电力系统分析第一章.ppt

电力系统分析基础,主讲人：于永进,1.传统的课程划分,电力系统稳态分析正常的、相对静止的 运行状态,电力系统暂态分析从一种运行状态向另 一种运行状态的过渡过程,课程介绍,电力系统稳态分析,电力系统的基本知识和等值网络,电力系统正常运行状况的分析和计算,电力系统有功功率频率、无功功率 电压的控制与调整,课程介绍,电力系统暂态分析,波过程操作或雷击时的过电压（过程最短）,电磁暂态过程与短路及励磁有关(过程较短),机电暂态过程与动力系统有关(过程较长),涉及电压、电流,涉及功率、功角导致系统振荡、稳定性破坏、异步运行,短路计算,对称分量法及序网概念,不对称故障的分析与计算,静稳,暂稳,课程介绍,高电压技术,第一章 电力系统的基本概念,1、电力系统的概念和组成 2、对电力系统运行的基本要求 3、电力系统的电压等级 4、电力系统的接线方式,1.1 电力系统的基本概念,一、基本概念,电力系统：生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起组成的整体。,电力生产的主要环节,发电厂,升压站,输电网,降压站,配电网,用户,电力生产过程：发电+ 输电 + 配电 + 变电 + 用电,（一）电力系统中的发电厂,火力发电厂 水力发电厂 风力发电厂 光伏电站 其他能源发电厂,1、火力发电,火力发电是利用煤、石油、天燃气或其它燃料燃烧所产生的热能,在锅炉中将水变成高温高压蒸汽,推动汽轮机转动,带动发电机发电。化学能热能机械能电能,2、水力发电,水力发电厂是利用水流的动能和势能来生产电能。水驱动水轮机转动，与水轮机直接相连的发电机将机械能转换成电能。水能机械能电能,3、风力及光伏发电,风力发电是利用风力带动风机叶片旋转，来促使发电机发电，是风能转化为电能的一种方式。 光伏发电是利用光伏电池板将太阳光辐射能量直接转化为电能的直接发电形式。,从调度、管理、控制的角度看,电 网 图,黑虚筐内为输电网,红虚筐内为配电网,HVDC的主要元件和基本原理 1、主要元件,T T,T Xd,T F,T Qc,T L,T DL,T 基本原理,从交流系统向交流系统输电时，换流站把交流系统送来的三相交流功率变换成直流功率。通过直流输电线路把直流功率输送到换流站，再由换流站将直流功率转换成交流功率，送入交流系统 。这个过程称作HVDC。 此时换流站为整流站，换流站为逆变站。,2、HVDC的基本原理,HVDC的优点：(1)线路造价低、损耗少；(2)不存在稳定问题（没有电抗）；(3)可以实现交流系统非同步联网； (4)调节速度快，运行可靠；(5)限制短路电流；(6)可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益 HVDC的缺点：(1)换流站造价高；(2)换流器消耗的无功多；(3)产生大量的谐波；(4)换流装置几乎没有过载能力；(5)缺乏高压直流开关；(6)直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题；(7)直流输电线路难于引出分支线路，绝大部分只用于端对端送电。 HVDC应用场合：(1)远距离大容量输电（等价距离）； (2)非同步联网；(3)海底电缆送电；(4) 用地下电缆向大城市供电；(5)交流系统互联或配电网增容时，作为限制短路电流的措施之一；(6)配合新能源的输电。,(1) 输送相同功率时，线路造价低： 交流输电架空线路通常采用3根导线，而直流只需1根(单极)或2根(双极)导线。因此，直流输电可节省大量输电材料，同时也可减少大量的运输、安装费。 (2) 线路有功损耗小： 由于直流架空线路仅使用1根或2根导线，所以有功损耗较小，并且具有“空间电荷“效应，其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。 (3) 适宜于海下输电： 在有色金属和绝缘材料相同的条件下，直流时的允许工作电压比在交流下约高3倍。2根心线的直流电缆线路输送的功率Pd比3根心线的交流电缆线路输送的功率Pa大得多。 运行中，没有磁感应损耗，用于直流时，则基本上只有心线的电阻损耗，而且绝缘的老化也慢得多，使用寿命相应也较长。,(4) 系统的稳定性问题： 在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。 (5) 能限制系统的短路电流： 用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加，将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量(断路器的额定开断电流与额定电压乘积的根号三倍 )，这就要求更换大量设备，增加大量的投资。直流输电时，就不存在上述问题。 (6) 调节速度快，运行可靠： 直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快速地调节有功功率和实现潮流翻转。 如果采用双极线路，当一极故障，另一极仍可以大地或水作为回路，继续输送一半的功率，这也提高了运行的可靠性。,电力系统的组成 （1）电力系统：生产、输送、分配与消费电能的系 统。包括：发电机、电力网和用电设备组成。 （2）电力网：电力系统中输送与分配电能的部分。 （3）动力系统：动力部分与电力系统组成的整体。 几个基本参量 (1) 总装机容量: 指该系统中实际安装的发电机组额定有功功率的总和，以千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。,1.1 电力系统的基本概念,1.1 电力系统的基本概念,年发电量指该系统中所有发电机组全年实际发出电能的总和，以千瓦时（kWh）、兆瓦时（MWh）、吉瓦时（GWh）为单位计。,最大负荷指规定时间内，电力系统总有功功率负荷的最大值，以千瓦（kW）、兆瓦（MW）、吉瓦（GW）为单位计。,最高电压等级是指该系统中最高的电压等级电力线路的额定电压。,1.1 电力系统的基本概念,二、电力工业的发展史,1、高压输电的出现与电压等级的提高 1831年，法拉第发现电磁感应定律，为发电机的发明打下了基础 1882年，爱迪生小型电力系统（pearl street power station），6台直流发电机，16km，59个用户，电压：直流110V。 1885年，制成变压器，为实现交流输电奠定了基础 1890年，英国从Deptford到伦敦11km的10kV线路（第一条高压交流电力线路） 1891年，德国从Lauffen到法兰克福170km的15kV线路（第一条三相交流输电线路）,1.1 电力系统的基本概念,远距离大容量输电是提高输电电压的动力。,2、特高压（1000kV及以上）输电的出现与展望 习惯上，110220kV为高压， 330750kV为超高压， 1000kV及以上为特高压。 20世纪60年代国际上开始特高压输电的研究 1985年苏联1228km的1150kV,但至今运行于500kV 20世纪90年代日本426km的1000kV，但至今运行于500kV 目前国际上实际投运的最高电压等级750kV(加、美、俄、巴西、南非等国） 我国西北电网750kV（青海官亭甘肃兰州），2005年投运 2009年我国首条1000kV（山西长治晋东南变电站南阳湖北荆门变电站）投运，645km，实现华北和华中电网互连,1.1 电力系统的基本概念,3、直流输电线路、高自然功率的紧凑型线路以及灵活交流输电（FACTS）等多种多样输电新技术的研究也取得很大进展，有的已进入工程实践。,1.1 电力系统的基本概念,高自然功率的紧凑型输电线路（俄罗斯、巴西），我国500kV紧凑型输电线路北京昌平到房山。 灵活输电又称柔性输电可以很灵活的调节电网功率，国外已有较广泛应用。,截至目前，中国直流输电线路总长度达7085公里，输送容量达1856万千瓦，线路总长度和输送容量均居世界第一。 到2020年，中国将建成15个特高压直流输电工程，并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家,1.1 电力系统的基本概念,三、我国电力工业和电力系统的发展史,1、基本发展史 1882年，英国人成立上海光电公司，中国第一个发电厂，一台12kW直流发电机 1911年，杨树浦发电厂动工，1913年开始发电，到1924年，共有12台发电机，装机121MW。 1954年，中国自行设计施工的第一条220kV输电线路（369km）建成，从丰满水电站输送电能到虎石台变电所。这是中国输电线路建设史上的一个里程碑。,1.1 电力系统的基本概念,1972年，第一条330kV超高压输电线路建成，从刘家峡水电站至汉中，全长534公里。随后330kV线路延伸到陕甘宁青4个省区，形成西北跨省联合电网 。 1981年，第一条500千伏超高压输电线路投入运行，从河南平顶山姚孟火电厂到湖北武昌凤凰山变电所，使中国成为世界上第8个拥有500千伏超高压输电的国家。 1989年，中国第一条500千伏直流输电线路（葛洲坝上海，1080公里）建成投入运行，实现华中电力系统与华东电力系统互联，形成中国第一个跨大区的联合电力系统。,1.1 电力系统的基本概念,2005年9月,西北电网建成750kV青海官亭-甘肃兰州线超高压输变电工程（140.7km），中国输电技术提高到了一个新的水平. 2008年12月30日，我国首条1000kV（山西长治晋东南变电站南阳湖北荆门变电站）投运，645km，实现华北和华中电网互连。 800kV特高压直流输电线路（向家坝上海）正在建设中。,1.1 电力系统的基本概念,2、中国电力工业的现状 年发电量：1980年以来，平均年增长率9，现为世界第二位。,表4 1980年以来中国年发电量,1.1 电力系统的基本概念,装机容量：现居世界第二位。,表5 1980年以来中国发电设备装机容量,1.1 电力系统的基本概念,电压等级、输电线路长度和变电容量：,电压等级 除西北地区以外 交流：1000kV,500kV,220kV,110kV,35kV,10kV 直流：500kV 西北地区：750kV,330kV,220kV,110kV,35kV,10kV 截至2009年7月，220kV及以上输电线路长度达到37.5万公里，跃居世界第一位。 2008年，220kV及以上变电容量13.9亿kVA。,电网规模不断壮大：我国现有发电装机容量在2000MW以上的电力网11个，其中东北、华北、华东、华中区域电网装机容量均超过30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW。,大区电网图,1.1 电力系统的基本概念,2010年前后，建成以三峡电网为中心连接华中、华东、川渝的中部电网；华北、东北、西北三个电网互联形成的北部电网；以及云、贵、广西、广东4省区的南部联合电网。同时，加快北、中、南三大电网之间实现局部互联：华北华中加强联网、华中西北联网、川渝西北联网、华东华北联网、川黔联网等跨区电网工程建设，实现西电东送、南北互供，初步形成全国统一的联合电网的格局，实现全国范围内的资源优化配置，满足国民经济发展和全面建设小康社会的要求 。,1.1 电力系统的基本概念,2020年前后，随着长江和黄河上游以及澜沧江、红水河上一系列大型水电站的开发，西部和北部大型火电厂和沿海核电站的建设，以及一大批长距离、大容量输电工程的实施，电网结构进一步加强，真正形成全国统一的联合电网。在全国统一电网中充分实现西部水电东送，北部火电南送的能源优化配置。此外，北与俄罗斯、南与泰国之间也可能实现周边电网互联和能源优势互补。,电力系统为什么要互联并网运行呢？,1.采用高效率大容量机组减少备用容量 最大单机容量 最大发电厂 2.合理利用动力资源水、火电互补 3.提高供电可靠性系统越大，抗干扰能力越强 4.提高运行的经济性装高效率大容量机组、 合理利用动力资源、合理分配负荷、削峰填谷。,1.1 电力系统的基本概念,我国的能源结构极不合理,63,23.7,4.3,8.8,目前电源配置情况,2020年电源配置情况,我国最大单机容量,最大火电机组：1000 MW（浙江华能玉环电厂，上海外高桥第二发电厂900MW） 最大水电机组：700 MW（三峡电厂）（葛洲坝水电厂320 MW） 最大核电机组：1060MW（江苏田湾核电厂),1.1 电力系统的基本概念,我国最大发电厂,最大火电厂：北仑港电厂，5600 MW 最大水电厂：三峡电厂26700 MW（二滩水电厂6550 MW，溪洛渡水电站8700MW ） 最大核电厂：秦山（300+2600+2700MW）, (大亚湾290万KW,江苏田湾21060 MW,浙江三门、广东阳江21000MW) 最大抽水蓄能电厂：广东抽水蓄能电厂8300 MW,1.1 电力系统的基本概念,1.1 电力系统的基本概念,机构改革初显成效：2002年12月，中国电力工业新机构为适应市场发展应运而生，成立了两家电网公司、5家发电集团公司和4家辅业集团公司；2003年2月，国家电力监管委员会宣告成立。,1.1 电力系统的基本概念,缺电问题： 1970年以来出现缺电问题 1998年低用电水平下基本实现了电力的供需平衡 2001电力再度短缺 原因：（1）电力工业跟不上国民经济的发展速度是造成缺电的重要原因,1.1 电力系统的基本概念,（2）电网的瓶颈制约，网络输送能力不足，输配电“卡脖子”问题严重，制约了电力供应。 发电、输电、配电比例：美国 1:0.43:0.7，日本 1:0.47:0.68 ，英国1:0.45:0.78 ，我国 1:0.21:0.12 （3）发电机组出力不足（水电来水不足，火电电煤紧张） （4）经济快速增长带动用电需求高涨 （5）居民用电被激活 （6）高耗能行业发展迅速,1.1 电力系统的基本概念,展望：我国电力工业进入了新一轮的快速发展期 形成以大型清洁高效燃煤发电、大型水电、大型核电、多种形式的可再生能源发电和分布式电源构成的多元化发电结构。 形成以特/超高压交直流输电为骨干，区域电网互联，各级电压电网协调发展的坚强智能电网。,1.1 电力系统的基本概念,目前电网和智能电网的比较,国外03年发生的大停电事故特大停电事故是现代社会的灾难,美国发生的其它大停电事故,美国电网为什么频发大停电事故,美国电网自1999年起已发生130多起重大停电事故，和其电网的特点有关。,由初期的自由竞争发展之后，国家60年代才介入，导致电压等级混乱，、电网结构强弱不一；,电力公司对联邦能源管理委员会FERC和NERC的规定和导则基本上处于自愿执行、而不是强制执行的状态；,在危急状态下按规定和导则执行了切负荷措施的调度人员，反而可能在事故后受到责难或质询，甚至有被控告到法院；,电网结构老化，投入不足，对其开发研究的投资比宠物食品制造商的还少；,缺少有效应对紧急情况的方案设计；,分散安装，协调不足的安全自动化系统。,1.2 电力系统运行特点及基本要求,特点 电能不能大量储存 暂态过程非常短促（30万KM/S） 与国民经济及日常生活关系密切,要求 安全 优质 经济 环保,安全：保证可靠的供电 措施 电源与电网的建设（西电东送全国联网） SCADA数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition ） 设备检修（计划检修状态检修） 人员素质,1.2 电力系统运行特点及基本要求,负荷（一级 二级 三级） 一级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。 二级负荷：对这一级负荷中断供电将造成大量减产，使城市中大量居民的正常活动受到影响。 三级负荷：不属于一、二级的负荷,停电影响不大的负荷。,1.2 电力系统运行特点及基本要求,优质 基本指标,电压： 35kV 5% 10kV 7% (无功功率）,频率： 0.2 0.5Hz （有功功率）,波型畸变率：各次谐波有效值平方和的方根值对基波有效值的百分比。（电压正弦波）,1.2 电力系统运行特点及基本要求,电能质量的定义：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容包括稳态电能质量和暂态电能质量。稳态电能质量：电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、电压波动与闪变；暂态电能质量：暂时过电压和瞬态过电压、电压暂升、暂降、电压短时中断。 所谓无功平衡就是指在电网运行的每一个时刻，电网中各无功电源所发出的无功功率要等于电网中各个环节上的无功功率损耗和用户所消耗的无功功率之和。无功功率平衡直接关系到电网的运行电压水平，电网的无功功率平衡时维持电网电压水平的首要条件，电网无功电源的配置与电网调压措施的实施是一密不可分的整体，二者相辅相成。当电网无功电源充足时，电网运行电压就高，当电网无功电源不足时，电网运行电压就低。 无功电源包括同步发电机、同步调相机、电力电容器、并联电抗器、静止补偿器、同步电动机进相运行、异步电动机同步化、高压电缆和高压输电线的电容等。,无功负荷包括变压器、感应电动机、电抗器、感应电热设备、电焊机等所消耗的励磁功率，再就是电网中各环节的输电线路和变压器串联阻抗支路中电抗上的无功功率损耗。 电网的频率特性由电网的有功负荷平衡决定。电力系统的有功功率和频率调整大体上可分为一次、二次、三次调整三种。一次调整：由发电机调速系统频率静态特性的固有能力而增减发电机的出力。二次调整：通过运行人员手动调整或调度自动化系统自动调整，增减发电机组的发电出力。三次调整：为使有功功率负荷按最优分配即经济负荷分配而进行的调整。 电力系统中的有功功率电源是各类发电厂的发电机。系统电源容量应不小于包括网络损耗和厂用电在内的系统总发电负荷。系统电源容量大于发电负荷的部分成为系统的备用容量。系统备用容量可分为热备用和冷备用或负荷备用、事故备用、检修备用和国民经济备用等。,经济,俗称“耗煤率”。指火力发电厂每生产或供应1千瓦小时电能所需消耗的燃煤量。 通常以“g/kwh”来表示。,厂用电率,网损,煤耗率（水耗率）,1.2 电力系统运行特点及基本要求,发电厂直接用于发电生产过程的自用电量占发电量的百分比。,电能径各级电压电网的输变电设备传输到终端电力用户前所产生总有功传输损耗。,环保 火电厂装机70 煤炭燃烧造成的污染 限制污染物的排放量,1.2 电力系统运行特点及基本要求,1、无备用,图1-5 无备用接线方式 （a）放射式 （b）干线式样 （c