电力系统分析基础第一章.ppt

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1、,North China Electric Power University,电力工程系,Department of Electrical Engineering,电力系统分析基础Power System Analysis Basis（一）,任 建 文,课程内容简介,一.教师自我介绍,二.课程介绍 给出一个课程及电力系统全貌,三.讲课方式,四.参考书,课程介绍,1.电力专业类专业课程介绍-传统上的课程划分，为选课提供参考,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

2、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,波过程操作或雷击产生的过电压(过程最短)高压课程 主讲,电磁暂态过程与短路及励磁有关(过程较长),机电暂态过程与动力系统有关(过程最长),涉及电压、电流电力系统故障分析 主讲,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,发电厂电气部分,电气主接线卖电的网络,电器的原理与选择卖电的工具,控制与信号二次系统,配电装置电器的组合及布置,高压断路器运行,同步发电机的运行,变压器的运行,课程介绍,电力系统继电保护原理,电流保

3、护,距离保护,高频保护,自动重合闸,变压器保护,发电机保护,母线保护,课程介绍,2.电力工程 非电力类专业选修课程，了解电力系统的入门课程，深度不够、面面俱到,稳态分析,故障计算,一、二次系统,稳定性,防雷,综合性,基础性,50学时,五门电专业课程,三掌握,基本知识,基本计算,基本原理,二目的,一般性认识,业务技术管理,课程介绍,主要学习电力系统的基本知识，分七章介绍,电力系统的组成发、输、变、配,短路电流分析与计算故障分析，三相短路概念,电气参数及等值电路物理元件的数学模型,稳态分析与计算功率流动、潮流计算、有功调整、无功调整,发电厂和变电所一次系统接线方式，电气设备,发电厂和变电所二次系统

4、继电保护，电网监护,电力系统运行稳定性静稳、暂态稳定,课程介绍,3.电力系统分析基础-改革后的电力系的平台课程,主要学习电力系统稳态和短路分析知识,电力系统的基本概念发、输、变、配。8学时,电力网元件参数及等值电路物理元件的 数学模型 8学时,简单电力网稳态分析与计算功率流动、手工潮流计算 8学时,课程介绍,电力系统潮流的计算机算法 潮流计算的基本原理、数学模型、求解方法和计算程序框图。8学时,有功最优分配及频率控制如何保证低损耗、高回收 6学时,无功功率及电压调整如何使无功合理分布使电压损耗最小 6学时,短路电流分析与计算三相短路及不对称故障计算 20学时,讲课方式,1、侧重基础,2、物理概

5、念与数学模型相结合,3、补充新概念及专业领域研究成果和方向,4、辅助教学手段，录像、模型、图片,5、以讲为主，自学为辅,6、听课自由，前提是有自学能力,7、欢迎讨论、提意见,8、板书乱、发音不准希望谅解,9、考试不会难为同学们，不要求死记硬背,参考资料,1、电力系统分析基础 李庚银、栗然、杨淑英，机械工业出版,2、电力系统分析复习指导与习题精解 杨淑英 中国电力出版社,5、电力系统自动化、电网技术等杂志,3、电力系统稳态分析（第二版）东南大学，陈珩，水利电力出版社,4、电力系统暂态分析（第二版）西安交通大学，李光琦，水利电力出版社,第一章 电力系统的基本概念,1.电力系统的概念和组成,2.电能

6、变换和电源构成,3.电力系统的负荷,4.电力系统运行的特点及要求,5.电力系统的电压等级,6.电力系统的接线及中性点接地,第一节 电力系统的概念和组成,电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,电力系统由发、输、变、配组成（生产、输送、分配、消费）,第一节 电力系统的概念和组成,从调度、管理、控制的角度看,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,从发电到用户的供电过程,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,厂网分家前电网

7、组成,第一节 电力系统的概念和组成,厂网分家前电网情况,第一节 电力系统的概念和组成,重新组合后的大区电网图,第一节 电力系统的概念和组成,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

8、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。,第一节 电力系统的概念和组成,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，,第一节 电力系统的概念和组成,第一节 电力系统的概念和组成,电力

9、体制改革方案：1(电监会)+2(电网公司)+5(发电集团)+4(辅业集团),第一节 电力系统的概念和组成,电 网 图,第一节 电力系统的概念和组成,兰虚筐内为输电网,红虚筐内为输电网,第一节 电力系统的概念和组成,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。,3000MW,2500MW,7200MW,3000MW,9000MW,10000MW,1800MW,2000MW,Hydro Power Base,Th

10、ermal Base,AC,2005年全国电网互联示意图,DC,2005年全国电网互联示意图,华北,西北,华中,东北,华东,南方电网,西藏,葛沪直流(DC),姜家营高岭,新乡邯东,荆州惠州直流(DC),背靠背直流,龙政直流(DC),三峡,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,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,美国发生的其它大停电事故,美国电网为什么频发大停电事故,美

11、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。,第二节 电能变换和电源构成,一、电能变换,第二节 电能变换和电源构成,二、电源构成及展望,火电

12、70%、水电20%、核电10%,燃料电池、太阳光、太阳能（分散型）21世纪新能源,热核反应不使用放射性材料的核能，2030年后实用化,2050年时，电力供应是现在的23倍（15000亿KW.h)核能约占54%，燃料电池等分散型电源和电力储存系 统约占15%20%,第二节 电能变换和电源构成,我国的能源结构极不合理,63,23.7,4.3,8.8,目前电源配置情况,2020年电源配置情况,第二节 电能变换和电源构成,预计到2020年全国需要的发电量为4.3万亿kWh，相应的装机容量为9.5亿kW左右(下限8.5，上限10.5),煤电为6亿kW，占63%(电量3万亿kWh，占4.3万亿kWh的70

13、%),水电2亿kW，占21.1%(电量为7000亿kWh，占16%)；,抽水蓄能电站2500万KW，占2.6%；,核电原规划4000万kW，新规划7000万kW；,气电7000万kW，占7.3%(电量3000亿kWh，占7%)；,新能源：光伏2000万kW（原180）；风电1亿kW（原8000）,第二节 电能变换和电源构成,到2020年全国达到4.3万亿kWh的电量，相当于全国人均占有电量约为2900kWh(按预测2020年全国人口数为14.7亿人)，这只比2000年世界人均电量2500kWh略高，相当于美国50年代初，英国60年代初的水平，且比西班牙1982年人均占有电量(3100kWh)还

14、低。而西班牙的用电水平是作为我国电力水平国际比较的参照量之一。,2006年我国发电装机达5.7亿千瓦,2007年预计装机仍达7000万千瓦,到2010年，接近8亿（每年发展5000万千瓦装机），已于09.8月实现。,第二节 电能变换和电源构成,二、电源构成及展望,第二节 电能变换和电源构成,三、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（3740%）、容量大，坑口电厂,热电厂效率高（6770%）、容量小，城市区,第二节 电能变换和电源构成,三、火力发电,第二节 电能变换和电源构成,三、火力发电,第二节 电能变换和电源构成,三、火力发电,第二节 电能变换和电源

15、构成,三、火力发电,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,第二节 电能变换和电源构成,四、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,第二节 电能变换和电源构成,四、水力发电,第二节 电能变换和电源构成,第二节 电能变换和电源构成,四、水力发电,第二节 电能变换和

16、电源构成,四、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，09.8已投,第二节 电能变换和电源构成,三 峡 电 站,第二节 电能变换和电源构成,三 峡 电 站,第二节 电能变换和电源构成,三 峡 电 站,第二节 电能变换和电源构成,总投资603.3亿元、总工期12年两个月、装机容量1260万千瓦的中国第二大水站溪洛渡水电站，已于今春正式开工,长江上再建两个三峡工程的计划已经启动。将在长江上游金沙江河段兴建溪洛渡

17、、向家坝、乌东德、白鹤滩4座梯级电站。这4座电站的总装机容量达3850万千瓦，总装机容量和总发电量都超过两个三峡工程。,已探明的最大水电站在雅鲁藏布的墨脱，可装机4380万KW,第二节 电能变换和电源构成,五、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,第二节 电能变换和电源构成,按减速剂分,轻水堆

18、（86%）,压力堆（PWR）：3/4,沸水堆（BWR）,重水堆,气体冷却堆,1951年第一座100KW核电站在美国现在全世界有441座，总装机3.5亿kw我国秦山（30+2*60+2*70），大亚湾（2*90万KW）,第二节 电能变换和电源构成,2004年7月前701万kw（9座），即将在浙江三门、广东阳江，江苏田湾各建200万kw，投资500亿人民币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,第二节 电能变换和电源构成

19、,五、核电厂,第二节 电能变换和电源构成,五、核电厂,第二节 电能变换和电源构成,五、核电厂,第二节 电能变换和电源构成,六、新能源发电和电力储存,在地球静止轨道建设太阳能电站的项目已在筹划阶段，估计投资将达到2万亿日元(约合210亿美元)。由日本政府和企业研究机构提出来的，计划在距地面22360英里(约合3.6万公里)的高空上建造一个太空太阳能电站。这个电站的发电量可以达到十亿瓦，足够大约30万个家庭的用电需要。,第三节 电力系统的负荷,一、负荷类型,负荷用电设备在某时刻从系统中取用的功率,负 荷 类 型,异步电动机,同步电动机,各类电炉,整流设备,电子仪器,电灯,负荷变化是随机的规律性用负

20、荷曲线表示,线性变化：描述日平均负荷变化规律,周期变化：描述以24h为周期的变化规律,负荷的具体组成对负荷特性有决定性影响,第三节 电力系统的负荷,二、负荷曲线,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,第三节 电力系统的负荷,1、日负荷曲线,日用电量：,日平均负荷：,负荷率：kp=pav/pmax,第三节 电力系统的负荷,2、年负荷曲线,年用电量：,Tmax=W/Pmax,第四节 电力系统运行的特点及要求,一、运行特点,电能不能大量储存，发电、变电、输电和用电同时进行。,过渡过程非常迅速（30万KM/S）,电力和国民经济各部门关系密切,电力系

21、统电能质量要求高，对电压、频率、波形都有严格的国家标准。,第四节 电力系统运行的特点及要求,二、运行要求,最大限度地满足用户的用电要求,保证供电的可靠性（3040倍，分类负荷）,保证电能质量（电压、频率、波形）,提高电力系统的经济性,第五节 电力系统的电压等级,一、电力系统标称电压和最高电压,标称电压,经济电压：,电压高，损耗小,绝缘水平高，投资大,制定标准电压，以便实现互联,最高电压：正常运行时，系统中出现的电压最高值,二、电气设备的额定电压和最高电压,最高电压：考虑设备的绝缘性能确定的最高运行电压值,额定电压：电气设备在此电压下长期工作，效率和寿命最好,第五节 电力系统的电压等级,三、如何

22、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%,第五节 电力系统的电压等级,三、如何确定电气设备的额定电压,第五节 电力系统的电压等级,四、不同标称电压下传输距离和传输功率范围,第五节 电力系统的电压等级,五、电压等级的电压等级的划分,100多年来，输电电压由最初

23、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。,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。,第六节 电力系统的接线及中性点接地,接线图（电气元件连接图）,地理接线图,电

24、气接线图,1、地理接线图（元件的相对地理位置及输电线路距离）,一、电力系统接线图及接线方式,第六节电力系统的接线及中性点接地,2、电气接线图,无备用：结构简单、投资少、可靠性差,有备用：每个用户由两个或以上电源供电,第六节电力系统的接线及中性点接地,二、电力系统中性点接地方式,中性点接地的影响,交流输电用三相，经发电机、变压器时，用星形联接形成中性点,短路电流大小,绝缘水平,供电可靠性,接地保护方式,对通信的干扰,系统接地方式,中性点接地方式,直接接地大电流系统 110kv及以上,不直接接地小电流系统 110kv以下,小电流系统,不接地,经消弧线圈接地,经电阻接地,第六节电力系统的接线及中性点

25、接地,1、中性点直接接地系统一相接地的特点,故障相电流大,故障相及中性点 对地电压为零,非故障相对地电 压仍为相电压,与故障相相关的线电压降为相电压,第六节电力系统的接线及中性点接地,2、中性点不接地系统一相接地的特点,故障电流小,中性点对地电压 升高为相电压,非故障相对地电 压升为线电压,三相线电压仍对称,第六节电力系统的接线及中性点接地,3、中性点经消弧线圈接地系统一相接地的特点,装设的目的：熄灭接地电流产生的电弧,装设原则,补偿方式,36kv电网：30A,10kv电网：20A,3566kv电网：10A,过补（IpIc），一般采用这种方式,欠补（IpIc）,全补（Ip=Ic），不允许，容易

26、谐振,第七节电力系统的高次谐波,一、高次谐波的概念及谐波源,1、高次谐波的概念及产生原因,理想系统：f=50hz，=2f,负荷线性则u，i保持正弦波,由于存在非线性元件（换流设备、二极管、铁芯元件）使u，i波形畸变谐波污染,发生畸变后仍为周期函数，可用付里叶分析法,第七节电力系统的高次谐波,2、畸变率衡量畸变的程度,0.38(5%)；6及10(4%)；35及66(3%)；110(2%),3、谐波源,谐波电压源发电机，和负荷无关，值很小,谐波电流源非线性负载产生，换流、电气化铁路 是主要来源,第七节电力系统的高次谐波,二、高次谐波的危害及抑制,1、危害,附加损耗，使设备发热,影响测量精度,干扰音频通信,对电子控制、继电保护造成干扰，导致误动,2、抑制,T采用Y/接线，消除3n次谐波,加装调谐滤波器吸收谐波，x=L-1/c,并联补偿电容器加装串联电抗器材,增加整流器的脉冲次数减少纹波,第一章 作业,1、电力系统为什么要并网互联运行？举出我国现有的几个跨省电网。,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,电力工程系,Department of Electrical Engineering,North China Electric Power University,