电力电子节能技术在智能电网中应用

1四、电力电子节能技术在智能电网中应用——节能关键技术、市场前景广阔战略规划部高峰1智能电网对先进电力电子技术的需求随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，电网发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，积极发展智能电网，适应未来可持续发展的要求，已成为国际电力发展的现实选择。国家电网公司已提出立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一智能电网的发展目标。建设智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的战略意义。以灵活交流输电(FACTS)技术、高压直流输电(HVDC)技术、定制电力(custompower)技术和能量转换技术等为代表的先进电力电子技术越来越广泛地应用到我国电网中，它是建设统一坚强智能电网的重要基础和手段。1.1在强化优化电网及保障大电网安全方面的需求智能电网是一个互动系统，对于系统变化、用户需求和环境变更的要求，电网要有最佳的反应和适应能力，而电力电子技术是使电网迅速反应并采取相应措施的有力手段。当前，我国电网中的先进电力电子技术通过多种形式的自主创新，已在HVDC、FACTS等相关产业中形成培育点，在提高电网输配电能力、改善电网电能质量、降低故障损失及缩短故障后恢复时间方面取得了一些成果。未来智能电网的建设发展，势必对先进电力电子技术的进一步发展提出新的需求。我国电网网架结构相对比较薄弱，在输电、配电等领域还存在很多需要调节2和提升的地方，必须加大灵活交流输电装置的研发力度，强化电网网架结构。从世界电网发展历程来看，大电网互联是未来电网发展的必然趋势。我国交直流互联的大电网结构日趋复杂，运行控制难度也逐渐加大，此外，我国极端自然灾害频发，极端外部灾害事件会对大电网安全可靠运行造成灾难性损害。在此情况下，先进电力电子装置作为重要的系统调控手段，可以用来调节输配电网的潮流分配，增强网架结构，抑制电网故障的传播，并提升电网在各种故障下的“自愈”能力，从而提高我国大电网安全稳定运行水平，更好地支撑经济社会发展。1.2在促进可再生能源有效利用方面的需求我国陆上风能和光伏发电资源主要分布在东北、华北、西北地区，到2020年风电将达到100-150GW、光伏发电达到20GW规模，其中风力发电将集中开发若干千万千瓦级基地，太阳能光伏发电则呈现分散接入和规模开发并举的特点。大规模、分散性的可再生能源所固有的间歇性、不确定性等问题，对电网的安全稳定运行提出了更高的要求。通过智能电网的建设，来实现可预测、可控制的可再生能源发电调度与控制，是促进可再生能源发展的前提。这主要是通过使用先进的电力电子技术，来保证可再生能源发电的大规模、分布式接入和远距离送出，使电网对可再生能源具有容纳性和适应性，从而为提高清洁能源比重、有效应对全球气候变化带来的挑战打下坚强基础。1.3在改善电网电能质量与电力市场方面的需求随着经济社会的不断发展和科学技术的全面进步，社会工业水平日益提高，电能质量问题越来越受到重视。大规模风电场、光伏发电站和微型电网等并网与电气化铁路的挂网运行都对电能质量造成了较大影响。相关统计数据表明，美国每年由电能质量造成的损失高达上千亿美元。同时，随着用户参与电力市场的程度越来越深入，供电方与用户之间的联系越来越密切，如何提高能源利用效率，是双方都非常关注的问题。使用电力电子技术和装置来治理电网电能质量，并同时提升电网的配电效率和用户与供电方之间的交互，实现优质、高效的电力供应，是智能化电网发展的一个重要方面。31.4在保障电网电力电子装置可靠性方面的需求电力电子技术在电力系统中的应用已经取得了较大进展，但是现阶段还没有健全的大规模应用电力电子装置的可靠性、经济性评估体系。如何评价大规模应用电力电子装置时的电网适应性与电力电子装置带来的经济效益成为一个亟待解决的问题。安全使用电力电子技术是智能电网的重要课题，由于大量采用电力电子换流技术，所以在系统中发生了谐波不稳定和同步电机自激扭振或次同步谐振问题，这是电力电子和HVDC系统的关键问题之一，国内也已开始了相关的研究工作。此外，现有仿真技术的不足也限制了电力电子技术的发展，必须建立电力电子统一仿真平台，深层次挖掘电力电子装置在电网中的特性，保障电力电子装置的可靠性，提高电力系统可靠性。1.5在节能减排技术研究方面的需求国家电监会、国家发展和改革委员会、国家能源局对2008年全国电力企业节能减排工作的监督检查结果表明，电力企业节能减排是一项长期的、艰巨的工作。随着国家对清洁能源的需求不断增大、对环境的要求越来越高，必须通过电力电子技术的跨越式发展来解决变流器技术这一瓶颈，通过应用可靠性高的电力电子装置来提高现有输电线路的输送能力，通过研制超级电容而推广混合动力汽车、电动汽车的应用。2国家节能政策催化电力电子节能市场爆发近期，国家发改委、工信部、财政部、国资委、电监会、能源局联合印发《电力需求侧管理办法》,《办法》确定了电力需求侧管理的定义，明确了电力需求侧管理工作的责任主体和实施主体，提出了电力需求侧管理工作的管理措施和激励措施。《办法》的本质是将需求侧管理工作纳入能源发展和经济社会发展的总体规划，引导电力用户科学用电电网企业是电力需求侧管理的重要实施主体，应加强对电力用户用电信息的采集、分析，为电力用户实施电力需求侧管理提供技术支撑和信息服务。电力用户是电力需求侧管理的直接参与者，国家鼓励其实施电力4需求侧管理技术和措施。《办法》推广将使电力电子技术产品迎来巨大市场。《办法》鼓励电网企业采用节能变压器，合理减少供电半径，增强无功补偿，引导用户加强无功管理，实现分电压等级统计分析线损等，稳步降低线损率。鼓励用户采用符合国家有关要求的高效用电设备和变频、热泵、电蓄冷、电蓄热等技术，合理配置无功补偿装置，加强无功管理，优化用电方式。中国电力电子节能产品市场仍属于起步阶段，我们认为未来几年中国电力电子技术产品将保持高速的增长。无功补偿提高电网功率因数，节能效果显著高压动态无功补偿装置（SVC）节能效果显著，并具有降低电压波动、闪变、畸变，改善电能质量，减少三项不平衡，抑制谐波，保障电网安全等功能。从冶金、电力系统、电气化铁路等行业实际应用情况来看，应用SVC后，可使功率因数从0.7提高到0.95以上，节能35%以上，并能抑制电压波动、闪变、畸变，减少三项不平衡，滤除谐波干扰，改善电能质量，节能效果显著。谐波治理市场即将爆发电能损耗约占发电量的30％，其中由谐波污染导致的电能损耗达10％。有源滤波装置具有自动化程度高、投入或退出运行时对系统的影响小、补偿与滤波效果好、响应时间短、占地少、使用安装方便等优点，是今后电力补偿与滤波的发展方向，预计有源滤波器年均市场容需求100亿。其他电力电子节能产品如高效电子电源、变频器等也将迎来快速发展！国家发改委、工信部、财政部、国资委、电监会、能源局联合印发《电力需求侧管理办法》将从2011年1月1日开始实施。3能量转换技术在智能电网的应用以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济是未来社会发展的方向，其核心之一就是能量转换技术的创新及应用。风能、太阳能等可再生能源的利用已成为当今国际上能量转换技术的研究热点。能量转换技术在智能电网中应用的技术发展趋势是风能、太阳能等可再生能源的利用以及大规模间歇性电源与微网等并网运行。应用的关键技术包括大规模间歇式电源的能量转换技术、聚群功率调节器关键技术、规模化大电流充电技术、5中压大功率风机变流器技术、抽水蓄能启动变频技术、轨道交通的能量反馈系统、电动汽车与电网能量双向转换技术等。我国目前对轨道交通能量反馈系统，抽水蓄能启动变频技术和风力发电机组变流器控制技术已有研究，其中风力发电机组变流器控制技术的核心已被掌握。我国现阶段主要集中在开发大规模风电场的并网技术，长期来看大范围光伏发电的可靠并网运行也将成为电网发展的方向。与国外相比，我国对能量转换技术的研究才刚刚起步，相关技术还有待进一步研究。3.1风电变流器系统图1风电变流器系统原理图2009年以前，国内发电机组的变流器全部依赖进口，以九洲电气、龙源电气、清能华福、阳光电源、海得控制、北京动力源为代表的本土企业通过自主研发已经掌握了兆瓦级双馈、直驱型风机变流器技术，打破了国外企业的垄断，随着我国风电建设的全面铺开，企业也获得了更大的发展空间。变流器具有高技术壁垒和进入门槛：风电变流器制造不仅需要制造企业具有变频器的制造能力，而且还需要企业具备对风电特殊性有深刻理解；主要难度集中在拓扑和控制设计以及元器件的制造上；从技术上看，为了提高风电机组的稳定性、增加使用寿命，机械部件的简单化和电力电子控制部件的复杂化将是未来整机发展的趋势，从而使得变流器的重要性不断提高。风电变流器分为两种，分别用于双馈和直驱风机，前者为部分变流，价格较低，为40万/MW，直驱风机6使用的全功率变流器价格约为60-70万/MW；2010年中国风电逆变器市场容量约50亿，而全球风电变流器市场则超过180亿，进口替代空间很大。中国近几年风电装机容量连续翻番，2009年中国已经成为新增风电装机容量最大的国家，约为1300万千瓦，而全球新增风电装机容量为3750万千瓦，占比超过1/3。展望未来，中国在2020年风电装机容量达到1.5亿千瓦以上，正积极部署七大千万千瓦级风电基地，电网侧也正在修建特高压电网和研究储能来解决风电的不稳定性问题。截止2009年底，我国风电装机容量约为2200万千瓦，以每千瓦600元计，未来十年我国风电变流器市场容量约为600-700亿元，年均60-70亿元。因此，我们预期未来新增风电装机会保持持续的增长。图2中国风电变流器市场规模预测（亿元）目前国内的风电变流器基本由国外企业诸如ABB、艾默生等垄断，因此未来进口替代空间非常大。变流器是国内风电整机零部件配套的短板，外资品牌目前市场占有率超过95％。在进口替代政策和行业性高盈利能力的驱动下，国内企业正在加紧进行产品研发和推广。根据主要企业的产能规划测算，未来2-3年国产产品市场占有率有望超过1/3；3.2光伏逆变器近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，光伏发电用逆变器处进入快速增长阶段。据相关资料2007年全球光伏发电逆变器销售额12.3亿美元，2008年全球光伏逆变器的销售额为25亿美元，较2007年增7长了近1倍。图3太阳能并网发电系统原理图根据规划，到2020年我国太阳能发电装机将达到2000万千瓦，截止2009年底，国内太阳能发电累计装机容量约为30万千瓦，以3元/瓦计算，未来十年，国内光伏逆变器市场容量约为590亿元，年均59亿元，市场将出现爆发式增长。图42005-2008年国内光伏逆变器产量（MW)合肥阳光电源、北京动力源、荣信股份等公司已经推出了自主知识产权的光伏逆变器产品，将率先分享光伏产业高速发展的盛宴。3.3电动汽车充电设备3.3.1“谷电”潜力大！庞大的电动车充电可为国家电网带来巨大利益为解决用电高峰期用电紧张问题，国家需投入大量资金平抑“峰谷”用电，8以保证足够的富余供应量，建成之后大部分时间被闲置，造成巨大浪费。以上海电网为例（上海地区把超过90%的负荷定义为电负荷），每年出现电负荷的时间只有100到200个小时，但是电网之间为了解决每年的负荷，仅仅输配电投资即达到200个亿，还不包括增扩建发电厂的投资。庞大的电动汽车晚上充电储存富余的电能，可一定程度减轻电能浪费。“谷电”价格便宜50%，电动车使用费用更显优势。据中电联08年数据，全国全口径发电量34334亿千瓦时，全社会用电量34268亿千瓦时。晚上用电需求大减，电力公司不少发电机处于空转状态（重启发电机所需能源比空转时耗能更大），闲置浪费量按1%计算也有340亿千瓦时，足够6.8亿辆纯电动汽车充电。同时国家电网也获得新增售电收入。3.3.2国外充电站发展情况根据PikeResearch的报道，到201