电力系统分析 第一章

电力系统稳态分析于永进1.传统的课程划分电力系统稳态分析—正常的、相对静止的 运行状态电力系统暂态分析—从一种运行状态向另 一种运行状态的过渡过程课程介绍电力系统稳态分析电力系统的基本知识和等值网络电力系统正常运行状况的分析和计算电力系统有功功率—频率、无功功率 —电压的控制与调整课程介绍电力系统暂态分析波过程—操作或雷击时的过电压（过程最短）电磁暂态过程—与短路及励磁有关(过程较短)机电暂态过程—与动力系统有关(过程较长)涉及电压、电流涉及功率、功角—导致系统振荡、稳定性破坏、异步运行短路计算对称分量法及序网概念不对称故障的分析与计算静稳暂稳课程介绍高电压技术第一章电力系统的基本概念1、电力系统的概念和组成2、对电力系统运行的基本要求3、电力系统的电压等级4、电力系统的接线方式§1.1电力系统的基本概念一、基本概念发电用电输电变电配电电力系统：生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起组成的整体。电力生产的主要环节发电厂升压站输电网降压站配电网用户电力生产过程：发电+输电+配电+变电+用电（一）电力系统中的发电厂火力发电厂水力发电厂风力发电厂光伏电站其他能源发电厂1、火力发电火力发电是利用煤、石油、天燃气或其它燃料燃烧所产生的热能,在锅炉中将水变成高温高压蒸汽,推动汽轮机转动,带动发电机发电。化学能→热能→机械能→电能2、水力发电水力发电厂是利用水流的动能和势能来生产电能。水驱动水轮机转动，与水轮机直接相连的发电机将机械能转换成电能。水能→机械能→电能3、风力及光伏发电风力发电是利用风力带动风机叶片旋转，来促使发电机发电，是风能转化为电能的一种方式。光伏发电是利用光伏电池板将太阳光辐射能量直接转化为电能的直接发电形式。从调度、管理、控制的角度看电网图黑虚筐内为输电网红虚筐内为配电网HVDC的主要元件和基本原理1、主要元件TTTXdTFTQcTLTDLT基本原理交流母线交流系统I无功补偿设备交流滤波器直流线路Vd

I

换流站I平波电抗器直流滤波器桥I交流母线换流变压器断路器桥II图HVDC原理图换流站II交流系统II无功补偿设备交流滤波器换流变压器Vd

II

从交流系统Ⅰ向交流系统Ⅱ输电时，换流站Ⅰ把交流系统Ⅰ送来的三相交流功率变换成直流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换流站Ⅱ，再由换流站Ⅱ将直流功率转换成交流功率，送入交流系统Ⅱ。这个过程称作HVDC。此时换流站Ⅰ为整流站，换流站Ⅱ为逆变站。2、HVDC的基本原理HVDC的优点：(1)线路造价低、损耗少；(2)不存在稳定问题（没有电抗）；(3)可以实现交流系统非同步联网；(4)调节速度快，运行可靠；(5)限制短路电流；(6)可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益HVDC的缺点：(1)换流站造价高；(2)换流器消耗的无功多；(3)产生大量的谐波；(4)换流装置几乎没有过载能力；(5)缺乏高压直流开关；(6)直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题；(7)直流输电线路难于引出分支线路，绝大部分只用于端对端送电。HVDC应用场合：(1)远距离大容量输电（等价距离）；(2)非同步联网；(3)海底电缆送电；(4)用地下电缆向大城市供电；(5)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一；(6)配合新能源的输电。(1)输送相同功率时，线路造价低：

交流输电架空线路通常采用3根导线，而直流只需1根(单极)或2根(双极)导线。因此，直流输电可节省大量输电材料，同时也可减少大量的运输、安装费。

(2)线路有功损耗小：

由于直流架空线路仅使用1根或2根导线，所以有功损耗较小，并且具有"空间电荷"效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。

(3)适宜于海下输电：

在有色金属和绝缘材料相同的条件下，直流时的允许工作电压比在交流下约高3倍。2根心线的直流电缆线路输送的功率Pd比3根心线的交流电缆线路输送的功率Pa大得多。

运行中，没有磁感应损耗，用于直流时，则基本上只有心线的电阻损耗，而且绝缘的老化也慢得多，使用寿命相应也较长。

(4)系统的稳定性问题：

在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。

(5)能限制系统的短路电流：

用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量(断路器的额定开断电流与额定电压乘积的根号三倍)，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。直流输电时，就不存在上述问题。

(6)调节速度快，运行可靠：

直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。

如果采用双极线路，当一极故障，另一极仍可以大地或水作为回路，继续输送一半的功率，这也提高了运行的可靠性。

电力系统的组成

（1）电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。

（2）电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。

（3）动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。几个基本参量(1)总装机容量:指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。§1.1电力系统的基本概念§1.1电力系统的基本概念年发电量——指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。最大负荷——指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。最高电压等级——是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。§1.1电力系统的基本概念二、电力工业的发展史1、高压输电的出现与电压等级的提高1831年，法拉第发现电磁感应定律，为发电机的发明打下了基础1882年，爱迪生小型电力系统（pearlstreetpowerstation），6台直流发电机，16km，59个用户，电压：直流110V。1885年，制成变压器，为实现交流输电奠定了基础1890年，英国从Deptford到伦敦11km的10kV线路（第一条高压交流电力线路）1891年，德国从Lauffen到法兰克福170km的15kV线路（第一条三相交流输电线路）§1.1电力系统的基本概念远距离大容量输电是提高输电电压的动力。2、特高压（1000kV及以上）输电的出现与展望习惯上，110～220kV为高压，330～750kV为超高压，1000kV及以上为特高压。20世纪60年代国际上开始特高压输电的研究1985年苏联1228km的1150kV,但至今运行于500kV20世纪90年代日本426km的1000kV，但至今运行于500kV目前国际上实际投运的最高电压等级750kV(加、美、俄、巴西、南非等国）我国西北电网750kV（青海官亭—甘肃兰州），2005年投运2009年我国首条1000kV（山西长治晋东南变电站－南阳－湖北荆门变电站）投运，645km，实现华北和华中电网互连§1.1电力系统的基本概念3、直流输电线路、高自然功率的紧凑型线路以及灵活交流输电（FACTS）等多种多样输电新技术的研究也取得很大进展，有的已进入工程实践。§1.1电力系统的基本概念高自然功率的紧凑型输电线路（俄罗斯、巴西），我国500kV紧凑型输电线路北京昌平到房山。灵活输电又称柔性输电可以很灵活的调节电网功率，国外已有较广泛应用。

截至目前，中国直流输电线路总长度达7085公里，输送容量达1856万千瓦，线路总长度和输送容量均居世界第一。

到2020年，中国将建成15个特高压直流输电工程，并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家§1.1电力系统的基本概念三、我国电力工业和电力系统的发展史1、基本发展史

1882年，英国人成立上海光电公司，中国第一个发电厂，一台12kW直流发电机

1911年，杨树浦发电厂动工，1913年开始发电，到1924年，共有12台发电机，装机121MW。

1954年，中国自行设计施工的第一条220kV输电线路（369km）建成，从丰满水电站输送电能到虎石台变电所。这是中国输电线路建设史上的一个里程碑。§1.1电力系统的基本概念

1972年，第一条330kV超高压输电线路建成，从刘家峡水电站至汉中，全长534公里。随后330kV线路延伸到陕甘宁青4个省区，形成西北跨省联合电网。1981年，第一条500千伏超高压输电线路投入运行，从河南平顶山姚孟火电厂到湖北武昌凤凰山变电所，使中国成为世界上第8个拥有500千伏超高压输电的国家。1989年，中国第一条±500千伏直流输电线路（葛洲坝－上海，1080公里）建成投入运行，实现华中电力系统与华东电力系统互联，形成中国第一个跨大区的联合电力系统。§1.1电力系统的基本概念

2005年9月,西北电网建成750kV青海官亭-甘肃兰州线超高压输变电工程（140.7km），中国输电技术提高到了一个新的水平.2008年12月30日，我国首条1000kV（山西长治晋东南变电站－南阳－湖北荆门变电站）投运，645km，实现华北和华中电网互连。±800kV特高压直流输电线路（向家坝—上海）正在建设中。§1.1电力系统的基本概念2、中国电力工业的现状年发电量：1980年以来，平均年增长率9％，现为世界第二位。表41980年以来中国年发电量年份19801981198219831984198519861987发电量/亿kW·h30063093327735143700410744964973年份19881989199019911992199319941995发电量/亿kW·h545158476213677575428364927810069年份19961997199819992000200120022003发电量/亿kW·h1075011600116701230013250140201654219052年份20042005200620072008发电量/亿kW·h2194324975283443255934669§1.1电力系统的基本概念装机容量：现居世界第二位。表51980年以来中国发电设备装机容量年份19801981198219831984198519861987装机容量/亿kW0.6590.6910.7240.7640.8010.8710.9381.029年份19881989199019911992199319941995装机容量/亿kW1.1551.2661.3791.5151.6651.8291.9992.172年份19961997199819992000200120022003装机容量/亿kW2.3222.462.62.943.143.33.573.91年份20042005200620072008装机容量/亿kW4.425.176.247.417.92§1.1电力系统的基本概念电压等级、输电线路长度和变电容量：电压等级除西北地区以外交流：1000kV,500kV,220kV,110kV,35kV,10kV

直流：±500kV西北地区：750kV,330kV,220kV,110kV,35kV,10kV截至2009年7月，220kV及以上输电线路长度达到37.5万公里，跃居世界第一位。2008年，220kV及以上变电容量13.9亿kVA。电网规模不断壮大：我国现有发电装机容量在2000MW以上的电力网11个，其中东北、华北、华东、华中区域电网装机容量均超过30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW。大区电网图§1.1电力系统的基本概念

2010年前后，建成以三峡电网为中心连接华中、华东、川渝的中部电网；华北、东北、西北三个电网互联形成的北部电网；以及云、贵、广西、广东4省区的南部联合电网。同时，加快北、中、南三大电网之间实现局部互联：华北－华中加强联网、华中－西北联网、川渝－西北联网、华东－华北联网、川黔联网等跨区电网工程建设，实现西电东送、南北互供，初步形成全国统一的联合电网的格局，实现全国范围内的资源优化配置，满足国民经济发展和全面建设小康社会的要求。

§1.1电力系统的基本概念2020年前后，随着长江和黄河上游以及澜沧江、红水河上一系列大型水电站的开发，西部和北部大型火电厂和沿海核电站的建设，以及一大批长距离、大容量输电工程的实施，电网结构进一步加强，真正形成全国统一的联合电网。在全国统一电网中充分实现西部水电东送，北部火电南送的能源优化配置。此外，北与俄罗斯、南与泰国之间也可能实现周边电网互联和能源优势互补。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

最大单机容量

最大发电厂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。

§1.1电力系统的基本概念我国的能源结构极不合理6323.74.38.8目前电源配置情况2020年电源配置情况我国最大单机容量最大火电机组：1000MW（浙江华能玉环电厂，上海外高桥第二发电厂900MW）最大水电机组：700MW（三峡电厂）（葛洲坝水电厂320MW）最大核电机组：1060MW（江苏田湾核电厂)§1.1电力系统的基本概念我国最大发电厂最大火电厂：北仑港电厂，5×600MW最大水电厂：三峡电厂26×700MW（二滩水电厂6×550MW，溪洛渡水电站8×700MW）最大核电厂：秦山（300+2×600+2×700MW）,(大亚湾2×90万KW,江苏田湾2×1060MW,浙江三门、广东阳江2×1000MW)最大抽水蓄能电厂：广东抽水蓄能电厂8×300MW§1.1电力系统的基本概念§1.1电力系统的基本概念机构改革初显成效：2002年12月，中国电力工业新机构为适应市场发展应运而生，成立了两家电网公司、5家发电集团公司和4家辅业集团公司；2003年2月，国家电力监管委员会宣告成立。

两家电网公司是国家电网公司、中国南方电网有限责任公司； ５家发电集团公司是中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公