第1章电力系统概述.ppt

1,本课程的性质、目的和任务,本课程是电气工程及其自动化专业的电气工程方向学生的专业选修课程。了解对电力系统的组成和运行，并掌握电力系统的稳态运行、电力系统的暂态过程、电力系统控制的各种分析和计算方法后续的专业课程和今后的从事电力系统行业的工作奠定扎实的基础理论知识和基本技能。,电力系统基础(第二版),2,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,3,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),4,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,5,一、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（3750%）、容量大，坑口电厂,热电厂效率高（6070%）、容量小，城市区,第一章 电力系统概述,6,一、火力发电,第一章 电力系统概述,图1-1 凝汽式火电厂生产过程示意图,7,一、火力发电,第一章 电力系统概述,8,一、火力发电,第一章 电力系统概述,9,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,10,二、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,11,二、水力发电,第一章 电力系统概述,12,二、水力发电,第一章 电力系统概述,13,二、水力发电,水 资 源,蕴藏量：6.8亿KW,可利用量：3.78亿KW,20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,14,第一章 电力系统概述,15,三、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,16,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,17,1951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：1.11.65万元/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,18,三、核电厂,第一章 电力系统概述,19,四、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。,20,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。,21,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),22,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。,23,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。,24,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,25,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,26,第一章 电力系统概述,27,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,28,从调度、管理、控制的角度看,第一章 电力系统概述,29,厂网分家前电网情况,第一章 电力系统概述,30,重新组合后的大区电网图,第一章 电力系统概述,31,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,32,各区域电网2010年底发电设备容量及分类构成,33,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19942004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KW,1990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,34,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,35,第一章 电力系统概述,36,电 网 图,第一章 电力系统概述,37,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,38,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,39,2010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(or DC Link),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,40,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,41,美国发生的其它大停电事故,第一章 电力系统概述,42,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,43,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,44,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。,45,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。,46,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,47,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),48,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,49,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。,50,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,51,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,52,全年的电能消耗量为,第一章 电力系统概述,最大负荷利用小时数为,表1-1 各类用户年最大负荷利用小时,53,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。,54,2、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。,55,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。,56,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。,57,一、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,58,二、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,1.05UN,0.95UN,U2,U1,UN,3、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,59,二、如何确定电气设备的额定电压?,第一章 电力系统概述,60,第一章 电力系统概述,61,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？,第一章 电力系统概述,62,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。,63,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%）,64,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。,65,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；,66,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,U,I,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：,67,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。,68,第一章 电力系统概述,表1-2 电力系统的标准电压,69,第一章 电力系统概述,70,四、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,71,五、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)：35220kV；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,72,六、各电压等级输电线路的输电能力,PU2，故电压等级提高1倍，输送功率提高4倍以上，但输电距离超过100KM时,可能出现稳定问题。,第一章 电力系统概述,73,第六节 我国电力工业的发展,第一章 电力系统概述,装机容量对比：,图1-22 2005年7国装机容量对比图,74,第一章 电力系统概述,装机容量增长：,图1-23 全国电网装机容量增长情况,75,第一章 电力系统概述,用电容量增长：,图1-24 全国年用电量增长情况,76,第一章 电力系统概述,全国电网概况：,表1-3 2005年全国电网概况,77,第一章 电力系统概述,全国发电容量构成：,表1-5 2005年全国发电容量构成情况,78,第一章 电力系统概述,电力工业发展上取得成就表现：,1)近20多年来电力工业一致保持快速增长，发展 速度一直居世界首位。2)长江三峡水电厂的建成，其装机容量和年发电 量均具世界第一。3)大力发展可再生能源方面取得重要发展。4)大电力系统安全运行方面，创造出世界奇迹。,79,第一章 电力系统概述,电力工业发展的主要要求：,1)继续发展燃煤火电厂，提高发电效率，减少环境污染；2)加快建设水电；3)积极发展核电；4)积极发展可再生分布能源发电；5)完善电力市场；6)大力发展联网。,80,1、电力系统为什么要并网互联运行？,2、我国现行规定的电力线路额定电压等级有哪些？,3、简述发电机、变压器和输电线路的额定电压是如何确定的？标出图1所示电力系统中各元件的额定电压。,