电力系统分析稳态部分第一章概述

1、2022-4-23电力系统稳态分析电力系统稳态分析湖南工业大学湖南工业大学电气与信息工程学院电气与信息工程学院蔡叶菁TEL:28182989 2022-4-23 第一节第一节 电力系统概述电力系统概述 第二节第二节 电力系统的电压等级和负荷电力系统的电压等级和负荷 第三节第三节 电力系统中性点的接地方式电力系统中性点的接地方式电力系统概述和基本概念电力系统概述和基本概念2022-4-23第一节第一节 电力系统概述电力系统概述一、一、 电力系统的基本概念电力系统的基本概念1. 电力系统的基本概念电力系统的基本概念电力系统：电力系统： 发电发电+变配电变配电+用电用电电力网络：电力网络： 变配电变

2、配电+用电用电动力系统：动力系统： 动力部分动力部分+电力系统电力系统动力部分：火电：锅炉、汽轮机、用热设备动力部分：火电：锅炉、汽轮机、用热设备水电：水库、水轮机水电：水库、水轮机2022-4-232022-4-232. 世界电力系统发展概况世界电力系统发展概况发电原理：发电原理： 电磁感应定律电磁感应定律第一座发电厂：第一座发电厂： 1882年，英国伦敦年，英国伦敦1831年，法拉第年，法拉第输电电压：输电电压：100V和和400V直流直流第一个电力系统：第一个电力系统： 1882年，法国年，法国输电电压：输电电压： 直流直流 1500V2000V， 功率：功率： 2kw，距离：距离：57

3、km单相交流输电：单相交流输电： 1885年，出现变压器年，出现变压器三相交流输电：三相交流输电：1891年，出现三相变压器及三相异步电动机年，出现三相变压器及三相异步电动机第一条三相交流输电线路：第一条三相交流输电线路：输电电压：输电电压： 交流交流 12kV，距离：距离：180km2022-4-23目前交流输电电压：目前交流输电电压：1200kV，1500kV在研究中在研究中距离：距离：1000km， 功率：功率： 5000MW目前直流输电电压：目前直流输电电压：800kV距离：距离：1000km， 功率：功率： 3000MW3. 我国电力系统发展概况我国电力系统发展概况第一座发电厂：第一

4、座发电厂： 1882年，上海年，上海目前：目前： 6个跨省电力系统：个跨省电力系统：华东、东北、华中、西北、华南华东、东北、华中、西北、华南电力装机总容量：电力装机总容量： 到到2011年底达年底达10.4亿千瓦亿千瓦,仅次于美国成为全仅次于美国成为全球第二电力大国。球第二电力大国。 电网规模超过美国成为全球第一。电网规模超过美国成为全球第一。华中电网：华中电网：500kV， 西北电网：西北电网： 330kV+ 750kV2022-4-23 第一条第一条1000kV：2008年年11月，我国首条月，我国首条1000kV特高压输电特高压输电线路正式通电运行。线路正式通电运行。 这项工程起于山西，

5、途经河南止于湖北，穿越黄河、汉江这项工程起于山西，途经河南止于湖北，穿越黄河、汉江两条大河，跨越太行、伏牛两座名山，全长两条大河，跨越太行、伏牛两座名山，全长654km，是世界上，是世界上第一条投入商业化运行的高压输电线路，实现由输煤向输电的第一条投入商业化运行的高压输电线路，实现由输煤向输电的转变转变 。2022-4-23第一条第一条800kV直流输电工程直流输电工程 ：云广特高压直流输电工程于云广特高压直流输电工程于2010年年6月月18日正式竣工投产。日正式竣工投产。 是迄今世界电压等级最高的直流输电项目。是迄今世界电压等级最高的直流输电项目。 云南省楚雄州禄丰县云南省楚雄州禄丰县广东省

6、广州增城市广东省广州增城市经云南、广西、广东。线路全长经云南、广西、广东。线路全长1373千米。输送容量千米。输送容量500万千瓦。万千瓦。 宁东宁东-山东山东660kV直流输电工程，直流输电工程， 2011年年2月月28日投入运行。日投入运行。 2022-4-23云广云广800千伏特高压直流输电线路千伏特高压直流输电线路 2022-4-232022-4-23交流输电的优缺点：交流输电的优缺点：优点：主要表现发电和配电方面优点：主要表现发电和配电方面（1）发电：）发电： 交流发电机很方便地把机械能、化学能等形式交流发电机很方便地把机械能、化学能等形式的能转化为电能。的能转化为电能。 （2）配电

7、：）配电：方便地通过变压器升压和降压方便地通过变压器升压和降压 。 缺点：主要表现输电方面缺点：主要表现输电方面 （1）线路造价高）线路造价高 输送同样功率交流电所用导线截面积大输送同样功率交流电所用导线截面积大于或等于直流输电所用导线的截面积的于或等于直流输电所用导线的截面积的1.33倍倍 。 （2）年运行费用高）年运行费用高 直流架空输电线只用两根，导线电阻损直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。导线的截面利用充分。 （3）存在系统稳定问题）存在系统稳定问题交流电

8、力系统中所有的同步发电机都必须保持同步运行。交流电力系统中所有的同步发电机都必须保持同步运行。 2022-4-23直流输电的优缺点：直流输电的优缺点：当输送相同功率时当输送相同功率时, ,直流线路造价低直流线路造价低, ,架空线路杆塔结构较简单。架空线路杆塔结构较简单。 优点：主要表现输电方面优点：主要表现输电方面直流输电的功率和能量损耗小直流输电的功率和能量损耗小 对通信干扰小对通信干扰小 线路稳态运行时没有电容电流线路稳态运行时没有电容电流, ,没有电抗压降没有电抗压降, ,沿线电压分布较沿线电压分布较平稳平稳, ,线路本身无需无功补偿；线路本身无需无功补偿； 直流输电线联系的两端交流系统

9、不需要同步运行直流输电线联系的两端交流系统不需要同步运行缺点：缺点：直流输电的换流站比交流系统的变电所复杂、造价高直流输电的换流站比交流系统的变电所复杂、造价高换流装置（整流和逆变）运行中需要大量的无功补偿，正常运换流装置（整流和逆变）运行中需要大量的无功补偿，正常运行时可达直流输送功率的行时可达直流输送功率的4060 换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会产生谐波，要装设换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会产生谐波，要装设滤波器。滤波器。 2022-4-23 在电力装机容量迅速增长的同时，我国的电源结构也在在电力装机容量迅速增长的同时，我国的电源结构也在不断的得到优化。不断的得到优化。2010

10、年我国的水电装机容量达到年我国的水电装机容量达到21340万千瓦，居世界第一。万千瓦，居世界第一。三峡水电站三峡水电站水库坝高：水库坝高：185m， 水头：水头：175m，水库长，水库长600多多km 32台发电机，每台容量台发电机，每台容量700MW总装机容量：总装机容量：18.2GW，年发电量：，年发电量：86.5TWh输电电压：输电电压：500kV， 500kV 它是世界上规模最大的水电站，也是中国有史以来建设它是世界上规模最大的水电站，也是中国有史以来建设最大型的工程项目。最大型的工程项目。 2022-4-23俯瞰三峡水电站俯瞰三峡水电站2022-4-23三峡水电站三峡水电站2022-

11、4-232022-4-232022-4-23三峡水电站泄洪图三峡水电站泄洪图 2022-4-23开发西南水电基地：开发西南水电基地： 金沙江金沙江1313个阶梯，个阶梯， 澜沧江澜沧江1414个阶梯，个阶梯， 大渡河大渡河1717个阶梯，个阶梯， 雅砻江雅砻江1111个阶梯个阶梯. . 在建的巨型项目：在建的巨型项目： 溪洛渡水电站溪洛渡水电站 工程总投资：工程总投资：792亿元亿元工程期限：工程期限：2005年年 2015年年总装机容量为总装机容量为1260万千瓦，万千瓦，(金沙江下游金沙江下游) 年发电量为年发电量为571.2亿千瓦时，位居世界第三，是中国第亿千瓦时，位居世界第三，是中国第

12、二大水电站。二大水电站。向家坝水电站向家坝水电站 工程总投资：工程总投资：434亿元亿元工程期限：工程期限：2006年年 2015年年总装机容量为总装机容量为600万千瓦，万千瓦，(金沙江下游金沙江下游) 年发电量为年发电量为307亿千瓦时，位居世界第四，是中国第三亿千瓦时，位居世界第四，是中国第三大水电站。大水电站。2022-4-23大西南水电站群落轮廓大西南水电站群落轮廓2022-4-232022-4-23溪洛渡水电站效果图溪洛渡水电站效果图 2022-4-23眺望施工现场全景眺望施工现场全景2022-4-23溪洛渡库区施工夜全景溪洛渡库区施工夜全景 2022-4-23施工现场特写施工现场

13、特写2022-4-232022-4-23世界巨型水电站排行表世界巨型水电站排行表2022-4-23核电突破了核电突破了1000万千瓦，风电容量达到了万千瓦，风电容量达到了3107万千瓦。万千瓦。核电站工作原理：核电站工作原理： 燃料：铀。燃料：铀。 用铀制成的核燃料在用铀制成的核燃料在“反应堆反应堆”的设备内发生裂变而的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，产生电能。转，产生电能。 我国的核电站我国的核电站 秦山核

14、电站：秦山核电站： (浙江省海盐县浙江省海盐县) 国产化率国产化率70% 大亚湾核电站：大亚湾核电站： (深圳深圳 ) 国产化率国产化率70% 2022-4-23风力发电风力发电风力发电机充电器数字逆变器风力发电机充电器数字逆变器 风力发电机：风力发电机： 把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，把机械能转变为电能。给发电机构均匀运转，把机械能转变为电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是风力发电机因风量不稳定，故其输出的是1325V变化的变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，

15、使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。市电，才能保证稳定使用。 2022-4-23风力发电风力发电2022-4-23中国风电区域发展状况（单位：中国风电区域发展状况（单位：MW）2022-4-23太阳能发电太阳能发电太阳能发电是最理想的新能源。太阳能发电是最理想的新能源。 大约大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。一年能量的消费。 从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电

16、变换来实现。从太阳能获得电力，需通过太阳电池进行光电变换来实现。 要使太阳能发电实用，一是要提高太阳能光电变换效率并降低要使太阳能发电实用，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。 日本已于日本已于1992年年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，网的联网， 已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。 2022-4-23光伏发电光伏发电2022-4-23国际空间站太阳能电池板国际空间站太阳能电池板 2022-4-23绿色环保节能太阳能绿色

17、环保节能太阳能 2022-4-23太阳能屋顶发电站太阳能屋顶发电站 2022-4-23火力发电火力发电 利用煤、石油、天然气等燃料燃烧时产生的热能，利用煤、石油、天然气等燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能。通过发电动力装置转换成电能。 火电装机增速也在不断的下降，火电新增装机占全年新火电装机增速也在不断的下降，火电新增装机占全年新增装机的比重也已经从增装机的比重也已经从2005年的年的81%下降到了下降到了2010年的年的64.34%。2022-4-23火力发电火力发电2022-4-23二、二、 电力系统的发展方向电力系统的发展方向（1）特高压输电）特高压输电交流交流1000千伏

18、、直流千伏、直流800千伏千伏 它的最大特点就是可以长距离、大容量、低损耗输送电力。它的最大特点就是可以长距离、大容量、低损耗输送电力。 据测算，据测算，1000千伏交流特高压输电线路的输电能力超过千伏交流特高压输电线路的输电能力超过500万万千瓦，接近千瓦，接近500千伏超高压交流输电线路的千伏超高压交流输电线路的5倍。倍。 800千伏直流特高压的输电能力达到千伏直流特高压的输电能力达到700万千瓦，是万千瓦，是500千伏千伏超高压直流线路输电能力的超高压直流线路输电能力的2.4倍。倍。 2011年年1月月6日，国家发改委批复了特高压交流试验示范工日，国家发改委批复了特高压交流试验示范工程扩

19、建工程。该工程计划于年内投运，扩建后输送容量将扩大程扩建工程。该工程计划于年内投运，扩建后输送容量将扩大至至500万千瓦。而这一扩建工程，成为万千瓦。而这一扩建工程，成为“十二五十二五”期间我国特高期间我国特高压建设的起步工程。压建设的起步工程。 仅仅相隔仅仅相隔20天，天，1月月26日国家电网公司又宣布，要全力推日国家电网公司又宣布，要全力推进进1100千伏特高压直流研究，千伏特高压直流研究，5年内将建成示范工程，从而年内将建成示范工程，从而为外送距离超过为外送距离超过2400公里的大型能源基地提供支撑。公里的大型能源基地提供支撑。 2022-4-23（2）柔性交流输电）柔性交流输电(fle

20、xible alternative current transmission systems，FACTS) 将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等应用于高压将电力电子技术、微处理机技术和控制技术等应用于高压输变电系统，实现对电力系统参数，如线路阻抗、相位角、输变电系统，实现对电力系统参数，如线路阻抗、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗，以提高输配电力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗，以提高输配电系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量并获取大量节电系统可靠性、可控性、运行性能

21、和电能质量并获取大量节电效益的一种新型综合技术。效益的一种新型综合技术。 柔性交流输电系统的建设，并非要毁掉原有的输电系统，而柔性交流输电系统的建设，并非要毁掉原有的输电系统，而是在原有的交流输电系统中根据需要选择利用灵活交流输电系统是在原有的交流输电系统中根据需要选择利用灵活交流输电系统技术及功率电子设备，加以逐步改造形成柔性交流输电系统。技术及功率电子设备，加以逐步改造形成柔性交流输电系统。 世界上第一台世界上第一台 500 KV的全可控的串联补偿装置（的全可控的串联补偿装置（TCSC）已于已于 1994 年年 12 月在美国开始商业化运行。月在美国开始商业化运行。 目前，我国的电业部门也

22、在积极研究在超高压输电工程中目前，我国的电业部门也在积极研究在超高压输电工程中应用应用TCSC及其他及其他FACTS技术的可行性和具体实施方案。技术的可行性和具体实施方案。 2022-4-23（3）智能电网）智能电网(smart power grids) 就是电网的智能化，也被称为就是电网的智能化，也被称为“电网电网2.0”， 它是建立在集成的、它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，的应用，

23、实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。用安全的目标。 主要特征包括自愈、激励和包括用户抵御攻击、提供满主要特征包括自愈、激励和包括用户抵御攻击、提供满足足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 2022-4-23三、三、 对电力系统运行的基本要求对电力系统运行的基本要求（1）电力系统的特点）电力系统的特点与国民经济各部门的关系密切；与国民经济各部门的关系密切； 过渡过程非常短促；过渡过程

24、非常短促； 电能不能大量储存。电能不能大量储存。 （2）对电力系统运行的基本要求）对电力系统运行的基本要求可靠可靠 保证可靠地持续供电保证可靠地持续供电 事故原因：事故原因： 设备质量设备质量 32%， 管理管理 21.2% ， 人员过失人员过失 17% ，自然灾害自然灾害 16.6%， 继电保护误动作继电保护误动作 13.2% 。负荷分级负荷分级 一级负荷：一级负荷： 双电源双电源+ +独立备用电源独立备用电源 二级负荷：二级负荷： 双电源双电源三级负荷：三级负荷： 没有特殊要求没有特殊要求2022-4-23优质优质 保证良好的质量保证良好的质量 电压：电压： 5%频率：频率： 0.2Hz

25、0.5Hz波形：波形： 畸变率畸变率= 2各次谐波有效值基波有效值基波有效值经济经济 投资少，运行费用低。投资少，运行费用低。经济指标：经济指标： 煤耗、厂用电率、网损煤耗、厂用电率、网损环保环保 污染物排放量少。污染物排放量少。2022-4-23第二节第二节 电力系统的电压等级和负荷电力系统的电压等级和负荷一、电力系统的电压等级（一、电力系统的电压等级（kV）用电设备、用电设备、电力线路的电力线路的额定线电压额定线电压电力线路的电力线路的平均线电压平均线电压 发电机发电机额定线电压额定线电压变压器的额定线电压变压器的额定线电压一次绕组一次绕组二次绕组二次绕组33.153.153 3.153.

26、15 3.366.36.36 6.36.3 6.61010.510.510 10.510.5 1135373538.51101151101212202302202423303453303455005255005252022-4-23（1）额定电压）额定电压用电设备与线路用电设备与线路 UN 发电机发电机 1.05UN 变压器变压器 一次侧一次侧二次侧二次侧接电网接电网 UN 发电机发电机 1.05UN 接长线路接长线路 1.1UN 接短线路接短线路 1.05UN 说明：说明： 用电设备的容许电压偏移一般为用电设备的容许电压偏移一般为5%； 沿线路的电压降落一般为沿线路的电压降落一般为10%；

27、在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为在额定负荷下，变压器内部的电压降落约为5% 。2022-4-23（2）额定电压与输送功率、输送距离的关系）额定电压与输送功率、输送距离的关系额定电压额定电压输送功率输送功率(kW)输送距离输送距离(km)3100100013610012004151020020006203520010000205060350030000301001101000050000501502201000005000001003002022-4-23二、电力系统的负荷二、电力系统的负荷总负荷：总负荷：动力负荷动力负荷+照明负荷照明负荷综合负荷：综合负荷：指工农业、交通、市政等各方面消

28、耗的功率之和。指工农业、交通、市政等各方面消耗的功率之和。供电负荷：供电负荷：综合负荷综合负荷+网损网损发电负荷：发电负荷：供电负荷供电负荷+发电厂厂用电发电厂厂用电负荷曲线负荷曲线有功曲线、无功曲线有功曲线、无功曲线年曲线、月曲线、日曲线、工作班曲线年曲线、月曲线、日曲线、工作班曲线个别用户、电力线路、变电所、电力系统个别用户、电力线路、变电所、电力系统2022-4-23（1） 有功日负荷曲线有功日负荷曲线 2022-4-23（2） 有功功率年最大负荷曲线有功功率年最大负荷曲线 0 2 4 6 8 10 12 t(月月)p（3） 年持续负荷曲线年持续负荷曲线 8760 t(h)pp1t1p2

29、t2p3t3TmaxPmaxTmax： 年最大负荷利用小时数年最大负荷利用小时数 87600pdtW全年Pmax TmaxTmax=maxPW全年max87600Ppdt 负荷越均衡，负荷越均衡， Tmax越大，越大， Tmax可以查手册。可以查手册。 2022-4-23第三节第三节 电力系统中性点的接地方式电力系统中性点的接地方式一、电力系统中性点的接地方式一、电力系统中性点的接地方式电力系统中性点：电力系统中性点：Y接线的发电机或变压器的中性点。接线的发电机或变压器的中性点。关系到：绝缘、供电可靠性、继电保护及对通讯干扰。关系到：绝缘、供电可靠性、继电保护及对通讯干扰。ANXBYCZ大接地

30、电流方式：大接地电流方式：(1)时：时： 断路器跳闸。断路器跳闸。小接地电流方式：小接地电流方式：(1)时：时：短路电弧能自动熄灭，短路电弧能自动熄灭，断路器不跳闸。断路器不跳闸。2022-4-23（1）大接地电流方式）大接地电流方式ANXBYCZ有效接地：有效接地：指定点满足指定点满足x0/x13和和r0/x11适用适用110kV220kV全接地：全接地：适用适用330kV经低电抗、中阻抗、低阻抗接地经低电抗、中阻抗、低阻抗接地特点：特点：(1)时：时： 构成短路回路，接地相电流很大，构成短路回路，接地相电流很大，断路器跳闸。断路器跳闸。优点：优点：安全、经济。安全、经济。 绝缘水平可以按相

31、电压考虑。绝缘水平可以按相电压考虑。缺点：缺点：可靠性差。可靠性差。措施：加自动重合闸。措施：加自动重合闸。2022-4-23（2）小接地电流方式）小接地电流方式(60kV)不接地：不接地：经消弧线圈接地：经消弧线圈接地：适用适用3kV10kVAXBYCZ适用适用35kV60kV经高电抗接地经高电抗接地特点：特点：(1)时：时： 短路回路阻抗大，接地相电流小，短路回路阻抗大，接地相电流小， 断路器不跳闸。断路器不跳闸。优点：优点：(1)后：后： 线电压不变，不影响三相设备的继续运行。线电压不变，不影响三相设备的继续运行。按规定，按规定，(1)后：后： 可以继续运行可以继续运行2小时。小时。缺点

32、：缺点：不经济。不经济。(1)后：后： 相电压相电压线电压线电压绝缘水平需按线电压考虑。绝缘水平需按线电压考虑。2022-4-23（3）我国电力系统中性点的接地方式）我国电力系统中性点的接地方式原则：原则：110kV的高压系统的高压系统380V的低压系统的低压系统大接地电流方式大接地电流方式110kV、220kV系统：系统：有效接地有效接地330kV、500kV系统：系统：全接地全接地60kV 系统系统小接地电流方式小接地电流方式35kV60kV 系统：系统：经消弧线圈接地经消弧线圈接地3kV10kV 系统：系统：不接地或经消弧线圈接地不接地或经消弧线圈接地3kV60kV 系统：系统：Id (

33、1)10A：经消弧线圈接地：经消弧线圈接地采用中性点不接地方式：采用中性点不接地方式：6kV ：Id (1)30A10kV ： Id (1)20A35kV ： Id (1)10A超过则经消弧线圈接地超过则经消弧线圈接地二、消弧线圈的工作原理二、消弧线圈的工作原理设系统为三相对称平衡系统，各相参数相等。设系统为三相对称平衡系统，各相参数相等。（1）中性点不接地系统的单相接地）中性点不接地系统的单相接地设设C相单相接地，则各对地电压相单相接地，则各对地电压ABC+BU+CU+AUNNUCCCAIBICICD0U中性点电压中性点电压NCUU 正常相对地电压正常相对地电压ADANUUUDACUUACUBDBNUUUBCUUBCU故障相对地电压故障相对地电压NU结论：正常相对地电压变为线电压。结论：正常相对地电压变为线电压。ADUBDU上上 页页下下 页页返返 回回各线电压