第1章 电力系统概述 杨以涵

1本课程的性质、目的和任务•了解对电力系统的组成和运行，并掌握电力系统的稳态运行、电力系统的暂态过程、电力系统控制的各种分析和计算方法•后续的专业课程和今后的从事电力系统行业的工作奠定扎实的基础理论知识和基本技能。2本课程的教学内容电力系统基础、接线电力系统元件参数及等值电路电力系统潮流计算---稳态运行各母线电压、支路电流与功率及网损电力系统有功功率平衡与频率调整电力系统无功功率平衡及电压调整短路电流的计算与分析—故障分析，三相短路概念电力系统的稳定性—静稳、暂态稳定—发、输、变、配—物理元件的数学模型3第一章电力系统概述•第一节电力系统中能源的构成•第二节电力系统的形成•第三节电力系统的负荷•第四节电力系统运行的特点及要求•第五节电力系统的电压等级和规定•第六节我国电力工业的发展4第一节电力系统中能源的构成能源分类电能来源一次能源：自然界演化生成的动力资源如煤炭、石油、天然气、水能等二次能源：一次能源转换而成的电能火力发电、水力发电、核发电；太阳能发电、风力发电5一、火力发电火电发电燃料燃烧水蒸汽机械能发电火电厂凝汽式—效率低（37~50%）、容量大，坑口电厂热电厂—效率高（60~70%）、容量小，城市区6一、火力发电凝汽式火电厂热电厂（单一生产电能）效率低（37~50%）（既生产电能，又提供热能）效率高（60~70%）图1-1凝汽式火电厂生产过程示意图7一、火力发电8一、火力发电9呼盟煤电基地2160锡盟煤电基地1200晋东南煤电基地外送规模2000陕北煤电基地外送规模1440宁夏灵武煤电基地外送规模1320蒙西煤电基地外送规模3000我国部分煤电基地建设设想方案10二、水力发电水冲击水轮机旋转带动发电机发电水电厂堤坝式引水式：河床坡度较大时坝后式：单独筑坝，厂房在坝后（三门峡）河床式：厂房与坝一起（葛州坝）混合式：兼有堤坝式与引水式抽水蓄能水电厂11二、水力发电12二、水力发电13二、水力发电水资源蕴藏量：6.8亿KW可利用量：3.78亿KW20世纪末，装机3.0亿KW，水电0.9亿KW三峡水位：200m流量：14300m3/s可装机：2500万kW计划装机：70*26=1820万kW，三峡地下电站6台70万千瓦机组中，最后两台计划2012年5月底前投产。届时，三峡工程将全面达到其设计的发电能力14三、核电厂核能用核蒸汽发生系统代替火电厂锅炉生产蒸汽系统裂变能：一定能量的中子撞击重金属元素的核（铀、钚）聚变能：不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚）反应堆热中子反应堆：铀235为燃料，低中子撞击，目前采用快中子反应堆：铀238、钚239为燃料，高速、高能中子撞击，效率高100倍，个别国家使用1kg铀235相当于2700t煤15核能发电的利弊：(1)核能发电不产生二氧化碳，即没有排放问题；(2)核能发电的安全性问题；（3）核裂变放出的能量巨大，但核能也是不再生能源。切尔诺贝利核电厂：石墨水冷堆三里岛核电厂：压水堆16•1951年第一座100kW核电站在美国•我国秦山一二三期、大亚湾、岭澳一二期、田湾一期。•2020年我国装机达9.5亿kw,其中核电4000万kw•未来15年计划修建40座100万kw核电站•核电投资大：1.1~1.65万元/kW；火电：4000元/kW•建设周期：核电70个月；火电：30个月•核电比火电寿命长30年17三、核电厂18四、分布式可再生能源发电可再生能源发展的必然性：(1)大机组、大电网、高电压是当代电力系统的主流；(2)化石燃料是不可再生，并资源有限；(3)环境污染、环境保护等。可再生能源的特点：(1)装机容量小、靠近用户；(2)就地取材、就地消费。可再生能源发电，有太阳能、风能、地热、潮汐、植物桔杆等。19(一)风力发电离网型风力发电的特点：发电规模小，通过蓄电池等储能装置或者和其他能源发电技术相结合；并网型风力发电的特点：发电规模大，可得到大电网的补偿和支撑，更充分地开发可利用的风能资源。20(二)太阳能发电太阳能：“取之不尽，用之不竭”光—热转换光—电转换光—化学转换直接转换间接转换转换形式直接转换直接将太阳能辐射能=〉电能(光伏发电)直接将太阳热能=〉电能(半导体材料的温差发电)21(1)、太阳能电池发电（光伏发电）图1-13离网太阳能光伏电系统太阳能电池是利用半导体P-N结的光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件。22图1-14并网屋顶太阳能光伏发电系统示意图适应太阳能能量密度较低的特点，易于普及，不仅节省输配电设备，减少电力损耗，而且具有灵活性和经济性。23(2)、太阳能热动力发电太阳能热动力发电是通过一种集热装置收集太阳辐射能，并用于加热工质，然后用高温高压的工质推动热力机械做功，从而带动发电机发电。图1-15太阳能热动力发电示意图24发电用电输电变电配电25电力系统的优越性：1）减少总备用容量的比重2）可以采用高效率的大容量机组3）可充分利用水电厂的水源资源4）减少总负荷的峰值5）提高供电可靠性26电力系统的基本参量：1）总装机容量：指该电力系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，kW、MW、GW来计。2）年发电量：指该电力系统中所有发电机组全年实际发出的电能的总和，MWh、GWh、TWh来计。3）最大负荷：一般指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，kW、MW、GW来计。4）最高电压等级：指该电力系统中最高电压等级电力线路的额定电压，kV来计。27电力系统的用户：第三节电力系统的负荷大致可分为异步电动机、同步电动机、各类电炉、电力电子设备、电子仪器、电灯等负荷：用电设备在某个时刻从电力系统中取用的功率，其特点是随机性。负荷曲线：指某一时间段内用电负荷随时间变化的曲线。28负荷曲线的类型：日负荷曲线年负荷曲线按时间段划分为负荷曲线的描绘：不间断地连续曲线，一般有折线法或阶梯法。用户负荷曲线地区负荷曲线电力系统负荷曲线按负荷范围划分为29负荷曲线的举例：图1-17有功日负荷曲线图1-18有功日负荷曲线(折线法)(阶梯法)30负荷曲线及表示法日负荷曲线—安排电能生产计划的基础年负荷曲线—安排检修计划、装机计划的依据31用户的日用电量计算：日平均负荷为负荷率（反映负荷曲线的起伏情况）为240PdtW24024124PdtWPavmaxPPKavPKp值小表明负荷曲线起伏大，发电机的利用率较差。32最大负荷曲线:主要用于指导制定发电设备检修计划和制定新建、扩建电厂的计划等。图1-19有功功率年最大负荷曲线33年持续负荷曲线:一年内每个小时的负荷按其大小排列而成，用于安排发电计划及可靠性估计。图1-20年持续负荷曲线34全年的电能消耗量为负荷类型Tmax（h）照明及生活用电一班制企业二班制企业2000-30001500-22003000-4500最大负荷利用小时数为负荷类型Tmax（h）三班制企业农业用电6000-70001000-1500niiitPW1max1maxmax/PtPPWTniii表1-1各类用户年最大负荷利用小时35第四节电力系统运行的特点及要求1、电能的特点(1)电能不能储存；(2)暂态过程非常迅速；(3)和国民经济各部门间的关系密切；(4)电力系统电能质量要求高，对电压、频率、波形都有严格的国家标准。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。电能以电磁波形式传播，（30万km/s）运行和故障发生十分短促。362、电力系统的要求(1)保证供电可靠性；造成对用户停止供电的原因：a)电力系统的元件(如发电机、变压器、线路等)发生故障；b)系统运行的全面瓦解(如稳定性破坏)。保证供电可靠性的要求：a)要求电力系统元件具有足够的可靠性；b)要求提高系统运行的稳定性、增强抗干扰能力，保证不发生或不轻易发生造成大面积停电的系统瓦解事故。37按供电可靠性要求不同，负荷分为第一类：用户停电将造成人身事故，设备损坏，产品报废，生产秩序长期不能回复，市政生活混乱等。第二类：负荷供电中断将造成大量减产，是人民生活受到影响。第三类：不属于上述两类的负荷，如工厂的附属车间小城镇及农村公用负荷等。38(2)保证电能质量；电能质量以电压、频率以及正弦交流电的波形来衡量。一般规定，电压偏移不应超过额定电压值的±5%。电力系统规定，频率偏移应不超过±0.2~±0.5Hz。(3)提高电力系统运行的经济性；a)采用高效、节能的发电设备，提高发电运行的经济性，降低发电过程中的能量消耗。b)合理发展电力网、降低电能在输送、分配过程中的损耗。39一、为何要确定额定电压?电网(线路)的额定电压只能使用国家规定的额定电压。它是确定各类电气设备额定电压的基本依据。标准化：避免电压等级数量的无限制扩大，导致互联困难。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。第五节电力系统的电压等级和规定40二、如何确定电气设备的额定电压?=电网额定电压升压变：=发电机额定电压同一标称电压下，不同电气的额定电压是不同的1、用电设备允许偏差%52、线路首末端允许偏差%101.05UN0.95UNU2U1UN3、发电机在首端：额定电压高出接入电网电压5%4、变压器一次侧：用电设备降压变：=电网额定电压UN二次侧：发电设备额定电压为空载电压内部损耗约5%二次电压高出10%41二、如何确定电气设备的额定电压?4243课堂练习：试确定下图所示供电系统中发电机和各变压器的额定电压？GT1T2T310KV6KV电网220V/380V电网35KV44例：图A为一升压变压器，一次侧接发电机，电压等级为10KV；二次侧接输电网，电压等级（网络电压）为220KV。45变压器一次侧额定电压为：UTn1=10.0*(1+5%)=10.5KV;变压器二次侧主抽头额定电压为：UTn2=220*(1+10%)=242KV;变压器二次侧5%抽头额定电压为：UTn2+5%=242*(1+5%)=254KV;（比主触头的额定电压高5%）变压器二次侧-5%抽头额定电压为：UTn2-5%=242*(1-5%)=229.9KV;（比主触头的额定电压低5%）46例：图B为一降压变压器，一次侧接输电网，网络额定电压为220KV；二次侧接配电网，网络额定电压为10KV。47变压器一次侧主抽头额定电压为：UTn1=Un1=220KV；一次侧+5%抽头的额定电压为：UTn1+5%=220*(1+5%)=231KV；一次侧-5%抽头的额定电压为：UTn1-5%=220*(1-5%)=209KV；二次侧主抽头额定电压为：UTn2=10*(1+10%)=11KV；48三相交流输电线路传输的有功功率为P=一定UI截面积S功率损耗电能损耗绝缘要求投资越大cos3UIP因此，电压过高或过低都不合理，对应一定的输送功率和输送距离，应合理选择电压。三、标准电压等级的确定：49电力工业发展的经验表明：1)标准电压等级过多，使设备制造部门的生产复杂化，增大了设备成本，运行管理部门也因电压层次过多而管理运行困难；2)标准电压等级过少，使电力部门合理的选择电压等级有一定困难。50表1-2电力系统的标准电压用电设备额定电压（kV）交流发电机额定电压（kV）变压器额定电压（kV）一次绕组二次绕组3610-35601102203305007503.156.310.515.753及3.156及6.310及10.515.7535601102203305007503.15及3.36.3及6.610.5及11-38.566121242363525及5508255152四、不同标称电压下传输距离和传输功率范围53五、电压等级的电压等级的划分100多年来，输电电压由最初的13.8kV逐步发展到20，35，66，110，134，220，330，345，400，500，735，750，765，1000kV。输电电压一般分高压、超高压和特高压。高压(HV)：35~220kV；超高压(EHV)：330~750kV；特高压(UHV)：1000kV及以上。高压直流（HVDC）：±600kV及以下；特高压直流（UHVD