清华大学电力系统分析课件孙宏斌

1第一章电力系统概述(IntroductiontoPowerSystems)(第一讲)2问题1、人类为何偏爱电能？2、什么是电力系统？如何组成？如何表示？3、电力系统运行有何特点和要求？4、互联电力系统是怎么回事？5、如何对电力大系统进行控制？6、电能是如何生产的？3§1电能与系统一、人类为何偏爱电能？„现代社会最重要能源，应用十分广泛。„美国1996年用电情况：‹2.68kW/人（装机容量）‹1.3kW/人（用电量）„显著优点：‹洁净（从使用的角度看）：保护环境‹方便：输送、分配、使用（能量形式转化容易）‹电气化：机械化、自动化，提高产品质量和劳动生产率‹节能：能耗小，能量转换效率高4二、什么是电力系统？（I）„系统定义：由相互作用、依赖的若干部分组成的具有特定功能的有机整体，它又从属于一个更大的系统（《系统论》）5什么是电力系统？（II）„电力系统：完成电能生产、输送、分配、消费的统一整体。通常由发电机、变压器、电力线路和负荷等电力设备组成的三相交流系统。„世界上最大的人造机器：人类20世纪最伟大的20项发明之一，当今社会最庞大的工业之一，是国民经济的支柱产业（我国1/4国有资产）„国防资源，电力安全是国防安全的基础（水库、火电厂、输电线路、核电厂）（战争：石墨炸弹、恐怖袭击）6三、电力系统如何组成？„一次系统（高电压，本课程研究的内容）„二次系统（低电压）：保证一次系统安全/可靠/经济运行的信息系统及其操作机构。7一次系统如何组成？„发电机：电能生产，一次能源转换成二次能源(电能)，火/水/核/风/太阳/地热等„电力网络（输配电系统）：电能输送和分配，包括：输电网（输电系统）和配电网（配电系统）。„负荷（用户）：电能消费，将电能转换成其他形式能量，电动机/照明/电炉等8美国电力一次系统物理基本结构9简单电力系统的三相电路图输电线路电力网络降压变压器升压变压器发电机配电线路降压变压器负荷输电网配电网10发电机N发电机1负荷N负荷1电力线路（输/配）变压器（升/降压）电力网络电力网络与INTERNET（C/S结构）11二次系统如何组成？（信息系统，非本课程重点内容）电力系统计算机或人通讯量测通讯控制12四、复杂电力系统如何表示？„单线图：实际电力系统非常庞大复杂，为突出重点，用单线代表三相，反映电力设备间电联系简单电力系统单线图发电机输电线路配电线路降压变压器负荷降压变压器升压变压器…13五、如何构成更大的系统？„电力系统„发电厂动力部分„热力网„发电厂动力部分：锅炉、汽轮机、水库、水轮机、核反应堆等动力系统14单线图常用符号（动力系统）15六、电力系统运行特点与要求有哪些？„特点‹密切性‹短促性‹同时性„要求‹可靠性高（第1、2、3级负荷）‹质量高(频率、电压、波形)‹经济性好，公司经济效益16电力系统与心血管系统心血管系统动画17七、现代互联电力系统„联路线，交换功率，提高可靠性，系统规模越来越大输电系统输电系统系统直属电厂配电系统配电系统地区发电厂Tielines联络线系统直属电厂地区发电厂用户电力系统1用户电力系统N181920电力系统为何要互联？„减少总装机容量（错峰效应）；„减少备用容量（同时故障和检修概率小）„提高供电可靠性、电能质量（故障和异常时相互支援）；„合理利用动力资源，可经济运行（水、小火电、经济分配）21互联带来了什么问题？„超高压互联设备的投资大；„系统规模大而复杂，运行难度大，局部故障可能危及整个互联系统，安全风险大。„电网并联回路增多，故障电流大。„随着现代信息技术、控制技术应用，自动化水平的提高，缺点正在逐步克服。22电力大系统的运行风险：多米诺骨牌23电力大系统的运行风险：多米诺骨牌24电力大系统的运行风险：多米诺骨牌25电力大系统的运行风险：多米诺骨牌26电力大系统的运行风险：多米诺骨牌27电力大系统的运行风险：多米诺骨牌28美国互联电力系统的运行风险!29八、如何对电力大系统运行进行控制？„我国做法：‹集中管理（系统的安全、经济性）‹分层控制（五级调度）„调度自动化（以国家电网公司为例）30国调中心辽宁吉林龙江蒙东河北山西蒙西北京天津湖北湖南河南江西……地区1地区县1县m东北华北华中华东…31典型调度中心东北电网调度中心国家电力调度中心吉林电网调度中心32典型调度自动化系统（二次信息系统）调度自动化系统原理图深圳站画面33§2发电厂：电能生产一、火力发电„目前最主要电源，比例大于70%„燃料：煤、石油或天然气„化学能→热能→机械能→电能„组成：‹燃烧系统：燃料→灰渣，风（空气）→烟‹汽水系统：水←→蒸汽，循环水（冷水←→热水）‹电力系统：发电机、变压器、输电线路等34火力发电原理火力发电原理火电原理（简单）35国内典型火电厂北仑火电厂上海外高桥火电厂台中火电厂火电厂夜景香港青山火电厂36国外典型火电厂德国火电厂1德国火电厂2日本横滨火电厂37汽轮机-发电机600MW汽轮机安装汽轮机发电机外观1汽轮机发电机外观2600MW发电机穿转子汽轮机发电机外观338火力发电存在哪些问题？„安全问题：采矿和运输中的安全性灾难。„社会代价：采矿和运输的基础设施等„环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等„效率问题：→热电厂（热电联产）„不可再生39二、水力发电„目前最重要的电源之一，比例大于10%„河流水势能→水动能→机械能→电能„容量取决于水位差和流量„组成（较火电厂简单）‹水库‹水轮机‹电力系统：发电机、变压器、输电线路等40水力发电原理水力发电原理41国内典型水电厂二滩水电站(坝高240M,6*550MW)佛子岭水电站大坝水电厂夜景42二十世纪最大的水电工程南美伊泰普水电站20世纪最大水电站18*700MW，年发电710亿度43水轮机-发电机水轮机转轮吊装水轮机发电机外观44水力发电有哪些优点？„最干净能源之一„最廉价能源之一：无需燃料，运行维护简单„可再生能源之一„综合水利工程：同时解决发电、防洪、灌溉和航运等多方面问题。„良好启动和调节性能：启动到并网供电速度快（5分钟），火电厂（数小时）；启动简单，适于遥控。可满足电力需求的快速变化。„特殊的水电厂：抽水蓄能电厂，起“削峰填谷”作用45目前世界上最大的抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站(8*300MW发电电动机组)46水力发电存在哪些问题？„建设问题：投资大，工期长，存在国防安全、库区移民、淹没耕地、破坏文物、可能破坏自然生态平衡、破坏自然景观等问题。„运行问题：发电出力受气象、水文、防洪、灌溉和航运等综合影响，分枯水期和丰水期，出力不稳定，增加电力系统运行的复杂性。刘家峡库区文物保护47三、核能发电„目前主要电源之一，比例大于10%„铀等核燃料→核裂变（链式反应），核能→热能→机械能→电能„组成：‹反应堆（“原子锅炉”）‹汽水系统（汽轮机）‹电力系统：发电机、变压器、输电线路等。48核能发电原理核能发电原理49典型核电厂秦山核电站（2*300MW）我国第一个核电站大亚湾核电站（1800MW）大亚湾核电厂核岛反应堆内景50核能发电为什么会迅速发展？„1954年第1台，莫斯科，奥勃宁斯克核电厂„一种新型的巨大能源，发展迅速„煤/石油等火电燃料储量有限，不可再生„发达国家的水资源基本开发殆尽„一些资源贫乏国家“能源危机”，不得不发展核能（北朝鲜）51核能发电有何优缺点？„大量节省煤、石油等燃料，避免燃料运输，如：50万kW电厂，150万T煤/年：20T铀/年。„无需空气助燃，选址灵活，可在地下、山洞里、水下或空气稀薄的高原。„与火电比，造价高，但发电成本低30-50%，规模愈大愈合算，超过50万kW，核电厂比火电厂合算。„问题：对放射性污染的担心，技术上能较好处理污染防护和核废料，但事故仍有发生。52四、大力发展中的新能源发电„太阳能、风能、地热、垃圾燃料、潮汐能、燃料电池、生物质能、核聚变等„洁净、可再生，未来主要能源形式，当前国际上研究开发的热点。„有些新能源，如：太阳能和风力发电，容量很小，分散性大，属分布式电源，互联后在运行和管理方面存在不少特殊问题。„十一五国家科技计划重点发展53新能源发电厂风力电场1风力电场2法国朗斯潮汐电站西藏羊八井地热电站青海太阳能光伏电站最大潮汐电站，240MW年发电量超5亿度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？„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。„主要设备：输电线路、变电站设备（变压器、开关、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带有开关的接线图到系统的其他部分发电机变压器开关母线负荷输电线路5二、电力网络是如何接线的？„对保证供电的可靠、优质和经济性至关重要。„接线图：两种类型‹电气接线：电力设备间电气联接关系‹地理接线：发电厂、变电所间相对地理位置及其联接路径„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。‹开式‹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有备用无备用8闭式接线（多个方向获得电能）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远距离大容量输电为何要采用高电压进行？!11三、电力网为何要采用高电压？„远距离大容量输电的压降和损耗：‹容量：S=U*I‹压降：∆U=I*Z‹损耗：PL=I2*R‹高电压→高稳定性（后续内容讨论）„考虑绝缘，发电机电压10-30kV，变压器升压到110-750kV；„高压线远距离输电，变压器降压给负荷；„大负荷6-110kV，民用负荷110/220V单相12线路电压与容量、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)13四、为何要确定额定电压?„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。„需要确定的额定电压：‹线路（即：电网、用电设备）‹发电机‹变压器(升压、降压)的一次/二次侧14五、如何确定额定电压?(电压分布:±5%)0.95UN11.1UN1UN1UNUN11次侧1.05UN0.95UN21.05UN2(1.1)UN21次UN1升压变1次侧接线路?UN215如何确定额定电压?（原则）„线路（电网）额定电压=用电设备额定电压„发电机额定电压=1.05线路额定电压„升压变压器额定电压：‹一次侧=发电机额定电压(与发电机相联：1.05）=线路额定电压(与线路相联）‹二次侧=1.10线路额定电压„降压变压器额定电压：‹一次侧=线路额定电压‹二次侧=1.05(或1.10）线路额定电压16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)17六、高压直流输电（HVDC）简介高压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＋－三相交流直流电路18直流输电的优点？„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。„直流线路造价低：费用相同