智能電網中電力設備及其技術發展分析

百宝彩黑龙江快乐十分 www.xlfik.icu 上傳時間:2016-10-11 來源: 瀏覽次數:

近年來,隨著各種先進技術在電網中的廣泛應用,發展智能電網已在世界范圍內形成共識。由于智能電網尚處于起步階段,國際上對其還沒有達成統一而明確的定義。從技術發展和應用的角度看,世界各國、各領域的專家、學者普遍認同以下觀點,智能電網是將先進的傳感測量技術、信息通信技術、分析決策技術、自動控制技術和能源電力技術相結合,并與電網基礎設施高度集成而形成的新型現代化電網。作為一個完整的電力系統,智能電網涵蓋發、輸、變、配和用全流程,各個環節中涉及大量的電力設備和關鍵技術。智能電力設備,從狹義上來說,是具有信息獲取或傳輸,并能進行邏輯判斷的電力設備,而廣義上,則可以認為是適應和支持智能電網新特點的有電力設備。實際上,就智能電網相關的各種硬件設施,比如高度的電力設備自動化,各國一直都在進行相關的建設。智能電網具有系統整合的特點和趨勢,將涉及到的各個單元或是部件整合成一個能智能化工作的系統,如智能配電系統,數字化變電站用戶電價互動系統等,這些系統中已經包含多種智能單元和部件,整合后的系統可能同時包含多個當前電力系統一、二次設備。

本文簡要分析和介紹了支持智能電網的各項新設備(新技術)包含各種新型能源發電和接入設備,超導、復合材料傳輸設備,儲能設備,新型電力電子設備,信息量測和傳輸設備,以及諸如智能電表、智能終端和智能管理終端等。其中部分技術和設備在智能電網概念提出之前就已經出現,但作為智能電網建設的重要組成或實現智能電網的重要手段,在本文中也進行了相應介紹。
國內外智能電網的側重區別
智能電網中電力設備及其技術發展的驅動可以用“環境決定側重力度決定速度”來概括。后半句表明政府意圖對智能電網發展的決策和重視程度決定智能電網和各項技術的速度,而前面半句,則表明智能電網的發展應與國情相適應,智能電力設備技術的發展也與智能電網的側重相匹配。
美國智能電網環境的特點是分布式發電比重快速上升與完全競爭性的電力市場,因此注重用戶側和配電智能設備,相關技術開發和應用也著重這兩部分。在美國“grid203032 “智能電網規劃中,美國智能電網的電力設備主要圍繞如智能電表、智能終端、智能配電網設備以及超導和儲能等方面。歐洲國家智能電網建設主要是促進并滿足風能、太陽能和生物質能等可再生能源的快速發展,把可再生能源、分布式電源的接入以及碳的零排放等環保問題作為重點,因此優先發展新能源接入與控制相關設備及技術。日本和韓國將智能變電站、配電網的自愈控制相關設備,以及大規模太陽能等新能源開發的?;び肟刂粕璞缸魑芯恐氐?。由于我國能源與用電負荷分布的情況以及網、售合并的壟斷性電力環境,導致智能電網規劃側重長距離、高電壓輸變電的發展,但同時智能用電雙向互動、分布式電源,即插即用,接入的需求及電力市場化改革,也極大推動配用電設備的發展,如智能電表及雙向通信網絡的廣泛建設。
智能電力設備發展現狀
智能電網作為一個整體,無論側重點在哪個部分,都需要眾多先進的智能電力設備的支持。
發電方面
智能電網在發電方面涉及的電氣設備包括各種可再生能源能量轉換設備,安全、可靠并網接入設備以及儲能設備。
各種新能源和分布式發電技術設備,如微型燃氣輪機、燃料電池(微透平、太陽能光伏發電(太陽板)、風力發電(風機)、生物質能發電設備、海洋能發電設備和地熱發電設備等。
智能?;び肟刂評嗌璞釜ト縭中捅;ぜ痰縉?、智能分接頭變換器、動態分布式電力控制設備等。
各種大容量儲能及高效能量轉換裝置,如蓄電池儲能、超級電容器、超導儲能、飛輪儲能以及燃料電池高容量儲氫、高效二次電池等設備。
以分布式發電系統為例,如圖1所示,發電部分、功率調節部分有多個逆變器,其中功率轉換和控制裝置又包含諸多核心設備,如各種大功率高性能變流器、大功率風力發電機的勵磁與控制器、風力發電用永磁發電機變速調速裝置、大功率并網逆變器、儲能裝置以及電網的連接設備,燃料電池、電能輸出波形質量設備,電壓跌落隔離和?;ど璞傅?。對于大功率燃料電池系統則涉及新的電路拓撲、智能集成功率變流器和智能系統級控制設備。
                                    
                            
                                                                圖1 分布式發電、儲能及轉化系統
輸電方面
智能電網網架建設,既要發展大容量遠距離低損耗輸電技術,也要考慮大規模間歇式新能源接入對輸電網的影響,主要集中于柔性交流輸電及其相應柔性交流輸電設備,高壓、特高壓直流輸電以及高溫超導技術等,前兩項涉及大量的電力電子設備,最后一項同時涉及新材料和復合材料等關鍵技術和設備。
FACTS技術及設備
柔性交流輸電技術是現代電力電子技術與電力系統相結合的產物,是智能電力設備在輸電部分應用的體現。該技術采用具有單獨或綜合功能的電力電子裝置,對輸電系統的主要參數,如電壓、相位差、電抗等,進行靈活快速的適時控制,以期實現輸送功率合理分配,降低功率損耗和發電成本,大幅度提高系統穩定和可靠性。目前已成功應用或正在開發研究的裝置有十幾種,如靜止無功補償器(SVC)、靜止調相機(STATCOM)、靜止快速勵磁器(PSS)、串聯補償器(SSSC)、統一潮流控制器(UPFC)、晶閘管控制串聯電容器(TCSC)、晶閘管控制申聯電抗器(TCSR)和可轉換靜止補償器(CSC)等。
近年來,該技術已經在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。但FACTS技術的應用還局限于個別工程,如果大規模應用FACTS裝置,還要解決一些全局性的技術問題,例如多個FACTS裝置控制系統的協調配合問題,FACTS裝置與已有的常規控制、繼電?;さ南謂游侍獾?。隨著智能電網的發展以及電力電子器件的性能提高和造價降低,FACTS裝置和設備會在未來輸電領域大規模應用。
HVDC技術及設備
高壓直流輸電是將發電廠發出的交流電通過換流閥變成直流電,然后通過直流輸電線路送至受電端再變成交流電注入受端交流電網。直流輸電核心技術集中于換流站設備,換流站實現了直流輸電工程中直流和交流相互能量轉換除在交流場具有交流變電站相同設備外,還有以下特有設備,換流閥、控制?;は低?、換流變壓器、交流濾波器和無功補償設備、直流濾波器、平波電抗器及直流場設備,而換流閥是換流站中的核心設備,其主要功能是交直流轉換,從最初的汞弧閥發展到現在的電控和光控晶閘管閥,換流閥單位容量在不斷增大。
HVDC中的輕型直流輸電系統(LIGHTHVDC)技術目前備受關注,如海上風力發電用岸上輕型高壓直流輸電裝置,采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器,可以免除換相失敗的風險,對受端系統的容量沒有要求。未來可用于向孤立小系統,(如海上石油平臺、海島)供電,或在城市配電系統中用于接入燃料電池、光伏發電等分布式電源,是智能電網發展中的重要技術和設備。
超導技術及設備
智能電網的目標是降低網絡損耗,美國智能電網規劃的一個重要目標是實現以超導為主的骨干網,大幅降低網絡損耗。超導電力技術是利用超導體的無阻高密度載流能力及超導體的超導態和正常態相變的物理特性發展起來的一門新的電力技術,它在實現電力裝置的輕量化、小型化、低能耗和提高電力系統的安全性、穩定性和電力質量等方面具有重要的意義和廣闊的應用前景。
超導技術及其發展的各種設備是智能電網發展的重要構成部分和載體。目前,超導電力技術已進入高速發展時期,若干超導電力設備,如超導電纜、超導變壓器、超導限流器、超導磁儲能系統等已在電力系統試運行。表1為超導電力設備的特點及其對電力工業的作用和影響。
                                              
變電方面
未來變電站需要在網絡信息交互共享的基礎上實現信息互用,建立電力企業的大信息平臺,并在此基礎上逐步實現智能電網所要求的諸多強大功能。目前主要進行的是數字化變電站,它由智能化一次設備、網絡化二次設備在通信協議基礎上分層構建,從而實現智能設備間信息共享和互操作。與傳統變電站相比,數字化變電站間隔層和站控層的設備及網絡接口只是通信模型發生了變化,而過程層卻發生了較大的改變,由傳統的電流、電壓互感器、一次設備以及一次設備與二次設備之間的電纜連接,逐步改變為電子式互感器、智能化一次設備、合并單元、光纖連接等內容。
智能變電站是數字變電站的發展,是以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求,自動完成信息采集、測量、控制、?;?、計量和監測等功能,并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能,實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。與數字化變電站相比,不僅是簡單的數字采集與展示更具有一定智能意義的分析功能。智能變電站中,一次設備被檢測的信號回路和被控操作驅動將采用微處理器和光電技術設計,簡化了傳統機電式繼電器及控制回路結構。數字程控器及數字公共信號網絡取代傳統導線連接。變電站二次回路中傳統繼電器及其邏輯回路被可編程序代替,傳統的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。
變電站內的二次設備,如繼電?;ぷ爸?、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發展中的在線狀態檢測裝置等將基于標準化、??榛奈⒋砘杓浦圃?,設備之間的連接采用高速的網絡通信,常規的功能裝置將具有邏輯功能???。
配電方面
智能電網配電部分將實現高級配電自動化,以適應分布式電源與柔性配電設備的大量接入,滿足功率雙向流動配電網的監控需要,同時采用分布式智能控制,現場終端裝置能通過局域網交換信息,實現廣域電壓無功調節、快速故障隔離等控制功能。智能配電網依賴前端先進的傳感量測技術對各類數據的采集,并通過通信網絡完成數據的融合和傳輸,實現運行監視與協調控制,其中包含諸多的新技術和新設備。例如構建覆蓋配電網中所有節點,控制中心、變電站、分段開關、用戶端口等,的數據通信網,將涉及光纖、無線、載波等各種組網技術及設備。對各種信息量的采集,涉及先進的傳感測量技術與設備,如光學或電子互感器、架空線路與電纜溫度測量、電力設備狀態在線監測、電能質量測量等。目前我國配電網的傳感測量比較多的是構建在光纖傳感測量技術之上,未來智能電網的構建也將在此基礎上進行延伸。
提高電能質量是智能電網構建的一個重要目標,在配電方面涉及大量的電力電子設備。而作為FACTS技術在配電系統應用的延伸,DFACTS(DISTRIBUTIONFACTS)技術綜合了配電網未來新技術的應用。DFACTS技術與輸電系統中的FACTS技術側重不同,FACTS設備的主要作用是調整輸電線路的參數,控制線路的潮流,提高輸電線路的功率傳輸極限,使輸電線路的潮流能按預定計劃實現控制,提高全網的經濟性,也可以通過快速控制提高系統動態性能,如調節電壓、控制功率振蕩和抑制次同步振蕩等,而DFACTS技術主要用來提高供電質量,即減小諧波和畸變、電壓波動與閃變、電壓暫降與電壓中斷、消除三相不平衡,使電壓的幅值和波形符合要求、提高功率因數等。配電網涉及的智能電力設備如表2所示。
                
用電方面
智能用電部分的重要目標是實現用戶互動,促使電力市場完全競爭。用戶側支持能量和信息的雙向流動,用戶可以通過實時獲取用電信息與不斷變化的不同供電商的電價,真正實現全國范圍內電力市場完全競爭。
供電側將以信息采集與管理為主,通過對配電變壓器和終端用戶的用電數據的采集和分析,實現用電監控、推行階梯定價、復合管理、線損分析最終達到自動抄表、錯峰用電、用電檢查(防竊電)等,用戶側能夠了解實時電價和按照自己需求,實時用電管理及用電質量等服務。因此該部分的智能電力設備包括,智能表計、高度自動化、即插即用式智能電力設備、智能?;ぷ爸?、測量監視設備、儲能電池、家庭自動化設備、海量數據處理設備和可視化設備等。
智能表計,具有電功率計量計時、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表,可以定時或即時取得用戶帶有時標的分時段的,如(15min,1h)等,或實時(或準實時)的多種計量值,如用電量、用電功率、電壓、電流和其他信息。
數據量測設備,可以分為用戶專用和公用事業專用。用戶專用量測主要包括具有家電控制、電能質量分析、防偷電、功率和用電量測量、實時電價處理、成本控制、自備電源監測等功能的設備。它們通常以電子計量設備為基礎通過發達的通信技術,實現對電力運行狀態及交易相關參數的測量、控制等。公用事業專用量測有公用事業監測系統和高級?;は低?。相角量測單元(PMU)、廣域量測(WAMS)、線路容量動態監測、各種先進的傳感器、具有監測功能的電子設備(如電子變壓器)等均屬前者,高級?;は低嘲ü收霞觳餳痰縉?、一些特定?;は低?,如關鍵設備監視、狀態和預想故障監視?;さ認喙刂悄艿緦ι璞?。
通信設備,通信技術涉及的智能設備種類繁多,常見的類型有銅芯線、光纖、電力線通信(BPL)、無線通信等技術,還需發展如internet、衛星、無線、3G、傳感器網絡等多種通信方式。通過這些載體,可以在更廣的范圍實現更多信息和應用的連接和集成,使數據在發電、輸電、配電和用戶等不同主體及各類應用系統之間高速傳遞。同時通信設備還包括維持精確的數據對時和同步能力的設備,提高抵御外部通信干擾的能力,降低對外部的輻射和電磁干擾等功能的技術和設備等。
智能電力設備的關鍵技術
結合我國智能電網發展特點和世界智能電網發展進程,智能電力設備方面應著重發展以下兩方面的技術。
高性能、智能化電力電子技術在未來的智能電網中,由于在發電部分各種新能源和分布式能源的開發和利用,在輸電部分電力系統安全穩定及降低網絡損耗的傳輸,以及在配、用電方面對電能質量的要求,預計會有95%以上的電能要經過電力電子技術的處理后才能使用。在智能電網中,可謂電力電子技術和裝置將無處不在,從發、輸電角度來說,電力電子技術可有效提高發電效率和提高輸電質量,從配用電角度來說,電力電子技術可有效進行節能改造,提高用電效率。
由于智能電網的范圍廣泛,圖2簡單說明了電力電子所涉及的各部分的應用,主要包括三大類產品,變頻器(變頻調速)、電能質量類產品(含高壓直流輸電、柔性交流輸電FACTS等)和電子電源產品。智能電網的電力電子設備正朝著高性能化、智能化、全數字控制、系統化和綠色化(無諧波公害)方向發展。
                         
                                                               圖2 電力電子在智能電網中的應用
低成本、高密度、大規模儲能技術
利用電能儲存技術可以實現負荷的消峰填谷,有助于提高配電系統的資產利用率,降低系統損耗,是實現電能高效利用的一項重要措施。儲能設備接入系統或用戶側還可與各種分布式電源相配合,解決風能、太陽能等的間歇性對配電系統造成的不利影響問題,與各種電能質量控制設備相配合,有助于定制電力技術的實現。目前,各種儲能技術的研究在國際上受到了廣泛的關注。隨著低成本、高密度、大規模儲能技術的突破,電力系統的運行方式將大大改變對用戶的用電策略也會產生很大的影響。
需要注意的是,智能電網所涉及的技術范圍十分廣泛且不乏很多前沿的技術創新和技術融合,有些技術已經被開發和掌握,同時還在逐步完善并向更高層次發展,如數字化變電站技術,向智能變電站的發展,而有些技術依然是攻關的難度,如大規模儲能技術、高溫超導技術等,在何處取得技術突破性進展,將會對智能電力設備產生巨大影響。
結語
信息是智能電網的基礎支撐,信息的獲取需要大量的智能裝備來支持。在智能電網中,一次與二次、裝備與電網、裝置與系統將更加融合,復合技術應用日益廣泛。專業界限的模糊將使得智能電網中智能系統的外延大大拓寬??梢栽て詰氖?,各種智能設備和智能系統在智能電網中將呈現日益整合、相互交融、靈活組態的發展趨勢。因此,在今后電網建設和改造中,應該鼓勵和優先采用適用于未來智能電網建設所需和可用的智能電網設備。(摘自《電力系統及其自動化學報》)