第一章电力系统的基本概念

电力系统稳态分析电力系统稳态分析电力系统分析运行调整和优化电力系统暂态分析故障分析稳定性分析正常稳态分析计算（U、I、P、Q、f）课程目的：掌握电力系统稳态运行的基本知识、各元件特性和数学模型、分析及计算方法、运行调节和优化。主要内容：电力系统稳态分析运行调节和优化电力系统的基本概念各元件的特性和模型潮流计算调频调压经济运行正常稳态分析第一章电力系统的基本概念电力系统的组成电力系统的发展概况电力系统运行的基本要求电力系统的结线方式和电压等级电力系统中性点的运行方式1-1电力系统的组成单线图（表示三相电路）电力系统：由发电厂、变电所、输电线路、配电系统和负荷等组成的电能生产、传输、分配和消费的系统。电力网：由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的联系发电与用电的统一整体。动力系统：电力系统和动力部分的总和。1-1电力系统的组成输电网：用于电能的远距离传输220kV及以上配电网：用于向用户配送电能35kV-110kV——高压配电网10kV——中压配电网380V——低压配电网1-1电力系统的组成总装机容量：系统中实际安装的发电机组额定有功功率总和年发电量：系统中所有发电机组全年实际发出电能总和最大负荷：规定时间（一天、一月、一年内）系统总有功负荷最大值额定频率：国内额定频率为50Hz，国外有60Hz或25Hz最高电压等级：系统最高电压等级线路的额定电压地理结线图：显示元件地理位置以及连接路径电气结线图：显示元件之间的电气连接，不反映地理位置1.电力系统的发展简史直流→三相交流→交直流并存1-2电力系统的发展概况（1）直流电力系统1882年，由爱迪生建成世界上第一条完整的直流电力系统，装机容量670kW，半径1.5km，59盏白炽灯，110V地下电缆。缺点：无法通过变压器抬高或降低电压，无法满足大容量远距离输电的要求。1-2电力系统的发展概况（2）三相交流电力系统1891年在制成三相变压器的基础上，德国建立第一个三相交流输电系统。发电机电压为95V，输电线路电压25kV，输电距离178km，用电电压12V。1-2电力系统的发展概况特高压输电习惯上，1～220kV为高压，330～1000kV为超高压，1000kV以上为特高压。20世纪60年代国际上开始特高压输电的研究。1985年苏联建成1228km的1150kV。2009年中国第一条特高压输电线路晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流输电线路投运行，全长640公里。1-2电力系统的发展概况（2）三相交流电力系统优点：交流系统电压变换容易；交流发电机和电动机简单便宜。存在问题：同步发电机并列运行的稳定性；不同频率系统之间的联网。1-2电力系统的发展概况（3）交直流并存的现代电力系统1972年，加拿大伊尔河晶闸管工程标志着进入晶闸管换流的高压直流输电时代。1-2电力系统的发展概况直流输电的优点：每根同样截面的导线，能输送更大的功率，并且有功损耗小。费用相同时，传输功率约为交流输电的1.5倍每根导线都可以作为一个独立回路运行，并且可以采用大地或海水作回路。一极发生故障时，仍能半负载运行不存在磁滞损耗和涡流损耗，没有集肤效应。线损小，节约能量不存在稳定问题。不需要同步运行，输送功率不受电力网稳定性的约束直流输电的缺点：换流器投资昂贵，且需要消耗较多的无功功率。换流器是一个谐波源会产生电力污染，而且几乎没有过载能力。目前尚无适用的直流断路器。2.中国电力工业的现状与展望2012年，全国全口径发电量49774亿千瓦时，比上年增长5.22%。火电发电量39108亿千瓦时，同比增长0.3%，占全国发电量的78.6%，比上年降低3.9个百分点；水电发电量8641亿千瓦时，同比增长29.3%，占全国发电量的17.4%，比上年提高3.2个百分点；核电、并网风电发电量为982亿千瓦时和1004亿千瓦时，同比分别增长12.6%和35.5%，占全国发电量的比重分别比上年提高0.1和0.5个百分点。1-2电力系统的发展概况Ø中国电力网“十一五”以来，全省装机容量增长65.4%,火电、LNG、新能源装机容量快速增长，水电装机趋于饱和。福建电网装机情况福建电网装机情况单位：万千瓦火电水电新能源LNG239728033035341236482205目前全省总装机3716.2万千瓦，其中火电装机2042.6万千瓦，大型火电主要分布在沿海，其北部偏多；水电装机1125万千瓦，主要分布在西北部，且大部分为径流或日调节性能；3个LNG电厂总装机385.8万千瓦，分布在沿海，其中2个在厦门、泉州负荷中心；风电都是陆上风电，也全部分布在沿海，共有18座，总装机82.6万千瓦；其它新能源13.2万千瓦。福建电源结构福建电源结构福建电网网架及负荷特点福建电网网架及负荷特点2009年以后，福建电网500千伏大环网形成，沿海2-3回，西部1回。220kV双环网的结构。由于电源主要分布在北部，负荷中心在沿海南部地区，主网潮流北电南送，断面最大输送潮流达380万千瓦。2001年福建与华东实现联网运行,最大外送电能力180万千瓦，累计实现外送电量384.7亿千瓦时。特点连续性：电能不能大量储存瞬时性：暂态过程非常短促重要性：与国民经济及日常生活关系密切要求可靠优质经济环保1-3电力系统运行应满足的基本要求1.可靠：保证供电的可靠性负荷分级——按供电中断或减少所造成的危害大小划分一级负荷（不允许停电）：指电能供应的中断或减少将造成设备损坏、人员伤亡、生产秩序混乱，人民生活在较长时间内得不到恢复的用电设备。二级负荷（尽可能不停电）：指电能供应的中断或减少将造成产品产量和质量的下降，人民生活正常秩序受到影响的用电设备。三级负荷（允许停电）：除一、二级负荷外的用电设备。1-3电力系统运行应满足的基本要求1.可靠：保证供电的可靠性Ø相应措施电源与电网的建设（西电东送全国联网）备用调度设备检修（计划检修→状态检修）1-3电力系统运行应满足的基本要求2.优质：保证良好的电能质量——电压质量、频率质量、波形质量（1）电压：以电压偏移率来衡量≥35kV±5%≤10kV±7%低压照明用户+5~-10%（2）频率：以频率偏移值来衡量≥3000MW±0.2Hz≤3000MW±0.5Hz1-3电力系统运行应满足的基本要求(%)nnUUUU-Δ=nfffΔ=-2.优质：保证良好的电能质量——电压质量、频率质量、波形质量（3）波形：以畸变率来衡量1-3电力系统运行应满足的基本要求212/nnTHDII∞==∑0.38kV:5%10kV:4%35kV:3%110kV:2%≤⎧⎪≤⎪⎨≤⎪⎪≤⎩3.经济：保证系统运行的经济性（1）煤耗率（水耗率）——电厂每发单位电能所消耗的资源多少①提高能量转换效率②经济调度（2）线损率：——电力网络中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分比①无功补偿②分布式电源1-3电力系统运行应满足的基本要求4.环保——低碳、PM2.5（1）控制污染物的排放（2）采用清洁能源1-3电力系统运行应满足的基本要求一、几种典型结线方式的特点（1）无备用(a)放射式(b)干线式(c)链式优点：简单、经济、运行方便缺点：供电可靠性差1-4电力系统的结线方式和电压等级（2）有备用（双回路）（a）放射式样（b）干线式（c）链式优点：供电可靠性高、电压质量好缺点：投资大、经济性差1-4电力系统的结线方式和电压等级（3）有备用（环式）优点：供电可靠性高、电压质量好缺点：投资大、经济性差（4）有备用（两端供电网络）优点：供电可靠性高、较为经济缺点：运行调度复杂、故障或检修切除一侧线路时，电压质量差，供电可靠性下降。二、不同电压等级的适用范围（1）电力系统的额定电压等级输送功率一定时1-4电力系统的结线方式和电压等级3SUI=电压U↑导线截面↓电流I↓导线投资↓绝缘要求↑绝缘投资↑Ø对应于一定的输送功率和输送距离应有一最合理的线路电压。Ø选择电力线路电压时，只能选用国家规定的电压等级（表1-1）——额定电压等级。二、不同电压等级的适用范围（2）电气设备的额定电压用电设备的额定电压：是最理想、最经济的工作电压；允许偏移±5%UN1.线路:等于系统的额定电压（线路平均电压）2.发电机：规定比系统的额定电压高5%Nabee()/2(1.050.95)/2UUUUU=+=+3.变压器：一次侧：相当于用电设备，其额定电压与系统相同；与发电机直接相连时，则与发电机相同。二次侧：相当于电源，其额定电压应比系统高5%，考虑变压器内部的电压损耗5%，实际应比线路高10%。⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧≥===⎩⎨⎧==）（）（二次一次降压变二次（发电机机端）一次升压变变压器5.7%UU1.1U5.7%UU05.1UUUU1.1UU05.1Ude2ede2ee1ee2ee1e用线电压表示的抽头额定电压220kV升压变压器降压变压器例题:(1)确定各设备额定电压;(2)若T1工作于+2.5%抽头,T2工作于主抽头,T3工作于-5%抽头,求个变压器变比.10.5kV10.5kV121kV38.5kV110kV11kV35kV5.10)025.01(1211+=Tk5.381102=Tk11)05.01(353-=Tk1-5电力系统中性点的运行方式发电机定子绕组Y联结的中性点：Ø不接地Ø为了防护定子绕组过电压而采用经过避雷器接地。避雷器内部有气隙，所以正常运行和不接地一样变压器Y接法线圈的中性点：Ø不接地：10~35kV系统多属这类情况。Ø消弧线圈接地（隶属于不接地）：经过一个消弧线圈，10~63kV系统有这种方式。Ø直接接地：110kV及以上电压系统和380／220V三相四线低压系统都属这类情况。（1）中性点不接地系统正常运行掌握：1）线电压与相电压关系2）中性点电位3）对地电容电流与相电压关系（1）中性点不接地系统单相（C相）接地掌握：1）中性点对地电位升高为相电压2）非接地相对地电位升高为线电压3）对地电容电流及故障电流AAcAc0CCcBc0333VVIIXXII′====cAI&cBI&cI&CV-&AV′&CV&0BV′&AV&BV&ccAcBccAc033IIIIII=+==&&&c03Ic03I（2）中性点经消弧线圈接地单相（C相）接地cAI&cBI&CI&CV-&AV′&CV&0BV′&AV&BV&LI&（2）中性点经消弧线圈接地补偿方式：1）欠补偿：感性电流小于容性电流；2）全补偿：感性电流等于容性电流；3）过补偿：感性电流大于容性电流。一般采用过补偿方式全补偿时，电路处于并联谐振状态，正常运行时的中性点将发生很大偏移，规程规定经消弧线圈接地网中性点偏移不应超过15％。中性点经消弧线圈接地的应用3~6kV电力网(接地电流30A)10kV电力网(接地电流20A)35~60kV电力网(接地电流10A)（3）中性点直接接地优点:非故障相电压不变缺点:单相短路电流大（3）中性点直接接地——三相四线制引出中线以向单相设备供电中性点不接地中性点直接接地电流中性点电压非故障相电压线电压接地点的电容电流是正常运行时一相对地电容电流的3倍故障相电流和流入故障点的电流很大中性点电压升高为相电压故障相和中性点电压为零非故障相对地电压仍为相电压非故障相对地电压升高为线电压与故障相相关的线电压降低为相电压三相之间的线电压保持与正常时相同1-5电力系统中性点的运行方式