《電能系統(tǒng)基礎》課程概論

電能系統(tǒng)基礎信電學院2023/2/3自我介紹張曉zhangxiao@83995557(辦永麗yonglifang@126.co能系統(tǒng)基礎概論1.課程定位2.研究對象3.知識體系4.學科發(fā)展熱點5.教學內容6.課程要求7.參考書1.課程定位電氣工程及自動化專業(yè)核心課程電力學科的基礎課程電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)研究生入學考試專業(yè)課程2.研究對象—電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)：完成電能生產、輸送、分配和消費的統(tǒng)一整體。通常由發(fā)電機、變壓器、電力線路和負荷等電力設備組成的三相交流系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的元件分兩類： 一類是電力元件（一次元件），包括生產、變換、輸送與分配、消費電能的元件。 一類是控制元件（二次元件），保證一次系統(tǒng)安全/可靠/經濟運行的信息系統(tǒng)及操作機構。本課程主要研究對象為電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)，即電力元件組成的網絡。

2.研究對象—電力系統(tǒng)

發(fā)電機：完成電能生產，將一次能源轉換成二次能源（電能）。變壓器、電力線路：電能的輸送和分配負荷（用戶）：電能消費,將電能轉換成其他形式的能量，包括電動機、照明、電爐等。2.1發(fā)電廠：電能生產

1.火力發(fā)電2.水力發(fā)電3.核能發(fā)電4.風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、地熱發(fā)電等新能源發(fā)電。2.1.1火力發(fā)電燃料：煤、石油、天然氣化學能→熱能→機械能→電能目前最主要電源，比例大約70％組成：

燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)存在問題：安全問題：采礦和運輸中的安全問題環(huán)境問題：酸雨、溫室效應、可吸入顆粒物等效率問題：效率較低。火力發(fā)電廠全景2.1.2水力發(fā)電河流水勢能→水動能→機械能→電能目前最重要的電源之一，比例大于10％容量取決于水位差和流量組成：

水庫、水輪機、電力系統(tǒng)2.1.2水力發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：最干凈能源之一最廉價能源之一，無需燃料，運行維護簡單綜合水利工程：同時解決發(fā)電、防洪、灌溉和航運等多方面問題良好的啟動和調節(jié)性能：啟動到并網供電速度快（5分鐘），啟動簡單，適于遙控?？蓾M足電力需求的快速變化。缺點：建設問題：投資大，工期長，存在國防安全。庫區(qū)移民、淹沒耕地、破壞文物、可能破壞生態(tài)平衡、破壞自然景觀等運行問題：發(fā)電出力受氣象、水文、防洪、灌溉和航運等綜合影響，分枯水期和豐水期，出力不穩(wěn)定，增加電力系統(tǒng)運行的復雜性。長江三峽水電站全景圖三峽大壩及左岸電站廠房2.1.3核能發(fā)電鈾等核燃料→核裂變，核能→熱能→機械能→電能目前主要的電源之一，比例大于10％，作為一種新型的巨大能源，發(fā)展迅速。組成：

反應堆、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)秦山核電站、大亞灣核電站等2.1.3核能發(fā)電的優(yōu)缺點優(yōu)點：大量節(jié)省煤、石油等燃料，避免燃料的運輸。如50萬KW電廠，150萬T煤/年，20T鈾/年與火電相比，造價高，但發(fā)電成本低30-50％，因此規(guī)模越大越合算。缺點：對放射性污染的擔心，在技術上能較好處理污染防護和放射性核廢料的處理問題，但事故仍有發(fā)生。

2.1.4發(fā)展中的新能源發(fā)電有風能、地熱、太陽能、潮汐能等等。新能源主要是潔凈的、可再生的能源，是未來的主要發(fā)展形式，是當前國際上研究和開發(fā)的熱點。這些新能源容量很小、分散性大，屬分布式電源?；ヂ?lián)后在運行安全和管理方面存在著很多特殊問題。2.2變壓器、電力線路主要電能的輸送和分配。包括輸電網和配電網。2.2.1高壓輸電網高壓輸電網：高壓輸電網主要是將遠離負荷中心的發(fā)電廠大量電能，經高壓輸電線送到鄰近負荷中心的樞紐變電所。輸電網還用來與相鄰的電力網相聯(lián)，或與相鄰電力網的高壓樞紐變電所相聯(lián)。輸電電壓通常為220KV及以上。特點電壓等級220KV以上，是整個電力網的主干。由大型發(fā)電廠升壓站和樞紐變電所連接組成。2.2.2.配電網絡配電網可分為高壓、中壓和低壓配電網。高壓配電網的電壓一般在35~110KV中壓配電網的電壓一般為6~20KV，用于將電能送到用戶或配電變壓器低壓配電網的電壓為380/220V，用于向小用戶供電。2.3負荷負荷（用戶）:電能消費,將電能轉換成其他形式的能量，包括電動機、照明、電爐等。電力系統(tǒng)負荷是電力用戶所需功率的總和，也稱電力系統(tǒng)綜合用電負荷。動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網示意圖23kV水庫~反應堆~~鍋爐~23kV500kV500kV230kV230kV20kV220kV330kV500kV110kV110kV380/220V至相鄰系統(tǒng)的互聯(lián)線路區(qū)域電力系統(tǒng)供配電系統(tǒng)工業(yè)用戶工業(yè)用戶10kV小型燃汽輪機市政生活商業(yè)電力系統(tǒng)和電力網絡示意圖發(fā)電廠、變電所其他高壓電氣設備開關設備斷路器、隔離開關、接地開關等保護設備熔斷器、避雷器、電抗器等測量設備電流互感器、電壓互感器主接線基本形式的分類主接線方式

有匯流母線

無匯流母線（無母線）單母線

雙母線簡單單母線單母分段單母帶旁母單母分段帶旁母雙母線雙母單分段雙母帶旁母3/2接線（一個半斷路器）橋形接線（內橋、外橋）多邊形接線單元接線擴大單元接線雙母線接線電力系統(tǒng)的電氣主接線---雙母線接線母線隔離開關母線及隔離開關斷路器、電流互感器斷路器、電流互感器2.4電力系統(tǒng)中性點運行方式110kV及以上：直接接地380V/220V：直接接地10kV～66kV：不接地經消弧線圈接地經低阻接地等3.知識體系課程所涉及的知識涵蓋了電氣工程學科電源側的主要內容，構成電力系統(tǒng)及其自動化方向基礎知識的主體，主要內容包括：電力系統(tǒng)基礎知識介紹電力系統(tǒng)的基本常識電力系統(tǒng)分析是本課程的核心內容分析研究電力系統(tǒng)在正常和故障狀態(tài)下的運行規(guī)律電力系統(tǒng)的電氣設備設備認識與選型3.1電能系統(tǒng)基礎知識電力工業(yè)發(fā)展概況電能系統(tǒng)的概念、組成電能質量的內涵：電壓、頻率、波形三相電能系統(tǒng)的中性點運行方式電能系統(tǒng)的運行、監(jiān)視、控制與保護概述3.2電力系統(tǒng)分析的研究內容電力系統(tǒng)分析的研究內容主要包括：電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析電力系統(tǒng)暫態(tài)分析分為：電磁暫態(tài)過程機電暫態(tài)過程3.2.1電力系統(tǒng)分析方法概述電力系統(tǒng)分析實際上是電路理論、磁路理論在電力系統(tǒng)中的應用。其分析計算的一般過程是：首先將待求物理系統(tǒng)進行分析簡化，抽象出等效電路，然后確定其數(shù)學模型（建立求解方程），最后用數(shù)學方法求解，對結果進行分析。

3.2.1電力系統(tǒng)分析方法概述電力系統(tǒng)分析方法： (1)電力系統(tǒng)的描述運行參量比如：P、Q、V、I、f、相位角θ、功角δ系統(tǒng)物理參數(shù)比如：R、X、B、G (2)電力系統(tǒng)建模電力元件的建模 （發(fā)電機、輸電線路、變壓器、負荷等）的穩(wěn)態(tài)模型、暫態(tài)模型；電力系統(tǒng)的建模直流穩(wěn)態(tài)模型（標量方程）、交流穩(wěn)態(tài)模型（向量方程）、暫態(tài)模型（微分方程）

(3)分析方法基于手算的近似實用計算基于矩陣計算的計算機算法3.2.2電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)在正常運行時的運行規(guī)律，借以指導電力系統(tǒng)在正常運行時的能量管理與調度。教學內容包括：電力元件的建模：電氣參數(shù)及等值電路電力系統(tǒng)的潮流計算（重點）電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調整電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整電力元件的建模將電力元件抽象化，使用物理參數(shù)和電路模型等值描述元件的輸入輸出規(guī)律包括：發(fā)電機、輸電線路、變壓器、負荷等在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程中的模型電力系統(tǒng)潮流計算穩(wěn)態(tài)分析的核心內容，主要研究電力系統(tǒng)在正常運行時的功率分布（潮流）和電壓分布。數(shù)學模型是功率形式的節(jié)點電壓方程手算法常采用逐節(jié)點遞推計算網絡損耗和節(jié)點電壓，然后計算潮流分布計算機算法可采用多種非線性方程的求解方法，比如牛頓-拉夫遜法等。電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調整目的是研究電力系統(tǒng)電壓管理的基本規(guī)律前提：電力系統(tǒng)無功分布近似解耦的影響電網電壓的分布通過分析電力系統(tǒng)無功功率和電壓的關系，指導合理選擇電壓監(jiān)視點和確定電壓調整措施。電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調整目的是研究電力系統(tǒng)頻率管理的基本規(guī)律前提：電力系統(tǒng)有功功率平衡近似解耦的影響電網頻率的變化通過分析電力系統(tǒng)有功功率和頻率的關系，指導電力系統(tǒng)頻率調整措施。3.2.3電力系統(tǒng)暫態(tài)分析所謂暫態(tài)指電力系統(tǒng)兩個穩(wěn)態(tài)之間的過渡過程。暫態(tài)分析研究電力系統(tǒng)在系統(tǒng)參數(shù)突變（一般指故障）后的運行規(guī)律，主要關注運行變量的變化規(guī)律，比如短路電流的變化規(guī)律，借以指導電力系統(tǒng)的事故處理、設備選型和保護整定。教學內容包括：電磁暫態(tài)過程分析（短路計算）機電暫態(tài)過程分析（穩(wěn)定性分析）電力系統(tǒng)故障分類故障分類短路故障：三相短路、兩相短路、兩相短路接地、單相短路接地斷線故障電磁暫態(tài)過程分析電磁暫態(tài)過程指電力系統(tǒng)的擾動尚未對發(fā)電機轉子轉速產生明顯影響的情況下的變化過程分析。電磁暫態(tài)過程分析主要研究短路和斷線故障，所以常被稱為電力系統(tǒng)故障分析。對于不對稱故障，要使用對稱分量法，建立網絡的正序、負序和零序模型，在序量求解后在還原為相的量值。電磁暫態(tài)過程分析電磁暫態(tài)過程分析的教學內容電力系統(tǒng)對稱短路計算電力系統(tǒng)不對稱短路計算電力系統(tǒng)的斷線分析機電暫態(tài)過程分析機電暫態(tài)過程指電力系統(tǒng)的擾動已經對發(fā)電機轉子轉速產生明顯影響的情況下的變化過程分析。其典型特征是頻率失去同步。機電暫態(tài)過程分析主要研究電網在強擾動下，發(fā)電機發(fā)電頻率與電網頻率存在偏差的情況下的運行規(guī)律。作為特征，主要分析能否維持系統(tǒng)穩(wěn)定的問題，所以常被稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析內容：靜態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性3.4電力系統(tǒng)電氣設備電氣設備的認識結構、功能、分類、基本原理包括：發(fā)電機、變壓器、送電線路、開關設備、避雷器、互感器等電器設備選型的知識選型理論：絕緣問題、發(fā)熱問題、受力問題各種設備的選型條件設備選型的計算條件*電力系統(tǒng)PS的主要研究內容規(guī)劃、設計及可靠性暫態(tài)過程、穩(wěn)定性及安全性分析人工智能在電力系統(tǒng)中的應用高壓直流輸電HVDC大功率電力電子器件的整流、逆變技術的應用交直流混合輸電是未來的理想輸電模式靈活交流輸電技術FACTS以靜止無功補償SVC、靜止調相器Statcom、綜合潮流控制器UPFC、可控串聯(lián)補償TCSC、有源電力濾波器APF等為核心實現(xiàn)的可以靈活調整交流電網的功率分布和電壓分布的綜合技術。

與教材相應的教學內容電力系統(tǒng)基本知識電力系統(tǒng)的參數(shù)及等值電路潮流計算調壓分析調頻分析短路計算穩(wěn)定性分析電力系統(tǒng)設備選型涉及的章節(jié)分布介紹（課本）課程要求了解電力系統(tǒng)的基本常識掌握電力系統(tǒng)基本分析方法基本掌握電力系統(tǒng)電氣設備的選型知識了解電力系統(tǒng)的運行與管理的基礎知識**注意理論知識與工程實際的結合點，重點把握基本理論！學習方法與考核方法認真完成作業(yè)做好每章總結復習答疑：課前答疑每周五