电力系统概述

电力系统概述1第1页，共81页，2023年，2月20日，星期一本课程的教学内容电力系统基础、接线电力系统元件参数及等值电路电力系统潮流计算---稳态运行各母线电压、支路电流与功率及网损

电力系统有功功率平衡与频率调整电力系统无功功率平衡及电压调整短路电流的计算与分析—故障分析，三相短路概念电力系统的稳定性—静稳、暂态稳定电力系统基础(第二版)—发、输、变、配—物理元件的数学模型2第2页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述第一节电力系统中能源的构成第二节电力系统的形成第三节电力系统的负荷第四节电力系统运行的特点及要求第五节电力系统的电压等级和规定第六节我国电力工业的发展电力系统基础(第二版)3第3页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一节电力系统中能源的构成能源分类电能来源第一章电力系统概述一次能源：自然界演化生成的动力资源如煤炭、石油、天然气、水能等二次能源：一次能源转换而成的电能火力发电、水力发电、核发电；太阳能发电、风力发电4第4页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、火力发电火电发电燃料燃烧水蒸汽机械能发电火电厂凝汽式—效率低（37~50%）、容量大，坑口电厂热电厂—效率高（60~70%）、容量小，城市区第一章电力系统概述5第5页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、火力发电第一章电力系统概述凝汽式火电厂热电厂（单一生产电能）效率低（37~50%）（既生产电能，又提供热能）效率高（60~70%）图1-1凝汽式火电厂生产过程示意图6第6页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、火力发电第一章电力系统概述7第7页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、火力发电第一章电力系统概述8第8页，共81页，2023年，2月20日，星期一呼盟煤电基地2160锡盟煤电基地1200晋东南煤电基地外送规模2000陕北煤电基地外送规模1440宁夏灵武煤电基地外送规模1320蒙西煤电基地外送规模3000我国部分煤电基地建设设想方案9第9页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、水力发电水冲击水轮机旋转带动发电机发电水电厂堤坝式引水式：河床坡度较大时坝后式：单独筑坝，厂房在坝后（三门峡）河床式：厂房与坝一起（葛州坝）混合式：兼有堤坝式与引水式抽水蓄能水电厂第一章电力系统概述10第10页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、水力发电第一章电力系统概述11第11页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、水力发电第一章电力系统概述12第12页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、水力发电水资源蕴藏量：6.8亿KW可利用量：3.78亿KW20世纪末，装机3.0亿KW，水电0.9亿KW三峡水位：200m流量：14300m3/s可装机：2500万kW计划装机：70*26=1820万kW，三峡地下电站6台70万千瓦机组中，最后两台计划2012年5月底前投产。届时，三峡工程将全面达到其设计的发电能力第一章电力系统概述13第13页，共81页，2023年，2月20日，星期一闽、浙赣1416湘西791南盘江红水河1312乌江867黄河北干流609大渡河1805雅砻江1940金沙江4789长江上游2831澜沧江2137黄河黑?龙?江鸭绿江辽河第二

?松花

江河黄河淮洪泽湖江长富春江闽江

鄱阳湖赣江汉水清江洞庭湖资水沅水澧水乌江长江岷江大渡河雅砻江

金沙江黄河大通河青海湖洛河渭河南?江盘红

水河北江东江澜沧江怒江雅鲁藏布江通天河塔里木河车尔臣河孔雀河葛洲坝271。5隔河岩120三峡1768天生桥120天生桥132岩滩120漫湾125二滩330龙羊峡128李家峡200刘家峡116白山150滦河水电基地Hydropowerbases东北1131黄河上游1415第一章电力系统概述14第14页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、核电厂核能用核蒸汽发生系统代替火电厂锅炉生产蒸汽系统裂变能：一定能量的中子撞击重金属元素的核（铀、钚）聚变能：不同轻元素的原子核进行聚合（氘、氚）反应堆热中子反应堆：铀235为燃料，低中子撞击，目前采用快中子反应堆：铀238、钚239为燃料，高速、高能中子 撞击，效率高100倍，个别国家使用1kg铀235相当于2700t煤第一章电力系统概述15第15页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述核能发电的利弊：(1)核能发电不产生二氧化碳，即没有排放问题；(2)核能发电的安全性问题；

（3）核裂变放出的能量巨大，但核能也是不再生能源。切尔诺贝利核电厂：石墨水冷堆三里岛核电厂：压水堆16第16页，共81页，2023年，2月20日，星期一1951年第一座100kW核电站在美国我国秦山一二三期、大亚湾、岭澳一二期、田湾一期。2020年我国装机达9.5亿kw,其中核电4000万kw未来15年计划修建40座100万kw核电站核电投资大：1.1~1.65万元/kW；火电：4000元/kW建设周期：核电70个月；火电：30个月核电比火电寿命长30年第一章电力系统概述17第17页，共81页，2023年，2月20日，星期一三、核电厂第一章电力系统概述18第18页，共81页，2023年，2月20日，星期一四、分布式可再生能源发电第一章电力系统概述可再生能源发展的必然性：(1)大机组、大电网、高电压是当代电力系统的主流；(2)化石燃料是不可再生，并资源有限；(3)环境污染、环境保护等。可再生能源的特点：(1)装机容量小、靠近用户；(2)就地取材、就地消费。可再生能源发电，有太阳能、风能、地热、潮汐、植物桔杆等。19第19页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述(一)风力发电离网型风力发电的特点：发电规模小，通过蓄电池等储能装置或者和其他能源发电技术相结合；并网型风力发电的特点：发电规模大，可得到大电网的补偿和支撑，更充分地开发可利用的风能资源。20第20页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述(二)太阳能发电太阳能：“取之不尽，用之不竭”光—热转换光—电转换光—化学转换直接转换间接转换转换形式直接转换直接将太阳能辐射能=〉电能(光伏发电)直接将太阳热能=〉电能(半导体材料的温差发电)21第21页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述(1)、太阳能电池发电（光伏发电）图1-13离网太阳能光伏电系统太阳能电池是利用半导体P-N结的光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件。22第22页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述图1-14并网屋顶太阳能光伏发电系统示意图适应太阳能能量密度较低的特点，易于普及，不仅节省输配电设备，减少电力损耗，而且具有灵活性和经济性。23第23页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述(2)、太阳能热动力发电太阳能热动力发电是通过一种集热装置收集太阳辐射能，并用于加热工质，然后用高温高压的工质推动热力机械做功，从而带动发电机发电。图1-15太阳能热动力发电示意图24第24页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）第一章电力系统概述25第25页，共81页，2023年，2月20日，星期一发电用电输电变电配电第一章电力系统概述26第26页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）第一章电力系统概述27第27页，共81页，2023年，2月20日，星期一从调度、管理、控制的角度看第一章电力系统概述28第28页，共81页，2023年，2月20日，星期一厂网分家前电网情况第一章电力系统概述29第29页，共81页，2023年，2月20日，星期一重新组合后的大区电网图第一章电力系统概述30第30页，共81页，2023年，2月20日，星期一国家电网主网架示意图第一章电力系统概述中国国电集团公司、中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国电力投资集团公司31第31页，共81页，2023年，2月20日，星期一各区域电网2010年底发电设备容量及分类构成32第32页，共81页，2023年，2月20日，星期一

目前我国电网进入了大电网、大电厂、大机组、超高压输电、高度自动控制的新时代。截止2005年底装机总容量已过5亿千瓦，到2009.8全国拥有的发电装机总容量已过8亿千瓦，继续居世界第二。

各电网中500KV（包括330KV）主网架逐步形成和壮大，220KV电网不断完善和扩充，750KV输电工程（青海官亭—甘肃兰州东）已投入试运行，晋东南—南阳—荆门1000千伏交流特高压试验示范工程已于09.1试运行。

近十年1994——2004年，装机由19990万kW增至44070万kW，连续10年平均每年新增发电容量2400万kW，近几年每年新增7500万KW1990年我国第一条从葛洲坝水电站至上海南桥换流站的±500KV直流输电线路实现双极运行，使华中和华东两大区电网实现非同期联网，三峡工程使我国一跃成为世界第一的直流输电国家。第一章电力系统概述33第33页，共81页，2023年，2月20日，星期一我国电网发展的目标：

即加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。国家电网公司正式公布了其“2020年全面建成以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的统一的坚强智能电网”发展目标，第一章电力系统概述34第34页，共81页，2023年，2月20日，星期一050100150200250300美俄日中加德中国发电量和装机容量现居世界第二位建国初期：发电量第25位装机容量第21位2002年：均已跃居第2位GW350第一章电力系统概述35第35页，共81页，2023年，2月20日，星期一电网图第一章电力系统概述36第36页，共81页，2023年，2月20日，星期一兰虚筐内为输电网红虚筐内为配电网第一章电力系统概述37第37页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统为什么要互联并网运行呢？1.采用高效率大容量机组—减少备用容量2.合理利用动力资源—水、火电互补3.提高供电可靠性—系统越大，抗干扰能力越强4.提高运行的经济性—装高效率大容量机组、合理利用动力资源、合理分配负荷、削峰填谷。第一章电力系统概述38第38页，共81页，2023年，2月20日，星期一2010年全国电网互联示意图华北西北

东北华东南方电网西藏从三峡到华东的三回直流德阳－宝鸡直流晋城－阳城－江苏AC(orDCLink)灵宝背靠背直流荆州－惠州直流姜家营－高岭交流新乡－邯东背靠背直流华中三峡水电站西北—华北第一章电力系统概述39第39页，共81页，2023年，2月20日，星期一国家发生时间事故名称事故后果美国2003.8.14北美东部网损失负荷61.8GW，停电8州1省5000万人，停电面积24000平方公里，最长停电29小时，损失300亿美元。瑞典丹麦

2003.9.23瑞典－丹麦停电1800MW，影响500万人用电，停6.5小时意大利2003.9.28意大利6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃，停电19小时。英国2003.8.28伦敦地铁停电724MW，影响41万用户，50万乘客被困，停电37分钟～1小时马来西亚

2003.9.1马来西亚马来西亚北方5个州发生大停电事故，停电持续约4个小时。国外03年发生的大停电事故－特大停电事故是现代社会的灾难第一章电力系统概述40第40页，共81页，2023年，2月20日，星期一美国发生的其它大停电事故事故名称时间后果美国东北部大停电1965.11.9最长停电时间达13h，影响居民3000万人，直接经济损失达1亿美元。纽约大停电事故1977.7.13停电时间达25h，停电引起贫民区纵火与抢劫，华尔街计算机停电，损失价值超过百万人小时。美国西部网大停电1994.12.14系统解列成东西南北四个大岛，事故影响到14个州200万人的用电。美国西部网大停电1996.7.2系统解列成五个孤岛，事故影响14个州200万用户美国西部网大停电1996.8.10系统解列成四个孤岛，事故影响9个州750万用户第一章电力系统概述41第41页，共81页，2023年，2月20日，星期一美国电网为什么频发大停电事故美国电网自1999年起已发生130多起重大停电事故，和其电网的特点有关。由初期的自由竞争发展之后，国家60年代才介入，导致电压等级混乱，、电网结构强弱不一；电力公司对联邦能源管理委员会FERC和NERC的规定和导则基本上处于自愿执行、而不是强制执行的状态；在危急状态下按规定和导则执行了切负荷措施的调度人员，反而可能在事故后受到责难或质询，甚至有被控告到法院；电网结构老化，投入不足，对其开发研究的投资比宠物食品制造商的还少；缺少有效应对紧急情况的方案设计；分散安装，协调不足的安全自动化系统。第一章电力系统概述42第42页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统的优越性：第一章电力系统概述1）减少总备用容量的比重2）可以采用高效率的大容量机组3）可充分利用水电厂的水源资源4）减少总负荷的峰值5）提高供电可靠性43第43页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统的基本参量：第一章电力系统概述1）总装机容量：指该电力系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，kW、MW、GW来计。2）年发电量：指该电力系统中所有发电机组全年实际发出的电能的总和，MWh、GWh、TWh来计。3）最大负荷：一般指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，kW、MW、GW来计。4）最高电压等级：指该电力系统中最高电压等级电力线路的额定电压，kV来计。44第44页，共81页，2023年，2月20日，星期一电力系统的用户：第一章电力系统概述第三节电力系统的负荷大致可分为异步电动机、同步电动机、各类电炉、电力电子设备、电子仪器、电灯等负荷：用电设备在某个时刻从电力系统中取用的功率，其特点是随机性。负荷曲线：指某一时间段内用电负荷随时间变化的曲线。45第45页，共81页，2023年，2月20日，星期一负荷曲线的类型：第一章电力系统概述日负荷曲线年负荷曲线按时间段划分为负荷曲线的描绘：不间断地连续曲线，一般有折线法或阶梯法。用户负荷曲线地区负荷曲线电力系统负荷曲线按负荷范围划分为46第46页，共81页，2023年，2月20日，星期一负荷曲线的举例：第一章电力系统概述图1-17有功日负荷曲线图1-18有功日负荷曲线(折线法)(阶梯法)47第47页，共81页，2023年，2月20日，星期一负荷曲线及表示法日负荷曲线—安排电能生产计划的基础年负荷曲线—安排检修计划、装机计划的依据第一章电力系统概述48第48页，共81页，2023年，2月20日，星期一用户的日用电量计算：第一章电力系统概述日平均负荷为负荷率（反映负荷曲线的起伏情况）为Kp值小表明负荷曲线起伏大，发电机的利用率较差。49第49页，共81页，2023年，2月20日，星期一最大负荷曲线:第一章电力系统概述主要用于指导制定发电设备检修计划和制定新建、扩建电厂的计划等。图1-19有功功率年最大负荷曲线50第50页，共81页，2023年，2月20日，星期一年持续负荷曲线:第一章电力系统概述一年内每个小时的负荷按其大小排列而成，用于安排发电计划及可靠性估计。图1-20年持续负荷曲线51第51页，共81页，2023年，2月20日，星期一全年的电能消耗量为负荷类型Tmax（h）照明及生活用电一班制企业二班制企业2000-30001500-22003000-4500第一章电力系统概述最大负荷利用小时数为负荷类型Tmax（h）三班制企业农业用电6000-70001000-1500表1-1各类用户年最大负荷利用小时52第52页，共81页，2023年，2月20日，星期一第四节电力系统运行的特点及要求1、电能的特点第一章电力系统概述(1)电能不能储存；(2)暂态过程非常迅速；(3)和国民经济各部门间的关系密切；(4)电力系统电能质量要求高，对电压、频率、波形都有严格的国家标准。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。电能以电磁波形式传播，（30万km/s）运行和故障发生十分短促。53第53页，共81页，2023年，2月20日，星期一2、电力系统的要求第一章电力系统概述(1)保证供电可靠性；造成对用户停止供电的原因：a)电力系统的元件(如发电机、变压器、线路等)发生故障；b)系统运行的全面瓦解(如稳定性破坏)。保证供电可靠性的要求：a)要求电力系统元件具有足够的可靠性；b)要求提高系统运行的稳定性、增强抗干扰能力，保证不发生或不轻易发生造成大面积停电的系统瓦解事故。54第54页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述按供电可靠性要求不同，负荷分为第一类：用户停电将造成人身事故，设备损坏，产品报废，生产秩序长期不能回复，市政生活混乱等。第二类：负荷供电中断将造成大量减产，是人民生活受到影响。第三类：不属于上述两类的负荷，如工厂的附属车间小城镇及农村公用负荷等。55第55页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述(2)保证电能质量；电能质量以电压、频率以及正弦交流电的波形来衡量。一般规定，电压偏移不应超过额定电压值的±5%。电力系统规定，频率偏移应不超过±0.2~±0.5Hz。(3)提高电力系统运行的经济性；a)采用高效、节能的发电设备，提高发电运行的经济性，降低发电过程中的能量消耗。b)合理发展电力网、降低电能在输送、分配过程中的损耗。56第56页，共81页，2023年，2月20日，星期一一、为何要确定额定电压?电网(线路)的额定电压只能使用国家规定的额定电压。它是确定各类电气设备额定电压的基本依据。标准化：避免电压等级数量的无限制扩大，导致互联困难。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。第一章电力系统概述第五节电力系统的电压等级和规定57第57页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、如何确定电气设备的额定电压?=电网额定电压升压变：=发电机额定电压同一标称电压下，不同电气的额定电压是不同的1、用电设备允许偏差2、线路首末端允许偏差1.05UN0.95UNU2U1UN3、发电机在首端：额定电压高出接入电网电压5%4、变压器一次侧：用电设备降压变：=电网额定电压UN二次侧：发电设备额定电压为空载电压内部损耗约5%二次电压高出10%第一章电力系统概述58第58页，共81页，2023年，2月20日，星期一二、如何确定电气设备的额定电压?第一章电力系统概述59第59页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述60第60页，共81页，2023年，2月20日，星期一课堂练习：试确定下图所示供电系统中发电机和各变压器的额定电压？GT1T2T310KV6KV电网220V/380V电网35KV第一章电力系统概述61第61页，共81页，2023年，2月20日，星期一例：图A为一升压变压器，一次侧接发电机，电压等级为10KV；二次侧接输电网，电压等级（网络电压）为220KV。62第62页，共81页，2023年，2月20日，星期一变压器一次侧额定电压为：

UTn1=10.0*(1+5%)=10.5KV;变压器二次侧主抽头额定电压为：UTn2=220*(1+10%)=242KV;变压器二次侧5%抽头额定电压为：

UTn2+5%=242*(1+5%)=254KV;

（比主触头的额定电压高5%）变压器二次侧-5%抽头额定电压为：

UTn2-5%=242*(1-5%)=229.9KV;

（比主触头的额定电压低5%）

63第63页，共81页，2023年，2月20日，星期一例：图B为一降压变压器，一次侧接输电网，网络额定电压为220KV；二次侧接配电网，网络额定电压为10KV。64第64页，共81页，2023年，2月20日，星期一变压器一次侧主抽头额定电压为：

UTn1=Un1=220KV；一次侧+5%抽头的额定电压为：

UTn1+5%=220*(1+5%)=231KV；一次侧-5%抽头的额定电压为：

UTn1-5%=220*(1-5%)=209KV；二次侧主抽头额定电压为：UTn2=10*(1+10%)=11KV；65第65页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述三相交流输电线路传输的有功功率为P=一定UI截面积S功率损耗电能损耗绝缘要求投资越大因此，电压过高或过低都不合理，对应一定的输送功率和输送距离，应合理选择电压。三、标准电压等级的确定：66第66页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述电力工业发展的经验表明：1)标准电压等级过多，使设备制造部门的生产复杂化，增大了设备成本，运行管理部门也因电压层次过多而管理运行困难；2)标准电压等级过少，使电力部门合理的选择电压等级有一定困难。67第67页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述表1-2电力系统的标准电压用电设备额定电压（kV）交流发电机额定电压（kV）变压器额定电压（kV）一次绕组二次绕组3610-35601102203305007503.156.310.515.753及3.156及6.310及10.515.7535601102203305007503.15及3.36.3及6.610.5及11-38.566121242363525及55082568第68页，共81页，2023年，2月20日，星期一第一章电力系统概述69第69页，共81页，2023年，2月20日，星期一四、不同标称电压下传输距离和传输功率范围第一章电力系统概述70第70页，共81页，2023年，2月20日，星期一五、电压等级的电压等级的划分100多年来，输电电压由最初的13.8kV逐步发展到20，35，66，110，134，220，330，345，400，500，735，750，765，1000kV。输电电压一般分高压、超高压和特高压。高压(HV)：35~220kV；超高压(EHV)：330~750kV；特高压(UHV)：1000kV及以上。高压直流（HVDC）：±600kV及以下；特高压直流（UHVDC）：±600kV以上，包括±750kV和±800kV。第一章电力系统概述71第71页，共81页，2023年，2