清華大學(xué)電力系統(tǒng)分析課件孫宏斌

第一章 電力系統(tǒng)概述1(IntroductiontoPower

Systems)(第一講)問(wèn) 題21、人類(lèi)為何偏愛(ài)電能？2、什么是電力系統(tǒng)？如何組成？如何表示？3、電力系統(tǒng)運(yùn)行有何特點(diǎn)和要求？4、互聯(lián)電力系統(tǒng)是怎么回事？5、如何對(duì)電力大系統(tǒng)進(jìn)行控制？6、電能是如何生產(chǎn)的？3§1

電能與系統(tǒng)一、

人類(lèi)為何偏愛(ài)電能？ 現(xiàn)代社會(huì)最重要能源，應(yīng)用十分廣泛。美國(guó)1996年用電情況：2.68kW/人（裝機(jī)容量）1.3kW/人（用電量）顯著優(yōu)點(diǎn)：潔凈（從使用的角度看）：保護(hù)環(huán)境方便：輸送、分配、使用（能量形式轉(zhuǎn)化容易）電氣化：機(jī)械化、自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率節(jié)能：能耗小，能量轉(zhuǎn)換效率高二、什么是電力系統(tǒng)？（I）系統(tǒng)定義：由相互作用、依賴(lài)的若干部分組成的具有特定功能的有機(jī)整體，它又從屬于一個(gè)更大的系統(tǒng)（《系統(tǒng)論》）4什么是電力系統(tǒng)？（II）電力系統(tǒng)：完成電能生產(chǎn)、輸送、分配、消費(fèi)的統(tǒng)一整體。通常由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線(xiàn)路和負(fù)荷等電力設(shè)備組成的三相交流系統(tǒng)。世界上最大的人造機(jī)器：人類(lèi)20世紀(jì)最偉大的20項(xiàng)發(fā)明之一，當(dāng)今社會(huì)最龐大的工業(yè)之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)（我國(guó)1/4國(guó)有資產(chǎn)）國(guó)防資源，電力安全是國(guó)防安全的基礎(chǔ)（水庫(kù)、火電廠(chǎng)、輸電線(xiàn)路、核電廠(chǎng)）（戰(zhàn)爭(zhēng)：石墨炸彈、恐怖襲擊）5三、電力系統(tǒng)如何組成？一次系統(tǒng)（高電壓，本課程研究的內(nèi)容）二次系統(tǒng)（低電壓）：保證一次系統(tǒng)安全/可靠/經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的信息系統(tǒng)及其操作機(jī)構(gòu)。6一次系統(tǒng)如何組成？發(fā)電機(jī)：電能生產(chǎn)，一次能源轉(zhuǎn)換成二次能源(電能)，火/水/核/風(fēng)/太陽(yáng)/地?zé)岬入娏W(wǎng)絡(luò)（輸配電系統(tǒng)）：電能輸送和分配，包括：輸電網(wǎng)（輸電系統(tǒng)）和配電網(wǎng)（配電系統(tǒng)）。負(fù)荷（用戶(hù)）：電能消費(fèi)，將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量，電動(dòng)機(jī)/照明/電爐等7美國(guó)電力一次系統(tǒng)物理基本結(jié)構(gòu)8簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的三相電路圖輸電線(xiàn)路降壓變壓器升壓變壓器發(fā)電機(jī)降壓變壓器負(fù)荷輸電網(wǎng)電力網(wǎng)絡(luò)配電網(wǎng)配電線(xiàn)路9發(fā)電機(jī)1負(fù)荷1電力線(xiàn)路（輸/配）變壓器（升/降壓）負(fù)荷N電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)N電力網(wǎng)絡(luò)與INTERNET（C/S結(jié)構(gòu)）10二次系統(tǒng)如何組成？（信息系統(tǒng)，非本課程重點(diǎn)內(nèi)容） 電力系統(tǒng)計(jì)算

機(jī)或

人通

訊量

測(cè)通

訊控

制11四、復(fù)雜電力系統(tǒng)如何表示？單線(xiàn)圖：實(shí)際電力系統(tǒng)非常龐大復(fù)雜，為突出重點(diǎn)，用單線(xiàn)代表三相，反映電力設(shè)備間電聯(lián)系簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)單線(xiàn)圖發(fā)電機(jī)輸電線(xiàn)路配電線(xiàn)路降壓變壓器負(fù)荷降壓變壓器12升壓變壓器…五、如何構(gòu)成更大的系統(tǒng)？電力系統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)動(dòng)力部分熱力網(wǎng)發(fā)電廠(chǎng)動(dòng)力部分：鍋爐、汽輪機(jī)、水庫(kù)、水輪機(jī)、核反應(yīng)堆等動(dòng)力系統(tǒng)1314單線(xiàn)圖常用符號(hào)（動(dòng)力系統(tǒng)）六、電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)與要求有哪些？特點(diǎn)

密切性

短促性

同時(shí)性要求

可靠性高（第1、2、3級(jí)負(fù)荷）

質(zhì)量高(頻率、電壓、波形)

經(jīng)濟(jì)性好，公司經(jīng)濟(jì)效益15電力系統(tǒng)與心血管系統(tǒng)心血管系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)1617七、現(xiàn)代互聯(lián)電力系統(tǒng)輸電系統(tǒng)輸電系統(tǒng)系統(tǒng)直屬電廠(chǎng)配電系統(tǒng)配電系統(tǒng)地區(qū)發(fā)電廠(chǎng)聯(lián)路線(xiàn)，交換功率，提高可靠性，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大Tie

lines聯(lián)絡(luò)線(xiàn)系統(tǒng)直屬電廠(chǎng)地區(qū)發(fā)電廠(chǎng)用戶(hù)電力系統(tǒng)1用戶(hù)電力系統(tǒng)N1819電力系統(tǒng)為何要互聯(lián)？減少總裝機(jī)容量（錯(cuò)峰效應(yīng)）；減少備用容量（同時(shí)故障和檢修概率?。┨岣吖╇娍煽啃浴㈦娔苜|(zhì)量（故障和異常時(shí)相互支援）；合理利用動(dòng)力資源，可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（水、小火電、經(jīng)濟(jì)分配）20互聯(lián)帶來(lái)了什么問(wèn)題？超高壓互聯(lián)設(shè)備的投資大；系統(tǒng)規(guī)模大而復(fù)雜，運(yùn)行難度大，局部故障可能危及整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)，安全風(fēng)險(xiǎn)大。電網(wǎng)并聯(lián)回路增多，故障電流大。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、控制技術(shù)應(yīng)用，自動(dòng)化水平的提高，缺點(diǎn)正在逐步克服。21電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌22電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌23電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌24電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌252電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌62電力大系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：多米諾骨牌7美國(guó)互聯(lián)電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)!28八、如何對(duì)電力大系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制？我國(guó)做法：

集中管理（系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)性）

分層控制（五級(jí)調(diào)度）調(diào)度自動(dòng)化（以國(guó)家電網(wǎng)公司為例）29國(guó)調(diào)中心遼 吉 龍 蒙 河 山 蒙 北 天 湖 湖 河 江寧 林 江 東 北 西 西 京 津 北 南 南 西……地區(qū)1地區(qū)縣1縣m東北華北華中華東…30典型調(diào)度中心東北電網(wǎng)調(diào)度中心國(guó)家電力調(diào)度中心吉林電網(wǎng)調(diào)度中心31典型調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)（二次信息系統(tǒng)）調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)原理圖深圳站畫(huà)面3233§2 發(fā)電廠(chǎng)：電能生產(chǎn)一、火力發(fā)電 目前最主要電源，比例大于70%燃料：煤、石油或天然氣化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能組成：

燃燒系統(tǒng)：燃料→灰渣，風(fēng)（空氣）→煙

汽水系統(tǒng)：水←→蒸汽，循環(huán)水（冷水←→熱水）

電力系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線(xiàn)路等火力發(fā)電原理火力發(fā)電原理火電原理（簡(jiǎn)單）34國(guó)內(nèi)典型火電廠(chǎng)北侖火電廠(chǎng)上海外高橋火電廠(chǎng)臺(tái)中火電廠(chǎng)火電廠(chǎng)夜景香港青山火電廠(chǎng)35國(guó)外典型火電廠(chǎng)德國(guó)火電廠(chǎng)1德國(guó)火電廠(chǎng)2日本橫濱火電廠(chǎng)36汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)600MW汽輪機(jī)安裝汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)外觀(guān)1汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)外觀(guān)2600MW發(fā)電機(jī)穿轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)外觀(guān)337火力發(fā)電存在哪些問(wèn)題？安全問(wèn)題：采礦和運(yùn)輸中的安全性災(zāi)難。社會(huì)代價(jià)：采礦和運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施等環(huán)境問(wèn)題：酸雨、溫室效應(yīng)、可吸入顆粒物等效率問(wèn)題：

熱電廠(chǎng)（熱電聯(lián)產(chǎn)）不可再生38二、水力發(fā)電目前最重要的電源之一，比例大于10%河流水勢(shì)能→水動(dòng)能→機(jī)械能→電能容量取決于水位差和流量組成（較火電廠(chǎng)簡(jiǎn)單）

水庫(kù)

水輪機(jī)

電力系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線(xiàn)路等39水力發(fā)電原理水力發(fā)電原理40國(guó)內(nèi)典型水電廠(chǎng)二灘水電站(壩高240M,6*550MW)佛子嶺水電站大壩水電廠(chǎng)夜景41二十世紀(jì)最大的水電工程南美伊泰普水電站4220世紀(jì)最大水電站18*700MW，年發(fā)電710億度水輪機(jī)-發(fā)電機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吊裝水輪機(jī)發(fā)電機(jī)外觀(guān)43水力發(fā)電有哪些優(yōu)點(diǎn)？最干凈能源之一最廉價(jià)能源之一：無(wú)需燃料，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單可再生能源之一綜合水利工程：同時(shí)解決發(fā)電、防洪、灌溉和航運(yùn)等多方面問(wèn)題。良好啟動(dòng)和調(diào)節(jié)性能：?jiǎn)?dòng)到并網(wǎng)供電速度快（5分鐘），火電廠(chǎng)（數(shù)小時(shí)）；啟動(dòng)簡(jiǎn)單，適于遙控?？蓾M(mǎn)足電力需求的快速變化。特殊的水電廠(chǎng)：抽水蓄能電廠(chǎng)，起“削峰填谷”作用44目前世界上最大的抽水蓄能電站廣州抽水蓄能電站(8*300MW發(fā)電電動(dòng)機(jī)組)45水力發(fā)電存在哪些問(wèn)題？建設(shè)問(wèn)題：投資大，工期長(zhǎng)，存在國(guó)防安全、庫(kù)區(qū)移民、淹沒(méi)耕地、破壞文物、可能破壞自然生態(tài)平衡、破壞自然景觀(guān)等問(wèn)題。運(yùn)行問(wèn)題：發(fā)電出力受氣象、水文、防洪、灌溉和航運(yùn)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(yùn)行的復(fù)雜性。劉家峽庫(kù)區(qū)文物保護(hù)46三、核能發(fā)電目前主要電源之一，比例大于10%鈾等核燃料→核裂變（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），核能→熱能→機(jī)械能→電能組成：

反應(yīng)堆（“原子鍋爐”）

汽水系統(tǒng)（汽輪機(jī)）

電力系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線(xiàn)路等。47核能發(fā)電原理核能發(fā)電原理48典型核電廠(chǎng)秦山核電站（2*300MW）我國(guó)第一個(gè)核電站大亞灣核電站（1800MW）大亞灣核電廠(chǎng)核島反應(yīng)堆內(nèi)景49核能發(fā)電為什么會(huì)迅速發(fā)展？1954年第1臺(tái)，莫斯科，奧勃寧斯克核電廠(chǎng)一種新型的巨大能源，發(fā)展迅速煤/石油等火電燃料儲(chǔ)量有限，不可再生發(fā)達(dá)國(guó)家的水資源基本開(kāi)發(fā)殆盡一些資源貧乏國(guó)家“能源危機(jī)”，不得不發(fā)展核能（北朝鮮）50核能發(fā)電有何優(yōu)缺點(diǎn)？大量節(jié)省煤、石油等燃料，避免燃料運(yùn)輸，如：50萬(wàn)kW電廠(chǎng)，150萬(wàn)T煤/年：20T鈾/年。無(wú)需空氣助燃，選址靈活，可在地下、山洞里、水下或空氣稀薄的高原。與火電比，造價(jià)高，但發(fā)電成本低30-50%，規(guī)模愈大愈合算，超過(guò)50萬(wàn)kW，核電廠(chǎng)比火電廠(chǎng)合算。問(wèn)題：對(duì)放射性污染的擔(dān)心，技術(shù)上能較好處理污染防護(hù)和核廢料，但事故仍有發(fā)生。51四、大力發(fā)展中的新能源發(fā)電太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)帷⒗剂?、潮汐能、燃料電池、生物質(zhì)能、核聚變等潔凈、可再生，未來(lái)主要能源形式，當(dāng)前國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。有些新能源，如：太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電，容量很小，分散性大，屬分布式電源，互聯(lián)后在運(yùn)行和管理方面存在不少特殊問(wèn)題。十一五國(guó)家科技計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展52新能源發(fā)電廠(chǎng)風(fēng)力電場(chǎng)1風(fēng)力電場(chǎng)2法國(guó)朗斯潮汐電站西藏羊八井地?zé)犭娬厩嗪Ｌ?yáng)能光伏電站53最大潮汐電站，240MW年發(fā)電量超5億度第一章 電力系統(tǒng)概述1(IntroductiontoPower

Systems)（第二講）（回顧）問(wèn) 題21、電能是如何傳輸?shù)模?、電力系統(tǒng)為何用功率作為變量?3、交流電路的功率和復(fù)功率如何引入?4、什么是電力系統(tǒng)負(fù)荷和負(fù)荷曲線(xiàn)?5、典型負(fù)荷曲線(xiàn)有哪些？有何用途？3§3 電力網(wǎng)：電能輸送和分配一、電力網(wǎng)有哪些主要設(shè)備？ 除去發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的子系統(tǒng)，本課程主要研究高壓輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)看成負(fù)荷一部分。主要設(shè)備：輸電線(xiàn)路、變電站設(shè)備（變壓器、開(kāi)關(guān)、母線(xiàn)等）。超高壓架空電力線(xiàn)路斷路器（一種開(kāi)關(guān)）超高壓電力電纜線(xiàn)路施工現(xiàn)場(chǎng)深圳站畫(huà)面變電站電力變壓器4帶有開(kāi)關(guān)的接線(xiàn)圖到系統(tǒng)的其他部分發(fā)電機(jī)變壓器開(kāi)關(guān)母線(xiàn)負(fù)荷輸電線(xiàn)路5二、電力網(wǎng)絡(luò)是如何接線(xiàn)的？對(duì)保證供電的可靠、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。接線(xiàn)圖：兩種類(lèi)型·電氣接線(xiàn)：電力設(shè)備間電氣聯(lián)接關(guān)系·地理接線(xiàn)：發(fā)電廠(chǎng)、變電所間相對(duì)地理位置及其聯(lián)接路徑接線(xiàn)方式（與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似），綜合考慮：供電可靠、電壓合格、運(yùn)行靈活、操作安全、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)等因素?！ら_(kāi)式·閉式6地理接線(xiàn)圖發(fā)電廠(chǎng)變電站7開(kāi)式接線(xiàn)（從一個(gè)方向得電能）(a)(b)(c)(d)(f)(e)一般配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有備用放射式 干線(xiàn)式 鏈?zhǔn)綗o(wú)備用閉式接線(xiàn)（多個(gè)方向獲得電能）環(huán)式（單電源）8閉式（多電源）兩端供電式輸電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一些實(shí)際電力網(wǎng)英國(guó)電網(wǎng)巴黎電網(wǎng)東京電網(wǎng)紐約電網(wǎng)倫敦電網(wǎng)北京電網(wǎng)9遠(yuǎn)距離大容量輸電為何要采用高電壓進(jìn)行？!10三、電力網(wǎng)為何要采用高電壓？遠(yuǎn)距離大容量輸電的壓降和損耗：容量：S=U*I壓降：?U=I*Z損耗：PL

=I2*R高電壓→高穩(wěn)定性（后續(xù)內(nèi)容討論）考慮絕緣，發(fā)電機(jī)電壓10-30kV，變壓器升壓到110-750kV；高壓線(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電，變壓器降壓給負(fù)荷；大負(fù)荷6-110kV，民用負(fù)荷110/220V單相11線(xiàn)路電壓與容量、距離的關(guān)系電壓等級(jí)(kV)輸送容量(MVA)輸送距離(km)輸電7502000~2500500以上（跨大區(qū)）5001000~1500150~850（跨?。?20100~500100~300（跨地區(qū)）高中壓配電110(部分輸電)10~5050~100（跨縣市）352~1020~50（縣市內(nèi)）100.2~26~20（市內(nèi)）低壓配電380/220V（樓內(nèi)、農(nóng)電）12四、為何要確定額定電壓?標(biāo)準(zhǔn)化：避免電壓等級(jí)數(shù)量的無(wú)限制擴(kuò)大，導(dǎo)致互聯(lián)困難。最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能：電力設(shè)備需要在額定電壓下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和使用。需要確定的額定電壓：線(xiàn)路（即：電網(wǎng)、用電設(shè)備）發(fā)電機(jī)變壓器(升壓、降壓)的一次/二次側(cè)13五、如何確定額定電壓?(電壓分布:±5%)0.95UN11.1UN1UN1UNUN11次側(cè)1.05UN0.95UN21.05UN2(1.1)1次UN1升壓變1次側(cè)接線(xiàn)路?UUN214N215如何確定額定電壓?

（原則）線(xiàn)路（電網(wǎng)）額定電壓 =

用電設(shè)備額定電壓發(fā)電機(jī)額定電壓 = 1.05線(xiàn)路額定電壓升壓變壓器額定電壓：一次側(cè) = 發(fā)電機(jī)額定電壓(與發(fā)電機(jī)相聯(lián)：1.05）= 線(xiàn)路額定電壓(與線(xiàn)路相聯(lián)）二次側(cè) = 1.10線(xiàn)路額定電壓降壓變壓器額定電壓：一次側(cè) =

線(xiàn)路額定電壓二次側(cè) = 1.05(或1.10）線(xiàn)路額定電壓如何確定額定電壓?

（算例）16用電設(shè)備（線(xiàn)路、電網(wǎng))(kV)發(fā)電機(jī)(kV)變壓器(kV)一次二次66.36及6.36.3及6.61010.510及10.510.5及11353538.5110110121220220242330330363500500550750750825六、高壓直流輸電（HVDC）簡(jiǎn)介高壓直流輸電示意圖整流裝置逆變裝置三相交流17變壓器送電端受電端變壓器＋－三相交流直流電路直流輸電的優(yōu)點(diǎn)？適用于大系統(tǒng)互聯(lián)：兩端交流系統(tǒng)無(wú)需同步運(yùn)行，無(wú)需同頻率，本身不存在穩(wěn)定問(wèn)題。直流線(xiàn)路造價(jià)低：費(fèi)用相同時(shí)，架空線(xiàn)輸電容量DC:AC=3:2,電纜比例更高。能量損耗小?？刂瓶焖俸?jiǎn)便。18直流輸電的缺點(diǎn)？換流站造價(jià)高：AC與DC的等價(jià)距離，架空線(xiàn)大約500km，地下或海底電纜大約50km。換流產(chǎn)生諧波，惡化電能質(zhì)量，干擾通信系統(tǒng)，需要濾波。電流沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)，熄弧困難，HVDC斷路器研制困難。19中國(guó)HVDC工程實(shí)例葛上HVDC線(xiàn)葛洲壩換流站閥廳南橋換流站開(kāi)關(guān)場(chǎng)20§4

交流電路的功率和復(fù)功率一、電力系統(tǒng)為何用功率？ 能量系統(tǒng)，基于能量的分析方法發(fā)電/負(fù)荷均以功率和能量為單位，算錢(qián)復(fù)功率是電力系統(tǒng)中最重要的概念之一從能量觀(guān)點(diǎn)，我們觀(guān)察了什么物理現(xiàn)象？如果我們是前輩們,會(huì)引入何物理量來(lái)描述之?+-u(t)交流電路21i(t)二、單相瞬時(shí)功率+-u(t)i(t)p(t)

u(t)

i(t)p(t)網(wǎng)絡(luò)2U

cos

t2I

cos(

t

)22u(t)

i(t)

23分析功率組成：

定義電流的有功、無(wú)功分量 i(

t

)

iR(

t

)

iX

(

t

)Δ有功分量iR(

t

)

i

X

(

t

)

I·I·XI· U·Rφ2I

cos

cos

t幅值

角度2I

sin

cos(

t

900

)無(wú)功分量分解功率１、有功分量Δp(

t

)

u(

t

)[

iR(

t

)

iX

(

t

)]

pR(

t

)

pX

(

t

)有功分量：pR(

t

)

UI

cos

(1

cos

2

t

)pR(

t

)由

u(t)與iR(

t

)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率，周期2

t

，始終≥0，均值UI

cos

，是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中等效電阻的耗能速率（物理意義）u(

t

)

iR(

t

)

2Ucos

t2I

cos

cos

t242、無(wú)功分量無(wú)功分量：p

X

(

t

)

UI

sin

sin

2

tpX

(

t

)由

u(t)與iX

(

t

)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率，周期 2

t

，均值=0，峰值

UI

sin

，是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)中等效電抗與外電源的電能量交換速率（物理意義）請(qǐng)考慮純電阻、純電抗、純電容網(wǎng)絡(luò)的功率？u(

t

)

X252Ucos

t2Isin

cos(

t

900)i (

t

)

三、單相有功和無(wú)功功率（定義物理量來(lái)描述對(duì)應(yīng)的物理現(xiàn)象）有功功率P

定義為

pR(

t

)的均值(特征值)：P

UI

cos

無(wú)功功率Q 定義為

pX

(

t

)

的峰值(特征值)：Q

UI

sin

P 物理意義：無(wú)源網(wǎng)絡(luò)消耗的功率均值。Q

物理意義：無(wú)源網(wǎng)與外界交換能量能力的大小，交換功率峰值，均值為零，實(shí)際未消耗，描述無(wú)源網(wǎng)電感和電容存儲(chǔ)和釋放場(chǎng)能現(xiàn)象。26如何進(jìn)一步理解Q？電網(wǎng)需要Q嗎？網(wǎng)絡(luò)若是電感性的，則Q>0，習(xí)慣上認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)“吸收”感性無(wú)功，是“無(wú)功負(fù)荷”。網(wǎng)絡(luò)若是電容性的，則Q<0，習(xí)慣上認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)“發(fā)出”感性無(wú)功，是 “無(wú)功電源”。（“吸收”感性（或容性）無(wú)功功率相當(dāng)于“發(fā)出”容性（或感性）無(wú)功功率）Q動(dòng)畫(huà)27四、如何引入復(fù)功率？帶來(lái)數(shù)學(xué)上的方便：功率三角形視在功率S 定義為u(t)

與i(

t

)

有效值之積：S

UIS

2

P

2

Q

2SQφP由功率三角形，可引入復(fù)功率概念：

S·

U·

I

UI

UI

u i功率因數(shù)角

UI

cos

jUI

sin

P

jQ28引入復(fù)功率的好處？物理意義明確：功率三角形關(guān)系的復(fù)數(shù)形式實(shí)部是有功功率P虛部是無(wú)功功率Q幅角是功率因數(shù)角φ模是視在功率S計(jì)算方便：在電路計(jì)算中，復(fù)功率可以相加，而視在功率S不能直接相加。2930五、平衡三相功率（事實(shí)？）?為表示方便，定義三相無(wú)功：Q

3QP

3UPI

Psin

?定義三相視在功率：S

3SP

3UPI

P對(duì)Y和△接法，均有：(φ仍是相電壓和相電流夾角)?用線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流表示， P

3U

L

I

L

cos

Q

3U

L

I

L

sin

S

3ULI

L觀(guān)察現(xiàn)象推導(dǎo)結(jié)論?定義：p(t)

ua

(t)ia

(t)

ub

(t)ib

(t)

uc

(t)ic

(t)

P

3PP

3U

PIP

cos

C（理解？六、平衡三相復(fù)功率?用線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流表示，對(duì)Y和△接法，均有PI

P?S、P、Q間仍組成功率三角形，因此引入：

S·

3U·LLe

j

300

P

jQS·

3U· I

3U

LI

L

uL

iL

300

3U

LI

L

3U

LI

L

cos

j 3U

LI

L

sin

(φ仍是每相的功率因數(shù)角)?31§5 電力系統(tǒng)負(fù)荷：電能使用和消耗一、什么是電力系統(tǒng)負(fù)荷？ 32電力系統(tǒng)負(fù)荷是電力用戶(hù)所需電功率總和，也稱(chēng)電力系統(tǒng)綜合用電負(fù)荷?？赡馨üまr(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和人民生活等各方面的各種用電設(shè)備。主要有電動(dòng)機(jī)（同步和異步）、電爐、電熱、照明、整流設(shè)備等，在不同行業(yè)中比重不同，最大量的是異步電動(dòng)機(jī)。這里研究的電力系統(tǒng)負(fù)荷是指高壓輸電系統(tǒng)負(fù)荷，如：一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)或者大工廠(chǎng)的總負(fù)荷，配電網(wǎng)絡(luò)是負(fù)荷的一部分。二、電力系統(tǒng)負(fù)荷間的關(guān)系圖發(fā)電負(fù)荷供電負(fù)荷綜合用電負(fù)荷廠(chǎng)用電網(wǎng)絡(luò)損耗電廠(chǎng)33用戶(hù)三、負(fù)荷損耗廠(chǎng)用電：維持發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)行自身所需的功率34·火電廠(chǎng)·水電廠(chǎng)·核電廠(chǎng)5~8%0.1~1%4~5%網(wǎng)絡(luò)損耗(網(wǎng)損)：電能傳輸、分配中消耗的功率，約為：(5~10%)負(fù)荷。四、什么是負(fù)荷曲線(xiàn)？如何分類(lèi)？描述負(fù)荷變化趨勢(shì)的數(shù)學(xué)手段：指一段時(shí)間內(nèi)負(fù)荷隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，可用來(lái)預(yù)測(cè)負(fù)荷趨勢(shì)。按負(fù)荷類(lèi)型分：有功無(wú)功按時(shí)間分：日(周、旬、月、年）35如何分類(lèi)？按對(duì)象分：·發(fā)電廠(chǎng)·變電所·線(xiàn)路·用戶(hù)36五、日負(fù)荷曲線(xiàn)·計(jì)算日耗電量特征量：37·日峰荷Pmax、日谷荷Pmin、日均荷Pa、峰谷差·基本負(fù)荷(谷)、中間負(fù)荷(腰)、高峰負(fù)荷(峰)·運(yùn)行難易不同，隨地區(qū)、季節(jié)不同而變（例）

24小時(shí)內(nèi)負(fù)荷隨時(shí)間的變化，隨季節(jié)/地區(qū)不同而變用途：·制定日調(diào)度計(jì)劃240Pddt

（千瓦時(shí)）（度）A

日負(fù)荷曲線(xiàn)圖例38六、年最大負(fù)荷曲線(xiàn)（自學(xué)）反映一年內(nèi)逐月（或逐日）電力系統(tǒng)最大負(fù)荷的變化用途：·安排全年機(jī)組檢修·擴(kuò)建或新建發(fā)電廠(chǎng)備用：負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用、國(guó)民經(jīng)濟(jì)備用等不同地區(qū)曲線(xiàn)特點(diǎn)不同39年最大負(fù)荷曲線(xiàn)圖例4041七、年持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)（自學(xué)）電力系統(tǒng)全年負(fù)荷按大小及累計(jì)持續(xù)運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)數(shù)）的順序排列而作的曲線(xiàn)用途：編制發(fā)電計(jì)劃、計(jì)算可靠性、系統(tǒng)規(guī)劃年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)：全年所耗電能，若按最大功率使用所能持續(xù)的時(shí)間：(小時(shí))我國(guó)Tmax約5000小時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家要小一些。

87600yP

dt算出全年所耗電能：

A

87600max maxmaxPPydtPA

T

年持續(xù)負(fù)荷曲線(xiàn)圖例42八、什么是負(fù)荷預(yù)測(cè)？負(fù)荷預(yù)測(cè)：利用已知的歷史負(fù)荷、氣象信息等，結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)荷變化。重要性：可類(lèi)比產(chǎn)品市場(chǎng)預(yù)測(cè)，電能不同大量存儲(chǔ)，對(duì)預(yù)測(cè)精度要求高。難度（類(lèi)比天氣或股市預(yù)測(cè)）：有工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、地理位置、氣候氣象條件、節(jié)假日、作息制度及人民生活習(xí)慣等諸多因素的影響。尚未完全解決。43作業(yè)（1）習(xí)題1-1、2、3、4（2）選做：關(guān)于功率的專(zhuān)題研究：（取φ：-90、-45、0、45、90度觀(guān)察和解釋現(xiàn)象）44第二章 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型（PowerSystemSteadyState

Models）第一講 電力線(xiàn)路模型（回顧）1問(wèn)

題1、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析如何建模?2、物理線(xiàn)路的基本結(jié)構(gòu)如何？3、輸電線(xiàn)有哪些電磁現(xiàn)象?4、用哪些參數(shù)描述輸電線(xiàn)電磁現(xiàn)象?5、各個(gè)參數(shù)受哪些因素影響？6、如何用等值電路表示輸電線(xiàn)路？2§1

穩(wěn)態(tài)建?？傮w思路觀(guān)察和分析電氣元件穩(wěn)態(tài)的物理現(xiàn)象元件建模：等值電路（線(xiàn)/變/荷/發(fā)）系統(tǒng)建模：全網(wǎng)等值電路、網(wǎng)絡(luò)方程各種解法3§2

電力線(xiàn)路結(jié)構(gòu)和電磁現(xiàn)象一、架空線(xiàn) 組成和作用？前蘇聯(lián)750kV架空線(xiàn)前蘇聯(lián)1150kV架空線(xiàn)4導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)造和型號(hào)導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)造3種主要形式：?jiǎn)喂删€(xiàn)（單根實(shí)心金屬線(xiàn)：銅和鋁）（很少采用）多股絞線(xiàn)（同材料），多單股線(xiàn)扭絞，標(biāo)號(hào)：TJ（銅絞）、LJ（鋁絞）、GJ（鋼絞）多股絞線(xiàn)（兩種材料）：主要是鋼芯鋁絞線(xiàn)，“好導(dǎo)電性能＋高機(jī)械強(qiáng)度”，普遍采用。標(biāo)號(hào)：LGJ（普通型）、LGJQ（輕型）、LGJJ（加強(qiáng)型）型號(hào)：標(biāo)號(hào)+數(shù)字（導(dǎo)線(xiàn)主要載流額定截面積mm2）例LGJ-150:鋁線(xiàn)額定截面積150mm256架空線(xiàn)中的特殊問(wèn)題排列不對(duì)稱(chēng)（參數(shù)不平衡）：三相循環(huán)換位減少線(xiàn)路電抗和電暈損耗：分裂導(dǎo)線(xiàn)輸電線(xiàn)4分裂（ ）輸電線(xiàn)6分裂（ ）同桿并架雙回線(xiàn)二、電纜氣體絕緣電纜海底電纜溝海底電纜管道7如果我們是先輩們，會(huì)抽象成什么樣的數(shù)學(xué)模型？電路？分布式還是集中式？8四、線(xiàn)路的電磁現(xiàn)象和參數(shù)線(xiàn)路通交流電流：發(fā)熱，消耗有功功率→R交流電流→交變磁場(chǎng)→感應(yīng)電勢(shì)(自感、互感)抵抗電流→X電流效應(yīng):串聯(lián)？并聯(lián)？9大地線(xiàn)路的電磁現(xiàn)象和參數(shù)線(xiàn)路加交流電壓：絕緣漏電，一定電壓下發(fā)光、放電（電暈）→R’(G)電場(chǎng)→線(xiàn)/線(xiàn)、線(xiàn)/大地電容→交變電壓產(chǎn)生電容電流→X’(B)電壓效應(yīng)：串聯(lián)？大地？10并聯(lián)五、單位長(zhǎng)線(xiàn)路等值電路和參數(shù)分布式參數(shù)：用單位長(zhǎng)（/km）參數(shù)r、x、g、b表示電纜尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，外界影響小，一般不變（不研究）架空線(xiàn)受氣候、地理、架設(shè)的影響，r、x、g、b要變11§3

架空線(xiàn)的參數(shù)計(jì)算§3.1

電阻r計(jì)算r=

ρ/

n

s (歐/公里)ρ：計(jì)算用電阻率，歐·毫米2/公里，銅18.8，鋁31.5(20℃)

，溫度修正。S：額定導(dǎo)電截面積、毫米2n：每相導(dǎo)線(xiàn)的根數(shù)（分裂數(shù)）ρ：略大于直流電阻率，原因：集膚效應(yīng)、絞線(xiàn)、S>實(shí)際截面12§3.2 電抗x計(jì)算一、公式推導(dǎo)思路（電磁學(xué)，自學(xué)） 1、分析長(zhǎng)直圓導(dǎo)線(xiàn)周?chē)拇艌?chǎng)分布：據(jù)安培環(huán)路定律：I

→

H（磁場(chǎng)強(qiáng)度）2、分析導(dǎo)線(xiàn)所交的磁鏈：磁感應(yīng)強(qiáng)度：B = μ(導(dǎo)磁率)·

H磁通：Φ= A·

B磁鏈：ψ= W·

Φ自磁鏈＋互磁鏈3、得到電感L和電抗x：L＝

ψ/I，X＝ω·L13公式推導(dǎo)思路注意點(diǎn)：助磁、去磁的確定導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)磁鏈所套導(dǎo)線(xiàn)是分?jǐn)?shù)匝電感中包括自感和互感14二、結(jié)論：?jiǎn)蜗噍旊娋€(xiàn)電感（兩根平行長(zhǎng)直圓導(dǎo)線(xiàn)組成回路） ?D12：兩導(dǎo)線(xiàn)間距離，米?！?計(jì)及內(nèi)磁鏈等值半徑另一導(dǎo)線(xiàn)電流對(duì)其的互感起去磁作用如何理解參量1 2r

L

L

2

10

7

ln

D12（亨/米）

14

r0

r e

0.779r0r0r’15三、結(jié)論：三相輸電線(xiàn)電感亨/米Deq：導(dǎo)線(xiàn)間距離，米不對(duì)稱(chēng)排列（經(jīng)換位）：公式同上：導(dǎo)線(xiàn)間幾何均距D12、D23、D31：三相導(dǎo)線(xiàn)兩兩間距離D10 ln對(duì)稱(chēng)排列：LeqA B Cr

L

L

2

7Deq

3D12

D23D3116三相輸電線(xiàn)電感：導(dǎo)線(xiàn)分裂情形導(dǎo)線(xiàn)分裂且換位：亨/米R(shí)：分裂導(dǎo)線(xiàn)中心所在圓周的半徑n＝1：結(jié)論統(tǒng)一性n＝4：分裂數(shù)sA B CDeqL

L

L

2

10 lnD

7s17D

nnR

n

1r

米，幾何平均等值半徑結(jié)論的統(tǒng)一性

（由單相到三相的推導(dǎo)） sCBAD

L

L

L

2

10

7ln

DeqD121 2r

L

L

2

10 ln

718四、最終結(jié)論：導(dǎo)線(xiàn)電抗（怎么記？）歐/公里歐/公里(三相分裂換位)不分裂？三相對(duì)稱(chēng)？單相？理解參量？降低x的技術(shù)措施？x

LA

1000D

Sx

0.1445lg

Deq319012

23neqn

R

n

1r

r

0

.779

r , D

D D D31

, DS

計(jì)算注意點(diǎn)D

D

r

單位一致eq Sr

=0.779r0適用于單股線(xiàn)；多股絞線(xiàn)<0.779r0；鋼芯絞線(xiàn) r

>0.779r0

(實(shí)際算題)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：不分裂110/220KV，x

=

0.4Ω/kmL客觀(guān)存在，取決于Deq，D

S(r

)，是等值電感，與i大小無(wú)關(guān)，但與三相電流ia、ib、ic間的關(guān)系有關(guān),須滿(mǎn)足ia+ib+ic=0，如不滿(mǎn)足，則L要變化。20§3.3

電導(dǎo)g計(jì)算主要由電暈引起，實(shí)測(cè)U

2U：kV(線(xiàn)電壓)△Pg：電暈損耗有功功率kW/km(三相)Ucr：臨界電壓、能發(fā)生電暈的最低電壓，因素：材料表面光滑程度，天氣，空氣密度，材料半徑，三相排列位置，分裂情況有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮晴天不發(fā)生電暈，一般情況

g忽略21計(jì)算：g

ΔPg

10

3

西門(mén)/公里§3.4

電納b計(jì)算一、公式推導(dǎo)思路（電磁學(xué)，自學(xué)）研究b，需研究電容C，須先找電位差u12與電荷q的關(guān)系，即先要分析導(dǎo)線(xiàn)周?chē)妶?chǎng)分布由高斯定理：q→D(電力線(xiàn)密度）電場(chǎng)強(qiáng)度：E=D/ε（介電常數(shù)）由E→U12C=q/U12B=ω*C22二、結(jié)論：?jiǎn)蜗噍旊娋€(xiàn)電容（兩根平行長(zhǎng)直圓導(dǎo)線(xiàn)組成回路） 法/公里線(xiàn)/地（中性點(diǎn)、零電位點(diǎn)）注意：r0區(qū)別于電抗中r’，原因？如何理解參量？12Dlg

12

r0線(xiàn)/線(xiàn)：

C

0.012

10

6Dlg

12

r0

0.0241

10

6C1n

C2n

2C12121232n三、結(jié)論：三相輸電線(xiàn)電容（線(xiàn)/地）對(duì)稱(chēng)排列：法/公里分裂導(dǎo)線(xiàn)（換位）：?：幾何平均半徑n＝1：結(jié)論統(tǒng)一性eqCr0Dlg

0.0241

10

6CA

CB

CeqCBADSDlg

0.0241

10

6C

C

Cn24nRn

1r0DS

結(jié)論的統(tǒng)一性

（由單相到三相的推導(dǎo)） 122n1nDlg 12r0

0.0241

10

6C

C

2Ceq25CBAD

SDlg

0.0241

10

6C

C

C26四、最終結(jié)論：導(dǎo)線(xiàn)電納（怎么記？）?不分裂？對(duì)稱(chēng)排？單相（線(xiàn)/地)?理解參量？D

S西門(mén)/公里(三相分裂換位)D

eqlgb

C

314

0.0241

10

6eqD

SDlg7.58

10

6b

eq 12 23 31D D DD

3D

n

nRn

1r

S

0計(jì)算注意點(diǎn)Deq、DS、r0單位一致，區(qū)別電抗中D’S、r’經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：不分裂

b

2.6

~

2.85

10

6

西門(mén)/公里C客觀(guān)存在，取決于Deq

、

DS(r0)，是等值電容，與U大小無(wú)關(guān)，但與三相電壓ua、ub、uc間關(guān)系有關(guān)，須滿(mǎn)足ua

+

ub

+

uc

=

0(qa

+qb

+qc=

0),

如不滿(mǎn)足，則C要變化。27§4

電力線(xiàn)路的等值電路§4.1

架空線(xiàn)分布參數(shù)匯總r=

ρ/ns歐/公里歐/公里g=

0b

=西門(mén)/公里Deqx=0.1445lg D

seqDsDlg7.58

10

6eqD12D23D31D

3o28ssnR

n

1r

nD

nnRn

1r

,Dor

0.799r實(shí)用中不方便，怎么辦？29§4.2 集中參數(shù)等值電路一、推導(dǎo)思路 關(guān)心線(xiàn)路1、2兩端電量關(guān)系（非沿線(xiàn)分布）：分布式參數(shù)→全長(zhǎng)集中參數(shù)推導(dǎo)思路：1、建立分布參數(shù)電路：1、2端構(gòu)成二端口網(wǎng)絡(luò)2、建立分布參數(shù)表示的網(wǎng)絡(luò)方程：微分方程3、解出兩端口電壓和電流關(guān)系→用集中參數(shù)表示的二端口等值網(wǎng)絡(luò)（電路原理）30推導(dǎo)思路（Ⅰ）：導(dǎo)出二端口網(wǎng)絡(luò)方程yyz z1 ……

2dl給定邊界條件，解出線(xiàn)路任意點(diǎn)電壓和電流????

d

U

I

zdl

?d

I

U

ydl

給定U

22I→ I

（即：二端口網(wǎng)絡(luò)方程）1 1U

1si

nhc

o

sh ZY Z

YUY /

Z si

n

h ZY co

s

h Z

Y??

??

1

???????

?

2

?

ZY ?

?

U

2

??

I

??

?

I

Z=zL相總串連阻抗，Y=yL相總并聯(lián)導(dǎo)納，L線(xiàn)路長(zhǎng)度2YZ2hYtanZYZYZh31推導(dǎo)思路（Ⅱ）：導(dǎo)出π型等值電路二端口網(wǎng)路方程Z′Y′2Y′

212??????

2Y?

2?Y

sin?Z

Z

修正系數(shù)L>750km長(zhǎng)線(xiàn)：用該公式精確計(jì)算32推導(dǎo)思路（Ⅲ）：近似計(jì)算L≤300km：取級(jí)數(shù)前1項(xiàng)（不考慮分布參數(shù)影響，常用，理解？）忽略并聯(lián)導(dǎo)納)12Y6ZY?

Z

Z

(1

ZY

)?750≥L≥300km：取級(jí)數(shù)前2項(xiàng)

?

Y

?

(1

??

2

2?

Y??

2

2?

Y