電力系統(tǒng)分析課件(共12章)第一章電力系統(tǒng)的基本概念

1.電力系統(tǒng)概述

第一章電力系統(tǒng)的基本概念電力系統(tǒng)分析問題引入：電力系統(tǒng)概述電,陰陽激耀也?！墩f文》物理學(xué)名詞[electricity]。電是能的一種形式,包括負(fù)電和正電兩類,它們分別由電子和質(zhì)子組成,通常以靜電單位(如靜電庫侖)或電磁單位(如庫侖)度量,從摩擦生電物體的吸引和排斥上可以觀察到它的存在,通常以電流的形式得到利用。早在公元前６世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家泰勒斯就發(fā)現(xiàn)了摩擦后的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體的現(xiàn)象，即摩擦生電現(xiàn)象電力系統(tǒng)概述相比于其他的能源形式，電能具有清潔、高效、便于轉(zhuǎn)換、易于控制等突出優(yōu)點，因而電被廣泛運用于人類生產(chǎn)生活的方方面面。你了解“電”嗎？你知道“電”是如何發(fā)、供、用的嗎？這就是本課程將要告訴你的。電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展1PART電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展電力系統(tǒng)的定義系統(tǒng)：由若干個相互關(guān)聯(lián)，相互作用的事物組成的整體，完成某一或某些特定的功能的整體。電力系統(tǒng)：由發(fā)電、輸電、配電、用電設(shè)備組成的整體，完成電能的生產(chǎn)、傳輸、分配、利用功能的整體系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展電力系統(tǒng)的發(fā)展歷程1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律1865年，麥克斯韋在法拉第等人關(guān)于電、磁現(xiàn)象基本規(guī)律研究工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了麥克斯韋方程組1882年愛迪生在美國紐約構(gòu)建了第一座直流配電系統(tǒng)1886年西屋公司發(fā)展交流電力系統(tǒng)1896年尼亞加拉大瀑布水電站發(fā)電輸送到２０英里之外的布法羅，至此以威斯汀豪斯和特斯拉為代表的交流派完勝了以愛迪生為代表的直流派，第一輪交直流之爭落下帷幕?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)2PART現(xiàn)代電力系統(tǒng)與100多年前電力系統(tǒng)的雛形相比，現(xiàn)代電力系統(tǒng)不僅在輸電電壓、輸送距離、輸送功率等方面有了千百倍的增長，而且在電源構(gòu)成、負(fù)荷成分等方面也有了很大變化。2019年，我國發(fā)電量達7.325萬億ｋＷｈ，約占全球發(fā)電量的１/４；我國人均發(fā)電量約為5232kWh，大約為全球人均發(fā)電量的２倍。近幾十年來，為了應(yīng)對大規(guī)模利用化石能源導(dǎo)致的全球氣候變化，大力開發(fā)太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地下熱能等可再生能源發(fā)電成為新的趨勢，2019年，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機容量都超過２億kW，雙雙位列世界第一。在負(fù)荷方面，不僅電動機、電燈已經(jīng)廣泛應(yīng)用，各種新的用電裝備和器具層出不窮。鍋爐和反應(yīng)堆分別將化學(xué)能和核能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過汽輪機轉(zhuǎn)化為機械能，水輪機則直接將水能轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能變壓器和電力線路則變換、輸送、分配電能，電動機、電熱爐、電燈等負(fù)荷使用電能。在這些負(fù)荷設(shè)備中，電能又分別轉(zhuǎn)化為力、熱、光等其他能量形式，滿足人們生產(chǎn)生活中各種不同的需求?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)圖現(xiàn)代電力系統(tǒng)中各主要環(huán)節(jié)及相互間的聯(lián)系現(xiàn)代電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)的組成

電力系統(tǒng)：由發(fā)電機(generator)、變壓器(transformer)、電力線路(transmissionline)、負(fù)荷(load)構(gòu)成的具有發(fā)電、變電、輸電、用電功能的系統(tǒng)。

電力網(wǎng)絡(luò)：電力系統(tǒng)中，由變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能設(shè)備所組成的部分。（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)電壓等級的不同，又可將電力網(wǎng)絡(luò)分為輸電網(wǎng)絡(luò)和配電網(wǎng)絡(luò)，輸電網(wǎng)絡(luò)具有較高電壓等級，承擔(dān)大規(guī)模遠距離電能傳輸任務(wù)；而配電網(wǎng)絡(luò)具有較低電壓等級，承擔(dān)電能分配并送達終端用戶的任務(wù)。）

動力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)＋動力部分(鍋爐、汽輪機、水輪機、大壩等)。電力系統(tǒng)的基本參量和接線圖3PART電力系統(tǒng)的基本參量和接線圖年發(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(fù)荷——指規(guī)定時間內(nèi)，電力系統(tǒng)總有功功率負(fù)荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）為單位計。額定頻率——按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我國所有交流電力系統(tǒng)的額定功率為50Hz。電壓等級——電壓等級是一種按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓序列。我國交流系統(tǒng)的電壓等級為1000kV、750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、66kV、35kV、10kV、0.4kV。高壓直流輸電的電壓等級有±1100kV、±800kV、±500kV等?？傃b機容量——電力系統(tǒng)的總裝機容量是指該系統(tǒng)中實際安裝的發(fā)電機組額定有功功率的總和（例如，2019年全國發(fā)電裝機容量達到2010.7GW（20.107億kW）。電力系統(tǒng)的基本參量和接線圖地理接線圖——主要顯示系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電所的地理位置，電力線路的路徑，以及它們相互間的連接關(guān)系。電氣接線圖——主要顯示系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器、母線、斷路器、電力線路等主要電機、電器、線路之間的電氣接線。

某城市電網(wǎng)的地理接線圖IEEE39節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)算例電氣接線圖2.電力系統(tǒng)運行應(yīng)滿足的基本要求第一章電力系統(tǒng)的基本概念電力系統(tǒng)分析電能生產(chǎn)和供應(yīng)的特點1PART電能生產(chǎn)和供應(yīng)的特點電能供給與社會秩序、人民生活、國家經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展緊密相關(guān)。電能難以大規(guī)模儲存，因而電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用幾乎在同一瞬間完成。電力系統(tǒng)的運行、控制、保護十分復(fù)雜，電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程很快，涉及能量大。運行中要保證電能質(zhì)量符合要求。電力系統(tǒng)運行的基本要求2PART電力系統(tǒng)運行的基本要求電能供給關(guān)系國計民生。電能生產(chǎn)、輸送和消耗幾乎同時完成。電力系統(tǒng)的運行、控制、保護十分復(fù)雜。運行中要保證電能質(zhì)量符合要求。電力系統(tǒng)運行的基本要求要求1：保證可靠持續(xù)供電供電的意外中斷特別是大面積停電不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活，也可能導(dǎo)致社會失序等嚴(yán)重后果。意外停電給國民經(jīng)濟和社會造成的直接或間接損失遠遠大于電力系統(tǒng)本身減少供電量的損失。因此，電力系統(tǒng)運行必須要滿足可靠、持續(xù)供電的要求。雖然保證可靠供電是對電力系統(tǒng)運行的首要要求，但當(dāng)電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重事故沖擊等情況時，為了保障系統(tǒng)安全，需要切除部分負(fù)荷。為盡量減小切除負(fù)荷造成的連帶損失，電力系統(tǒng)中依據(jù)重要性對負(fù)荷進行了分類，必須切除負(fù)荷時，先切除重要性較低的負(fù)荷。一級負(fù)荷（醫(yī)院等國計民生

十分重要）二級負(fù)荷（大型的企業(yè)和工廠）三級負(fù)荷（必要時，可以停電居民用電）電力系統(tǒng)運行的基本要求要求2：保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性主要與各種類型發(fā)電機的發(fā)電成本有關(guān)，在安排電力系統(tǒng)運行方式時，應(yīng)依據(jù)發(fā)電機的成本特性，以滿足負(fù)荷需求且總發(fā)電成本最小為目標(biāo)優(yōu)化分配各發(fā)電機承擔(dān)的發(fā)電功率。電能在變換、輸送、分配時不可避免產(chǎn)生損耗。2019年全國的線路損失率為5.9%，雖然百分?jǐn)?shù)不大，但折合成電能損失的絕對值就相當(dāng)可觀，為4321億kWh，超過4個三峽電站的年發(fā)電量。因此，在電力系統(tǒng)運行中，應(yīng)該通過優(yōu)化運行方式盡可能降低網(wǎng)絡(luò)中的電能損耗。煤耗率（從發(fā)電側(cè)考慮，電廠合理安排出力）網(wǎng)損率（從網(wǎng)側(cè)考慮，系統(tǒng)的運行方式）電力系統(tǒng)運行的基本要求要求3：保證良好的電能質(zhì)量頻率額定頻率：50Hz頻率偏差：Δf＜±0.2Hz電壓電壓偏差：Δu＜±5%三相平衡度：2%波形質(zhì)量波形畸變率＜5%380V4%6-10kV3%35-66kV2%110kV電力系統(tǒng)運行的基本要求要求4：環(huán)保電力系統(tǒng)的運行需要滿足節(jié)能與環(huán)保要求，如實行水火電聯(lián)合經(jīng)濟運行，最大限度地節(jié)省燃煤和天然氣等一次能源。將火力發(fā)電釋放到大氣中的二氧化硫、二氧化氮等有害氣體控制在最低水平，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。3.電力系統(tǒng)的接線方式和額定電壓等級第一章電力系統(tǒng)的基本概念電力系統(tǒng)分析接線方式及其特點1PART電力系統(tǒng)的接線方式1、無備用接線無備用接線的網(wǎng)絡(luò)中，每一個負(fù)荷只能靠一條線路取得電能優(yōu)點：簡單、經(jīng)濟、運行方便缺點：供電可靠性差適用范圍：二級等不重要負(fù)荷電力系統(tǒng)的接線方式2：有備用接線優(yōu)點：供電可靠性和電壓質(zhì)量高缺點：不經(jīng)濟適用范圍：電壓等級較高或重要的負(fù)荷電氣設(shè)備的額定電壓要求2PART電氣設(shè)備的額定電壓要求電能的輸送方式直流還是交流？為什么要升壓？為什么要降壓？

電壓等級

電氣設(shè)備的額定電壓要求交流輸電的電壓等級為了便于規(guī)范電力生產(chǎn)和輸送個環(huán)節(jié)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國家規(guī)定了一系列電壓等級供選用。用于輸電的電壓等級有

1000kV750kV500kV330kV220kV電氣設(shè)備的額定電壓要求交流輸電的電壓等級交流配供電的電壓等級110kV60kV35kV

10kV 6kV380V電氣設(shè)備的額定電壓要求不同電壓等級的特點電氣設(shè)備的額定電壓要求交流輸電線的輸電能力——承載能力曲線0-80km:發(fā)熱限制80-320km:壓降限制

(ΔU<5%)320-960km:穩(wěn)定限制

(30%裕度)電氣設(shè)備的額定電壓要求典型電壓等級的輸電功率極限（MW）：80km160km480km960km230kV42028014070500kV300020001000500電氣設(shè)備的額定電壓要求設(shè)備額定電壓設(shè)定的基本原則用電設(shè)備額定電壓＝系統(tǒng)額定電壓Un發(fā)電機的額定電壓＝105%Un變壓器一次繞組＝Un~105%Un變壓器二次繞組＝105%~110%Un同一標(biāo)稱電壓下，不同電氣設(shè)備的額定電壓是不同的1、用電設(shè)備允許偏差±5%2、線路首末端允許偏差10%1.05UN0.95UNU2U1UN3、發(fā)電機在首端：額定電壓高出接入電網(wǎng)電壓5%電氣設(shè)備的額定電壓要求常見的額定電壓等級4.電力系統(tǒng)分析課程的內(nèi)容和相關(guān)研究工具第一章電力系統(tǒng)的基本概念電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析課程的定位和主要內(nèi)容1PART電力系統(tǒng)分析課程的定位和主要內(nèi)容課程定位電力系統(tǒng)分析課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)計劃中起著承前啟后的作用。本課程的先修課程包括“電路”“電機學(xué)”“自動控制理論”等。本課程將為后續(xù)課程“發(fā)電廠電氣部分”“電力系統(tǒng)繼電保護”以及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。本課程主要介紹電力系統(tǒng)分析中主要的、具有基礎(chǔ)性的概念、理論和方法。對于當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展的一些新動態(tài)，在部分章后編寫了一些輔助閱讀材料加以簡要介紹。電力系統(tǒng)分析課程的定位和主要內(nèi)容本書主要內(nèi)容電力系統(tǒng)運行狀況十分復(fù)雜。為了便于分析，需對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行劃分。在電力系統(tǒng)正常運行（非故障擾動）階段，電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)幾乎是連續(xù)變化的，在短時段內(nèi)變化幅度較小，因此可以對某一時段取其平均狀態(tài)來表示這一時段運行的一般特點。電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)態(tài)是指系統(tǒng)的變量保持不變的一種抽象的運行狀態(tài)。在電力系統(tǒng)的故障階段，由于故障的沖擊和網(wǎng)絡(luò)的切換，造成運行變量的大幅度甚至不連續(xù)變化，不能采用平均化的方式表達系統(tǒng)運行特點。電力系統(tǒng)運行的暫態(tài)是指電力系統(tǒng)由于故障沖擊和網(wǎng)絡(luò)切換帶來的運行狀態(tài)大幅度變化的過程。電力系統(tǒng)分析課程的定位和主要內(nèi)容本書的各章內(nèi)容及分類電力系統(tǒng)研究工具簡介2PART電力系統(tǒng)研究工具簡介《電力系統(tǒng)分析》課程習(xí)題用擴展計算平臺（EPSCPS）簡介為了幫助同學(xué)們更好地學(xué)習(xí)相關(guān)知識，更深入