清华大学电力系统分析课件孙宏斌.pptx

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第一章电力系统概述,1,（IntroductiontoPowerSystems）（第一讲）,2022/10/4,问题,2,1、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？

2022/10/4,3,1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,2022/10/4,二、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）,4,2022/10/4,什么是电力系统？

（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）,5,2022/10/4,三、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。

6,2022/10/4,美国电力一次系统物理基本结构,7,2022/10/4,简单电力系统的三相电路图,输电线路,降压变压器,升压变压器,发电机,降压变压器,负荷,输电网电力网络,配电网配电线路,8,2022/10/4,发电机1,负荷1电力线路（输/配）变压器（升/降压）负荷N电力网络发电机N电力网络与INTERNET（C/S结构）,10,2022/10/4,二次系统如何组成？

（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,2022/10/4,四、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,2022/10/4,五、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,2022/10/4,14,单线图常用符号（动力系统）,2022/10/4,六、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,2022/10/4,电力系统与心血管系统,心血管系统动画,2022/10/4,17,七、现代互联电力系统,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,联路线，交换功率，提高可靠性，系统规模越来越大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N,2022/10/4,18,2022/10/4,19,2022/10/4,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）,2022/10/4,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。

2022/10/4,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,2022/10/4,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,2022/10/4,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,2022/10/4,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,2022/10/4,2,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,6,2022/10/4,2,电力大系统的运行风险：

多米诺骨牌,7,2022/10/4,美国互联电力系统的运行风险!

28,2022/10/4,八、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）,29,2022/10/4,国调中心,辽吉龙蒙河山蒙北天湖湖河江宁林江东北西西京津北南南西,地区,1,地区,县1,县m,东北,华北,华中,华东,30,2022/10/4,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,2022/10/4,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,2022/10/4,33,2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,2022/10/4,火力发电原理,火力发电原理,火电原理（简单）,2022/10/4,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,2022/10/4,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,2022/10/4,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2,600MW发电机穿转子,汽轮机发电机外观3,2022/10/4,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,2022/10/4,二、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,2022/10/4,水力发电原理,水力发电原理,40,2022/10/4,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,2022/10/4,二十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,2022/10/4,水轮机-发电机,水轮机转轮吊装,水轮机发电机外观,2022/10/4,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,2022/10/4,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）,2022/10/4,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,2022/10/4,三、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。

2022/10/4,核能发电原理,核能发电原理,2022/10/4,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,2022/10/4,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）,50,2022/10/4,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。

2022/10/4,四、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,2022/10/4,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,2022/10/4,第一章电力系统概述,1,2022/10/4,问题,2,1、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？

2022/10/4,3,3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,2022/10/4,4,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,2022/10/4,5,二、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,2022/10/4,6,地理接线图,发电厂变电站,2022/10/4,7,开式接线（从一个方向得电能）,（a）,（b）,（c）,（d）,（f）,（e）一般配电网运行时,有备用,放射式干线式链式无备用,2022/10/4,闭式接线（多个方向获得电能）,环式（单电源）,8,闭式（多电源）,两端供电式,输电网运行时,2022/10/4,一些实际电力网,英国电网,巴黎电网,东京电网,纽约电网,伦敦电网,北京电网,9,2022/10/4,远距离大容量输电为何要采用高电压进行？

!

10,2022/10/4,三、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,11,2022/10/4,线路电压与容量、距离的关系,2022/10/4,四、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,2022/10/4,五、如何确定额定电压?

（电压分布:

5%）,0.95UN1,1.1UN1,U