清华大学电力系统分析课件孙宏斌.pptx

1、,第一章电力系统概述(Introduction to Power Systems)(第一讲),1,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？,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

2、,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）,4,什么是电力系统？（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）,5,三、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

3、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。,6,一次系统如何组成？,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,7,美国电力一次系统物理基本结构,8,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,配电网配电线路,降压变压器,负荷,输电网电力网络,9,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

4、构）,10,发电机1,二次系统如何组成？（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,11,四、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,12,升压变压器,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,13,单线图常用符号（动力系统）,14,六、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、

5、3级负荷）质量高(频率、电压、波形)经济性好，公司经济效益,15,电力系统与心血管系统,心血管 系统 动画,16,17,七、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,联路线，交换功率，提高可靠性，系统 规模越来越大Tie lines联络线,配电系统,地区发电厂,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,18,19,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）,20,互联带来了什么问题？,超高压互联设备的投资大

6、；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。,21,电力大系统的运行风险：多米诺骨牌,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,25,2,电力大系统的运行风险：多米诺骨牌,6,2,电力大系统的运行风险：多米诺骨牌,7,美国互联电力系统的运行风险!,28,八、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

7、,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,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,31,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,32,33,2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,火力发电原理,火力 发电 原理,火电 原理（简单）,34,国内典型火电厂,北仑 火电厂,

8、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,35,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,36,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3,37,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,38,二、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

9、电力系统：发电机、变压器、输电线路等,39,水力发电原理,水力发电 原理,40,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,41,二十世纪最大的水电工程,南美 伊泰普 水电站,42,20世纪最大水电站18*700MW，年发电710亿度,水轮机-发电机,水轮机 转轮 吊装,水轮机 发电机 外观,43,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

10、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,44,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),45,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,46,三、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：

11、发电机、变压器、输电线路等。,47,核能发电原理,核能发电 原理,48,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,49,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,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

12、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。,51,四、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,52,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

13、电站,53,最大潮汐电站，240MW 年发电量超5亿度,第一章电力系统概述,1,(Introduction to Power Systems)（第二讲）（回顾）,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？,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

14、,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)一般配电网运行时,(f),放射式干线式链式无备用,有备用,闭式接线（多个方向获得电能）,环

15、式（单电源）,8,闭式（多电源）,两端供电式,输电网运行时,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,远距离大容量输电为何要采用高电压进行？!,10,三、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,线路电压与容量、距离的关系,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。

16、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,13,五、如何确定额定电压?(电压分布:5%),0.95UN1,1.1UN1,UN1,UN,UN1,1次侧1.05UN,0.95UN2,1.05U,N2,(1.1),1次U,14,N1,升压变 1次侧 接线路?,UUN2,N2,15,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：,如何确定额定电压?（算例）,16,六、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,17,变压器,送电端,受电端,变压器,三相交流,直流电路,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：费用相同时，架空线输电 容量DC:AC=3:2,电缆比例更高。能量