電力系統(tǒng)緒論

2015年9月校風：好學力行緒論第一章2/2/20231緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展1.2發(fā)電1.3電力網(wǎng)1.4電力系統(tǒng)的負荷和負荷曲線1.5電力系統(tǒng)的額定電壓和額定頻率1.6電力系統(tǒng)的接線方式1.7現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行的基本特點及要求

目錄2/2/20232緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展電力系統(tǒng)的組成世界電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/20233緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成汽輪機發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變電動機GM鍋爐發(fā)電廠（火電為例）輸、配電網(wǎng)絡用戶“最小系統(tǒng)”

2/2/20234緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成汽輪機發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變電動機GM鍋爐發(fā)電廠（火電為例）輸、配電網(wǎng)絡用戶“最小系統(tǒng)”

將各種形式的一次能源轉換為電能：火電、水電、核電、光伏、風電、潮汐能、波浪能、地熱發(fā)電等等

升壓變將發(fā)電機的機端電壓升高到輸電電壓2/2/20235緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成汽輪機發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變電動機GM鍋爐發(fā)電廠（火電為例）輸、配電網(wǎng)絡用戶“最小系統(tǒng)”

將高壓電能輸送、（降壓）分配給用戶

輸電方式：高壓交流、直流2/2/20236緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成汽輪機發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變電動機GM鍋爐發(fā)電廠（火電為例）輸、配電網(wǎng)絡用戶“最小系統(tǒng)”

用電設備（電力系統(tǒng)負荷）實現(xiàn)電能向其他形式能源（機械能、熱能和光能）的轉換電力系統(tǒng)的服務對象2/2/20237緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成“最小系統(tǒng)”

動力系統(tǒng)電力系統(tǒng)電力網(wǎng)絡汽輪機發(fā)電機升壓變輸電線路降壓變電動機GM鍋爐2/2/20238緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—電力系統(tǒng)組成發(fā)電機實際負荷交流線路直流線路雙繞組變壓器三繞組變壓器自耦變壓器等值負荷母線電力網(wǎng)絡電力系統(tǒng)調相機整流器逆變器2/2/20239緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展電力系統(tǒng)的組成世界電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/202310緒論第一階段：1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應直流發(fā)電機和電動機，100-400V低壓直流，主要用于照明第二階段：1882年實現(xiàn)高壓直流輸電水電廠→慕尼黑（2kW、1500-2000V、57km）受到輸送功率、輸送距離的限制第三階段：1891年實現(xiàn)三相交流輸電在制成三相變壓器和三相異步電動機的基礎上伊爾福德→倫敦（1000kW、10kV、12km）1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—世界電力工業(yè)發(fā)展2/2/202311緒論第四階段：1954年高壓直流輸電再受重視同步發(fā)電機并聯(lián)運行穩(wěn)定問題和交流輸電感抗固有屬性問題可控硅整流器件的出現(xiàn)至今高壓交流：輸電電壓>1000kV、距離>1000km、輸送功率>5000MW高壓直流：輸電電壓±800kV、距離>1000km、輸送功率>3000MW大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)電源（火電、水電、核電等）及負荷形式多樣1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—世界電力工業(yè)發(fā)展

交直流之爭2/2/202312緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—2007年前10位國家的發(fā)電量系統(tǒng)中所有發(fā)電機組全年實際發(fā)出電能之和。常以千瓦時(kWh)、兆瓦時(1MWh=103kWh)、吉瓦時(1GWh=103MWh)、太瓦時(1TWh=103GWh)為單位。我國工程上習慣以億千瓦時為單位。2/2/202313緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—2007年前10位國家的發(fā)電量2/2/202314緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展電力系統(tǒng)的組成世界電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/202315緒論第一階段：1882-1937年抗戰(zhàn)前夕1882年，上海建成我國第一座發(fā)電廠（英租界照明）1937年前夕，全國共有461個發(fā)電廠，總裝機容量630MW，初步形成北京、天津、上海、南京、武漢、廣州等大中城市的配電系統(tǒng)第二階段：1937-1949年解放前夕東北電力工業(yè)發(fā)展迅速，初步形成東北東中南、冀北電力系統(tǒng)1949年前夕，全國發(fā)電裝機容量1848.6MW，居世界第25位注：三峽水電站32臺700MW水輪發(fā)電機組（22400MW）1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)的發(fā)展2/2/202316緒論第三階段：1949年-至今1996年，總裝機容量236GW，發(fā)電量1079TWh，躍居世界第二位2014年，總裝機容量1360GW，發(fā)電量5523TWh，穩(wěn)居世界第一位輸電線路建設方面1982年，第一條500kV平頂山-武昌超高壓輸變電線路投產(chǎn)，595km1989年，第一條±500kV葛洲壩-上海超高壓直流輸電建成，1080km2009年，第一條1000kV晉東南-南陽-荊門特高壓建路建成，640km2010年，云廣±800kV和向上±800kV特高壓直流輸電線路投運，1373和1900km，額定容量5000MW1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)的發(fā)展2/2/202317緒論我國電網(wǎng)已基本形成500kV和330kV骨干網(wǎng)架，1000kV特高壓交流電網(wǎng)和±800kV特高壓直流網(wǎng)架正在規(guī)劃中我國電網(wǎng)進入了遠距離、超（特）高壓、跨大地區(qū)輸電、大機組、高度自動化的階段目前，我國已經(jīng)形成東北、華北、西北、華中、華東和南方六個跨省電網(wǎng)以及新疆、海南和西藏、臺灣四個獨立省網(wǎng)，全國電網(wǎng)互聯(lián)互通基本實現(xiàn)1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)的現(xiàn)狀2/2/202318緒論繼續(xù)發(fā)展燃煤火電廠，大機組、高效率，淘汰小型火電廠。(環(huán)保問題)加速水力資源的勘察和水電廠建設。(生態(tài)問題)加緊建設高壓輸電線路和電力系統(tǒng)。(資金,占地問題)加快布局核電廠。(安全問題)積極開發(fā)風能、太陽能等可再生能源。(依賴技術進步，前沿研究方向)深化電力體制改革，打破壟斷，引入競爭，健全電價體制，加快電力市場監(jiān)管體系建設。(利益問題)1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)的前景2/2/202319緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展電力系統(tǒng)的組成世界電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)的發(fā)展我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/202320緒論2002年，原國家電力公司進行了“廠網(wǎng)分離”在發(fā)電環(huán)節(jié)，形成五大發(fā)電集團在輸配電環(huán)節(jié)，形成兩大電網(wǎng)公司1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/202321緒論三大核電集團2015年5月，中國電力投資集團和國家核電合并重組，成立國家電力投資集團1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)概況（補充）2/2/202322緒論在電力勘探設計、施工監(jiān)理等輔助環(huán)節(jié)，包括四家輔業(yè)集團公司，即：中國水利水電建設集團公司、中國水電工程顧問集團公司、中國葛洲壩集團公司和中國電力工程顧問集團公司2011年9月，中國水利水電建設集團公司、中國水電工程顧問集團公司與國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)所屬14個?。▍^(qū)、市）勘測設計、施工等企業(yè)重組，組建中國電力建設集團有限公司2011年9月，中國葛洲壩集團公司、中國電力工程顧問集團公司與國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)所屬15個?。▍^(qū)、市）勘測設計、施工等企業(yè)重組，組建中國能源建設集團有限公司1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)概況（補充）

主輔分離2/2/202323緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—我國電力工業(yè)概況（補充）華北電網(wǎng)華中電網(wǎng)西北電網(wǎng)華東電網(wǎng)南方電網(wǎng)（五省份）東北電網(wǎng)冀北電網(wǎng)2/2/202324緒論東北電網(wǎng)覆蓋遼寧、吉林、黑龍江三省和內蒙古自治區(qū)東部(赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市和興安盟)，電網(wǎng)覆蓋面積126.8萬平方公里，供電服務人口1.21億。備注：內蒙古電力（集團）有限責任公司，主要經(jīng)營管理蒙西電網(wǎng)2/2/202325緒論華北電網(wǎng)下屬：北京電力公司、天津市電力公司、河北省電力公司、山西省電力公司、山東電力集團公司。冀北電力公司隸屬國家電網(wǎng)2/2/202326緒論華東電網(wǎng)華東區(qū)域電網(wǎng)包括：上海、江蘇、浙江、安徽、福建省電網(wǎng)。2/2/202327緒論包括：陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)電網(wǎng)。西北電網(wǎng)2/2/202328緒論華中電網(wǎng)華中電網(wǎng)位于中國中西部地區(qū)，供電范圍包括湖北、河南、湖南、江西、四川省和重慶市，土地面積129.8萬平方公里，人口3.89億,華中電網(wǎng)是中國目前供電人口最多的區(qū)域電網(wǎng)2/2/202329緒論1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—河南電網(wǎng)河南電網(wǎng)湖北電網(wǎng)湖南電網(wǎng)江西電網(wǎng)四川電網(wǎng)重慶電網(wǎng)華北華東廣東包括：鄭州、洛陽等18個市級供電公司，河南電科院、經(jīng)研院，鄭州電力高專(代管)等單位。西北

2012年河南售電量2747.75億千瓦時。

2012年蘇州售電量1027.6億千瓦時。2/2/202330緒論電氣工程領域國家重點實驗室清華大學（電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制仿真國家重點實驗室）西安交通大學（電力設備電氣絕緣國家重點實驗室）重慶大學（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室）華北電力大學（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室）華中科技大學（強電磁工程與新技術國家重點實驗室）電氣工程國家一級重點學科清華大學、西安交通大學、華中科技大學、浙江大學、重慶大學1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—高校及相關科研院所2/2/202331緒論電氣工程國家二級重點學科電機：哈爾濱工業(yè)大學、河北工業(yè)大學、沈陽工業(yè)大學（院士1人）電力系統(tǒng)：華北電力大學、天津大學、西南交通大學、海軍工程大學高電壓：哈爾濱理工大學（院士1人、電機與控制學報-EI）電力電子：合肥工大、中國礦大、南航（培育）、西南交通（培育）電工理論與新技術：湖南大學（培育）其它：上海交通大學、武漢大學、東南大學、山東大學、華南理工大學、四川大學、河海大學、北京交通大學、東北電力大學等河南高校：電氣工程省一級重點學科（鄭州大學、河南理工大學）1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—高校及相關科研院所2/2/202332緒論科研院所中國電力科學研究院（院士3人、博士碩士研究生培養(yǎng)單位、中國電機工程學報-EI、高電壓技術-EI、電網(wǎng)技術-EI）國網(wǎng)電力科學研究院（院士2人、碩士研究生培養(yǎng)單位、電力系統(tǒng)自動化-EI）中科院電工研究所（院士2人、博士碩士研究生培養(yǎng)單位）知名企業(yè)許繼電氣、平高電氣、國電南瑞、中國西電、ABB、施耐德、西門子、株洲南車、合肥陽光電源、艾默生、上海通用電氣、四川東方電氣、德力西、富士電機、江蘇南自通等等1.1電力系統(tǒng)及其發(fā)展—高校及相關科研院所2/2/202333緒論電力系統(tǒng)：發(fā)電、輸配電（電力網(wǎng)）、負荷（用電設備）1.2發(fā)電2/2/202334緒論1.2發(fā)電大規(guī)模電能是由同步發(fā)電機產(chǎn)生的同步發(fā)電機發(fā)電原理？機械能電能2/2/202335緒論推動轉子旋轉的能源形式多種多樣熱能（蒸汽）→（火力發(fā)電、核能發(fā)電、地熱發(fā)電）水能→（水力發(fā)電）風能→（風力發(fā)電、潮汐發(fā)電）太陽能→（光伏發(fā)電、光熱發(fā)電）1.2發(fā)電2/2/202336緒論火力發(fā)電廠汽輪機技術最小負荷為額定負荷的10%-15%從停機到開機并滿負荷運行時間較長不適宜承擔急劇變動的負荷建設周期短、投資少、廠用電率高、運行費用高、污染大1.2發(fā)電2/2/202337緒論2/2/202338緒論2/2/202339緒論核（原子能）電廠汽輪機技術最小負荷為額定負荷的10%-15%不易承擔急劇變動的負荷一次建設投資大、運行費用小，130t天然鈾→1000MW安全問題1.2發(fā)電2/2/202340緒論2/2/202341緒論2011年日本福島核泄漏2/2/202342緒論2/2/202343緒論水力發(fā)電廠從靜止到帶滿負荷運行只需4-5min往往承擔急劇變動的負荷（調頻調峰）建設周期長、一次投資大、廠用電率低、發(fā)電效率高受氣候條件影響較大1.2發(fā)電2/2/202344緒論2/2/202345緒論2/2/202346緒論風力發(fā)電場目前發(fā)電成本較高受氣候影響較大、間歇性電源新能源、前景良好技術不成熟、國家政策影響1.2發(fā)電2/2/202347緒論2/2/202348緒論2/2/202349緒論太陽能光伏發(fā)電發(fā)電成本高受氣候影響較大、間歇性電源新能源、前景良好技術不成熟、國家政策影響1.2發(fā)電2/2/202350緒論2/2/202351緒論2/2/202352緒論1.3電力網(wǎng)組成：變電站（所）、輸電網(wǎng)絡變電站(所)：變壓器、斷路器、避雷針等輸電線路：輸電線、桿塔、絕緣子等2/2/202353緒論1.3電力網(wǎng)2/2/202354緒論1.3電力網(wǎng)變電站（所）主要承擔電能的電壓等級變換以及能量分配的任務。分類：發(fā)電廠內升壓變電站、一次變電站（輸電變電站）、二次變電站（配電變電站）、用戶變電所等。變壓器：雙繞組/三繞組變壓器、自耦變壓器2/2/202355緒論2/2/202356緒論220kV交流變電站全景2/2/202357緒論1.3電力網(wǎng)輸電線路按結構分為：架空線路和電纜線路按傳輸形式分為：直流輸電線路和交流輸電線路2/2/202358緒論1.3電力網(wǎng)—架空線路2/2/202359緒論1.3電力網(wǎng)—架空線路導線和避雷線材料：鋁、鋼、銅（價格昂貴），一般采用鋼芯鋁LGJ絞線（L-鋁、G-鋼、J-多股絞線）按強度：普通型（LGJ）、輕型（LGJQ）、加強型（LGJJ）2/2/202360緒論1.3電力網(wǎng)—架空線路導線和避雷線分裂導線數(shù)：超高壓(2、3、4)、特高壓(6、8、10或12)2/2/202361緒論1.3電力網(wǎng)—架空線路桿塔作用：支撐導線和避雷線，并使之保持一定的安全距離按用途：直線桿塔、耐張桿塔、終端桿塔、特種桿塔等按材料：木桿、鋼筋混泥土桿和鐵塔2/2/202362緒論1.3電力網(wǎng)—架空線路絕緣子和金具絕緣子：用于支持和懸掛導線，并使導線與桿塔絕緣金具：連接導線和絕緣子、固定、防震2/2/202363緒論1.3電力網(wǎng)—電纜線路組成：導體、絕緣層和保護層特點：不受外界條件影響、供電質量高、一次投資大、故障難尋找2/2/202364緒論1.3電力網(wǎng)—直流輸電直流輸電系統(tǒng)示意圖優(yōu)點：運行費用低、不需要同步運行等缺點：換流站造價高、需要安裝無功補償和濾波裝置2/2/202365緒論1.4負荷和負荷曲線負荷定義電力系統(tǒng)所有用電設備消耗功率的總和(綜合用電負荷)負荷按等級分類：一級負荷、二級負荷和三級負荷2/2/202366緒論1.4負荷和負荷曲線負荷按消耗功率分類綜合用電負荷：指工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等消耗的功率之和。供電負荷：綜合用電負荷加上網(wǎng)損，即發(fā)電廠供電負荷。發(fā)電負荷：供電負荷再加上發(fā)電廠廠用電就是發(fā)電機應發(fā)出的功率，稱為發(fā)電負荷。2/2/202367緒論1.4負荷和負荷曲線幾個工業(yè)部門用電設備比重統(tǒng)計

2/2/202368緒論1.4負荷和負荷曲線負荷曲線以曲線描述某一時間段內電力系統(tǒng)的負荷隨時間變化的規(guī)律。負荷曲線分類按負荷性質：有功功率和無功功率負荷曲線。按時間長短：日負荷曲線和年負荷曲線。2/2/202369緒論1.4負荷和負荷曲線—有功日負荷曲線有功日負荷曲線

階梯形有功日負荷曲線

是安排日發(fā)電計劃，確定各發(fā)電廠任務,確定系統(tǒng)運行方式等的重要依據(jù)。

2/2/202370緒論1.4負荷和負荷曲線—有功日負荷曲線日負荷曲線的最大值稱為峰荷，最小值稱為谷荷?？偤碾娏浚喝掌骄摵桑贺摵陕屎妥钚∝摵上禂?shù)：負荷率小表明負荷曲線起伏大，發(fā)電機的利用率較差。2/2/202371緒論1.4負荷和負荷曲線—年最大負荷曲線把一年內每月（或每日）的最大負荷抽取出來繪成曲線，稱為年最大負荷曲線。曲線作用：1、安排發(fā)電設備的檢修計劃；2、為制訂發(fā)電機組或發(fā)電廠的擴建計劃提供依據(jù)。年最大負荷曲線

2/2/202372緒論1.4負荷和負荷曲線—年最大負荷曲線年持續(xù)負荷曲線：按一年中系統(tǒng)負荷的數(shù)值大小及其持續(xù)小時數(shù)順序繪制而成。負荷全年耗電量：最大負荷利用小時數(shù)：年持續(xù)負荷曲線

2/2/202373緒論1.4負荷和負荷曲線—年最大負荷曲線不同性質的用戶,Tmax值不同，根據(jù)電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，各類負荷的Tmax數(shù)值有一個大致的范圍。各類用戶的最大負荷利用小時數(shù)估算全年耗電量：W=PmaxTmax

2/2/202374緒論1.5額定電壓和額定頻率額定頻率工頻50Hz，中國臺灣、美國、日本、韓國等為60Hz。額定電壓100V以下：蓄電池和安全照明用具等電氣設備，如？。500V以下：一般工業(yè)和民用電氣設備，如？。1000V以上：高壓電氣設備，如3kV、10kV、110kV等。2/2/202375緒論1.5額定電壓和額定頻率1000V以上的額定電壓各電氣設備的額定電壓有一個相互配合的問題。2/2/202376緒論1.5額定電壓和額定頻率用電設備的額定電壓UTN用電設備的額定電壓等于電力線路的額定電壓UN2/2/202377緒論1.5額定電壓和額定頻率發(fā)電機的額定電壓UGN發(fā)電機的額定電壓比電力線路的額定電壓UN高5%2/2/202378緒論1.5額定電壓和額定頻率升壓變壓器的額定電壓一次繞組U1N等于發(fā)電機的額定電壓，二次繞組U2N比電力線路的額定電壓UN高10%2/2/202379緒論1.5額定電壓和額定頻率降壓變壓器額定電壓一次繞組U1N等于UN左，二次繞組U2N比UN右高10%或5%2/2/202380緒論1.5額定電壓和額定頻率小結：額定電壓的規(guī)定2/2/202381緒論1.5額定電壓和額定頻率如圖所示，圖中標明的電壓為電力線路額定電壓，試確定發(fā)電機和變壓器的額定電壓。10.5kV/121kV10.5kV110kV/11kV同一電壓等級的升壓變和降壓變的額定電壓不同。2/2/202382緒論1.5額定電壓和額定頻率如圖所示，圖中標明的電壓為電力線路額定電壓，試確定發(fā)電機和變壓器的額定電壓。10.5kV/242kV10.5kV110kV/11kV220kV/121kV35kV/3.15kV220kV/121kV/38.5kV2/2/202383緒論1.5額定電壓和額定頻率變壓器高（中）壓側通常設計有多個分接頭，與額定電壓對應分接頭稱為主分接頭（主抽頭）分接頭電壓用百分數(shù)表示額定變比和工作變比（實際變比）主抽頭，242kV+2.5%，248kV+5%，254kV-5%，230kV-2.5%，236kV

主抽頭，220kV+2.5%，225.5kV+5%，231kV-5%，209kV-2.5%，214.5kV10.5kV11kV升壓變降壓變242±2×2.5%/10.5kV220±2×2.5%/11kV2/2/202384緒論1.5額定電壓和額定頻率—額定電壓選擇110kV以下電壓級差一般應超過3倍，如110、35、10kV；110kV以上電壓級差以2倍左右為宜。額定電壓的選擇取決于輸送功率和輸電距離2/2/202385緒論1.5額定電壓和額定頻率—額定電壓選擇額定電壓越高越好？優(yōu)點：導線截面小，節(jié)省有色金屬缺點：絕緣要求高，網(wǎng)絡投資增加2/2/202386緒論1.5額定電壓和額定頻率—額定電壓選擇各級電壓架空線路的合理輸送能力

總趨勢是輸送功率越大，輸送距離越遠，電壓等級越高2/2/202387緒論1.6電力系統(tǒng)的接線方式電力系統(tǒng)接線圖電氣接線圖、地理接線圖電力系統(tǒng)的接線方式

無備用接線、有備用接線電力系統(tǒng)中性點的運行方式

中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地和直接接地2/2/202388緒論發(fā)電機實際負荷交流線路直流線路雙繞組變壓器三繞組變壓器自偶變壓器等值負荷母線電力網(wǎng)絡電力系統(tǒng)調相機整流器逆變器1.6.1