02.第一章电力系统概述(第二讲)

1第一章电力系统概述(IntroductiontoPowerSystems)（第二讲）（回顾）2问题1、电能是如何传输的？2、电力系统为何用功率作为变量?3、交流电路的功率和复功率如何引入?4、什么是电力系统负荷和负荷曲线?5、典型负荷曲线有哪些？有何用途？3§3电力网：电能输送和分配一、电力网有哪些主要设备？Q除去发电机与负荷的子系统，本课程主要研究高压输电网，配电网看成负荷一部分。Q主要设备：输电线路、变电站设备（变压器、开关设备、母线等）。超高压架空电力线路断路器（一种开关）超高压电力电缆线路施工现场深圳站画面变电站电力变压器4带有开关的接线图发电机到系统的其他部分变压器负荷开关母线输电线路5二、电力网络是如何接线的？Q对保证供电的可靠、优质和经济性至关重要。Q接线图：两种类型X电气接线：电力设备间电气联接关系X地理接线：发电厂、变电所间相对地理位置及其联接路径Q接线方式（与计算机网络类似），综合考虑：供电可靠、电压合格、运行灵活、操作安全、费用经济等因素。X开式X闭式6地理接线图发电厂变电站7开式接线（从一个方向得电能）(a)(b)(c)(d)(e)(f)链式干线式放射式一般配电网运行时8闭式接线环式（单电源）闭式（多电源）两端供电式输电网运行时9一些实际电力网英国电网巴黎电网东京电网纽约电网伦敦电网北京电网10三、电力网为何要采用高电压？Q远距离大容量输电的压降和损耗：X容量：S=U*IX压降：∆V=I*ZX损耗：PL=I2*RQ高电压→高稳定性（后续章节讨论）Q由于绝缘问题，发电机电压一般10-30kV，通过变压器升压到110-750kV，高压线路远距离输电，通过变压器降压给负荷供电，大负荷直接从6-110kV上接收电能，民用负荷一般从110/220V单相电压上接收电能。11线路电压与输送容量、距离的关系150~850（跨省）1000~1500500380/220V（楼内、农电）低压配电6~20（市内）0.2~21020~50（县市内）2~103550~100（跨县市）10~50110(部分输电)高中压配电100~300（跨地区）100~500220500以上（跨大区）2000~2500750输电输送距离(km)输送容量(MVA)电压等级(kV)12四、为何要确定额定电压?Q避免电压等级数量的无限制扩大，导致互联困难，必须标准化。Q为取得最佳的技术经济性能，电力设备需要在额定电压下进行优化设计、制造和使用。Q需要确定的额定电压：X线路（即：电网）X发电机X变压器(升压、降压)的一次/二次侧13五、如何确定额定电压?(电压分布分析)0.95UN1.1UN0.95UN1.05UN14如何确定额定电压?（原则）Q线路（电网）额定电压=用电设备额定电压Q发电机额定电压=105%线路额定电压Q升压变压器额定电压：X一次侧=线路额定电压=发电机额定电压(与发电机相联：105%）X二次侧额定电压=110%线路额定电压Q降压变压器额定电压：X一次侧=线路额定电压X二次侧额定电压=110%（或105%）线路额定电压15如何确定额定电压?（算例）二次一次82575075055050050036333033024222022012111011038.5353510.5及1110及10.510.5106.3及6.66及6.36.36变压器(kV)发电机(kV)用电设备（线路、电网)(kV)16六、高压直流输电（HVDC）简介直流输电示意图整流装置逆变装置三相交流变压器送电端受电端变压器＋－直流电路三相交流17直流输电的优点？Q适用于大系统互联：两端交流系统无需同步运行，无需同频率，本身不存在稳定问题。Q直流线路造价低：费用相同时，架空线输电容量DC:AC=3:2,电缆比例更高。Q能量损耗小。Q控制快速简便。18直流输电的缺点？Q换流站造价高：AC与DC的等价距离，架空线大约500km，地下或海底电缆大约50km。Q整流产生谐波，恶化电能质量，干扰通信系统，需要滤波。Q当前技术水平下，HVDC故障次数较多。19中国HVDC工程实例葛上HVDC线葛洲坝换流站阀厅南桥换流站开关场20§4交流电路的功率和复功率一、电力系统为何用功率？Q发电/负荷均以功率和能量为单位，算钱Q功率是电力系统中最重要的概念之一21二、单相功率)tcos(I)t(itcosU)ϕ−ω=ω=22t(u)()()(titutp⋅=网络+-u(t)i(t)22电流的有功、无功分量)t(i)t(i)t(iXR+=∆有功分量无功分量φtcoscosI)t(iRωϕ=2)tcos(sinI)t(iX0902−ωϕ=U&IXI&RI&23功率的有功分量)t(p)t(p)]t(i)t(i)[t(u)t(pXRXR+=+=∆有功分量：p)tcos(cosUI)t(Rω+ϕ=21)t(pR)t(iRtω2ϕcosUI)(tu由与产生的瞬时功率，周期，始终≥0，均值，是无源网络中等效电阻的耗能速率（物理意义）tcoscosI)t(iRωϕ=2tcosU)t(uω=224功率的无功分量tsinsinUI)t(pXωϕ=2无功分量：由与产生的瞬时功率，周期，均值=0，峰值，是无源网络中等效电抗与外电源的电能量交换速率（物理意义）)t(pX)t(iXtω2ϕsinUI)(tu请考虑纯电阻、纯电抗、纯电容网络的功率？tcosU)t(uω=2)tcos(sinI)t(iX0902−ωϕ=25三、单相有功和无功功率Q有功功率P定义为的均值：)t(pRQ无功功率Q定义为的峰值：QP物理意义：无源网络消耗的功率均值。QQ物理意义：无源网与外界交换能量的能力大小，均值为零，交换功率峰值，未消耗，是无源网电感和电容存储和释放场能的过程。ϕ=ϕ=26如何进一步理解Q？电网需要Q吗？Q网络若是电感性的，则Q0，习惯上认为网络“吸收”感性无功，是“无功负荷”。Q网络若是电容性的，则Q0，习惯上认为网络“吸收”容性无功，是“无功电源”。（“吸收”感性（或容性）无功功率相当于“发出”容性（或感性）无功功率）Q动画27四、如何引入复功率？Q视在功率S定义为与有效值之积：Q带来数学上的方便：功率三角形Q由功率三角形，可引入复功率概念，用表示：)t(i)(tuUIS=222QPS+=SPQφS&∗=IUS&&ϕ∠=δ−δ∠=UIUIiu功率因数角jQP+=sinjUIcosUIϕ+ϕ=28引入复功率的好处？Q物理意义：功率三角形关系的复数形式X实部是有功功率PX虚部是无功功率QX幅角是功率因数角φX模是视在功率SQ计算方便：在电路计算中，复功率可以相加，而视在功率S不能直接相加。29五、平衡三相功率)()()()()()()(titutitutitutccbbaap++==ϕ===33Q为表示方便，定义三相无功Q：ϕ==sinIUQQPPP33（事实？）PPPIUSS33==Q定义三相视在功率S：Q用线电压和线电流表示，对Y和△接法，均有：(φ仍是相电压和相电流夹角)ϕ=cosIUPLL3ϕ=sinIUQLL3LLIUS3=Q定义：观察现象推导结论（？）30六、平衡三相复功率QS、P、Q间仍组成功率三角形，因此引入：Q用线电压和线电流表示，对Y和△接法，均有：PPIUS∗=&&30303jLLeIUS−∗=&&（推导？）jQPsinIUjcosIUIUIULLLLLLiLuLLL+=ϕ+ϕ=ϕ∠=−δ−δ∠=3333030(φ仍是每相的功率因数角)31§5电力系统负荷：电能使用和消耗一、什么是电力系统负荷？Q电力系统负荷是电力用户所需电功率的总和，也称电力系统综合用电负荷。Q可能包括工农业、交通运输和人民生活等各方面的各种用电设备。Q主要有电动机（同步和异步）、电炉、电热、照明、整流设备等，在不同行业中比重不同，最大量的是异步电动机。Q这里研究的电力系统负荷是指高压输电系统负荷，如：一个乡镇或者大工厂的总负荷，配电网络是负荷的一部分。32二、电力系统负荷间的关系图发电负荷供电负荷综合用电负荷厂用电网络损耗33三、负荷损耗Q厂用电：维持发电厂运行自身所需的功率。X火电厂5~8%X水电厂0.1~1%X核电厂4~5%Q网络损耗(网损)：电能传输、分配中消耗的功率，约为：(5~10%)负荷。34四、什么是负荷曲线？如何分类？Q描述负荷变化趋势的数学手段：指一段时间内负荷随时间变化的曲线Q按负荷类型分：X有功负荷曲线X无功负荷曲线Q按时间分：X日负荷曲线(周、旬…)X月负荷曲线X年最大负荷曲线—时序负荷曲线X年持续负荷曲线—累计负荷曲线35如何分类？Q按对象分：X发电厂负荷曲线X变电所负荷曲线X线路负荷曲线X用户负荷曲线36五、日负荷曲线Q24小时内负荷随时间的变化，随季节、地区不同而变Q用途：X制定日调度计划X计算日耗电量（千瓦时）（度）∫=0ddtPAQ特征量：X日最大负荷(峰荷)Pmax、日最小负荷(谷荷)PminX平均负荷PaX高峰负荷(峰)、基本负荷(谷)、中间负荷(腰)2437日负荷曲线图例38六、年最大负荷曲线Q反映一年内逐月（或逐日）电力系统最大负荷的变化Q用途：X安排全年机组检修X扩建或新建发电厂Q备用：负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用等Q不同地区曲线特点不同39年最大负荷曲线图例40七、年持续负荷曲线Q电力系统全年负荷按大小及累计持续运行时间（小时数）的顺序排列而作的曲线Q用途：编制发电计划、计算可靠性、系统规划Q算出全年所耗电能：Q年最大负荷利用小时数：全年所耗电能，若按最大功率使用所能持续的时间：(小时)Q我国Tmax约5000小时，发达国家要小一些。∑∫=87600ydtPAmax8760maxmaxPPT==0ydtPA∫∑41年持续负荷曲线图例42八、什么是负荷预测？Q负荷预测：利用已知的历史负荷、气象信息等，结合人工经验，预测未来的负荷变化。Q重要性：可类比产品市场预测，况且电能不同大量存储，对预测精度要求。Q难度（类比天气或股市预测）：有工农业生产状况、地理位置、气候气象条件、节假日、作息制度及人民生活习惯等诸多因素的影响。Q尚未完全解决。43作业Q（1）习题集1-2、3、4、5Q（2）选做：关于功率的专题研究报告：（取φ：-90、-45、0、45、90度观察和解释现象）