电力新技术及其发展趋势
中国& # 34；第十二个五年计划& # 34；这一时期电力工业发展的基本方针是: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，水电开发优先，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(UCPTE)成立于1951年。1963年实现了西欧成员国之间的400 kV互联，随后通过DC输电分阶段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，东南亚国家中，正在建设的巴库姆水电站和500千伏跨海DC输电工程将实现马东西部互联互通。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& # 34；三步& # 34；发展的战略目标要求，到21世纪中叶，我国发电装机容量要达到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，首先应开发无污染的水电资源。我国水电理论储量为6.76亿千瓦，但可供技术开发的水电资源约为5亿千瓦，相应发电量为3.24亿千瓦时，居世界首位。
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%。即使我国水电资源得到充分开发，如果核电和其他替代能源不能占显著比重，煤电仍可能占65% ~ 70%(约10亿千瓦)。如果发电效率没有明显提高，那么到2050年，将会出现全国煤炭产量不够发电的局面。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(SO，)的排放。许多城市的酸雨已经成为人们关注的焦点。我国大气中SO平均浓度为0.03 ppm(部分地区高达15 ppm)。h日本的酸雨，高3倍，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，甚至造成精细的终端闪络事故。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。它是合理利用煤炭资源和保护环境的一项经济有效的技术。型煤是具有一定强度和形状的煤炭产品。成型时加入适量的固硫剂，可以大大降低SO和排放。优化清洁动力配煤是通过筛分、破碎、配料等过程，用一定的添加剂改变动力煤的化学成分。减少煤炭排放。水煤浆是一种以煤代油的新型燃料。灰分含量小于10%，超细(250~300克)。有了分散剂和稳定剂，水煤浆就成了液体燃料。
煤燃烧中的净化技术包括煤粉和先进燃烧器的低污染燃烧技术、流化床燃烧技术、煤的综合利用新技术、燃气-蒸汽联合循环发电技术。
烟气净化技术包括烟气除尘、脱硫和脱硝，重点是烟气脱硫和脱硝。湿法和干法烟气脱硫方法，以及新开发的半湿法。
煤转化技术的主要内容是煤气化和煤液化。
建筑电池技术是反应物燃烧，与空气体中的氧气发生电化学反应，获得电能和热能的装置。以煤为燃料源的燃料电池发电技术还处于小规模实验研究阶段，节能(高效)环保性能很好。
太阳能、风能、地热能、潮汐能、垃圾发电、污泥发电等多种新能源发电技术，环保效果好。
新能源发电技术
除了前面介绍的太阳能、风能、地热能、潮汐发电新技术，其他新能源发电技术还有:高炉顶压发电、垃圾发电、污泥发电、高温岩石发电、磁流体发电、海浪发电、海洋温差发电、生物质发电、燃料电池等。
(1)高炉顶压发电的技术原理是高炉炼铁产生大量具有一定压力的煤气，在输送给用户之前，必须事先冷却降压。可以利用降压前后的气层压力差发电，可以在炼铁高炉内安装顶压发电装置。
(2)垃圾发电:首先将垃圾中的有机物与金属、玻璃、塑料分离，然后将有机物送入密封锅炉焚烧，产生的蒸汽用于发电。
(3)污泥发电利用城市地下水道污泥中的有机物作为能源进行发电。日本东京大学发明了一种快速固化污泥的方法。测定每公斤固化污泥有4 000大卡(1大卡=4.1855kJ)的热量，相当于低质煤的热值。它不仅可以节约能源，还可以保护环境。
(4)高温岩体发电。在高温岩体中打一口几百米深到顶干米的井，然后从地下注入高压水，喷出的高温蒸汽用于发电。
(5)聚变能。聚变能是两个轻原子核会聚成一个较重的原子核时释放的能量。太阳能主要由氢核或质子的聚变释放。爱让包括太阳在内的行星燃烧了数亿年。聚变能源也是所有化石燃料和大多数可再生能源的
(6)用于发电的生物质能源生物质能源是指可以转化为能量的有机资源。主要生物质能源包括:薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、废酒醪、糖蜜废水、屠宰废水、豆制品废水及其他工业有机废水、有机垃圾等。沼气是一种用于发电的生物质能源。
电能存储技术
电能存储技术又称储能技术，是实现电能高效利用的重要途径。
储能技术的一般要求是:高储能密度、低转换损耗、低运行成本、易维护、无环境污染。电能存储技术可以大致分为三类:
(1)电磁能的直接存储，如超导线圈储能系统、超级电容器等。
(2)将电能转化为化学能储存，如新电池。
(3)将电能转化为机械能储存，如压缩空气体、高速飞轮、抽水蓄能等。
抽水蓄能是一种实用的蓄能技术，蓄能比较大。另外，最实用的是电池储能，可作为旋转备用、调峰或调频电源，也可直接用于大用户的UPS(不间断电源(UPS)。目前最大运行系统为20 MW，使用寿命8~10年，成本1 000美元/kW。超导线圈储能和高速飞轮将在第六章详细介绍。
灵活的交流输电技术和用户电力
FACTS(柔性交流输电系统)，其核心环节是利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，实现更加灵活的调控，从而大大提高输电线路的输送能力，提高电力系统的稳定水平，降低输电损耗。
目前开发的设备主要有:Tcsc(晶闸管控制串联电容器)、SVC(静止无功补偿器)、STATCON(静止电容器)、Tcbr(晶闸管控制制动电阻器)、UPFC(统一潮流控制器)等。图3-28显示了国外的TCSC装置。
客户电力技术，也称为定制电力，与FACTS一样，是基于电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术。它是一种用于改善电力系统的均匀性、可控性、运行性能和电能质量，从而获得大量节能效果的综合性新技术。
FACTS专注于高压输电系统，消费电力技术专注于中低压配电系统。它们有不同的目的和经济评价标准，但在使电网高度灵活的效果上是一致的。有些设备甚至可以用于输电和配电网络，如ASVC。国内有学者认为，FACTS可分为三类:直接作用于输电的，安装在电厂内作用于输电的，通过安装干式配电网作用于输电的。这种用户电力技术可以理解为一种安装在配电网中的FACTS。
用户技术包括有功和无功功率控制、电压控制、高次谐波消除、能量存储等。研制的装置包括静止无功补偿器(SVC)、配电静止补偿器(D-STATCOM)、电池储能站(BESS)、超导储能(SMES)、有源电力滤波器(APF)、动态过电压限制器(DVL)、固态断路器(SSCB)等。许多设备是多功能的，可以一起使用。
用户电力技术的重要任务是提高供电质量。供电质量可以分为电压质量和电流质量两个方面。电压质量问题是指会影响用户设备正常运行的系统电压不理想，包括电压的骤降或膨胀、谐波预失真、各相电压不平衡等。电流质量问题是指电力电子设备等非线性负载引起的电流畸变，包括谐波电流、基波无功功率、平衡负载电流、低频负载变化引起的闪变等。为了解决这些问题，可以采用串联或并联到系统负载侧的功率调节器来提高供电质量，串联可以提高电压质量，并联可以提高电流质量。
大电网互联
要满足大规模输电和高效配置的基本要求，就必须建设安全、可靠、经济、高效的电网。从我国电网的整体发展趋势来看，未来将形成全国范围的互联电网，由四个同步电网(华北、华东、华中连接的UHV电网、东北电网、西北电网和南方电网)组成，为全国范围内能源电力资源的优化配置奠定坚实的物质基础。以UHV交DC为主体，连接陕西、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，分布式能源系统和微电网在配电网领域发展迅速，电网智能化水平将不断提高。
目前，UHV交流/DC输电技术已经成熟。在不久的将来，中国电网跨区输电的规模和距离将明显超过世界其他大电网。采用UHV AC/DC等先进的传动技术是一种战略选择。
UHV交流/DC具有不同的功能定位，需要平衡协调以满足大电网安全经济运行的需要。交流电具有联网功能，可以灵活采集、输送和分配电力，而DC主要是输电功能，一般在大容量、超远距离输电方面具有经济优势。
"第十一个五年计划& # 34；在此期间，我国四大同步电网将实现DC互联，这将为更大程度、更大范围地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奠定坚实的物质基础。加快建设全国竞争性电力市场，将充分发挥大电网互联的效益，显著提高全国能源电力资源配置效率。大力推进电力行业安全、经济、清洁、低碳发展。
现代能源管理系统
电力调度自动化应用计算机的初级是数据采集与监控系统SCADA，主要用于状态监视(信息采集、处理和显示)、远方开关操作、制表、记录和统计等。80年代开发了能量管理系统EMS(能量管理系统)，包括SCADA，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。引进人工智能新技术，实现全面动态控制。分布式发电系统
集中发电、远距离输电和大电网互联是电能生产、输送和分配的主要方式，供应着全球90%以上的电力负荷。但是，这种方法也有一些缺点，包括:不能灵活跟踪负荷的变化；局部事故容易蔓延，造成大面积停电；输电线路的电磁影响使得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几千瓦到50兆瓦，与环境兼容的小型、模块化独立电源。这些电源归电力部门、电力用户或第三方所有，以满足电力系统和用户的特定要求，如调峰、向偏远用户或商住区供电、节省输变电投资、提高供电可靠性等。随着电力体制改革的发展，分布式发电还可以为部分用户提供自主选择，使他们更好地适应电力市场。
分布式发电与集中供电系统的协调应用具有以下优点:
(1)分布式发电系统中的电站相互独立，用户可以自己控制，不会出现大面积停电，安全性和可靠性比较高。
(2)分布式发电可以弥补大电网安全性和稳定性的不足，在突发灾害发生时继续供电，成为集中供电不可或缺的重要补充。
(3)可实时监测区域电力质量和性能，适用于向农村、牧区、山区、发展中的中小城市或商业区的居民供电，可大大减轻环保压力。
(4)分布式发电的输电损耗可以忽略不计，不需要建设配电站。可以减少或避免向西运输的费用，土建和安装费用低。
(5)能满足特殊场合的需要，如移动分布式发电车。
(6)调峰性能好，操作简单。由于参与操作的系统少，启停快，便于实现全自动化。根据使用的一次能源不同，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和混合分布式发电技术。
(1)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，带动内燃机发电机组发电，是应用最广泛的分布式发电方式；
②微型燃气轮机技术；微型燃气轮机是指以天然气、甲烷、汽油和柴油为燃料，功率在几百千瓦及以下的超小型燃气轮机。但是，目前微型燃气轮机发电效率较低，所以往往采用户用热电联产的方法，利用设备的余热能量来提高其效率。
③燃料电池技术；燃料电池是一种在等温状态下将化学能直接转化为直流电能的电化学装置。燃料电池不污染环境，是一种清洁高效、极具发展前景的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
(2)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；光伏发电技术利用半导体材料的光电效应，将太阳能直接转化为电能。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。但这种分布式发电技术成本很高，现阶段需要降低成本，适合广泛应用。
②风力发电技术:分为独立运行和并网运行两种。前者为100W~10kW的微型或小型风力发电机组，后者通常为150kW以上。
(3)混合分布式发电技术是指将两种或两种以上的分布式发电技术与储能装置相结合，形成复合发电系统。目前已经提出了多种混合发电系统，其中一种是热、电、冷多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。它不仅能发电，还能提供热能或满足供热制冷的需要。与简单供电系统相比，分布式供电系统可以大大提高能源利用率，减少环境污染，提高系统的热经济性。图3-29显示了微型燃气轮机热电联产设备。
微电网
分布式发电不改变原有配电网结构，延缓了输配电网升级改造所需的巨额投资，能有效提高大电网的供电可靠性和供电质量。但分布式发电也存在一些不足:由于分布式发电多依赖于新能源和可再生能源，如光伏发电、风力发电等，因此面临分布式发电单次接入成本高、分布式发电出力随机性和波动性大等问题。
为了减少分布式发电的不利影响，发挥其积极的辅助作用，较好的解决方案是将分布式发电和负荷作为一个配电子系统，称为微电网。作为一项新技术，微电网的定义并不统一。一个最简单的定义是:一组受控的能量源(包括电源)和能量接收装置，连接到一个大的电网上，但能独立运行。
因此，微电网技术是新型电力电子技术、分布式发电技术、可再生能源发电技术和储能技术的结合。它的主要优点是:
(1)它提供了一种集成和应用分布式发电的有效途径，继承了所有单个分布式发电的优点。
(2)作为独立的整体模块，不会对大电网产生不利影响，不需要修改大电网的运行策略。
(3)分布式电源可以灵活接入或断开，即分布式发电机。还有& # 34；即插即用& # 34；(即插即用)能力。
(4)多个分布式电源互联，增加系统容量，并提供相应的储能系统，克服了分布式电源响应速度慢、惯性小的缺点，削弱了电压波动和电压闪变，能有效改善电能质量。
(5)当上层网络出现故障时，微网可以隔离运行，继续保证供电，提高供电可靠性。
2000年，欧盟提出了微电网项目，对微电网的运行、控制、保护和安全进行系统的研究和论证，并确定和量化其经济优势。美国能源部也提出了以微电网的形式放置和利用分布式发电的计划；分期计划。我国微电网研究也成为电力系统研究的热点。
智能电网
智能电网，即电网的智能化，是以集成的、高速的双向通信网络为基础，通过应用先进的传感测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法和先进的决策支持系统技术，实现电网可靠、安全、经济、高效、环保和安全使用的目标。其主要特征包括自愈、鼓励和包容用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、允许多种发电形式接入、启动电力市场和资产优化高效运行。
与现有电网相比，智能电网表现出电力流、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:
(1)具有强大的电网基础体系和技术支撑体系，能够抵御各种外部干扰和攻击，能够适应大规模清洁能源和可再生能源的接入，电网的鲁棒性得到巩固和提高。
(2)将信息技术、传感器技术、自动控制技术和电网基础设施有机融合，可以获得电网全景信息，及时发现和预测可能出现的故障。当故障发生时，电网能迅速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发生。
(3)灵活交流/DC传输、网厂协调、智能调度、电力存储、配电自动化等技术的广泛应用，使得电网运行控制更加灵活和经济，能够适应大量分布式电源、微电网和电动汽车充放电设施的接入。
(4)通信、信息和现代管理技术的综合应用，将大大提高电力设备的效率，降低电能损耗，使电网更加经济高效地运行。
(5)实现实时和非实时信息的高度集成、共享和利用，为运行管理展现全面、完整、精细的电网运行状态图，同时提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和应对方案。
(6)建立双向互动服务模式，让用户实时了解供电容量、电能质量、电价状况和停电信息，合理安排用电；电力企业可以获得用户详细的用电信息，为用户提供更多的增值服务。
由于智能电网具有上述优点和优势，它已成为世界电网发展的基本方向，也是我国& # 34；第十二个五年计划& # 34；以及未来电网建设的重点。
