现代电力系统分析 课件 第1章 绪论

第1章 绪论1概述

本书主要内容作为教材，本书立足点是简明系统地介绍与电力调度系统相关的，至今已成熟和实用的电力系统分析理论和方法。重点论述以计算机及其相应数学理论方法为工具进行电力网络稳态及暂态分析的原理和方法。全书包括10章。其中第1章为绪论，第2章介绍电力系统计算的基础知识；第3、第4章讨论了电力系统稳态分析；第5章是电力系统状态估计；第6章是电力系统静态安全分析；第7章是电力系统故障分析；第8章到第10章是电力系统暂态分析。概述

本书主要内容

1.1电力系统发展概述41.1电力系统发展概述电的商业化应用始于19世纪70年代后期，第一个完整的电力系统由托马斯·爱迪生在纽约的皮埃尔大街站建成并于1882年9月投入运行。此后电力系统逐步发展，其发展历程如下表所示。第一代电力系统第二代电力系统第三代电力系统19世纪末~20世纪50年代20世纪50年代~20世纪末21世纪~21世纪中叶小机组（燃煤、油气、小水电）输配电（220kV以下）小电网（城市电网，孤立电网）大机组（化石、核电、水电）超高压（750kV以下）大电网（交直流互联电网）清洁能源发电（超过60%~70%）骨干电网和分布式电源结合大型主干电网与局部网微网结合220kV以下架空线和电缆输电超高压交直流输电，架空输电方式为主大容量、低损耗、环境友好的输电方式（特高压、地下输电）简单保护和手动控制快速保护和优化控制；输变电设备故障的快速切除智能的电网控制、保护系统，智能输变电设备和网络自愈经验型调度分析型调度，适应负荷变化的电源侧能量管理系统智能型调度，适应可再生能源电力变化和负荷变化的综合能量管理系统电网安全和供电可靠性低安全可靠性提高，但互联电网稳定问题突出，大停电风险依然存在供电可靠性大幅提高，基本排除用户的意外停电风险经济性资源优化配置能力差大机组大电网规模经济性，大范围的资源优化配置能力集中与分布相结合的规模经济性单向电力流，单一的电力服务配电网单向电力流，单一的电力服务智能主动配电网、微网，双向电力流；智能用电；提供能源、电力和信息综合服务初级阶段的电网模式高度依赖化石能源，是不可持续的电网发展模式基于可再生能源和清洁能源，是可持续的电网发展模式总装机1.1电力系统发展概述2021年总装机容量23.77亿千瓦，其中火电13.0亿千瓦，占比54.6%，清洁能源占比45.4%总装机、风电和太阳能发电装机均居世界第一2021年全年发电量8.4万亿千瓦时，世界第一装机容量核电太阳能水电风电火电1.1电力系统发展概述223万km35kV及以上2021年输电线路长度86亿kVA35kV及以上2021年变电设备容量1.1电力系统发展概述目前，我国正处在能源转型期。我国能源转型的目标，是建立清洁低碳、安全高效，可持续发展的现代能源体系。电力系统处于从传统电网向智能电网，进一步向能源互联网转型的过程中。

1.2现代电力系统91.2.1现代电力系统特征电力系统是世界上目前最庞大和最复杂的人造系统，具有地域分布广、传输能量大、动态过程复杂等特点，其数学模型具有高维、强非线性和时变的特征。现代电力系统也由发电、输电、配电、用电等电气设备以及各种控制设备组成，但与传统电力系统相比，各部分或环节都已经有了或正在发生很大的变化。并且电力系统的构架、运营具体体现在以下九个方面：

高温、高压、超临界机组、超超临界机组高比例新能源发电分布式发电大容量远距离高压输电、大系统互联特高压交直流电网高度自动化电力市场化智能电网全球能源互联电网现代电力系统的重要标志是大容量、超大规模、超高压、交直流混合、以及清洁化、信息化、柔性化和市场化。1.2.2我国电力系统面临的挑战与发展方向随着新能源的快速发展，现代电力系统正在经历变化，面临一系列挑战。源网荷结构变化电源层面，电力电子类电源（新能源+直流）占比快速提升，电源装机结构和电能生产方式发生重大变化电网层面，交直流电网协调发展，大电网资源配置能力不断增强，微电网快速发展，电网的功能和形态发生重大变化。负荷层面，负荷结构多元化，配网的有源化特性凸显。电力系统特性变化随机波动性：风电太阳能等新能源的随机波动造成了电能生产随机波动，使电网运行不确定性大幅增加灵活可控性：电力电子广泛应用，使可控元件多元化、小型化、分散化，增加了控制的灵活性复杂脆弱性：随着高比例新能源接入，传统系统惯量不断下降，抵御故障能力降低，故障形态更加复杂，连锁反应风险增加一、变化1.2.1.1我国电力系统面临的挑战与发展方向二、挑战挑战1：电网安全运行风险不断加大基本的安全稳定要求越来越难以满足频率调节能力和频率稳定水平不断下降电压调节能力和电压稳定水平不断下降传统同步稳定及新形态稳定问题小事故大破坏事件的风险增加电力电子装置的强非线性、脆弱性等问题，故障路径十分复杂，连锁反应成为巨大威胁挑战2：电力系统调节能力严重不足灵活调节能力不足，直接影响新能源的消纳和发展调频调压能力持续下降挑战3：电力供应保障难度不断增加新能源出力的不确定性强，普遍具有随机性和波动性；部分新能源发电反调峰特性新能源“大装机，小电量”特点突出挑战4：认知、控制、故障防御难认知难：未来电力系统的物理形态和运行特性发生显著变化，微秒级电力电子开关过程与毫秒级、秒级的交流电机过渡过程交互影响控制难：控制基础发生重大变化，电力电子类电源不具备传统发电机的控制特性。控制规模大幅度增长，控制对象从几千台扩展到上十万台设备，从以源为主扩展到源网荷储各环节故障防御难：系统状态不确定性增加，脆弱性元件增多，故障形态、路径、特性复杂化，第一道防线配合整定困难，传统事件触发型的第二道防线面临不确定性故障连锁反应的考验，第三道防线措施部署需要应对配网有源化的挑战1.2.1.1我国电力系统面临的挑战与发展方向三、发展方向现代电力系统自身发展的重构系统惯量水平联网方式，传统惯量，新型惯量调节能力调峰、调频和调压三个维度，源、网、荷三个方面支撑能力电源支撑，电网支撑，新能源场站支撑现代电力系统认知体系的重构基础理论研究现代电力系统过渡过程；“双高”电力系统稳定机理、分析方法；高比例电力电子设备接入的宽频带振荡理论…建模仿真与工程应用电力系统多时间尺度建模及模型实测体系；机电电磁混合、数模混合、全电磁仿真技术…特性认知研究构建新一代电力系统仿真评价方法体系；“双高”背景下电力系统稳定性分类与判据…现代电力系统控制体系的重构创新控制理论创新态势感知多目标协同优化多级电网协调控制重构技术平台重构技术框架现代电力系统故障防御体系的重构创新故障防御理论和体系重构第一道防线重构第二道防线重构第三道防线1.2.1.1我国电力系统面临的挑战与发展方向提高系统调节能力。从调峰、调频和调压三个维度，分源、网、荷三方面提高系统调节能力。系统调节能力源侧网侧荷侧调峰：建设与新能源规模相匹配的调节能力建设灵活调节电源，包括抽蓄、储能、燃气等电源。常规电源深度灵活调峰，包括火电灵活性改造，核电参与调峰等提高电网资源配置能力，加大灵活柔性输电等技术应用，共享全网调节资源加大需求侧响应，推动电动汽车、分布式储能和可中断负荷参与调峰调频：适应不断加大的波动性和有功冲击推动新能源和储能参与系统调频，提高常规电源调频性能利用串补、可控串补、UPFC等FACTS设备，直流与柔性直流等设备，增强主网有功调控的灵活性；发挥直流输电等设备的频率调制能力创新电动汽车、分布式储能、分布式新能源参与系统一次调频调压：满足系统稳态调压需要发挥常规机组主力调压作用，研究电力电子类电源场站级灵活调压分层分区合理配置无功补偿，柔直，FACTS设备参与调压创新分布式电源、分布式储能参与低压侧电压调节1.2.2现代电力系统分析理论与方法151.2.2电力系统分析理论与方法电力系统分析取决于对电力系统本身客观规律的认识，同时也取决于所采用的计算理论、方法和工具。电力系统分析理论与方法的发展基本分为两个方面，即电力系统自身发展及对本身客观规律的认识，以及所采用的理论和方法。发展的3个阶段一、发展历史阶段1：电力工业初期（19世纪80年代）至20世纪50年代小系统、手工计算的特点奠定了电力系统基本元件的物理和数学模型阶段2：20世纪50年代至20世纪末电力系统规模发展和分析方法计算机化的进程逐渐形成了电力系统分析的潮流计算、短路计算和稳定分析计算三大计算软件阶段3：20世纪末至今对当前“双高”电力系统进行重新认知、建立新的理论分析体系和计算控制方法不断探索研究中，没有形成系统性的理论和方法电力系统能量管理系统（EnergyManagementsystem，EMS）是现代电力系统分析技术的集大成者，其主要结构如下图所示：1.2.2电力系统分析理论与方法二、分析理论与方法1.2.2现代电力系统分析的主要内容研究如何利用现代计算机信息技术、现代通信技术更准确、快速、深入地研究现代大规模电力系统，比如进一步研究能更准确地描述系统中各元件在不同运行状态下的静态和动态特性以及系统整体特性的模型、大规模互联系统的数学表达式等。研究高压直流输电和FACTS在各种运行工况下的分析方法、控制技术以及含有高压直流和FACT