电气工程概论PPT

电气工程概论河北科技大学电气学院朱维璐河北科技大学电气工程系二、太阳能光伏电池太阳能光伏发电是利用光生伏特效应原理、利用太阳能电池将光转换为电能的。光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件），控制器和逆变其三大部分组成。所涉及到的原件是电力电子元件，不涉及机械部分。所以设备简单，可靠性高，寿命长，无噪声无污染。可应用于上至航天器，下至家电的电源，达到兆瓦级电站，小到家用电源。如下图。太阳能光伏电池阵

太阳能光伏发电最基本的元件是太阳能电池，分为单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶硅和多晶硅用量最大，非晶硅一般用于小系统和计算器辅助电源。国产晶体硅效率在10—13%左右，国外在12---14%。目前光伏发电主要用于三大方面：1）为无电场合提供电源：如为居民区供电，微波通讯电源，通讯，移动电源和备用电源。2）太阳能日用产品：各类同样能充电器，路灯，草坪灯。

3）并网发电：我国对太阳能的研究取得了显著的成果，如研制的单晶硅太阳能电池用于1971年发射的第二颗人造卫星上，1985.10第一作同样能光伏电站在甘肃省榆中县建成，完成同样能的转换和储存，使一周内不出太阳也能照常供电。2005年投资750万美元，装机容量达到1MW的最大太阳能光伏并网发电系统在深圳投入运行。其覆盖面积达5325m2，单晶和多晶光伏组件达4000多个。这也是世界上为数不多的兆瓦级太阳能光伏发电系统之一。§3.7磁悬浮列车技术

20世纪下半叶铁路的电气化是常规铁路的运行速度达到了200多公里，为进一步提高时速，悬浮列车受到了广泛的关注，它是一种采用磁悬浮、直线电机驱动的新型无轮高速地面交通工具。具有速度高，运客量大，对环境影响（噪声、振动）小，能耗低，运行安全平稳，无脱轨危险，爬坡能力强的优点。高速列车有两种技术方案：

1、常导磁悬浮列车：

2、超导磁悬浮列车：采用超导磁悬浮的优点是：悬浮气隙大，轨道结构简单，造价低，车身轻。随着高温超导的发展，将具有更大的优越性。目前常导磁悬浮列车的时速已达到500km/h，我国上海引进德国的捷运高速磁悬浮系统已投入运营，时速为400km/h。磁悬浮列车的运营要解决一下问题：磁悬浮、直线电动机驱动、车辆设计与研究、轨道设施、供电系统、列车检测与控制等高新问题。磁悬浮列车主要依靠电磁力实现传统铁路中的支撑、导向和牵引功能。由于列车铁路之间无机械接触，从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的束缚。因而速度可提高到400-550km/h以上。任何磁悬浮列车都要解决三个问题：即磁悬浮、驱动与导向。磁悬浮的方式目前主要有三种：即电磁式（EMS）、电动式（EDS）和永磁式。驱动用的直线电动机主要分为同步直线电动机和异步直线电动机。导向分为主动（有源）导向和被动（无源）导向。下面给出了目前已运行的磁悬浮列车的分类:●长定子同步电机：同步电机的转子在车上，由谐波发电机与电池给转子磁场供电或采用超导线圈，避免了网轨接触，可实现高速。同步电机的定子在地面，需要地面供电，结构复杂，成本高。典型代表是德国电磁悬浮和日本超导磁悬浮（电动悬浮）●短定子异步电动机：定子在车上，因此需要接触网/轨供电，或采用额外的直线变压器供电，速度受到限制。转子在地面上，采用感应板（无转子绕组）单边激磁，结构简单经济，由于速度低，悬浮一般采用可静态悬浮的电磁式（如日本的HSST），如果采用无接触的直线变压器供电，速度也可提高到400km/h以上，也可采用电动式磁悬浮（瑞士SwissMetro的一个方案），由于异步电动机的功率因数和效率较低，悬浮需要另外的电磁铁，对大功率的高速列车一般不用。由于异步电动机是单边激磁，转子不需要供电，长定子比短定子在材料上要高得多，经济性较差，除非特殊需要，一般不采用长定子。一、日本超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的车身上装有超导磁体并构成感应动力设备，列车的驱动绕组和悬浮导向绕组安装在地面导轨的两侧，地面导轨两侧的驱动绕组中通以三相交流电时，产生行波电磁场，列车上的超导磁体就会受到一个与移动磁场同步的推动力，推动列车前进。2003年，高速磁悬浮列车时速达到581km/h。在导轨的侧壁上，排列着一组组的悬浮—导向线圈，当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场在导轨的侧壁的悬浮线圈中产生感应电流和感应磁场，控制每组悬浮线圈上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反，从而产生引力。而下侧二者的极性相同，产生排斥力，使得车辆悬浮起来。如下图。二、德国常导磁悬浮列车悬浮和导向系统是利用装在车底部的可控悬浮电磁铁和安装在路轨底面的电磁反应轨之间的吸引力工作的。悬浮磁铁从路轨下面利用吸引力使列车悬浮，导向磁铁从侧面使车辆保持运行轨迹。每一节车辆由15个独立的悬浮磁铁和13个导向磁铁。悬浮磁铁和导向磁铁安装在列车的两侧，驱动和制动依靠同步长定子直线电动机拖动，如下图：德国磁悬浮列车的导轨结构由于电磁是悬浮式不稳定的，必须在磁铁和轨道之间设置传感器，通过闭环控制使它们的间距控制在一定的范围内。因此德国的磁悬浮列车实际上是一台“悬浮转子大型直线同步电动机”，转子磁极兼悬浮磁铁、同步励磁和齿谐波发电机电枢的三项功能于一身。三、日本常导磁悬浮列车HSSTHSST的工作原理与德国的类似，均使用磁吸式工作原理，HSST将电磁铁安装在车辆上，导轨的下部是吸引用的轨道，电磁铁从下方产生吸引轨道的吸力，列车利用此吸力而悬浮，铁轨和轨道的间隙也必须采用闭环控制。

HSST与德国不同的是驱动电机，德国采用的是长定子同步电动机，而HSST则是采用的短定子异步电动机，电机定子安装在车辆上，电机的铝制长转子（反应轨）沿列车前进方向铺设在轨道上，车上装有电源，利用车辆上电磁铁的磁场与导轨磁场铝板之间的电磁作用驱动列车行驶，但由于要通过导轨向车辆输送电流，限制了速度。该铁路已在名古屋建成了一条运营线，为2005年世界博览会服务。如下图。我国和韩国也在研制类似的磁悬浮列车，但还没有正式运营。四、永磁式悬浮列车永久磁铁虽然可以产生吸引力或排斥力，但完全采用永久磁铁不能独立实现稳定的磁悬浮，除非在空间的6个自由度中至少有一个其他的约束，这一点已在19世纪得到证明，称为“Earnshaw”定律。但采取其他措施后，就可实现稳定悬浮，方法有：

1、定转子全用永久磁铁，利用吸引力或排斥力产生磁悬浮，由于不稳定可采用机械导向轮或限位轮。因为定转子之间有摩擦，故称为半悬浮。不适用于高速磁悬浮列车。如下图为德国柏林曾运行过的“磁悬浮”城轨列车。2、定转子全用永久磁铁，利用吸引力或排斥力产生磁悬浮，或转子用永久磁铁，定子用铁板，但均须在转子（列车）上安装补偿电磁铁，形成稳定的磁悬浮。3、用永磁材料代替磁悬浮的超导磁铁，与地面感应线圈作用，产生悬浮力（属于电动势磁悬浮，是美国“磁飞机”的方案之一）。4、用永久材料作为轨道一边（一般为定子），与超导材料相互作用，产生稳定的完全抗磁性悬浮力。5、在车上安装用永久材料做成的高速自转磁轮，与地面导电材料轨面产生悬浮力，也可以实现稳定悬浮。五、其他磁悬浮列车各国研究的类型很多，如美国的城市磁悬浮列车和磁飞机，瑞士的SwissMetro等，但目前还没有运行或样机。§3.8燃料电池技术

燃料电池的雏形是1839年英国科学家格罗夫提出的，（当时称为气体伏打电池），1932年，科学家在理论上进行了论证，为研制现代燃料电池打下了基础，1958年燃料电池正式问世，其输出功率5KW，工作温度为200℃，20世纪60年代，燃料电池作为“阿波罗”等宇宙飞船的电源，为宇宙开发立下了汗马功劳。众所周知，水分解后可产生氢和氧，反之，氢和氧化合生成水。燃料电池正是利用水电解及其逆反应获取电能的装置，由天然气、石油、甲醇、煤等原料为燃料制造氢气，然后与空气中的氧反应，便可轻易的得到所需的电源。燃料电池虽然也是电池家庭的成员，但它与干电池、蓄电池都不同，它的化学燃料不是装在电池的内部，而是在外部，可以按需要，源源不断的提供化学燃料，就像往煤膛里添加煤和油一样，故称它为燃料电池。下图为一种电动汽车用燃料电池的结构。

组成：燃料电极：主要有过渡金属和贵金属铂、钯、镍等。氧化剂电极：主要有银、金、汞等燃料：主要有氢、甲醛、烃类和天然气等氧化剂：主要有空气和纯氧气工作原理：燃料电极和氧电极形成负、正两级，两极之间用电解质（碱溶液或酸溶液）隔开，燃料和化学剂分别通入两个电极，在催化剂的催化作用下，通电介质一起发生氧化—还原反应。反应中产生的电子由导线引出产生电流。

因此只要向燃料工作室不断的输入燃料和氧化剂，燃料电池就能持续的向外供电。燃料电池的转换效率比现在应用的火力发电还高，因此有人称它为“新型发电机”。他不但能发电，还能供热。与火力发电优点如下：1）发电效率高，且稳定。2)工作可靠，不产生污染和噪音。3）使用方便，电损耗低。4）建发电站用的时间短，可根据需要随时扩大容量。5）体积小，重量轻。使用寿命长，单位体积输出功率大。

20世纪70年代初，美国建成了一座1000KW的燃料电池发电装置，并入电网运行了1千多个小时，目前人们正在研究高效的燃料电池，预计将用在汽车上作为动力使用，还可用于战车，电动坦克，卫星上的电源。下图为公计算机使用的燃料电池。§3.9飞轮储能系统

一、原理飞轮储能已有几千年的历史，古人就懂得用轮盘储能来制造圆形的瓷器，在汽车、拖拉机中用飞轮来使旋转更平稳。而现代的飞轮储能是用电动机带动飞轮使之高速旋转，将电能转换成动能，需要释放时再带动发电机将其转换成电能。根据牛顿定律：

W=Jω2/2为使w最大，应使ω增大，现代的飞轮转速至少都在几万转/分以上。上世纪50年代就有人进行了飞轮实验。如下图。近年来，由于以下三方面的突破，给飞轮储能带来了新的活力。1、采用高强度玻璃纤维制造飞轮，使速度有了很大的提高。2、电力电子新技术，给其能量交换予以很大的支持。3、电磁悬浮、超导磁悬浮技术的发展，降低了摩擦。目前世界上转速最高的飞轮转速可达20万转/分，因此能量非常大，理论上是铅酸电池的6倍，使用寿命15年以上，效率90%，且无污染。美国空军研究所与航空航天局飞轮储能项目的研究目标是：近期用于大型航天器轨道机车、客车、卡车，中期计划用于战车、航天器、航天飞机、民用飞机等。

二、应用

1、电力调峰

1996年德国研究储能5MWh超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10个飞轮模块组成，每个模块重30t，直径3.5m，高6.5m，转子转速2250-4500r/min,输入输出采用电动机/发电机来实现，效率96%。美国马里兰大学一直致力于研究飞轮储能系统，1991年研发出用于电力调峰的24KWh电磁悬浮系统。飞轮重172.8kg，转速11610—46345r/min,系统输出恒压110/240V,全程效率81%.如下图。

2、电动车辆飞轮电池将飞轮储能系统安装在纯电动车里作为动力源，成为飞轮电池。研究表明：为维持200-250km的里程，和10s的10-96km/h的加速过程，大约需要78kwh的储能量以及94kw的发电功率。

20世纪80年代初，瑞士研制成功完全由飞轮功能的第一辆汽车，飞轮直径1.63m，重1.5t，载客70名，行程0.8km，在每一靠站停车时，需充电2min。美国研制的飞轮轿车，充电15min，可行驶560km。英国研制的飞轮有轨电车，充电90s，可行驶10km，比内燃机节能2/3。如下图。3、飞轮储能-再生制动系统过去的车辆在制动时，只能将多余的能量转化为刹车片的热能消化掉，电力机车与地铁虽然可以采用再生制动，但在技术上有的问题。内燃机车与汽车由于没有接触网系统，无法采用再生发电制动。此时可采用飞轮再生制动系统。将飞轮能量释放在内燃机上，与内燃发电机组配合，向牵引电动机供电。美国德克萨斯大学研发的飞轮储能燃气轮机轻型机车，被称为下一代高速列车，已进行了多次试验，效果良好德国也开发出类似的装置，如下图。论文2题目：电工新技术的发展趋势及对国民经济发展的推动作用要求：1、格式：中文题目（黑体小三号）中文班级

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（黑体小四号）

中文摘要：（100—200字，宋体五号）中文关键词：（3—5个，宋体五号）

英文题目（小三号）英文班级

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（小四号）

英文摘要：（100—200字，五号）英文关键词：（3—5个，五号）正文：（不低于3000字，小四号,分两栏）2、时间：二周第四章电力系统及其自动化

§4.1电力系统简介4.1.1电力系统的任务安全、可靠、优质、经济的生产、传输和分配电能，满足国民经济和人民生活的需要。4.1.2现代电力系统的特点技术上发展的特征可用“大机组、大电网、高电压”来描述，可靠性已成为电力系统规划、设计、运行考虑的首要因素。20世纪60年代以来，以控制、通讯和计算机技术的引入与广泛应用为标志。数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高了电力系统的自动化水平，以电力电子技术为基础，直流输电技术成为成熟技术，灵活交流输电也得到了重视和发展，这些构成了现代电力系统技术发展的新特征。电力市场的引入，可提高效率，降低成本，促进电力资源的合理使用，使用户受益。4.1.3电力资源与负荷我国用于发电的一次性资源较为丰富，深埋在1000米以内的煤炭总资源为2.6万亿吨，居世界第二，水力资源储藏量6.76×108kw，其中可利用的为3.7×108kw，70%的水资源集中在西南地区，其他如石油、核燃料、风能、太阳能、地热等也较为丰富。中国资源的分布（西部为主），中国能源的结构（水煤为主），中国经济发展的格局（东部领先），决定了西电东输，南北互供，全国联网。§4.2

发电厂

4.2.1能源与电力

发电厂（站）是将一次能源转换为二次能源的工厂。按利用能源的类别不同可分为：火力发电厂，水力发电厂，核能发电厂，太阳能发电厂，风力发电厂，地热发电厂，潮汐发电厂；处于研究阶段的还有：磁流体发电，燃料电池等。大多数发电厂的特点为：由原动机将各种一次能源转换成机械能，再带动发电机将机械能转换成电能（二次能源）；太阳能发电，磁流体发电、燃料电池则是将一次能源直接转换成电能。4.2.2火力发电利用煤、石油、天然气、油页岩等为燃料的发电厂常称为～。按发电方式又分为：汽轮机发电（蒸汽发电），燃气轮机发电，内燃机发动，蒸汽-燃气联合发电。汽轮机发电是利用煤等燃料在锅炉中燃烧，将水烧成高温高压的水蒸气，推动汽轮机转动，并带动发电机工作。（如下图）。已做过功的蒸汽排入冷凝器冷却成水，重新送回锅炉。在冷凝器中，大量的热量被循环水带走，所以效率较低。约为30-40%。若将做过功的蒸汽取出共给热用户使用，或经过热交换器将水加热，在供热水给用户，此时效率可达60-70%。

4.2.3水力发电利用河流的水位来发电的方式称为～。其出力的大小与流量和落差成正比，按取水方式不同，分为：径流式：是在有高落差的急流河道上修建堤堰，由引水渠道造成水头，使水通过压力钢管进入水轮机来发电。●堤坝式：如下图所示，在河流上建大坝，抬高上游水位，形成水头进行发电。又分为坝后式与河床式。坝后式：水电厂建在大坝后，大坝承受水压，由钢管引水之水轮机，再带动发电机发电。如下图，适用于高中水头的情况。河床式水电厂的厂房和坝连成一体，厂房也起阻挡水的作用，适合于低水头。如下图。

●抽水蓄能水电厂：即可蓄水又可发电，用电低谷时，机组已电动机-水泵的形式将水从下游抽回到上游存储起来，用电高峰时机组工作在发电状态，向外发电。此外还可以用作调相、调频。

4.2.4原子能发电原子能发电（或称核电）使用核燃料（釉235）在反应堆中进行核裂变转化为热能，在将水加热成水蒸气，推动汽轮机转动，再带动发电机发电，反应中以高压水或重水作为慢化剂和冷却剂，因而可分为压水堆、重水堆等。下图为我国秦山核电站的原理图。4.2.5新能源发电

1、太阳能发电分为太阳光能发电和太阳热能发电。如下图为太阳热能发电。

2、地热发电其原理与火电类似，只是热水来源于地下而已，如西藏的羊八井地热发电厂，地下水温约150℃，是一种低温热能发电方式。地球内蕴藏的热能极大，机估算，全世界可供开采利用的地热能相当于几万亿吨煤。可见前景非常广阔。3、风力发电前已叙述，不再累述。我国内蒙、新疆、甘肃、青藏高原风力资源丰富。4、潮汐发电利用海水涨潮、落潮中的动能、势能进行发电。世界上可利用的潮汐能量有1×109kw以上，我国沿海的潮汐能量有1×108kw以上，潮汐发电厂一般建在海岸边或河口地区，与水电产建造大坝一样，形成足够的潮汐潮差及较大的水容区。一般为双向潮汐发电厂。如下图。4.2.6发电设备基本控制基本的控制主要有：●频率调节：目的是实现电力系统的有功功率控制，基本方法是在原动机上装有自动转速调节器，能将转速控制在一定范围内。●电压调节：主要是实现电力系统的无功功率控制。§4.3电力网

4.3.1电网的构成与功能

由不同电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置组成。其功能是传输和分配电能，并进行电压变换。电网可分为：1、输电网：其作用是将远离用电中心的发电厂的大量电能经过变电，传输，送到用电中心附近的枢纽变电所，同时还有联络相邻电力系统和相邻变电所的作用，或向某些特大用户直接供电。其电压等级通常在220kv以上，是整个电力系统的骨架或主干电网。2、配电网：可分为：●高压配电网：电压等级35-110kv或更高。●中压配电网：电压等级1-35kv，●低压配电网：电压等级380/220v

下图为我国电网分布示意图4.3.2电力线路分为架空线路和电缆线路架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子串和金具组成。电缆主要用于地下、水中、沟槽等处。但其造价较高。4.3.3变电站的功能和构成变电站（如下图）是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过变压器将各级电压的电网联系起来。变电站主要由变压器、开关设备、汇集电流的母线、计量和控制用互感器、仪表、继电保护装置和防雷保护装置、调度通讯装置等组成。4.4.4电网的运行和调度电能作为一种特殊的商品，决定了电力系统运行的特点：1、电能目前还不能大量储存，其生产、输送必须和电能的即使消费一致，2、电力系统的暂态过程非常迅速，3、供电中断有可能给国民经济和人民生活造成重大损失，甚至影响国家安全和社会稳定，4、电能质量要求十分严格。由于以上特点，电力系统正常运行时，必须是所有运行设备的电流、电压及频率在允许的幅值范围内保持稳定性，即同步稳定、电压稳定、频率稳定。电力系统的调度管理是指对影响电力系统全局安全，经济运行和事故处理问题进行计划、指挥、控制、协调等工作的总称。主要任务是：1、充分利用发供电设备的能力和调节手段向用户提供质量合格的电能；2、在发生不超过设计规定的事故条件下，使电力系统安全运行和向用户连续不断的提供电能；3、合理使用燃料、水利等资源，使电力系统在安全稳定运行的条件下，达到最大的经济性和较小的环境污染。调度管理的主要内容包括：1、电力系统运行计划的编制2、电力系统运行控制3、电力系统运行分析4、继电保护、通讯和调度自动化等设备的运行管理5、有关规程制度的编制和人员培训等的管理如下图为地区调度室发电厂和变电所在调度的指挥下应完成以下主要工作：1、发电厂有功、无功出力的增减，频率和电压的调整；2、系统之间、发电厂与系统之间的并列和解列；3、输电线路和变压器的投入与停送电；4、网络的合环与解环；5、母线接线方式的改变；6、中性点接地方式的改变和消弧线圈补偿的调整；7、继电保护和自动装置使用状态的改变；8、设备维护检修等相关工作。§4.4电力应用4.4.1照明可分为：1、由电能转化为热能，再转化为光能的光源，如白炽灯。2、利用放电而转化为光能的光源，如荧光灯、高压汞灯、霓虹灯等。4.4.2电加热将电能转化为热能的设备，主要加热方式有电阻加热、电弧加热、感应加热、高频电场加热、红外线加热、等离子加热、电子束加热、激光加热、热泵加热等。4.4.3电力拖动是以电动机作为动力对负载进行拖动的方式。如下图，这方面的例子很多，不再一一累述。4.4.4电化学是研究化学能与电能之间转化的一门科学。其应用主要有：一次电池（原电池），二次电池（蓄电池）、燃料电池、太阳能电池、电解、电镀、电铸、电解研磨等。4.5.5节约电能电力工业是能源转换工业，也是耗能大户，因此节能成效的大小，举足轻重，目前电力企业的节能措施有：1、根据国家的资源条件，优化发电能源结构，限制燃油发电；2、煤电，采用高参数大机组，建设大电厂；3、采用超高压输电，优化网络结构，减少输配电损耗；4、建设大电网，实行电网经济调度；5、逐步对老设备进行设备改造，淘汰中低压机组；6、发展热电联产7、对发电厂主辅设备进行改造，消除相关设备大小不配套现象，改善保温，消除渗漏，推广节能新技术；8、加强燃料管理，消除储运损失，防止亏吨亏卡，造成耗煤虚升等。§4.5电力市场简介4.5.1电力市场的概念电力市场是采用经济、法律等手段，本着公平竞争，自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用电等各成员组织协调运行的管理机制和执行系统的总和。基本特征是：开放性、竞争性、计划性和协调性。4.5.2电力市场的兴起我国电力体制改革的三个阶段：第一阶段：1985年实施集资办电政策----20世纪90年代初，解决缺点问题。第二阶段：20世纪90年代初—98年撤销电力部，提出逐渐实施电力体制改革，方案为：1）政企分开、厂网分开、输供分离、实施公司化改组。2）统一开放、竞价上网、建立电力交易市场。3）依法管理、竞争有序、健全市场法规体系和监管体系。第三阶段：1998年---目前实施“厂网分开、竞价上网”试点目前有两种改革思路：1）横向切割：承认目前的东北、华北、华东等六块现状，自由竞争。2）纵向切割：完全分出电厂，自由竞争，国电公司形成一个单独的电网公司，构成一个竞争平台，让发电商竞争。措施有“厂网分开”，“竞价上网”和同网、同价、同质。4.5.3电力市场的基本原则基本目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开，公平竞争，开放有序，健康发展的电力市场体系。为保证电力市场公平竞争的原则，必须做到：1）电力市场要有公开性（包括成本、定价、计量、计划）2）扩大自由选择权利，保证电网的开放。3）必须建设有关法律法规、标准、规约、是竞争规范化。4.5.4电价和电力市场运行模式随着经济的发展，人们对电的依赖越来越强，电价对社会各方面的影响也越来越大。我国《电力法》第三十六条规定：“制定电价，应当合理补充成本，合理确定收益，依法计入税金，坚持公平负担，促进电力建设”。

以上说明制定电价的四条原则是：1）成本为主：供电企业依据发、供电成本制定电价。2）合理利润：既保证供电企业具有扩大再生产的能力，同时保证用户利益。3）公平负担：对不同类型的用户，按不同的供电成本制定电价，同一类型用户一视同仁。4）促进用户合理用电：将用电时间由高峰调至低谷，调整功率因数等。目前我国电力市场有两种运行模式：1）统一市场：各省设结算中心和调度中心。2）联合市场：以省为单位参加竞争，保留现存的省级市场的职能，在网级电力市场上竞争。4.5.5电力市场下的电力系统带来的技术问题是如何灵活控制潮流最大限度的满足电源与用户的最优输送能力并做到安全、稳定、可靠运行。电力市场中电网调度人员不仅要完成电网的控制运行功能，还要作为电力经纪人完成电力交易。§4.6电力新技术和发展趋势

现代社会，人口增长和工业经济发展更突出了能源供需的矛盾，传统的发电方式（火力、水利）已不能满足人们的需要，迫切开发新的途径和新的方法开发新能源。我国发展新能源的指导方针是：大力（优先）发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极开发新能源发电，同步发展电网，促进全国联网。以三峡水电站（下图）为契机，到2020年逐步建成全国统一的联合电网，标志着电力事业进入一个新的发展时期。目前世界电力行业的发展趋势是：一方面发达国家用电需求增长缓慢甚至停顿，而另一方面发展中国家的用电量迅速需求，特别是东南亚和南美洲地区大规模的电网建设正在蓬勃发展。20世纪电网的发展特征常常以“大机组、高电压、大电网“来描述，到21世纪将会怎样呢？国际大电网会议（CICRE）上专家们指出：机组的单机容量和输电电压等级在20世纪80年代后期出现了饱和趋势，这除了电能需求变缓和环境保护制约以外，主要出自可靠性的考虑，大量统计表明：设备本身的可靠性随着单机容量的增大而降低，而电网对设备要求的可靠性却随着单机容量的增加而增大，这两条曲线的焦点决定了电机容量和电压等级的临界值，分别为130万千瓦和800kv。另外输电线路也受到输电走廊和环境的制约，因此如何提高输电效率，优化现有电网资源的配置受到人们的关注。4.6.1电力发展与环境保护我国人口众多，人均资源有限，环境问题突出，能源效率低。联合国在一份报告中指出：现行的能源生产、分配、使用方式是不可持续的。为了实现可持续发展，必须发展洁净煤技术作为重点。人均指标是衡量现代化的一个粗略指标，据统计，1993年：西方发达国家及俄罗斯人均装机容量超过1KW，北欧一些国家是它的几倍，台湾已超过1KW，但电力仍十分紧缺。说明对一个中等发达国家要求达到1KW的水平是有一定的道理的。我国按照”三步走“的发展战略目标，要求到21世纪中叶装机容量达到15亿KW，人口也控制在15亿以内。按照可持续发展的要求，首先应开发没有污染的水电资源，我国的水电资源储藏量为6.76亿千瓦，可开发的约为5亿千瓦左右，相应的发电量为3.24亿千瓦，居世界第一，按发电量计算，占世界总量的15%，而我国人口占世界总量的21%，占世界均值得70%，即使是水资源全部开发（不考虑其它能源），煤电仍占65—70%，若发电效率没有明显的提高的话，到2050年将出现全国产煤量不能满足发电用煤的局面。另外燃煤所产生的环境污染是一个严重的问题。最为迫切的控制是SO2的排放，我国SO2的排放量为0.03ppm（个别地区达到15ppm），是日本的3倍，酸雨将引起森林和农作物的破坏，水变质，土壤退化，将加速电力系统的金属加速退化，甚至造成绝缘子闪络事故。因此发展洁净煤技术被列为重要的发展目标之一。洁净煤技术的是最大限度的发挥煤炭的潜能作用，同时实现最少的污染排放，达到高效、清洁利用的目的。这是一个庞大的复杂的系统工程，主要研究开发项目包括：煤炭的加工、转化、燃烧和污染控制问题。目前发展领域主要包括高效、低污染的开发和利用煤炭的全过程，可分为利用前的净化技术、燃烧中的净化技术、烟气净化技术和煤炭转化技术。●利用前的净化技术包括：选煤、型煤、洁净优化动力配煤、水煤浆。●燃烧中的净化包括：煤粉低污染燃烧技术、先进的燃烧器、流化床燃烧技术、煤综合利用新技术、煤气-蒸汽联合循环发电技术。●烟气净化技术包括：烟气除尘、脱硫、脱氮等。●煤炭转化技术主要指煤炭汽化和煤炭液化。4.6.2发电新技术除了前面介绍的太阳能、风能、地热、潮汐发电新技术外，其他发电新技术有：1、高炉顶压发电：其原理是高炉炼铁产生大量的且带有一定压力的煤气，利用这些煤气在给用户之前，都得进行降温减压，可利用煤气层在减压前后的压力差将发电装置装在炼铁高炉顶上进行发电。2、垃圾发电：首先将垃圾中的有机物、玻璃、金属、塑料等分开，然后将有机物送入密封锅炉焚烧，利用产生的蒸汽发电。3、污泥发电：利用城市地下水道的污泥中的有机物作为能源来发电，日本东京大学发明了一种使污泥很快固化的方法，每公斤固化物泥有16.75kJ的热量，相当于低质煤的发热量，用来发电又节约能源又环保卫生。4、高温岩体发电在高温岩体上打深度为几百米至上千米的井，一直通到高温岩体层，然后从地面注入高压水，利用喷出的高温蒸汽发电。5、核聚变发电前已讲过，不再累述6、生物质资源发电生物质资源是指可以转换为能源的有机质能源，主要的生物质资源包括：薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、酿酒废醪、糖蜜废水、屠宰废水、豆制品废水等工业有机废水等，沼气发电业属于这一类。4.7.3电能存储技术又称储能技术，一般要求是：储能密度大，变换损耗小，运行费用低，维护较容易，不易污染环境。存储技术大致可分为三类：1、直接储存电磁能：如超导线圈储能技术，超级电容器。2、把电能转化为化学能储存：如新型电池3、把电能转化为机械能储存：如压缩空气、高速飞轮、抽水蓄能。4.6.4灵活交流输电技术与用户电力灵活（柔性）交流输电系统，其核心环节就是采用大功率电子器件作为大功率电子开关，与其他电力设备组成交流输电系统，以实现更灵活的调控，从而大幅度的提高系统稳定性，降低输电损耗。目前已制成的设备主要有：可控串联补偿器TCSC，静止无功补偿器，静止调相机，制动电阻，统一潮流控制器等。如下图用户电力技术与灵活交流输电技术一样，也是采用电力电子技术，微处理机技术，控制技术等高新技术为基础，用来提高电力系统运行的可靠性、可控性、运行性能和电力质量，以获得大量节电效应的新型综合技术。灵活交流输电技术主要侧重高压系统，而用户电力技术主要应用于中低压配电系统，有不同的使用目的和经济评价标准，但在使电网高度灵活化的效果上是一致的。用户电力技术包括有功无功控制、电压控制、高次谐波的消除、蓄能等方面，以开发的装置主要有：静止无功补偿器、配电静止补偿器、电池蓄能站、超导储能、有源电力滤波器、动态过电压限制器、固态断路器等。用户电力技术的重要任务是：改善供电质量。电力系统的供电质量问题可分为：1、电压质量问题：指会影响用户设备正常运行不理想的系统电压，包括电压下垂或抬高、谐波畸变、各相电压不平衡等。2、电流质量问题：指电力电子设备非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网的谐波电流、基波无功、平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等。针对以上问题可用串联或并联于系统负荷侧的功率调节器来改善供电的质量。4.6.5大电网互联在全球电力管理体制改革和新技术的推动下，我国电网的发展是2010年左右，将有初级阶段（供电和地区电网）、中级阶段（省网和大电网）进入高级阶段（全国联网和国际联网）。将完成三峡巨型水电站上万公里的500kV送变电工程，以及由俄罗斯伊尔库茨克向华北送电2—3GW的2000多公里高压直流输电工程。此外还将建成多个举行火电站和核电站，我国电网技术发展的趋势是：1）灵活交流输电技术2）先进能量管理系统3）配电系统自动化4）人工智能控制技术全国联网宏观方案要考虑的基本原则是：“西电东送和北电南送”将是我国相当一段时间内的能源流向；要做到”水火互补调剂，区域负荷错峰，水电以丰补枯，减少备用装机，紧急应付事故，保证系统稳定。实现2020年左右全国联网的步骤是：1）长江流域（中部电网）：09年三峡建成后将形成沿长江流域，包括四川、重庆、华中、华东电网在内的东西方向的中部电网，装机容量接近3.0亿千瓦，约占当年全国装机容量的1/3，2010-2020年进行溪洛渡和向家坝等长江上游，金沙江水电资源的滚动开发和三峡水电站的6台备用设备投产，加大输电能力。2）黄河流域（北部电网，华北、东北、西北电网互联）：2000-2020年进行黄河上中游水电资源的滚动开发和“三西”煤炭资源开发，改变输“煤”为输“电”，把电能输送到京津塘负荷中心，继而扩展到东北，形成一条东西方向较长并向东北翘起的北部电网。3）南部电网：从2000-2020年开发怒江、澜沧江水电资源和贵州的煤炭资源，加强云南、贵州和广东、广西联营的南部电网。4）全国联网：2020年左右，三者之间互联成全国联网（届时装机7.8-8.5亿千瓦，发电量47000亿千瓦时）。具体做法为：1）完成三峡水电站及预算范围内的上万公里500kV送便工程。2）建设三峡与华北和南方电网的互联工程。3）完成装机容量近2000万千瓦的溪洛渡、向家坝水电站及其外送输电工程。4）俄罗斯的伊尔库茨克向我国东北、华北长达2000公里输电200-300万千瓦的直流输电工程。5）建造多个巨型火电站、核电站。

配电系统自动化，由中国电机工程协会城市供电专业委员会在《配电系统自动化规划设计导则》中提出的关于配电系统自动化的定义为：“配电系统自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术将配电网在线数据和离散数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成、构成完整的自动化系统，实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的现代化”。国家电力公司在《10kV配网自动化发展规划要点》中关于配电系统自动化的定义为：“利用现代通信和计算机技术，对电网在线运行的设备进行远方监视和控制的网络系统。它包括10kV馈线自动化开闭所和小区自动化、配电变压器和电容器组成的检测自动化等。”配电系统自动化的主要功能有：1）数据采集与控制2）变电站自动化3）馈线自动化4）自动绘图/设备管理/地理信息系统5）配电系统高级应用软件，包括网络拓扑，状态估计、潮流计算、负荷预报、短路电流计算、电压无功、培训仿真等。6）配电工作管理7）故障投诉8）用户信息系统9）负荷管理10）远方抄表系统

4.6.6分布式发电系统分布式发电系统是指功率为千瓦直50MW的小型、模块式、与环境兼容的独立电源。用于满足电力系统和用户特定的要求。如调峰、为边远用户和商业区、居民区供电，节省输变电投资，提高供电可靠性等。通过分布式发电和集中供电系统的配合应用有以下优点：1）由于可由用户自行控制，不会发生大规模的停电事故2）可弥补大电网安全稳定性的不足，在意外灾害发生时继续供电，为一种不可缺少的重要补充。3）适合农村、牧区、山区、发展中的中小城市或商业区的居民供电，可减小环保压力。4）无需配电站，没有线损，可降低成本5）可满足特殊场合的需要，如移动分布式发电车等6）调峰性能好，操作简单。论文3题目：电力新技术的发展趋势及对国民经济发展的推动作用要求：1、格式：题目（小三号）班级

学号

姓名

（小四号）

摘要：（100—200字，五号）正文：（不低于3000字，小四号）

2、时间：一周第五章电机电器控制技术

§5.1电机的作用与发展简史作用：1）电能的生产、传输和分配2）驱动各种生产机械和设备3）作为各种控制系统和自动化、智能化装置的重要元件发展简史§5.2电机的分类与结构

1、分类2、发电机3、电动机4、变压器5、特种电机§5.3电机的应用领域1、电力工业2、工业生产部门与建筑部门3、交通运输4、医疗、办公设备与家电设备

4、医疗、办公设备和家用电器在医疗器械中的心电机、X光机、CT、牙科手术工具、渗析机、呼吸机、电动轮椅等，都离不开电动机。而人的心脏人造器官，也常常用到微电动机驱动。下图为无刷电动机驱动的左心室轴流式血泵。在办公室中计算机的DVD、CD-ROM、磁盘驱动器主轴采用永磁无刷电动机，打印机、复印机、传真机、碎纸机、电动卷笔刀等也用电动机。如下图。家电中的电冰箱、空调、洗衣机、甩干机、吸尘器、电风扇、抽烟机、微波炉转盘、录像机、摄像机、全自动照相机、吹风机、按摩器、电动剃须刀、电动牙刷、搅拌机、开罐机、电钟等。5、航空、航天、国防美国最近投入使用的航空母舰用直线感应电动机飞机取代了传统的蒸汽推动器，不仅体积减小了，而且推力大大增加，如下图。目前国外正在试用直线电动机直接发射航天飞机，称为“太空电梯”。

在航空器中，目前的一个发展趋势是用电磁执行器取代传统的液压、气动执行器。

6、电机在其它领域的应用演出设备（电影放映机、旋转舞台），运动训练设备（电动跑步机、电动液压篮球架、电动发球机），家具、游乐设备（缆车、过山车等）以及电动玩具。§5.4电动机的选用与运行控制5.4.1、电动机的选用

1、电动机种类的选择●当机械对起动、调速、制动要求不高时，应选三相笼式异步电动机。如功率不大的水泵、通风机、输送机、传送带、机床的辅助运动。●对重载起动且工作不连续的机械：如起重机、卷扬机、锻压机及重型机床，应选用绕线转子电动机。●对功率较大且连续工作的机械：当在技术上合理时，应采用同步电动机，也可采用异步电动机。

●当机械对起动、调速、制动有特殊要求时：可由技术、经济指标确定，可考虑使用三相异步电动机加调速装置或采用直流电动机。

2、电动机功率的选择功率要根据具体的使用场合确定，要避免大马拉小车和小马拉大车的现象。5.4.2电动机的运行控制一、电动机的起动1、笼式异步电动机的起动方法

1）直接起动（7kw以下）

2）降压起动包括：Y-△起动、自耦变压器启动、延边三角形起动。

3）软启动器起动采用电力电子器件，按照一定的控制方式（电压按一定的斜率或将电流控制在一定的范围内）进行起动。如下图的软启动器。2、直流电动机的起动

1）直接起动（1kw以下）

2）电枢回路串电阻起动

3）软启动（改变电源电压起动）

3、同步电动机的起动同步电动机本身没有启动转矩，于是在结构上采取措施，使之作为异步电动机起动。其方法很多，如同步电动机将阻尼绕组和实心磁极当成二次绕组而作为异步电动机起动，或将同步电动机的励磁绕组和绝缘的阻尼绕组当成二次绕组而作为绕线式异步电动机进行起动。当速度接近同步转速时投入励磁，牵入同步运行。二、电动机的调速在交流调速中，虽然方法很多，但变频调速是应用最多，最简单，最成熟、性能最好的的一种方法。见下图

三、电动机的制动

1、能耗制动

2、反接制动

3、回馈制动

4、涡流制动安装一个利用涡流吸收能量的制动器。§5.5电机学的研究内容

是电气工程及其自动化的专业基础课，通过本课程的学习，能够掌握各种电机的结构，电磁关系基本运行特性和一般分析方法的训练，为学习后继的专业课和将来从事专业工作打下良好的基础。电机运行原理是基于电磁感应定律和电磁力定律。电机进行能量转换时应具备的条件是:

具有磁场和导体运动（对发电机而言），或具有磁场和电流（对电动机而言）。

电磁转矩是由气隙磁场与被感应部件中的电流相互作用产生的。通过电磁转矩发电机从机械系统中吸收机械功率，转换成电功率；电动机从电系统中吸收电功率转换成机械功率。在电机内部能量转换中，存在电能、机械能、电磁能、热能。热能是由内部的损耗产生的。对电动机：输入电能=耦合电磁场内储存的能量+能量损耗+输出机械能对发电机：输入的机械能=耦合电磁场内储存的能量+能量损耗+输出电能对变压器：输入电能=耦合电磁场内储存的能量+能量损耗+输出电能在电机学中以下几方面的内容非常重要：1）物理模型首先应了解基本结构，工作原理，机械特性，应用场合和使用方法。分析电机内部的物理现象，空载运行和负载运行时内部的电磁关系。2）数学模型能够正确的建立电机的基本方程，牢固掌握稳态运行时的分析方法和运行特性。明确能量转换关系，掌握电磁转矩和转矩平衡关系。3）实际运行了解电机的发热和冷却，电机的额定值、效率、功率因数、过载能力、等主要运行指标和指标的变化范围。4）实验测试试验是研究电机的主要手段，要熟练掌握电机的基本试验方法，电动机的起动和调速，并能正确分析和评价。电机的试验方法有两种：●直接法：电机在接近实际运行的条件下进行试验，并把所测得的数据与理论计算结构进行比较以确定是否正确。●间接法：利用较为简单的基本实验（空载试验、短路试验）测出电机的参数，然后间接计算电机的性能。§5.6电器的发展史

广义的讲，电器是指所有用电的器具。但在电气工程中，电器特制用于对电路进行接通、分断、对电路参数进行变换，以实现对电路或用电设备的控制、调节、切换、检测和保护等作用的电工装置、设备和组件。因电机属于产生、变换和消耗电能的机械，习惯上不包括在电器范围之内。

18世纪就开始使用刀开关。

19世纪后期，各种电器相继问世，但容量小，均为手动。

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