現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析 課件 第1章 緒論

第1章 緒論1概述

本書主要內(nèi)容作為教材，本書立足點是簡明系統(tǒng)地介紹與電力調(diào)度系統(tǒng)相關的，至今已成熟和實用的電力系統(tǒng)分析理論和方法。重點論述以計算機及其相應數(shù)學理論方法為工具進行電力網(wǎng)絡穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)分析的原理和方法。全書包括10章。其中第1章為緒論，第2章介紹電力系統(tǒng)計算的基礎知識；第3、第4章討論了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析；第5章是電力系統(tǒng)狀態(tài)估計；第6章是電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析；第7章是電力系統(tǒng)故障分析；第8章到第10章是電力系統(tǒng)暫態(tài)分析。概述

本書主要內(nèi)容

1.1電力系統(tǒng)發(fā)展概述41.1電力系統(tǒng)發(fā)展概述電的商業(yè)化應用始于19世紀70年代后期，第一個完整的電力系統(tǒng)由托馬斯·愛迪生在紐約的皮埃爾大街站建成并于1882年9月投入運行。此后電力系統(tǒng)逐步發(fā)展，其發(fā)展歷程如下表所示。第一代電力系統(tǒng)第二代電力系統(tǒng)第三代電力系統(tǒng)19世紀末~20世紀50年代20世紀50年代~20世紀末21世紀~21世紀中葉小機組（燃煤、油氣、小水電）輸配電（220kV以下）小電網(wǎng)（城市電網(wǎng)，孤立電網(wǎng)）大機組（化石、核電、水電）超高壓（750kV以下）大電網(wǎng)（交直流互聯(lián)電網(wǎng)）清潔能源發(fā)電（超過60%~70%）骨干電網(wǎng)和分布式電源結合大型主干電網(wǎng)與局部網(wǎng)微網(wǎng)結合220kV以下架空線和電纜輸電超高壓交直流輸電，架空輸電方式為主大容量、低損耗、環(huán)境友好的輸電方式（特高壓、地下輸電）簡單保護和手動控制快速保護和優(yōu)化控制；輸變電設備故障的快速切除智能的電網(wǎng)控制、保護系統(tǒng)，智能輸變電設備和網(wǎng)絡自愈經(jīng)驗型調(diào)度分析型調(diào)度，適應負荷變化的電源側(cè)能量管理系統(tǒng)智能型調(diào)度，適應可再生能源電力變化和負荷變化的綜合能量管理系統(tǒng)電網(wǎng)安全和供電可靠性低安全可靠性提高，但互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定問題突出，大停電風險依然存在供電可靠性大幅提高，基本排除用戶的意外停電風險經(jīng)濟性資源優(yōu)化配置能力差大機組大電網(wǎng)規(guī)模經(jīng)濟性，大范圍的資源優(yōu)化配置能力集中與分布相結合的規(guī)模經(jīng)濟性單向電力流，單一的電力服務配電網(wǎng)單向電力流，單一的電力服務智能主動配電網(wǎng)、微網(wǎng)，雙向電力流；智能用電；提供能源、電力和信息綜合服務初級階段的電網(wǎng)模式高度依賴化石能源，是不可持續(xù)的電網(wǎng)發(fā)展模式基于可再生能源和清潔能源，是可持續(xù)的電網(wǎng)發(fā)展模式總裝機1.1電力系統(tǒng)發(fā)展概述2021年總裝機容量23.77億千瓦，其中火電13.0億千瓦，占比54.6%，清潔能源占比45.4%總裝機、風電和太陽能發(fā)電裝機均居世界第一2021年全年發(fā)電量8.4萬億千瓦時，世界第一裝機容量核電太陽能水電風電火電1.1電力系統(tǒng)發(fā)展概述223萬km35kV及以上2021年輸電線路長度86億kVA35kV及以上2021年變電設備容量1.1電力系統(tǒng)發(fā)展概述目前，我國正處在能源轉(zhuǎn)型期。我國能源轉(zhuǎn)型的目標，是建立清潔低碳、安全高效，可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代能源體系。電力系統(tǒng)處于從傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)，進一步向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型的過程中。

1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)91.2.1現(xiàn)代電力系統(tǒng)特征電力系統(tǒng)是世界上目前最龐大和最復雜的人造系統(tǒng)，具有地域分布廣、傳輸能量大、動態(tài)過程復雜等特點，其數(shù)學模型具有高維、強非線性和時變的特征?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)也由發(fā)電、輸電、配電、用電等電氣設備以及各種控制設備組成，但與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，各部分或環(huán)節(jié)都已經(jīng)有了或正在發(fā)生很大的變化。并且電力系統(tǒng)的構架、運營具體體現(xiàn)在以下九個方面：

高溫、高壓、超臨界機組、超超臨界機組高比例新能源發(fā)電分布式發(fā)電大容量遠距離高壓輸電、大系統(tǒng)互聯(lián)特高壓交直流電網(wǎng)高度自動化電力市場化智能電網(wǎng)全球能源互聯(lián)電網(wǎng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要標志是大容量、超大規(guī)模、超高壓、交直流混合、以及清潔化、信息化、柔性化和市場化。1.2.2我國電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向隨著新能源的快速發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷變化，面臨一系列挑戰(zhàn)。源網(wǎng)荷結構變化電源層面，電力電子類電源（新能源+直流）占比快速提升，電源裝機結構和電能生產(chǎn)方式發(fā)生重大變化電網(wǎng)層面，交直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，大電網(wǎng)資源配置能力不斷增強，微電網(wǎng)快速發(fā)展，電網(wǎng)的功能和形態(tài)發(fā)生重大變化。負荷層面，負荷結構多元化，配網(wǎng)的有源化特性凸顯。電力系統(tǒng)特性變化隨機波動性：風電太陽能等新能源的隨機波動造成了電能生產(chǎn)隨機波動，使電網(wǎng)運行不確定性大幅增加靈活可控性：電力電子廣泛應用，使可控元件多元化、小型化、分散化，增加了控制的靈活性復雜脆弱性：隨著高比例新能源接入，傳統(tǒng)系統(tǒng)慣量不斷下降，抵御故障能力降低，故障形態(tài)更加復雜，連鎖反應風險增加一、變化1.2.1.1我國電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向二、挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)1：電網(wǎng)安全運行風險不斷加大基本的安全穩(wěn)定要求越來越難以滿足頻率調(diào)節(jié)能力和頻率穩(wěn)定水平不斷下降電壓調(diào)節(jié)能力和電壓穩(wěn)定水平不斷下降傳統(tǒng)同步穩(wěn)定及新形態(tài)穩(wěn)定問題小事故大破壞事件的風險增加電力電子裝置的強非線性、脆弱性等問題，故障路徑十分復雜，連鎖反應成為巨大威脅挑戰(zhàn)2：電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力嚴重不足靈活調(diào)節(jié)能力不足，直接影響新能源的消納和發(fā)展調(diào)頻調(diào)壓能力持續(xù)下降挑戰(zhàn)3：電力供應保障難度不斷增加新能源出力的不確定性強，普遍具有隨機性和波動性；部分新能源發(fā)電反調(diào)峰特性新能源“大裝機，小電量”特點突出挑戰(zhàn)4：認知、控制、故障防御難認知難：未來電力系統(tǒng)的物理形態(tài)和運行特性發(fā)生顯著變化，微秒級電力電子開關過程與毫秒級、秒級的交流電機過渡過程交互影響控制難：控制基礎發(fā)生重大變化，電力電子類電源不具備傳統(tǒng)發(fā)電機的控制特性。控制規(guī)模大幅度增長，控制對象從幾千臺擴展到上十萬臺設備，從以源為主擴展到源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)故障防御難：系統(tǒng)狀態(tài)不確定性增加，脆弱性元件增多，故障形態(tài)、路徑、特性復雜化，第一道防線配合整定困難，傳統(tǒng)事件觸發(fā)型的第二道防線面臨不確定性故障連鎖反應的考驗，第三道防線措施部署需要應對配網(wǎng)有源化的挑戰(zhàn)1.2.1.1我國電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向三、發(fā)展方向現(xiàn)代電力系統(tǒng)自身發(fā)展的重構系統(tǒng)慣量水平聯(lián)網(wǎng)方式，傳統(tǒng)慣量，新型慣量調(diào)節(jié)能力調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓三個維度，源、網(wǎng)、荷三個方面支撐能力電源支撐，電網(wǎng)支撐，新能源場站支撐現(xiàn)代電力系統(tǒng)認知體系的重構基礎理論研究現(xiàn)代電力系統(tǒng)過渡過程；“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定機理、分析方法；高比例電力電子設備接入的寬頻帶振蕩理論…建模仿真與工程應用電力系統(tǒng)多時間尺度建模及模型實測體系；機電電磁混合、數(shù)?；旌稀⑷姶欧抡婕夹g…特性認知研究構建新一代電力系統(tǒng)仿真評價方法體系；“雙高”背景下電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類與判據(jù)…現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制體系的重構創(chuàng)新控制理論創(chuàng)新態(tài)勢感知多目標協(xié)同優(yōu)化多級電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制重構技術平臺重構技術框架現(xiàn)代電力系統(tǒng)故障防御體系的重構創(chuàng)新故障防御理論和體系重構第一道防線重構第二道防線重構第三道防線1.2.1.1我國電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。從調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓三個維度，分源、網(wǎng)、荷三方面提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力源側(cè)網(wǎng)側(cè)荷側(cè)調(diào)峰：建設與新能源規(guī)模相匹配的調(diào)節(jié)能力建設靈活調(diào)節(jié)電源，包括抽蓄、儲能、燃氣等電源。常規(guī)電源深度靈活調(diào)峰，包括火電靈活性改造，核電參與調(diào)峰等提高電網(wǎng)資源配置能力，加大靈活柔性輸電等技術應用，共享全網(wǎng)調(diào)節(jié)資源加大需求側(cè)響應，推動電動汽車、分布式儲能和可中斷負荷參與調(diào)峰調(diào)頻：適應不斷加大的波動性和有功沖擊推動新能源和儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻，提高常規(guī)電源調(diào)頻性能利用串補、可控串補、UPFC等FACTS設備，直流與柔性直流等設備，增強主網(wǎng)有功調(diào)控的靈活性；發(fā)揮直流輸電等設備的頻率調(diào)制能力創(chuàng)新電動汽車、分布式儲能、分布式新能源參與系統(tǒng)一次調(diào)頻調(diào)壓：滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)壓需要發(fā)揮常規(guī)機組主力調(diào)壓作用，研究電力電子類電源場站級靈活調(diào)壓分層分區(qū)合理配置無功補償，柔直，F(xiàn)ACTS設備參與調(diào)壓創(chuàng)新分布式電源、分布式儲能參與低壓側(cè)電壓調(diào)節(jié)1.2.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析理論與方法151.2.2電力系統(tǒng)分析理論與方法電力系統(tǒng)分析取決于對電力系統(tǒng)本身客觀規(guī)律的認識，同時也取決于所采用的計算理論、方法和工具。電力系統(tǒng)分析理論與方法的發(fā)展基本分為兩個方面，即電力系統(tǒng)自身發(fā)展及對本身客觀規(guī)律的認識，以及所采用的理論和方法。發(fā)展的3個階段一、發(fā)展歷史階段1：電力工業(yè)初期（19世紀80年代）至20世紀50年代小系統(tǒng)、手工計算的特點奠定了電力系統(tǒng)基本元件的物理和數(shù)學模型階段2：20世紀50年代至20世紀末電力系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展和分析方法計算機化的進程逐漸形成了電力系統(tǒng)分析的潮流計算、短路計算和穩(wěn)定分析計算三大計算軟件階段3：20世紀末至今對當前“雙高”電力系統(tǒng)進行重新認知、建立新的理論分析體系和計算控制方法不斷探索研究中，沒有形成系統(tǒng)性的理論和方法電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementsystem，EMS）是現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析技術的集大成者，其主要結構如下圖所示：1.2.2電力系統(tǒng)分析理論與方法二、分析理論與方法1.2.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析的主要內(nèi)容研究如何利用現(xiàn)代計算機信息技術、現(xiàn)代通信技術更準確、快速、深入地研究現(xiàn)代大規(guī)模電力系統(tǒng)，比如進一步研究能更準確地描述系統(tǒng)中各元件在不同運行狀態(tài)下的靜態(tài)和動態(tài)特性以及系統(tǒng)整體特性的模型、大規(guī)模互聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學表達式等。研究高壓直流輸電和FACTS在各種運行工況下的分析方法、控制技術以及含有高壓直流和FACT