第一章电力系统概述

《电力系统分析》第一章电力系统概述课程简介一、课程重要性2003年8.14美加大停电北美历史上最严重的停电事故：30h，波及美8州和加，受灾5千万人，每天直接损失近300亿美元。停电引起纽约、渥太华等多个大型城市完全瘫痪，“感觉比9·11还可怕”。交通瘫痪机场关闭恐慌：打手电抢购西装革履，有家难归地铁骤停，疏散市民全副武装,治安问题垃圾成堆,环境问题布什讲话2003年8.28伦敦大停电下午6点，下班高峰，持续两个多小时地铁骤停25万上班族被困地铁2003年我国21个省拉闸限电2004年7月12日雅典奥运开幕前一月大停电2005年8月18日印尼大停电，1亿多人受灾，国会大厦,一些议员因停电被困电梯2005年5月25日莫斯科大停电2005年9月26日海南电网由于台风袭击全面瓦解二、课程内容主要介绍电力系统的基本概念、数学模型、分析方法、计算机解法、控制和保护原理主要内容：1、电力系统概述2、电力系统的接线3、元件参数及等值电路4、潮流计算5、有功功率平衡与频率调整6、无功功率平衡与频率调整7、短路电流8、电力系统的稳定性三、课程特点专业课与基础课区别：工程背景强，实践性强：实践-理论-实践，应用对象明确计算多、题多，作业重要研究性强：采用批判态度；“回到过去”，了解问题、了解研究思路四、课程要求了解背景掌握概念加强能力：自学、分析、计算、综合培养科研素养：科研入门（问题→建模→方法→结果→结论）有所收获五、课程形式授课与自学结合课堂考查与考勤（上课重要）专题研究答疑成绩评定：平时成绩30%+考试70%六、参考书目《电力系统分析》（上下册）何仰赞等，华中理工大学出版社“PowerSystemsAnalysis”A.R.Bergen(美)“PowerSystemStabilityandControl”,P.Kundur(美)电力系统的基本概念一、电力系统的形成和发展（1）1831年法拉第发现了电磁感应定律。电机制造和电力输送技术的发展最初集中于直流电。输电电压低，输送距离短，输送功率小。（2）世界上第一个高压输电的电力系统出现于1882年。法国人M.德波列茨将位于弥斯巴赫煤矿的蒸汽机发出的电能输送到57km外的慕巴黑，用于驱动水泵。采用的电压为直流1500～2000V，输电系统规模虽小，却是世界上第一个电力系统，因为它包含了电力系统的各个重要组成部分，即发电、输电和用电设备。（3）1885年在制成变压器的基础上，实现了单相交流输电。（4）1891年在制成三相变压器和三相异步电动机的基础上，实现了三相交流输电。1891年在法兰克福举行的国际电工技术展览会上，在德国人奥斯卡·冯·密勒主持下展出的输电系统，奠定了近代输电技术的基础。近代电力系统的雏形，它的建成标志着电力系统的发展取得了重大突破。☆电力系统是由发电机、变压器、输电线路和用电设备（负荷）组成的网络。（5）三相交流制的优越性很快显示出来，使运用三相交流制的发电厂迅速发展，而不久直流制被淘汰。汽轮发电机组取代以蒸汽机为原动力的发电机组，发电厂之间出现并列运行，输电电压、输送距离和输送功率不断增大，更大规模的电力系统不断涌现。在一些国家中甚至出现了全国性和跨国性的电力系统。人类为何偏爱电能？现代社会最重要能源，应用十分广泛。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二、电力系统的概念（1）电力系统是发电机、变压器、输电线路、用电设备(负荷)组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备。（2）由发电厂、输电线路、变电所、配电线路和用户等五部分组成的发电、输电、变电、配电和用电的一个整体。（3）广义的电力系统应该是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等交换、输送电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等各种消耗电能的设备，以及测量、保护、控制装置及能量管理系统所组成的统一整体，是一个十分庞大而复杂的研究对象。（4）电力系统既包括将一次能源转换为电能的发电、输电、配电、用电的一次系统，又包括保证其安全可靠运行的继电保护、自动装置、调度自动化和通讯等辅助系统（二次系统）。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。二次系统如何组成？三、近代电力系统近代电力系统与100余年前电力系统的雏形相比，具有如下特点：1、输电电压、输送距离、输送功率千百倍的增长。2、在电源构成、负荷成分等方面也有很大变化。3、运行管理高度自动化。4、交流输电与直流输电并存。电力网络：电力系统中，由变压器、电力线路等交换、输送、分配电能设备所组成的部分。即电力系统除去发电机和用电设备之外的部分，是电力系统的一个组成部分。动力系统：电力系统和发电厂动力部分的总和。电力系统是动力系统的一个组成部分。四、电力系统的基本参量和结线图1、总装机容量——电力系统的总装机容量指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和。以千瓦(KW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)计。2、年发电量——电力系统的年发电量指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和。以兆瓦·时(MW·h)、吉瓦·时(GW·h)、太瓦·时(TW·h)计。3、最大负荷——最大负荷一般是指规定时间，如一天、一月或一年内，电力系统总有功功率负荷的最大值。以千瓦、兆瓦、吉瓦计。4、额定频率——按国家标准规定，我国所有交流电力系统的额定频率均为50Hz。5、最高电压等级——指该系统中最高电压等级电力线路的额定电压，以千伏计。6、地理结线图(宏观)——电力系统的地理结线图主要显示该系统中发电厂、变电所的地理位置，电力线路的路径，以及它们相互间的联结。7、电气结线图(微观)——电力系统的电气结线图主要显示该系统中发电机、变压器、母线、断路器、电力线路等主要电机、电器、线路之间的电气结线。电力系统中电源的构成1、按获得的方法能源可分为：一次能源：自然界中现成存在，可直接取得和利用而又不改变其基本形态的能源。如：煤炭、石油、天然气、水能、风能等。二次能源：由一次能源经加工转换成的另一种形态的能源产品。如电能、煤气、焦炭、汽油等，它们使用方便，易于利用，是高品质的能源。2、发电厂是电力系统中的发电设备，是生产电能的核心，担负着把不同种类的一次能源转换成电能的任务。根据使用一次能源的不同发电厂可分为：火力发电厂：燃烧煤、石油、天然气等发电，超过70%。水力发电厂：利用水能发电，约20%。核电厂：利用核能发电，不足10%。新型发电厂：潮汐、地热、太阳能、风力、垃圾发电。磁流体发电机、燃料电池等新型发电方式。3、火力发电厂工作原理燃烧煤的热量被水蒸气吸收，产生的高温高压蒸气推动汽轮机的转动，并带动发电机转子转动发电。火电厂的分类按照燃料不同分为：燃煤电厂：煤产总量的50%左右用于发电燃烧石油和天然气电厂：欧美较多按照用途不同分为：凝汽式火电厂：单一生产电能，一般建在燃料基地(煤田)附近称为坑口电厂。热电厂：既生产电能，又为用户提供热能，一般建在邻近热负荷的地区，容量不大。电厂效率☆凝汽式火电厂效率不高，先进的电厂效率也不过37%～40%。热电厂效率较高，可达60%～70%。☆提高凝汽式发电厂效率的有效途径是尽量采用高温度、高压力的蒸气参数和大容量的汽轮机—发电机组。火电厂的特点布局灵活，装机容量的大小可按需要决定一次性建设投资少，仅为水电厂的一半耗煤量大，生产成本比水力发电高出3-4倍动力设备繁多，运行费用高担负急剧升降负荷时，必须付出附加燃料消耗的代价对空气和环境污染严重4、水力发电厂水电厂的工作原理从河流较高处或水库内引水，利用水的压力或流速冲击水轮机旋转，将水能转变成机械能，然后由水轮机带动发电机旋转，将机械能转换成电能。（水能→机械能→电能）水电厂的发电容量P=9.81ηQH水轮机组的效率水的落差水流量m3/s水电厂的分类按照集中落差方式不同、水电厂的开发方式分为：堤坝式：用拦河筑坝方式建成水库以维持高水位。坝后式：三门峡、刘家峡、隔河岩、三峡、二滩。河床式：葛洲坝、西津电厂。引水式：河床坡度大，修建隧洞渠道，以获取最大落差。小浪底水利枢纽工程。混合式：堤坝式与引水式混合。特殊类型水电厂梯形水电厂：高坝洲、隔河岩和水布垭（清江）；二滩、锦屏一级、锦屏二级、两河口等（雅砻江21级电站，26.10GW）抽水蓄能电厂：调峰、调频、事故备用、调相。广东抽水蓄能电站(8×300MW)水电厂的特点综合利用水能资源；小浪底（防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电）成本低，效率高；运行灵活；水能可储蓄和调节；不污染环境；投资较大，工期较长；发电不均衡；在一定程度上破坏自然界的生态平衡。5、核能电厂工作原理核裂变或聚合产生的能量，加热蒸气，推动汽轮机转动并带动发电机转动发电。核反应堆是核电厂的热源，它替代了火电厂的蒸气锅炉。核电厂由两个主要组成部分组成：(1)核系统部分（又称核岛），包括反应堆及其附属设备。(2)常规部分（又称常规岛)，包括汽轮机、发电机及其附属设备。我国核电厂的现状浙江秦山：一厂1×300MW、二厂2×600MW、三厂2×700MW广州大亚湾：2×984MW广州岭澳：一期2×1000MW、二期2×1000MW江苏田湾：一期2×1060MW6、其他能源发电（自学）分布式可再生能源发电——风力发电、太阳能发电。电力系统的负荷1、什么是电力系统负荷？电力系统负荷是电力用户所需电功率总和，也称电力系统综合用电负荷。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。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。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。2、电力系统负荷间的关系图3、负荷损耗厂用电：维持发电厂运行自身所需的功率。火电厂5-8%水电厂0.1-1%核电厂4-5%网络损耗(网损)：电能传输、分配中消耗的功率，约为：(5-10%)负荷。4、负荷曲线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，可用来预测负荷趋势。按负荷类型分：有功；无功按时间分：日、周、旬、月、年5、日负荷曲线24小时内负荷随时间的变化，随季节、地区不同而变。用途：制定日调度计划计算日耗电量（千瓦时）（度）特征量：日峰荷Pmax、日谷荷Pmin、日均荷Pa、峰谷差、负荷率基本负荷（谷）、中间负荷（腰）、高峰负荷（峰）240PdtW日负荷曲线图例6、年最大负荷曲线反映一年内逐月（或逐日）电力系统最大负荷的变化。用途：安排全年机组检修扩建或新建发电厂备用：负荷备用、事故备用、检修备用、国民经济备用等。不同地区曲线特点不同年最大负荷曲线图例7、年持续负荷曲线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。用途：编制发电计划、计算可靠性、系统规划算出全年所耗电能：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：我国Tmax约5000小时，发达国家要小一些。87600dtPWymaxmaxPWT年持续负荷曲线图例8、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。重要性可类比产品市场预测，况且电能不同大量存储，对预测精度要求高。难度有工农业生产状况、地理位置