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关于能源科技动向和发展的几点体会

北极星输配电网  来源:电网头条  作者:纪锋  2021/2/23 15:09:23  我要投稿  

北极星输配电网讯:2015年09月26日,中国国家主席习近平在纽约联合国总部出席联合国发展峰会,发表题为《谋共同永续发展,做合作共赢伙伴》的重要讲话。在讲话上,习近平宣布:中国倡议探讨构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。2020年,国家电网公司确立了新的长远发展战略目标,即建设“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”。

从人们利用能源的技术发展来看,始终是在以下三个维度上进行展开的。

1. 能量密度:人类能源系统的能量密度越来越高的。

2. 能量控制的精度:人类对能量的控制是越来越精细化的。

3. 能量系统的稳定性:稳定性是能量系统自身的内在要求。

能量密度

人类利用高密度能量的科技发展,可以从陶器的烧制开始讲起。人类认识自然并利用自然的第一次实践是对火的使用。而陶器是人类借由火缔造的第一个人工材料,黏土加水加火,烧制成陶器。人类早年使用火,只能堆成篝火,篝火一般的温度只有400℃左右,然而烧陶需要的火温要在800℃以上,必须要把火聚拢在窑炉中去烧,这样火温才能达到800℃以上。所以,人类早年在窑炉中烧陶,提高了使用火的技巧,为后期的文明做了铺垫。

当窑炉温度提高到1083℃以上,超过了铜的熔点,就出现了青铜器;当窑炉温度提高到1300℃以上,就可以烧制瓷器;当窑炉温度提高到1538℃,超过了铁的熔点,就会出现铁器。而现在人类要进行可控核聚变试验,也就是人造太阳,需要的窑炉温度要达到上亿℃,没有任何材料可以在这种条件下保持稳定,也就是说我们找不到可以用来做窑炉外壁的材料。

那么只能建造一个托克马克,是一个大型的电磁铁,产生一个强磁场来隔绝高温,用强磁场来做窑炉的外壁。但是由于要产生这个强磁场所需要的电流非常之大,导线的线损会非常高。所以美国人当年开展曼哈顿计划建造的第一个托克马克使用的是银导线,而非铜导线,原因就是银导线的导电率要高于铜导线。而现在,随着科技进步,我们国家开展人造太阳的研究制造的托克马克就已经使用高温超导材料做导线了。

人类科技进步体现在能够利用的能量密度越来越高,所有的科技进步都是围绕这个方向来展开的。19世纪初,瓦特改良的蒸汽机的功率只有10~20kW,而目前大型火力发电机组的功率可以达到100万kW,瞬间发出的能量密度越来越高了。要把这些能量实时地输送出去,那么输电系统的电压等级越来越高,输送的电流越来越大。更高的电压等级,就需要更高强度“窑炉容器”,也就是需要提高绝缘材料的耐电压水平。

在未来,特高压的发展方向仍然是,用更小的体积,更窄的输电走廊,输送更高的能量密度。

控制精度

这么高的能量密度,必须要进行精确地控制。控制精度的提高依赖于测量技术和电力电子技术的发展。

测量技术的进步,就是在测量幅度范围和频带范围上进行延展。幅度,包括了最大值和最小值,最大值是指几百千伏的电压可以测量到,不会因为超量程而把传感器烧坏;最小值是指能够测量到的电压最小分辨率,几伏甚至零点几伏的电压变化也可以测量到。

频带范围的提高则主要是指高频信号的可测性,对于频率很高的,快速变化的电压、电流,传感器的输出信号能否准确跟踪和识别。

在电力电子技术出现之前,人们只能通过机械装置或者模拟电路来实现对电压、电流的调节,非常不灵活。然而,有了电力电子技术以后,人们就可以使用数字控制器来调节电力电子开关,实现电压、电流的控制,就可以灵活调节了。

虽然随着PLC等工业控制技术的发展,数字控制器可以实现很高的控制频率,然而大功率的电力电子器件本身却不能承受太高的开关频率,否则会因为开关频繁而出现过高的损耗。基于晶闸管的直流输电技术,每个晶闸管的开关频率与电网频率相同,为50Hz。而新能源发电使用的变流器,是基于IGBT元件的,通过PWM(脉宽调制技术),往往可以实现几kHz的开关频率。MMC(模块化多电平)换流阀由于使用电容级联技术,虽然单个IGBT的开关频率仅为100Hz左右,却可以对电压、电流等状态量实现几十kHz的控制频率。

在未来,能源互联网的控制精度,仍然会在测量范围(包括幅度和频带)和控制频带上进行更大范围的延伸。

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