电力系统规划--电力电量平衡

1、1 电力系统规划 Power System Planning 电力电量平衡电力电量平衡 胡博/博士 Email: 2 电力电量平衡(主要内容) 各类发电站的特性(火电、水电、 核电、新能源) 发电系统的电力电量平衡(电力平 衡、备用确定、电量平衡) 3 各类发电站的特性(概述) 煤炭、石油、天然气 火力发电厂 发电厂：一次能源转换为电能的工厂。 水的势能 水力发电厂 核能 核电厂 新能源（风能、 太阳能、 潮汐、地热） 新能源电厂 4 按运行状况分类 基荷发电站 ：核电站、大型凝汽式电站、径 流式水电站 腰荷发电站：中型凝汽式电站、部分水电站 峰荷发电站：水电站、抽水蓄能电站、小型凝 汽式电站

2、、燃汽轮机电站 各类发电站的特性(概述) 5 火力发电厂：利用固体、液体、气体燃料的 化学能来生产电能的工厂 原动机：凝汽式汽轮机、燃气轮机、 内燃机 我国大部分火电厂为凝汽式火力发电厂 化学能热能机械能电能 燃烧原动机发电机 各类发电站的特性(火电站) 6 锅炉 烟囱 发电机 汽轮机 变压器 输电线路 热量损失超过60% 各类发电站的特性(凝汽式火力发电厂示意图) 7 出力和发电量较为稳定 火电站有最小技术出力限制，负荷调节能力差 火电机组启动技术复杂，启动时间很长，且需 耗费大量燃料，承担急剧变动的负荷时易损伤 设备，因此不宜经常启停 。 火电站负荷的调节比较慢，我国部分300MW改 变负

3、荷的速率仅每分钟12% 火电站所消耗的燃料和冷却水量非常大 各类发电站的特性(火电站运行特性) 8 水力发电厂：利用水库、河流所蕴藏的水力 资源来生产电能的工厂。 水电厂的类型 堤坝式 引水式 混合式 势能机械能 电能 水轮机发电机 各类发电站的特性(水电站) 9 N：水流的发电功率，kW Q：某一时段内的平均流量， m3/s H：河段的落差，又叫水头，m ：水轮发电机组的效率 ， 例：某水电站多年平均流量流量为14300 m3/s ，水头水头110m， 设水轮电机组效率效率为95，则水电站出力约为： N = 9.81143001100.95/1000 =14660MW 9.81NQH 各类发

4、电站的特性(水电站的出力) 10 坝式水电站：拦河筑坝来提高开发河段的水位以获得 发电所需的水头H 。 坝后式水电站 ：建筑中高水坝，以获取较高的水头， 其厂房建在坝的下游，不承受上游水压力 河床式水电站：若地形、地质等条件不允许修建高坝， 则可以利用低坝获取水头，此情况下，厂房成为挡水 建筑的一部分 各类发电站的特性(坝式水电站) 11 各类发电站的特性(坝式水电站) 12 上游 水库 大坝 变压器 发电机 下游 各类发电站的特性(坝后式水电厂示意图) 13 进水口 厂房 溢流坝 各类发电站的特性(河床式水电厂示意图) 14 无压引水式 ：沿河 岸修筑坡度平缓的 明渠或无压隧洞来 集中落差

5、有压引水式：使用 有压隧道或管道来 集中落差 引水式水电站：沿河修建引水道，以使河段的落 差集中在引水道末的厂房处，从而获得水头H 各类发电站的特性(引水式水电站) 15 混合式水电站：在河段上综合使用筑坝和建引水 道的方式以获得水头 H 各类发电站的特性(混合式水电站) 16 水电站的出力和发电量随天然径流量的情况而变 化 水头的降低可使水轮发电机达不到额定发电出力 机组启停迅速方便，适合在系统中担任调峰、调 频任务，从停机状态到满负荷运行需几分钟，甚 至仅12分钟 水电站的运行费用几乎与生产的电量无关 各类发电站的特性(水电站运行特性) 17 核电站：用核反应堆将核燃料裂变产生的能 量转变

6、为电能的发电厂。 核电站构成：由核岛（反应堆、蒸汽发生 器）、常规岛（汽轮机及发电机等）和配套 设施组成。 各类发电站的特性(核电站) 18 混凝土 防护壳 控制棒 反应堆 加压器 冷却剂泵 蒸汽 发生器 给水泵 冷却水 各类发电站的特性(压水堆型核电厂示意图) 汽轮机 发电机 19 核聚变 核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定 条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用， 生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放 的一种核

7、反应形式。的一种核反应形式。 原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子 核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如 果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变，如原 子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫 核聚变，如太阳发光发热的能量来源。核聚变，如太阳发光发热的能量来源。 20 核聚变 可控核聚变的发生条件产生可控核聚变需要的条件非常苛可控核聚变的发生条件产生可控核聚变需要的条件

8、非常苛 刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热，刻。我们的太阳就是靠核聚变反应来给太阳系带来光和热， 其中心温度达到其中心温度达到1500万摄氏度，另外还有巨大的压力能使万摄氏度，另外还有巨大的压力能使 核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能核聚变正常反应，而地球上没办法获得巨大的压力，只能 通过通过提高温度来弥补提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才行。，不过这样一来温度要到上亿度才行。 核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠核聚变如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠 强大的磁场来约束强大的磁场来约束。 21 核聚变 目前，可行性较大的可控核

9、聚变反应装置就是目前，可行性较大的可控核聚变反应装置就是托卡马克托卡马克 装置装置。 托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容 器。它的名字器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。来源于环形、真空室、磁、线圈。 最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫 维齐等人在维齐等人在20世纪世纪50年代发明的。年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。 在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，在

10、通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场， 将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的核聚变的 目的目的。 22 需要连续地以额定功率运行，在电力系统中总是分担基荷 主要设备及辅助设备非常复杂，检修时间较长，故有核电 站的电力系统通常需要设置较大的发机机组备用容量，并 要求有抽水蓄能机组等进行调峰配合 核燃料以少胜多 ：一座100万kW压水堆核电站一年只需要 25-30t低浓缩铀作为燃料，而同容量的燃煤火电站一年需 要250万吨原煤。 各类发电站的特性(核电站运行特性) 23 各类发电站的特性(抽水蓄能电站) 24 各类发电站的特性(抽水蓄能

11、电站发电模式) 25 各类发电站的特性(抽水蓄能电站蓄能模式) 26 削峰填谷，提高系统最小负荷率 担任系统备用容量(比如与核电站配合，替代火电机 组充当事故备用) 担任系统调频任务，在系统中担任负荷备用 可担任调相任务 各类发电站的特性(抽水蓄能电站运行特性) 27 风力发电 太阳能发电 地热发电 潮汐发电 各类发电站的特性(其他能源发电) 28 风力取之不尽，用之不竭 无污染 出力具有随机性，对系统 会产生扰动 各类发电站的特性(其他能源发电风力发电) 29 各类发电站的特性(其他能源发电风力发电) 30 各类发电站的特性(其他能源发电地热发电) 31 潮汐发电：利用海水涨潮、落潮中的动能

12、和势 能来发电 各类发电站的特性(其他能源发电潮汐发电) 32 各类发电站的特性(其他能源发电太阳能发电) 33 发电系统的电力电量平衡(概述) 发电系统的电力电量平衡 PowerEnergy单节点系统单节点系统 34 max 11 maxmax 11 (1) () HT HT NN HjTkf jk NN HjTkfrrf jk CCPr CCPCCPr 或 其中 CHj：第j个水电站的有效容量 CTk：第k个火电站的有效容量 NH：系统中水电站的个数 NT：系统中火电站的个数 Pfmax：系统最大发电负荷功率 r：备用系数 Cr：系统备用容量 Hydro Thermal 发电系统的电力电量

13、平衡(电力平衡) 35 电力平衡的主要目的 确定系统所需的发电设备容量 确定各类电站的建设规模及装机进度 确定与其它系统联网的合理性 发电系统的电力电量平衡(电力平衡) 36 负荷备用（热备用） 一般取系统一般取系统最大发电负荷的最大发电负荷的2%5%2%5%，大系统取小值，小系统，大系统取小值，小系统 取大值取大值 事故备用 （一部份为热备用，一部份为冷备用） 一般取最大发电负荷的10%，且要求事故备用容量应不小于 系统中一台最大发电机组的单机容量 检修备用 系统检修备用容量一般取系统系统检修备用容量一般取系统最大发电负荷的最大发电负荷的8%15%8%15%。 电力系统设计技术规程规定，电力系统的总备用容量不低 于最大发电负荷功率的20% 。 增加 RCr可靠性 ，但同时投资 发电系统的电力电量平衡(备