电力系统概述课件

电力系统基础梅慧兰电气工程教研室1.电力系统基础教材电力系统基础（第二版），杨以涵主编，中国电力出版社参考资料陈慈萱，电气工程基础，中国电力出版社范锡普主编，发电厂电气部分，中国电力出版社韩祯祥主编，电力系统稳定，水利电力出版社何仰赞等，电力系统分析，华中科技大学出版社考试方式：闭卷2.第一章电力系统概述能源---社会生产力的重要基础；其种类以及利用形式多样化：

汽轮机发电机热能——机械能——电能电能---现代社会最重要的二次能源；国民经济发展的基础、先行；各行各业的主要动力；人们现代化生活的质量保障。3.第一章电力系统概述人类为何偏爱电能？-------电能的显著优点：洁净（从使用的角度看）：无污染，保护环境。方便：输送、分配、使用（能量形式转化容易）。电气化：机械化、自动化，提高产品质量和劳动生产率。节能：能耗小，能量转换效率高（一次能源转换为二次能源时）。4.第一章电力系统概述主要内容1.1电力系统的能源构成--发电厂1.2电力系统的形成1.3电力系统的负荷1.4电力系统运行的特点及要求1.5电力系统的电压等级及确定1.6我国电力工业的发展5.发电厂（发电站）（powerplant）：将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂。一次能源：不可再生能源：化石能源--煤炭、石油、天然气；核能—铀。可再生能源：水能、风能、太阳能、地热、潮汐等1.1

电力系统的能源构成—发电厂6.发电厂的种类：火力发电厂水力发电厂核电厂新能源电厂1.1

电力系统的能源构成—发电厂7.1.1

电力系统的能源构成—发电厂8.1.燃料：煤、石油或天然气2.能量转换过程化学能→热能→机械能→电能(经3次转换)3.火电厂的组成：燃料系统、汽水系统、电力系统对应的三大主机：锅炉汽轮机发电机

▉

火力发电厂—我国目前最主要电源，

比例大于70%9.火电厂生产流程简图10.4.火力发电厂的分类凝汽式火电厂凝汽式汽轮发电机组，以煤炭为主燃料，我国主要形式，但效率低（一般约37—50%）。

生产过程示意图见图1-1

热电厂同时供应热汽或热水，即有部分热用户，热效率大大提高，可提高至60～70％，但受热负荷限制大（热电厂总是建在热用户附近，即供热距离有限）。▉

火力发电厂11.▉

火力发电厂—

凝汽式火电厂生产过程示意图由于在凝汽器中大量的热量被带循环水带走，因此，凝汽式火电厂的效率较低。12.▉

火力发电厂相关概念：垃圾焚烧电厂：“环保”，备受关注与争议。坑口电厂

燃气轮机发电厂以天然气为燃料，清洁、启动速度快，适于调峰荷。燃气轮机的工作原理与汽轮机相似，不同仅在于其工质不是蒸汽，而是高温高压气体。13.广州李坑垃圾焚烧发电厂▉

火力发电厂14.▉

火力发电厂5.

火力发电存在的问题15.▉

水力发电厂—目前最重要的电源之一，比例大于20%

能量转换过程水能（势能）→机械能（动能）→电能（只经2次转换）故而水电效率远高于火电，大中型水电厂可达80—90%以上。2.发电容量：取决于流量和水位差（落差/水头）3.水电厂的组成：较火电厂简单水库水轮机电力系统：发电机、变压器、输电线路16.▉水力发电厂4.水电厂的分类（1）根据集中落差的方式：三大类--（堤）坝式在河流上的适当地方建筑拦河坝，形成水库，抬高上游水位，使坝的上、下游形成大的水位差，称为堤坝式水电站。适于河道坡降较缓且流量大的河段。坝后式：单独筑坝，厂房在坝后，我国应用最多，如三峡、三门峡、丹江口水电厂等；河床式：厂房和坝成一体，如葛洲坝、西津水电厂17.▉

水力发电厂—

坝后式水电厂坝后式18.▉

水力发电厂—河床式水电厂19.▉

水力发电厂三门峡水电厂三峡水电站20.▉

水力发电厂葛洲坝葛洲坝大江电厂厂房及机组发电机转子（重792t、直径16.9m）21.▉水力发电厂引水式修建引水隧洞或渠道，直接引水到河段下游，将天然河道的落差集中进行发电。适于河流上游河床坡降较陡或河道多弯曲时。22.▉水力发电厂

混合式同时采用坝和引水道共同集中落差形成水头的水电开发形式，“坝-引水”混合式。此外相关概念：梯级电站——

同一河流上，相邻联系比较紧密、互相影响比较显著、地理位置相对比较靠近的水电站群。下游各级电站可利用上级电站发电流出的水资源继续发电，如四川的龙溪河梯级水电站（4个梯级）。23.▉水力发电厂抽水蓄能电站——利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水到高处蓄存，在高峰负荷时再放水发电的水电站。用作系统的调峰填谷、调频、紧急事故备用电源。在以火电、核电为主的电力系统中，建设适当比例的抽水蓄能电站可以提高系统运行的经济性和可靠性。24.▉水力发电厂“广蓄”--广州抽水蓄能电站上库惠州抽水蓄能电站“惠蓄”（8×30万KW，2011.6.15竣工）25.（2）根据运行方式分类：有调节水电厂无调节水电厂抽水蓄能水电厂▉水力发电厂26.▉

水力发电厂水力发电的优势：------调峰调频、事故备用、核电配套27.▉

水力发电厂水力发电的问题：28.▉

水力发电－三峡工程（举世无双的水电工程）坝高185m（坝顶高程，“185平台”），大坝全长2309m，正常蓄水位175m，总库容393亿m3。淹没面积632km2

，20个县市，移民人口113万。15回500kv交流输电线和3回±500kv直流输电线路，将成为全国联合电网的中心。29.03年完成二期目标：6.1下闸初期蓄水，6.16双线五级永久船闸试通航，7.10首台70万千瓦机组并网发电。06年5.20，三峡大坝全线贯通。08.10月底，26台机组全部提前投入商业运行。三峡的建成，奠定全国联网的基础：▉

水力发电－三峡工程（举世无双的水电工程）30.▉

核电厂—在总发电量中所占比例不到2%

核电厂：采用原子核裂变时释放出来的能量来发电的电厂。目前多建在一次能源短缺的沿海经济发达地区。（生产过程类似火电）可控核裂变装置，核心部分31.▉

核电厂—

核电厂生产过程示意图核电机组与普通火力发电机组：区别——仅在于以核反应堆和蒸汽发生器替代了锅炉设备汽轮机、发电机及电气设备与普通火电站基本相同32.▉

核电厂我国已建成的核电站：秦山核电站-我国第一个核电站位于浙江嘉兴杭州湾畔大亚湾核电站—我国目前最大另外还有江苏田湾、岭澳核电站，总共拥有11台核电机组、约870万KW的装机容量。33.▉

核电厂

核电在全国总发电量中所占比例超过50%的国家：法国（78.5％）、立陶宛（69.6％）、斯洛伐克（56.1％）、比利时（55.6％）

世界核电装机容量最多的国家---“前五名”：美国（约占全世界1/4）法国日本俄罗斯德国

34.▉

核电厂--核电为何发展迅速？35.▉

核电厂--核电的优缺点核电的优势：36.科技水平的发展，核事故相对概率很低（“百年难遇”）——核电是安全的。▉

核电厂--核电的优缺点1986.4.26前苏联（乌克兰）切尔诺贝利核灾难7级

—迄今最严重，放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸的400倍以上1979.3.28美国三里岛核事故5级2011.3.12日本福岛第一核电站事故提升至7级37.▉分布式可再生能源发电（新能源发电）

与传统大型集中式发电相补充的一个新兴领域，未来的重要能源形式，当前国际上研究的热点。特点：装机容量小（一般单机容量不超过6MW）分散性大靠近负荷，就地生产，就地消费、灵活性强。

-----分布式发电系统

(DistributedGeneration，简称DG)38.▉分布式可再生能源发电DG产业化面临的突出问题：

技术和资金目前成本高，技术不完善，缺乏竞争力，需要国家政策性补贴。典型的分布式发电：小水电太阳能、风能、地热、海洋能（潮汐）、生物质能发电39.▉分布式可再生能源发电－风力发电----目前各种可再生能源技术中发展最快、技术最成熟、最具大规模开发和商业化前景的产业，是最有可能成为主流电源的可再生能源技术之一。

40.▉分布式可再生能源发电－风力发电风力发电的原理：利用风力带动风车（风轮/风机）叶片旋转，把流动空气具有的动能转化为风轮轴的机械能，进而带动发电机旋转发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度，便可以开始发电。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风电的类型：并网型－－规模大、容量大，与主电网相连，可以得到大电网的功率支撑与补偿，近年风电发展的主方向。离网型：规模较小，结合蓄电池储能或太阳能等其他发电技术，多用于解决偏远地区的供电。41.▉分布式可再生能源发电－风力发电并网型风力发电系统：恒速恒频和变速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统能量转换：风吹动风机旋转，风能转化为机械能，经齿轮箱升速后带动发电机产生电能。特点：结构简单、成本低、运行可靠等； 目前的主流，但机组整体效率较低。基本结构如图示：42.分布式可再生能源发电－风力发电变速恒频风力发电系统

---目前公认的最优化调节方式，未来风电技术发展的主方向。

特点：可大范围内调节转速，适应因风速变化而引起的风机功率的变化；实现了发电机转速与电网频率的解耦，相互影响减小，且控制灵活；但控制系统复杂、成本高、技术难度大。

43.▉分布式可再生能源发电－风力发电制约风电商业化最关键因素：单位KW造价高，近年来一直呈下降趋势，前景广阔。44.分布式可再生能源发电－风力发电内蒙古赤峰赛罕坝风电场——我国最大的风电场，总装机容量17万KW。我国第一个风电场----建于1989年的新疆达坂城风电场。总装机容量14万KW，我国第二大。45.分布式可再生能源发电－风力发电上海东海大桥10万KW风电场——亚洲第一个海上风电场，已于10年2月底完工，7月全部34台机组并网发电。龙源江苏如东海上风电场——我国最大海上风电场，2011.12.28正式建成，装机容量13.13万KW广东省“十二五”规划：到2015年，风电装机容量达到350万KW，重点开发近海30米水深内的海上风能资源，建设珠海桂山、阳江海陵岛、汕尾甲西（125万kw）等海上风电场。46.分布式可再生能源发电－太阳能发电光－热：太阳能热水器光－化学：太阳光催化分解水制氢等光－电：直接转换－太阳能电池直接将太阳的辐射能转换为电能，即光伏发电；间接转换－先将太阳辐射能转换为热能，然后驱动热机循环发电，即太阳能热动力发电。太阳能－－取之不尽，用之不竭对太阳能的转换利用方式，主要有三种：光－热、光－电、光－化学转换。47.（离网型）分布式可再生能源发电－太阳能发电光伏发电（太阳能电池发电）其组成如下图所示：（一）太阳能电池板：核心部分，将太阳的辐射能转换为电能。

（二）控制器：控制整个系统的工作状态，对蓄电池起过充电及过放电的保护。

（三）蓄电池：储存太阳能电池板所发出的电能，需要的时候再释放。一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。（四）逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的负荷供电，需使用DC-AC逆变器。48.分布式可再生能源发电－太阳能发电光伏发电的类型：并网和离网两种。（类似风力发电）离网型：多用于偏远的无电地区，以户用和村庄用的中小系统为主。并网型：不需要蓄电池组，与本地负荷及系统均相连，供电更灵活，可靠性更高。49.2012.10.26《国家电网关于大力支持光伏发电并网工作的意见》：支持光伏并网，简化手续，降低费用。国家电网公司昨天(2013.2.27日)进一步发布

《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，对普通用户自建的发电设施所产生的清洁能源，公司将按国家规定电价予以全额收购。用户可以自行选择全部自用、全部上网或自发自用后的余电上网。3.1日正式实施。分布式可再生能源发电－太阳能发电北京第一例家庭光伏电站：北京顺义一个联排别墅小区内，某业主自建了一套3kw屋顶光伏发电系统，并在今年1月25日正式并网，向国家电网售电。50.分布式可再生能源发电－太阳能发电太阳能热动力发电系统示意图51.分布式可再生能源发电－太阳能发电此外还有风力－太阳能互补系统，多简称为风光发电。典型实际应用：风光互补路灯52.分布式可再生能源发电－地热发电西藏羊八井地热电站----全国首创，世界中温浅层热储资源发电的先列，清洁能源，但热效率较低。利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，与火力发电的基本原理一样。53.利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机来发电。受资源和成本的制约，目前应用不够广泛。

分布式可再生能源发电－潮汐发电江厦潮汐电站位于浙江温岭，居世界第三，仅次于法国朗斯和加拿大安纳波利斯潮汐电站。54.1.2

电力系统的形成发电用电输电变电配电RTURTURTU数据采集和传输应用服务器电网调度五大环节55.1.2

电力系统的形成

电力工业的固有问题：电厂相对独立、分散；发电用的一次能源与主要用户多不在同一地区；电能难以大量储存。故而：电能需要从偏远电厂到负荷中心大容量、远距离传输。电厂间需要联合起来并列运行。电力系统(PowerSystem)

：由发电机、变压器、输电线路以及用电设备（或发电厂、变电所、输配电线路以及用户），按照一定规律连接而组成的发电、输电、变电、配电和用电相统一的整体。56.

发电厂： 生产电能变、配电所：电力系统的中间环节，变换电压、接受并分配电能输、配电线路：输送、分配电能用户： 消费电能1.2

电力系统的形成57.简单电力系统三相电路图1.2电力系统的形成58.复杂电力系统的表示1.2电力系统的形成59.

电力网（powernetwork/grid）：电力系统中各级电压的电力线路及其联系的变电所，称为电力网或电网。电网一般以电压等级来区分，如10kV电网、220kV电网、500kV电网。1.2电力系统的形成

电网的分类按电压等级的高低及供电范围的大小：60.1.2电力系统的形成地方电网：电压等级在35kV及以下，供电半径在20~50km以内。区域电网：电压等级在35kV以上（一般为110kV~220kV），供电半径超过50km，联系较多发电厂的网络。超高压远距离输电网：电压等级为330kV~750kV的网络，其主要任务是把远处发电厂生产的电能输送到负荷中心，同时还联系若干区域电力网形成跨省、跨地区的大型电力系统。亦或分两类：区域电网（220kv及以上）和地方电网（110kv及以下）61.1.2电力系统的形成超高压远距离输电网地方电力网区域电力网110kV~35kV~35kV500kV220kV110kV10kV水力发电厂火力发电厂变电所A：枢纽变电所C：地方变电所D：终端变电所B：中间电网分类示意图62.1.2电力系统的形成动力系统（dynamicsystem）：在电力系统的基础上，把发电厂的动力部分（及热能系统和热负荷）包含在内的系统。各类电厂的动力部分，例如：火力发电厂----锅炉、汽轮机；水力发电厂----水库、水轮机核动力发电厂----反应堆风电场-----风机63.1.2电力系统的形成—

相关系统关系示意图水库G~M~M~电力网电力系统动力系统发电厂水轮机发电机变电所升压变压器输电线路变电所降压变压器用户用电设备64.1.2电力系统的形成—

相关系统关系示意图65.1.2电力系统的形成组成电力系统的意义----发电机并网运行而形成互联电力系统，其在技术、经济上均优势显著：减少总备用容量的比重—装机容量需要稍大于最大负荷（即备用容量），以保证故障或检修时的供电。备用容量在系统中是相互通用的。可采用高效率的大型机组—备用容量不够时，若采用大机组，一旦事故或检修机组停运，则将引起大范围停电。可充分利用水能资源—水火电联合运行，丰水期枯水期灵活发电调度，便于调频，优势互补，扬长避短。66.1.2电力系统的形成减少总负荷的峰值---—不同地区的高峰负荷多会错开出现，故地区联网后，总的最大负荷将小于各区域最大负荷之和。提高供电可靠性—所有机组同时事故的概率显然远比单一电厂或机组发生事故的概率小得多，保证了重要用户的供电。67.1.2电力系统的形成用以描述、评价一个电力系统的基本参量：（1）总装机容量---机组额定有功功率之和（2）年发电量---实际发出电能之和（3）最大负荷---规定时间内总有功负荷的极值（4）额定频率：50Hz（欧洲主流，如英、法、德、意等）（60Hz--韩国、台湾，美洲主流：如美国、加拿大、巴西。）（5）最高电压等级---系统输电能力的重要指标

68.1.3

电力系统的负荷各类用电设备所属的不同的厂矿企业、机关、居民等－－－电力系统的用户。评价系统运行的优劣－－对用户的供电质量。69.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类一般只在进行无功功率平衡时才考虑70.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类71.1、日负荷曲线1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类72.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类有功日负荷曲线24（h）73.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类描述曲线变化形状的相关系数：负荷率kp

（km）

：kp=Pav/Pmax

最小负荷系数α：α=Pmin/PmaxKp和α均<1；越接近1，说明负荷波动越小、负荷特性越好；取决于负荷性质：即企业生产特点及作息制度、气候、生活习惯等。74.有功/无功日负荷曲线示例1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类75.2、年最大负荷曲线1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类76.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类77.3、年持续负荷曲线1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类78.年持续负荷曲线图例1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类79.1.3电力系统的负荷－负荷曲线及分类80.1.4电力系统运行的特点及要求系统运行的特点：同时性－电能的生产与使用同时完成，即必须保持电能生产、输送与使用的动态平衡

∵电能难以储藏（超导、燃料电池储能等，但容量小；抽水蓄能）短促性－正常输电及故障过程都极其迅速，过渡时间短暂，μs或ms计∵电能以光速传播。地区性－西北火电、西南水电、沿海核电，“西电东送”、“北电南送”密切性：国民经济、人民生活81.1.4电力系统运行的特点及要求系统运行的基本要求：可靠性高－安全、连续的供电。根据重要程度、对供电可靠性的要求不同，电力负荷分类对待：第1、2、3类负荷82.质量好－f(P平衡)、U(Q平衡)及波形(谐波污染)足够的稳定性－能耐受一定的事故干扰安全性－运行人员及设备经济性好－高效率、低损耗、低成本1.4电力系统运行的特点及要求83.1.5系统电压等级和规定1、制定标准电压的依据三相传送的有功功率：∵三相功率正比于输电线路的线电压及线电流，当输送功率一定时，U愈高，则输送电流I愈小，因而所用导线截面积愈小（U高好？！）；∵但，U越高对绝缘的要求越高，杆塔、变压器、断路器的绝缘投资也越大（U高不好？！）；∴对应于一定的输送功率与输送距离，应有一最佳的输电电压U，不宜过高或过低；∴从设备制造的经济性以及运用时便于代换，电压等级必须规格化、系列化，且等级不宜过多。84.1.5系统电压等级和规定2、为何要确定额定电压？85.1.5系统电压等级和规定

我国国家标准规定的电网额定电压等级：3、6、10、（20）、35、（63）、110、220、330、500和750KV

额定电压等级中，相邻电压级差之比不宜过小。根据经验，110KV以下的电压级差一般在3倍左右，110KV以上的电压级差一般在2倍左右最合适。86.1.5系统电压等级和规定线路电压与输送容量、距离的关系87.1.5系统电压等级和规定用电设备额定电压的确定各用电设备的额定电压取与其所处线路的额定电压相等，从而使所有用电设备能在额定电压的附近处运行。线路的额定电压即电网的额定电压UN。用电设备容许的电压偏移一般为5%，沿线电压降落一般为10%；故在实际运行中，应使线路始端电压为额定值的1.05倍。88.1.5系统电压等级和规定发电机额定电压的确定发电机通常接于电网始端；为了补偿线路上的电压损失，进而帮助维持沿线的电网额定电压，发电机的额定电压应为线路额定电压的1.05倍，即：

UGN＝1.05UN89.1.5系统电压等级和规定变压器额定电压的确定----变压器具有发电机和负荷的双重地位：一次侧接受电能，相当于用电设备；二次侧送出电能，相当于发电机。变压器一次侧（“负荷”）额定电压一般取等于用电设备额定电压，即等于电网额定电压，即：

U1N＝UN但，对于直接和发电机相联的变压器，其一次侧额定电压等于发电机的额定电压，即：U1N＝UGN＝1.05UN90.1.5系统电压等级和规定变压器二次侧（“发电机”）额定电压∵变压器二次侧额定电压规定为空载时的电压，而额定负荷下变压器内部压降约为5%。∴为使正常时变压器二次侧电压较线路额定电压高5%，变压器二次侧额定电压一般取比线路额定电压高10%，即：

U2N＝1.1UN注意：当二次侧输电距离较短或变压器阻抗较小时，直接取U2N=UGN=1.05UN91.1.5系统电压等级和规定确定原则小结92.1.5系统电压等级和规定交流电网及电气设备额定电压93.发电机G的额定电压：UN·G=1.05UN·L1=1.05×10=10.5（kV）变压器T1的额定电压：U1N·T1=UN.G=10.5（kV）

U2N·T1=1.1UN·L2=1.1×110=121(kV)变压器T1的变比为：10.5/121kV变压器T2的额定电压：U1N·T2=UN·L2=110（kV）

U2N·T2=1.05UN·L3=1.05×6=6.3(kV)变压器T2的变比为：110/6.3kV例1.5.1已知图1.2.1所示系统中电网的额定电压，试确定发电机和变压器的额定电压。

变压器直接与电动机相连，供电距离较短，可以不考虑线路上的电压损失。变压器T1的一次绕组与发电机直接相连，所以其一次绕组的额定电压取发电机的额定电压94.算例试在图中标出各设备的额定电压。95.算例答案96.1.6我国电力工业的发展☆我国电力工业发展史上的第一：火电：1882年，上海杨树浦，第一台12kw机组发电；水电：1912年，云南石龙坝240kW；核电：1991年，浙江秦山300MW；抽水蓄能电站：1991.7，潘家口抽水蓄能电站；风电：1989年，新疆达坂城风电场97.世界最大的水电站：长江三峡电站

世界最大的抽水蓄能电站：广州抽水蓄能电站惠州抽水蓄能电站世界海拔最高的电站：西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站☆我国电站之最：1.6我国电力工业的发展装机容量2400MW我国最大的地热电站：西藏羊八井我国最大的风电场：内蒙古赤峰赛罕坝风电场我国最大的潮汐电站：浙江省江厦潮汐电站我国最大的垃圾焚烧电厂：上海浦东垃圾焚烧电厂98.1.6我国电力工