电力系统与电力电子

1、电 力 工 程 系 电力系统与电力电子简介（北京） 主要内容电力系统概述电力电子技术简介电力电子技术在电力工业中的应用电力电子装置对电网的影响及其抑制措施一、电力系统概述1、电力系统概念和组成2、发电厂生产过程 3、电力系统运行特点及要求4、电能质量5、电力系统故障6、电力系统分析 7、电力系统稳定运行1.1电力网、电力系统、动力系统电力网、电力系统、动力系统电力网：输变电设备 （地方、区域、超高压远距离电网）电力系统：发电机、输变电设备、用电设备动力系统：动力设备、电力系统电力系统的概念电能的生产：火电、水电和核电，各种新能源；电能的传输：以交流架空线路为主，还有以直流形式传输的；电能的使用

2、：由各种形式的负荷将电能转换成其他形式的能源。电能的生产-消费过程示意图1.2 发电厂生产过程发电厂 电能生产的核心，担负着把不同种类的一次能源转换为电能的作用 燃烧煤、石油、天然气发电的火力发电厂利用水能发电的水力发电厂 火电厂生产过程示意图一次设备 直接生产和输送电能的设备称为一次设备 发电机、变压器、主母线、母线 断路器、隔离开关、自动空气开关、 接触器、闸刀开关、电抗器 避雷器、熔断器 电力互感器（电流、电压互感器） 电力电缆等发电机（一）发电机（二）电力变压器实物照片 开关设备-断路器 断路器的种类 油断路器（多油、少油断路器）空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器等。多油断路器少油

3、断路器空气断路器 SF6断路器 隔离开关 隔离开关是一种没有灭弧装置的开关设备 主要特点：在有电压无负荷电流情况下，进行分、合电路 必须遵守的操作原则： 后拉（停电时,先切断路器，后拉刀闸） 先合（送电时，先合刀闸，后合断路器） 隔离开关（一）隔离开关（二）隔离开关（三）电力互感器 互感器包括电压互感器和电流互感器 采用电压互感器和,将高电压变成标准的低电压(100V)电流互感器，将系统的大电流变成小电流(5A或lA)从而，用以给测量仪表或继电保护、自动装置二次设备供电 电压、电流互感器原理接线 电 流 互 感 器 电 压 互 感 器 二次设备 对一次设备进行监视、控制和保护的设备称为二次设备

4、 。对电厂的安全可靠运行起着非常重要的作用。 仪表 继电器 自动控制设备 信号设备 控制电缆发电厂和变电所一次系统在发电厂和变电所应装设的主要电气设备,按照其作用可分为一次电气设备和二次电气设备 一次电气设备 是直接生产和输配电能的设备 二次电气设备 是对一次电气设备的工作进行控制、监察、测量和保护的设备 发电厂和变电所二次系统二次电气设备是对一次电气设备的工作进行控制、监察、测量和保护的设备,包括各种仪表、继电器、自动控制设备、信号设备及控制电缆等 二次接线图是将这些设备用一定的图形和符号来表示，并按照一定的方式连接起来的图。二次接线图按用途分为原理接线图、展开图和安装图1.3 电力系统的运

5、行特点电能不能大量储存 过渡过程非常迅速 与国民经济各部门及人民生活关系极为密切 电力系统的运行要求保证供电充足性，最大限度满足用户需要保证运行的可靠性保证良好的电能质量保证电力系统运行经济性联合电力系统的优点1安装大容量的机组,减少备用容量2. 合理利用动力资源 3. 提高供电可靠性 4. 提高运行的经济性 电力系统负荷负荷：用户的用电设备所消耗的功率（电能）电力系统的总负荷： 所有用户消耗的功率（或电能）电力系统用户 在国家经济力量还不强大的情况下，对不同用户的供电可靠性提出不同的要求是合理的 电力系统用户分类（一）第一类用户： 是停电会造成人身伤亡，设备损坏，生产长时间不易恢复或造成政治

6、上的严重影响的用户。 对这类用户要由两个或两个以上的电源供电，保证不间断地供电。电力系统用户分类（二）第二类用户： 如停电会造成大量减产，工人窝工，城市公共事业及人民生活受到影响等的用户。一般情况下应采取措施，保证向这类用户不间断地供电。 电力系统用户分类（三）第三类用户： 是短时间停电不会带来严重后果的用户，如工厂的辅助车间、小城镇及农村的公用负荷等。 但应当指出，随着国民经济的发展和技术进步，供电可靠性会逐步提高。 电力系统的额定电压等级（一）电力系统的额定电压等级（二）线路额定电压：线路始末端的平均电压(Ua+Ub)/2，用电设备额定电压： 取与线路额定电压相同，使它们都能在接近于它们的

7、额定电压下运行。发电机：高于线路额定电压的5。变压器：一次侧接电源，相当于用电设备，因此一次侧额定电压等于用电设备额定电压；二次侧额定电压应高于线路额定电压高10。不同电压等级的适用范围（一）不同电压等级的适用范围（二）1.4 电能质量的主要标志 电压偏移频率偏差电压波形畸变率电压波动与闪变三相不平衡电压偏移 我国电网电压偏移允许值： 35kV及其以上电压供电的用户，电压正负偏移绝对值之和不超过额定电压的10%； 10KV及其以下三相供电系统，电压正负偏移不超过7%。 频率偏差 我国电力系统正常频率偏差允许值为0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可以放宽到0.5Hz。 电网电压波形畸变率 电能

8、质量国家标准 1.供电电压允许偏差 (GB12325-90) 2.电压波动和闪变 (GB12326-2000) 3.公用电网谐波 (GB/T14549-93) 4.三相电压允许不平衡度 ( GB/T15543-1995) 5.电力系统频率允许偏差 (GB/T15945-1995) 6.暂时过电压和瞬态过电压 ( GB/T18481-2001)电压暂降危害与实例（一）法国早在1994年进行的抽样调查就显示，百分之四十四的工业用户相信电压暂降对他们的生产活动产生较大的破坏，每年至少引起五例生产崩溃及设备损坏和经济损失。中国国际广播电台曾报道美国商业周刊的一名编辑因供电电压突然骤降1s造成电梯故障而

9、被困在电梯内长达40小时，以心理和身体受到严重伤害为由向相关部门提出索赔2500万美元的要求。电压暂降危害与实例（二） 上海浦东华虹NEC电子是一家以生产0.250.5m硅晶片为主的高科技企业，NEC有一部分负荷对电压变动十分敏感，当电压跌至正常电压的80%，持续时间超过20ms时，其内部的部分设备就会停机，据粗略估算，每发生一次类似事件，造成的直接经济损失在200万元人民币以上。 据中国电力科学研究院对北京首都钢铁厂的调查，2002年电压暂降幅值低于0.7p.u.有19次，平均损失200300万元人民币。1.5 电力系统故障 短路断相各种复杂故障 短路故障 短路，是指电力系统除正常情况以外的

10、一切相与相之间或相与地之间的“短接” 主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏 运行人员带负荷拉倒闸，或者线路检修后未拆除地线就加上电压等等误操作，也会引起短路故障 鸟兽跨接在裸露的载流部分 风、雪、雹等自然现象所造成的短路短路故障的种类三相短路（对称短路 ）： 三相同时发生短路的情况电力系统同一点发生的不对称短路有： 两相短路 两相接地短路 单相接地短路 单相接地短路较多 ，而相间短路则较少 ，三相短路，虽然发生机会较少，但情况严重 短路的现象 电流剧烈增加，例如发电机出线端处发生三相短路时，电流的最大瞬时值可能高达额定电流的1015倍，从绝对值来讲可达上万安培，甚至十几万安培。 同时，系统中的

11、电压将急剧下降，例如系统发生三相短路时，短路点的电压将降到零，短路点附近的电压也将明显降低。短路的后果 （一）（1）短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏；（2）很大的短路电流通过导体时，要引起导体间很大的机械应力，如果导体和它们的支架不够坚固，则可能遭到损坏；（3）短路时，系统电压大幅下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的负荷异步电动机可能停转，造成产品报废及设备损害；短路的后果 （二）（4）有可能使并列的发电厂失去同步，破坏系统稳定，引起大片地区停电； （5）不对称短路引起的不平衡电流所产生的不平衡磁通，会在邻近

12、的平行线路内（如通信线路或铁道信号系统）感应很大的电动势。这将造成通信的干扰并危及设备和人身的安全。 电力系统继电保护继电保护装置 就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 继电保护基本任务 （1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行。（2）反应电气元件的不正常运行状态，根据运行维护的具体条件（例如有无经常值班人员）和设备的承受能力，发出警报信号、减负荷或延时跳闸。对继电保护的基本要求 四统一原则可靠性可信赖性安全性 选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电

13、力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统无故障部分仍能继续安全运行。 快速性是指保护装置以可能最短的时限将故障或异常工况自电网中切除或消除。 灵敏性是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。 1.6 电力系统分析 电力系统稳态分析电力系统暂态分析电力系统稳态分析电力系统正常运行状态的分析和计算 电力系统潮流的分析和计算 电力系统频率 电力系统电压调整电力系统潮流的分析和计算根据给定某些参数（有功、无功负荷，发电机发出的有功功率及发电机母线电压的有效值），求解电力网中全部的运行参数（其它母线的电压、各条线路中流动的功率及功率损耗等）。潮流计算的目的规划设计中选择系统接线方式、选

14、择电气设备及导线截面；运行中确定运行方式和合理的供电方案，确定调压措施；提供继电保护、自动装置的设计与整定依据。电力网参数及等值电路输电线参数及等值电路变压器参数及等值电路电力网等值电路标么制电力网功率损耗与电压计算负荷表示方法单相负荷负荷为感性时，电流滞后电压的相位角为。单相复功率表示为负荷为容性时，电流超前电压的相位角为。单相复功率表示为负荷表示法负荷发出无功三相负荷感性负荷容性负荷视在功率电力线路和变压器的功率损耗为简便起见，单相电路中直接标注三相的运行参数（即线电压、三相功率、三相功率损耗）电力线路的功率损耗（一）电力线路的功率损耗（二）已知线路末端的电压及三相负荷线路的功率损耗由以下

15、三部分组成：线路末端导纳中的功率损耗（只有无功损耗）线路阻抗中的损耗（包括有功损耗和无功损耗）线路首端导纳中的功率损耗（只有无功功率）线路末端导纳中的功率损耗线路阻抗中的损耗（一）由电工学知识有电流用线路末端的三相功率S2和线电压U2表示，则 即线路阻抗中的损耗（二）电流用线路首端的三相功率S1和线电压U1表示，则即通式分子、分母必须是同一点的电压、功率。功率及功率损耗均为三相的值；U为线电压，单位为kV。线路首端导纳中的功率损耗电力系统频率和电压调整在潮流计算的基础上，对电力系统的稳态运行状况进行优化和调整，保证系统稳态运行时的的电能质量和经济性。变压器的功率损耗ZT中的损耗与通过变压器的负

16、荷有关,而负荷是变动的，称为可变损耗。BT与负荷无关，只与电网的电压有关,称为固定损耗。双绕组变压器的功率损耗计算励磁支路用固定功率损耗表示总有功损耗为总无功损耗为式中，S为通过变压器的三相视在功率，MVA；UN为变压器的额定电压，代替电路中的实际电压，kV；RT、XT为归算到UN的电阻，电抗，；以代入，则电力系统电压调整电力系统暂态分析电力系统故障分析 短路电流的分析和计算1.7 电力系统稳定问题概念：电力系统能够运行于正常运行条件下的平衡状态，在受到干扰后能够恢复到允许的平衡状态。电力系统稳定性电力系统静态稳定（小干扰下的稳定性）电力系统暂态稳定（大干扰下的稳定性）电力系统静态稳定小干扰下

17、的稳定性指电力系统受到小的干扰后，不发生自发振荡或周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。确定系统的某个运行稳态能否保持的问题电力系统暂态稳定大干扰下的稳定性指电力系统受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行或者恢复到原来的状态。大干扰一般指短路故障、突然断开线路或发电机等。二、电力电子技术简介电力电子技术的任务处理、控制电能的形态处理、控制电能的流动向用户提供最佳的电压和/或电流 满足工艺要求 节约能源电能形态转换的形式改变电压水平（交流或直流）改变频率改变波形改变相数三、电力电子技术在 电力工业中的应用高压直流输电（HVDC）静止无功补偿（SVC、SVG）有源滤波器（APF）可控

18、串联补偿柔性（灵活）交流输电系统（FACTS可再生能源与电力系统互联等高压直流输电（HVDC）最适合大容量、远距离输电的电能形态线路造价较低线路损耗较小异步联接可控制性好HVDC应用长距离、大容量输电（能源基地到负荷中心）联络线（电力系统之间或电力企业之间）电缆输电（地下或海底）改造原有交流线路以增加输电容量轻型直流输电（HVDC Light）较小容量的直流输电系统（200300MW） 采用电压源型逆变器（由可关断器件构成） 采用PWM技术静止无功补偿（SVC）的作用在较弱的电力系统中维持稳定的电压降低输电损耗增加输电容量增加瞬态稳定极限对功率振荡起阻尼作用改进电压控制及稳定性SVC的组合方式TCR分组投切TSC TCRFC TCRFC分组投切TSC 晶闸管控制电抗器（TCR）原理图晶闸管投切电容器（TSC）原理图静止无功发生器（SVG）静止无功发生器（SVG）原理图有源滤波器（APF）有源滤波器（APF）原理图电流