存技术，又称蓄能技术，是一种实现高效利用电能的重要途径。

蓄能技术一般要求有∶储能密度大、变换损耗小、运行费用低、维护较容易、不污染环境。电能的储存技术大致可分三类∶

直接储存电磁能，如超导线圈蓄能系统、超级电容器。

把电能转化为化学能储存，如新型的电池。

把电能转化为机械能储存，如压缩空气、高速飞轮、抽水蓄能。

抽水蓄能是一种实用的储能量相对较大的蓄能技术。此外，最实用的是电池蓄能，它既可作旋转备用，也可作调峰或调频电源，或直接用作大用户的不停电电源UPS 。目前最大投运系统是20 MW，寿命达8~10年.造价1 000美元/kW。超导线圈蓄能和高速飞轮将在第六章做较详细的介绍。

灵活交流输电技术与用户电力

灵活交流输电系统 FACTS，其核心环节就是采用大功率电子器件作为大功率高压开关，与其他电力设备组成FACTS，以实现更灵活的调控，从而大幅度提高输电线路传输能力，提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。

目前已研制成的设备主要有;可控串联补偿器 TCSC，静止无功补偿器 SVC，静止调相机 STATCON，制动电阻 TCBR，统一潮流控制器 UPFC等。图3-28所示是国外的TCSC装置。

用户电力技术，又称定制电力，和FACTS一样都是以电力电子技术、微处理机技术、控制技术等高新技术为基础，都是用来提高电力系统运行的可壹性 可控性运行性能和电量质量，以获得大量节电效应的新型综合技术。

FACTS侧重应用于高压输电系统，用户电力技术侧重应用于低中压配电系统，有不同的使用目的和经济评价标准，但在使电网高度灵活化的效果上是一致的，甚至有些装置既可用于输电网又可用于配电网，如 ASVC。国内有的学者认为可将FACTS分为三类∶直接作用于输电的，安装于发电厂而作用于输电的和安装干配电网而作用于输电的。这样用户电力技术可以理解为安装于配电网的一种FACTS。

用户电力技术包括有功无功控制、电压控制、高次谐波的消除、蓄能等方面，已开发的装置有静止无功补偿器、配电静止补偿器、电池蓄能站、超导储能、有源电力滤波器、动态过电压限制器、固态断路器等。许多装置都是一机多功能的，又可以配合运用。

用户电力技术的重要任务是改善供电质量。电力系统供电质量问题可分为电压质量和电流质量两个方面。电压质量问题指会影响用户设备正常运行不理想的系统电压，包括电压的下垂或抬高、谐波畸变、各相电压不平衡等情况;电流质量问题指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网的谐波电流、基波无功、平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等。针对这些问题，可用串联或并联于系统负荷侧的功率调节器来改善供电质量的方法，串联改善电压质量，并联改善电流质量。

大电网互联

为满足大规模电力输送和高效配置的基本要求，需要建设安全可靠、经济高效的强大电网。从我国电网的总体发展趋势看，未来将形成由四大同步电网异步连接构成的全国互联电网，为能源电力资源在全国范围内优化配置奠定坚实的物质基础。以特高压交直流为主体连接山西、鄂尔多斯盆地、蒙东、西南、新疆五大国家综合能源基地和主要负荷中心，同时，分布式能源系统及微电网在配电网领域也得到较快发展，电网智能化水平将得到持续提升。

目前，特高压交直流输电技术已经成熟。不久的将来，我国电网的跨区输电规模和输电距离要明显超过国际上其他大电网，采用特高压交直流等先进输电技术是适合国情的战略性选择。

特高压交直流各自具有不同的功能定位，需要统筹兼顾，协调发展，共同满足大电网安全、经济运行的需要。交流具有网络功能，可以灵活地汇集、输送和分配电力，直流主要是输电功能，在大容量、超远距离输电方面一般具有经济优势。

"十一五"期间.我国四大同步申电网之间将实现直流互联，为更大程度、更广范围发挥市场在能源资源配置中的基础性作用、最终形成全国电力市场平台打下坚实的物质基础。加快构筑全国竞争性电力市场，将会充分发挥大电网联网效益，显著提升全国能源电力资源配置效率。有力推动电力工业的安全、经济、清洁、低碳发展。

现代能量管理系统

电力系统调度自动化应用计算机的开始阶段是数据采集与监控系统 SCADA，主要用于状态监视、远方开关操作、制表、记录和统计等。20世纪 80年代发展了能量管理系统 EMS，包括了SCADA，并增加了自动发电控制经济运行、安全控制等功能，以及其他调度管理和计划功能。现正引入人工智能新技术，实现综合动态控制等。3.6.7 分布式发电系统

集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界 90%以上的电力负荷供电。但这种方式也存在一些弊端，主要有∶不能灵活跟踪负荷的变化;局部事故极易扩散和导致大面积的停电;输电线路产生的电磁影响使开辟新的线路走廊越来越困难。

分布式发电系统是指功率为数千瓦至 50 MW的小型、模块式、与环境兼容的独立电源。这些电源由电力部门、电力用户或第三方所有，用以满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，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。随着电力体制改革的发展，分布式发电也可为一些用户提供一种自主的选择，使其更能适应电力市场。

通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点∶

分布式发电系统中各电站相互独立，用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故，所以安全可靠性比较高。

分布式发电可以弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电.成为集中供电方式不可缺少的重要补充。

可对区域电力的质量和性能进行实时监控，适合向农村、牧区、山区、发展中的中小城市或商业区的居民供电，可大大减小环保压力。

分布式发电的输街申损耗可以忽略，无需建配电站。可隆低或避你随加的输西由成本，同时土建和安装成本低。

可以满足特殊场合的需求，如移动分散式发电车。

调峰性能好，操作简单.由于参与运行的系统少，启停快速，便于实现全自动。根据所使用一次能源的不同，分布式发电可分为基于化石能源的分布式发电技术、基于可再生能源的分布式发电技术以及混合的分布式发电技术。

基于化石能源的分布式发电技术 ：

①往复式发动机技术∶以汽油或柴油为燃料驱动内燃机的发电机组发电，是目前应用最广的分布式发电方式;

②微型燃气轮机技术;微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷，汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，但是微型燃气轮机目前发电效率较低，所以多采用家庭热电联供的办法利用设备废弃的热能，提高其效率;

③燃料电池技术;燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置，燃料电池不污染环境，是一种很有发展前途的清净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。

基于可再生能源的分布式发电技术 ：

①太阳能光伏发电技术;太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能，光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠 、维护简单等优点，但是这种分布发电技术的成本很高，所以现阶段还需要降低成本而适合于广泛应用;

②风力发电技术∶可分为独立与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为100W~10kW，后者的容量通常超过150kW。

混合分布式发电技术 指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来，形成复合式发电系统。目前已有多种形式的复合式发电系统被提出，其中一个重要的方向是热、电、冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以大幅度提高能源利用率，降低环境污染，改善系统的热经济性。图3-29 所示为某微型燃气轮机热电联供设备。

3.6.8 微电网

分布式发电不改变原来配电网结构，延缓了输、配电网升级换代所需要的巨额投资，同时可以有效地提高大电网的供电可靠性和供电质量。但是，分布式发电也存在不足∶由于分布式电源多数依靠新能源及可再生能源发电，例如光伏发电、风力发电等，因此面临着分布式电源单机接入成本高，分布式电源的功率输出具有随机性和波动性等问题。

为了降低分布式发电带来的不利影响，同时发挥其积极的辅助作用，一个较好的解决方法就是把分布式电源和负荷一起作为配电子系统，这种系统称为微电网.有时简称微网。作为一种新技术，微电网的定义还不统一，其中一个最简单的定义是∶一组连接到大电网的受控能源与受能装置，但可以独立地运行。

所以.微电网技术是新型电力电子技术、分布式发电、可再生能源发电技术和储能技术的综合，其主要优点是∶

提供了一个有效集成应用分布式发电的方式，继承拥有了所有单独分布式电源所具有的优点。

作为一个独立的整体模块，不会对大电网产生不利影响，不需要对大电网的运行策略进行修改。

可以以灵活的方式将分布式电源接入或断开，即分布式发电具.有"即插即用"的能力。

使得多个分布式电源互联，增加了系统容量，并有相应的储能系统，克服了分布式电源响应速度慢、惯性小的缺点，减弱了电压波动和电压闪变现象，可有效改善电能质量。

在上一级网络发生故障时，微电网可以孤立运行继续保障供电，以提高供电的可靠性。

2000年，欧盟提出了微网工程，系统研究和证明微网的运行、控制、保护和安全性，确定和量化微网经济方面的优势。美国能源部也已经提出了一个以微网的形式安放和利用 DG;的阶段性计划。我国的微网研究也已经成为电力系统研究的热点。

智能电网

智能电网，就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足 21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

与现有电网相比，智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著特点，其先进性和优势主要表现在∶

具有坚强的电网基础体系和技术支撑体系，能够抵御各类外部干扰和攻击，能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入，电网的坚强性得到巩固和提升。

信息技术、传感器技术、自动控制技术与电网基础设施有机融合，可获取电网的全景信息，及时发现、预见可能发生的故障。故障发生时，电网可以快速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发生。

柔性交/直流输电、网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等技术的广泛应用，使电网运行控制更加灵活、经济，并能适应大量分布式电源、微电网及电动汽车充放电设施的接入。

通信、信息和现代管理技术的综合运用.将大大提高电力设备使用效率，降低电能损耗，使电网运行更加经济和高效。

实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用，为运行管理展示全面、完整和精细的电网运营状态图，同时能够提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和应对预案。

建立双向互动的服务模式，用户可以实时了解供电能力、电能质量、电价状况和停电信息，合理安排电器使用;电力企业可以获取用户的详细用电信息，为其提供更多的增值服务。

由于智能电网具有上述先进性和优势，已经成为世界电网发展的基本方向，也是我国"十二五"及以后电网建设的重点。