電力系統(tǒng)分析 第一章

電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析于永進1.傳統(tǒng)的課程劃分電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析—正常的、相對靜止的 運行狀態(tài)電力系統(tǒng)暫態(tài)分析—從一種運行狀態(tài)向另 一種運行狀態(tài)的過渡過程課程介紹電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析電力系統(tǒng)的基本知識和等值網(wǎng)絡電力系統(tǒng)正常運行狀況的分析和計算電力系統(tǒng)有功功率—頻率、無功功率 —電壓的控制與調整課程介紹電力系統(tǒng)暫態(tài)分析波過程—操作或雷擊時的過電壓（過程最短）電磁暫態(tài)過程—與短路及勵磁有關(過程較短)機電暫態(tài)過程—與動力系統(tǒng)有關(過程較長)涉及電壓、電流涉及功率、功角—導致系統(tǒng)振蕩、穩(wěn)定性破壞、異步運行短路計算對稱分量法及序網(wǎng)概念不對稱故障的分析與計算靜穩(wěn)暫穩(wěn)課程介紹高電壓技術第一章電力系統(tǒng)的基本概念1、電力系統(tǒng)的概念和組成2、對電力系統(tǒng)運行的基本要求3、電力系統(tǒng)的電壓等級4、電力系統(tǒng)的接線方式§1.1電力系統(tǒng)的基本概念一、基本概念發(fā)電用電輸電變電配電電力系統(tǒng)：生產(chǎn)、輸送、分配和消費電能的各種電氣設備連接在一起組成的整體。電力生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)發(fā)電廠升壓站輸電網(wǎng)降壓站配電網(wǎng)用戶電力生產(chǎn)過程：發(fā)電+輸電+配電+變電+用電（一）電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠火力發(fā)電廠水力發(fā)電廠風力發(fā)電廠光伏電站其他能源發(fā)電廠1、火力發(fā)電火力發(fā)電是利用煤、石油、天燃氣或其它燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能,在鍋爐中將水變成高溫高壓蒸汽,推動汽輪機轉動,帶動發(fā)電機發(fā)電。化學能→熱能→機械能→電能2、水力發(fā)電水力發(fā)電廠是利用水流的動能和勢能來生產(chǎn)電能。水驅動水輪機轉動，與水輪機直接相連的發(fā)電機將機械能轉換成電能。水能→機械能→電能3、風力及光伏發(fā)電風力發(fā)電是利用風力帶動風機葉片旋轉，來促使發(fā)電機發(fā)電，是風能轉化為電能的一種方式。光伏發(fā)電是利用光伏電池板將太陽光輻射能量直接轉化為電能的直接發(fā)電形式。從調度、管理、控制的角度看電網(wǎng)圖黑虛筐內為輸電網(wǎng)紅虛筐內為配電網(wǎng)HVDC的主要元件和基本原理1、主要元件TTTXdTFTQcTLTDLT基本原理交流母線交流系統(tǒng)I無功補償設備交流濾波器直流線路Vd

I

換流站I平波電抗器直流濾波器橋I交流母線換流變壓器斷路器橋II圖HVDC原理圖換流站II交流系統(tǒng)II無功補償設備交流濾波器換流變壓器Vd

II

從交流系統(tǒng)Ⅰ向交流系統(tǒng)Ⅱ輸電時，換流站Ⅰ把交流系統(tǒng)Ⅰ送來的三相交流功率變換成直流功率。通過直流輸電線路把直流功率輸送到換流站Ⅱ，再由換流站Ⅱ將直流功率轉換成交流功率，送入交流系統(tǒng)Ⅱ。這個過程稱作HVDC。此時換流站Ⅰ為整流站，換流站Ⅱ為逆變站。2、HVDC的基本原理HVDC的優(yōu)點：(1)線路造價低、損耗少；(2)不存在穩(wěn)定問題（沒有電抗）；(3)可以實現(xiàn)交流系統(tǒng)非同步聯(lián)網(wǎng)；(4)調節(jié)速度快，運行可靠；(5)限制短路電流；(6)可方便地進行分期建設和增容擴建，有利于發(fā)揮投資效益HVDC的缺點：(1)換流站造價高；(2)換流器消耗的無功多；(3)產(chǎn)生大量的諧波；(4)換流裝置幾乎沒有過載能力；(5)缺乏高壓直流開關；(6)直流輸電利用大地（或海水）為回路而帶來的一些技術問題；(7)直流輸電線路難于引出分支線路，絕大部分只用于端對端送電。HVDC應用場合：(1)遠距離大容量輸電（等價距離）；(2)非同步聯(lián)網(wǎng)；(3)海底電纜送電；(4)用地下電纜向大城市供電；(5)交流系統(tǒng)互聯(lián)或配電網(wǎng)增容時，作為限制短路電流的措施之一；(6)配合新能源的輸電。(1)輸送相同功率時，線路造價低：

交流輸電架空線路通常采用3根導線，而直流只需1根(單極)或2根(雙極)導線。因此，直流輸電可節(jié)省大量輸電材料，同時也可減少大量的運輸、安裝費。

(2)線路有功損耗?。?/p>

由于直流架空線路僅使用1根或2根導線，所以有功損耗較小，并且具有"空間電荷"效應，其電暈損耗和無線電干擾均比交流架空線路要小。

(3)適宜于海下輸電：

在有色金屬和絕緣材料相同的條件下，直流時的允許工作電壓比在交流下約高3倍。2根心線的直流電纜線路輸送的功率Pd比3根心線的交流電纜線路輸送的功率Pa大得多。

運行中，沒有磁感應損耗，用于直流時，則基本上只有心線的電阻損耗，而且絕緣的老化也慢得多，使用壽命相應也較長。

(4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題：

在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機必須保持同步運行。如果采用直流線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，所以不存在上述的穩(wěn)定問題，也就是說直流輸電不受輸電距離的限制。

(5)能限制系統(tǒng)的短路電流：

用交流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)容量增加，將使短路電流增大，有可能超過原有斷路器的遮斷容量(斷路器的額定開斷電流與額定電壓乘積的根號三倍)，這就要求更換大量設備，增加大量的投資。直流輸電時，就不存在上述問題。

(6)調節(jié)速度快，運行可靠：

直流輸電通過晶閘管換流器能夠方便、快速地調節(jié)有功功率和實現(xiàn)潮流翻轉。

如果采用雙極線路，當一極故障，另一極仍可以大地或水作為回路，繼續(xù)輸送一半的功率，這也提高了運行的可靠性。

電力系統(tǒng)的組成

（1）電力系統(tǒng)：生產(chǎn)、輸送、分配與消費電能的系統(tǒng)。包括：發(fā)電機、電力網(wǎng)和用電設備組成。

（2）電力網(wǎng)：電力系統(tǒng)中輸送與分配電能的部分。

（3）動力系統(tǒng)：動力部分與電力系統(tǒng)組成的整體。幾個基本參量(1)總裝機容量:指該系統(tǒng)中實際安裝的發(fā)電機組額定有功功率的總和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計?！?.1電力系統(tǒng)的基本概念§1.1電力系統(tǒng)的基本概念年發(fā)電量——指該系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年實際發(fā)出電能的總和，以千瓦時（kWh）、兆瓦時（MWh）、吉瓦時（GWh）為單位計。最大負荷——指規(guī)定時間內，電力系統(tǒng)總有功功率負荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。最高電壓等級——是指該系統(tǒng)中最高的電壓等級電力線路的額定電壓?！?.1電力系統(tǒng)的基本概念二、電力工業(yè)的發(fā)展史1、高壓輸電的出現(xiàn)與電壓等級的提高1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，為發(fā)電機的發(fā)明打下了基礎1882年，愛迪生小型電力系統(tǒng)（pearlstreetpowerstation），6臺直流發(fā)電機，16km，59個用戶，電壓：直流110V。1885年，制成變壓器，為實現(xiàn)交流輸電奠定了基礎1890年，英國從Deptford到倫敦11km的10kV線路（第一條高壓交流電力線路）1891年，德國從Lauffen到法蘭克福170km的15kV線路（第一條三相交流輸電線路）§1.1電力系統(tǒng)的基本概念遠距離大容量輸電是提高輸電電壓的動力。2、特高壓（1000kV及以上）輸電的出現(xiàn)與展望習慣上，110～220kV為高壓，330～750kV為超高壓，1000kV及以上為特高壓。20世紀60年代國際上開始特高壓輸電的研究1985年蘇聯(lián)1228km的1150kV,但至今運行于500kV20世紀90年代日本426km的1000kV，但至今運行于500kV目前國際上實際投運的最高電壓等級750kV(加、美、俄、巴西、南非等國）我國西北電網(wǎng)750kV（青海官亭—甘肅蘭州），2005年投運2009年我國首條1000kV（山西長治晉東南變電站－南陽－湖北荊門變電站）投運，645km，實現(xiàn)華北和華中電網(wǎng)互連§1.1電力系統(tǒng)的基本概念3、直流輸電線路、高自然功率的緊湊型線路以及靈活交流輸電（FACTS）等多種多樣輸電新技術的研究也取得很大進展，有的已進入工程實踐?！?.1電力系統(tǒng)的基本概念高自然功率的緊湊型輸電線路（俄羅斯、巴西），我國500kV緊湊型輸電線路北京昌平到房山。靈活輸電又稱柔性輸電可以很靈活的調節(jié)電網(wǎng)功率，國外已有較廣泛應用。

截至目前，中國直流輸電線路總長度達7085公里，輸送容量達1856萬千瓦，線路總長度和輸送容量均居世界第一。

到2020年，中國將建成15個特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長、容量最大的國家§1.1電力系統(tǒng)的基本概念三、我國電力工業(yè)和電力系統(tǒng)的發(fā)展史1、基本發(fā)展史

1882年，英國人成立上海光電公司，中國第一個發(fā)電廠，一臺12kW直流發(fā)電機

1911年，楊樹浦發(fā)電廠動工，1913年開始發(fā)電，到1924年，共有12臺發(fā)電機，裝機121MW。

1954年，中國自行設計施工的第一條220kV輸電線路（369km）建成，從豐滿水電站輸送電能到虎石臺變電所。這是中國輸電線路建設史上的一個里程碑。§1.1電力系統(tǒng)的基本概念

1972年，第一條330kV超高壓輸電線路建成，從劉家峽水電站至漢中，全長534公里。隨后330kV線路延伸到陜甘寧青4個省區(qū)，形成西北跨省聯(lián)合電網(wǎng)。1981年，第一條500千伏超高壓輸電線路投入運行，從河南平頂山姚孟火電廠到湖北武昌鳳凰山變電所，使中國成為世界上第8個擁有500千伏超高壓輸電的國家。1989年，中國第一條±500千伏直流輸電線路（葛洲壩－上海，1080公里）建成投入運行，實現(xiàn)華中電力系統(tǒng)與華東電力系統(tǒng)互聯(lián)，形成中國第一個跨大區(qū)的聯(lián)合電力系統(tǒng)?！?.1電力系統(tǒng)的基本概念

2005年9月,西北電網(wǎng)建成750kV青海官亭-甘肅蘭州線超高壓輸變電工程（140.7km），中國輸電技術提高到了一個新的水平.2008年12月30日，我國首條1000kV（山西長治晉東南變電站－南陽－湖北荊門變電站）投運，645km，實現(xiàn)華北和華中電網(wǎng)互連。±800kV特高壓直流輸電線路（向家壩—上海）正在建設中。§1.1電力系統(tǒng)的基本概念2、中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀年發(fā)電量：1980年以來，平均年增長率9％，現(xiàn)為世界第二位。表41980年以來中國年發(fā)電量年份19801981198219831984198519861987發(fā)電量/億kW·h30063093327735143700410744964973年份19881989199019911992199319941995發(fā)電量/億kW·h545158476213677575428364927810069年份19961997199819992000200120022003發(fā)電量/億kW·h1075011600116701230013250140201654219052年份20042005200620072008發(fā)電量/億kW·h2194324975283443255934669§1.1電力系統(tǒng)的基本概念裝機容量：現(xiàn)居世界第二位。表51980年以來中國發(fā)電設備裝機容量年份19801981198219831984198519861987裝機容量/億kW0.6590.6910.7240.7640.8010.8710.9381.029年份19881989199019911992199319941995裝機容量/億kW1.1551.2661.3791.5151.6651.8291.9992.172年份19961997199819992000200120022003裝機容量/億kW2.3222.462.62.943.143.33.573.91年份20042005200620072008裝機容量/億kW4.425.176.247.417.92§1.1電力系統(tǒng)的基本概念電壓等級、輸電線路長度和變電容量：電壓等級除西北地區(qū)以外交流：1000kV,500kV,220kV,110kV,35kV,10kV

直流：±500kV西北地區(qū)：750kV,330kV,220kV,110kV,35kV,10kV截至2009年7月，220kV及以上輸電線路長度達到37.5萬公里，躍居世界第一位。2008年，220kV及以上變電容量13.9億kVA。電網(wǎng)規(guī)模不斷壯大：我國現(xiàn)有發(fā)電裝機容量在2000MW以上的電力網(wǎng)11個，其中東北、華北、華東、華中區(qū)域電網(wǎng)裝機容量均超過30000MW，華東、華中電網(wǎng)甚至超過40000MW，西北電網(wǎng)的裝機容量也達到20000MW。大區(qū)電網(wǎng)圖§1.1電力系統(tǒng)的基本概念

2010年前后，建成以三峽電網(wǎng)為中心連接華中、華東、川渝的中部電網(wǎng)；華北、東北、西北三個電網(wǎng)互聯(lián)形成的北部電網(wǎng)；以及云、貴、廣西、廣東4省區(qū)的南部聯(lián)合電網(wǎng)。同時，加快北、中、南三大電網(wǎng)之間實現(xiàn)局部互聯(lián)：華北－華中加強聯(lián)網(wǎng)、華中－西北聯(lián)網(wǎng)、川渝－西北聯(lián)網(wǎng)、華東－華北聯(lián)網(wǎng)、川黔聯(lián)網(wǎng)等跨區(qū)電網(wǎng)工程建設，實現(xiàn)西電東送、南北互供，初步形成全國統(tǒng)一的聯(lián)合電網(wǎng)的格局，實現(xiàn)全國范圍內的資源優(yōu)化配置，滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和全面建設小康社會的要求。

§1.1電力系統(tǒng)的基本概念2020年前后，隨著長江和黃河上游以及瀾滄江、紅水河上一系列大型水電站的開發(fā)，西部和北部大型火電廠和沿海核電站的建設，以及一大批長距離、大容量輸電工程的實施，電網(wǎng)結構進一步加強，真正形成全國統(tǒng)一的聯(lián)合電網(wǎng)。在全國統(tǒng)一電網(wǎng)中充分實現(xiàn)西部水電東送，北部火電南送的能源優(yōu)化配置。此外，北與俄羅斯、南與泰國之間也可能實現(xiàn)周邊電網(wǎng)互聯(lián)和能源優(yōu)勢互補。電力系統(tǒng)為什么要互聯(lián)并網(wǎng)運行呢？

1.采用高效率大容量機組—減少備用容量

最大單機容量

最大發(fā)電廠2.合理利用動力資源—水、火電互補3.提高供電可靠性—系統(tǒng)越大，抗干擾能力越強4.提高運行的經(jīng)濟性—裝高效率大容量機組、合理利用動力資源、合理分配負荷、削峰填谷。

§1.1電力系統(tǒng)的基本概念我國的能源結構極不合理6323.74.38.8目前電源配置情況2020年電源配置情況我國最大單機容量最大火電機組：1000MW（浙江華能玉環(huán)電廠，上海外高橋第二發(fā)電廠900MW）最大水電機組：700MW（三峽電廠）（葛洲壩水電廠320MW）最大核電機組：1060MW（江蘇田灣核電廠)§1.1電力系統(tǒng)的基本概念我國最大發(fā)電廠最大火電廠：北侖港電廠，5×600MW最大水電廠：三峽電廠26×700MW（二灘水電廠6×550MW，溪洛渡水電站8×700MW）最大核電廠：秦山（300+2×600+2×700MW）,(大亞灣2×90萬KW,江蘇田灣2×1060MW,浙江三門、廣東陽江2×1000MW)最大抽水蓄能電廠：廣東抽水蓄能電廠8×300MW§1.1電力系統(tǒng)的基本概念§1.1電力系統(tǒng)的基本概念機構改革初顯成效：2002年12月，中國電力工業(yè)新機構為適應市場發(fā)展應運而生，成立了兩家電網(wǎng)公司、5家發(fā)電集團公司和4家輔業(yè)集團公司；2003年2月，國家電力監(jiān)管委員會宣告成立。

兩家電網(wǎng)公司是國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)有限責任公司； ５家發(fā)電集團公司是中國華能集團公司、中國大唐集團公司、中國華電集團公司、中國國電集團公司和中國電力投資集團公