清华大学电力系统分析课件孙宏斌.pdf

1 第一章 电力系统概述第一章 电力系统概述 (Introduction to Power Systems) (第一讲第一讲) 2 问题问题 1、人类为何偏爱电能？、人类为何偏爱电能？ 2、什么是电力系统？如何组成？如何表示？、什么是电力系统？如何组成？如何表示？ 3、电力系统运行有何特点和要求？、电力系统运行有何特点和要求？ 4、互联电力系统是怎么回事？、互联电力系统是怎么回事？ 5、如何对电力大系统进行控制？、如何对电力大系统进行控制？ 6、电能是如何生产的？、电能是如何生产的？ 3 §§1 电能与系统 一、 人类为何偏爱电能？ 电能与系统 一、 人类为何偏爱电能？ ?现代社会最重要能源，应用十分广泛现代社会最重要能源，应用十分广泛 ?美国1996年用电情况：美国1996年用电情况： ?2.68kW/人（装机容量）2.68kW/人（装机容量） ?1.3kW/人（用电量）1.3kW/人（用电量） ?显著优点：显著优点： ?洁净洁净（从使用的角度看）：保护环境（从使用的角度看）：保护环境 ?方便方便：输送、分配、使用（能量形式转化容易）：输送、分配、使用（能量形式转化容易） ?电气化电气化：机械化、自动化，提高产品质量和劳动 生产率 ：机械化、自动化，提高产品质量和劳动 生产率 ?节能节能：能耗小，能量转换效率高：能耗小，能量转换效率高 4 二、什么是电力系统？（I）二、什么是电力系统？（I） ?系统系统定义：由定义：由相互作用、依赖的相互作用、依赖的若干部 分组成的具有 若干部 分组成的具有特定功能特定功能的的有机整体有机整体，它 又从属于一个更大的系统（《系统 论》） ，它 又从属于一个更大的系统（《系统 论》） 5 什么是电力系统？（II）什么是电力系统？（II） ?电力系统：完成电能电力系统：完成电能生产、输送、分配、消 费 生产、输送、分配、消 费的统一整体。

通常由发电机、变压器、电 力线路和负荷等电力设备组成的三相交流系 统 的统一整体通常由发电机、变压器、电 力线路和负荷等电力设备组成的三相交流系 统 ?世界上最大的人造机器：世界上最大的人造机器：人类人类20世纪最伟大 的 世纪最伟大 的20项发明之一，当今社会最庞大的工业之 一，是国民经济的支柱产业（我国 项发明之一，当今社会最庞大的工业之 一，是国民经济的支柱产业（我国1/4国有资 产） 国有资 产） ?国防资源国防资源，电力安全是，电力安全是国防安全国防安全的基础（水 库、火电厂、输电线路、核电厂）（战争： 石墨炸弹、恐怖袭击） 的基础（水 库、火电厂、输电线路、核电厂）（战争： 石墨炸弹、恐怖袭击） 6 三、电力系统如何组成？三、电力系统如何组成？ ?一次一次系统（高电压，本课程研 究的内容） 系统（高电压，本课程研 究的内容） ?二次二次系统（低电压）：保证一 次系统安全/可靠/经济运行的 信息系统及其操作机构 系统（低电压）：保证一 次系统安全/可靠/经济运行的 信息系统及其操作机构 7 一次系统如何组成？一次系统如何组成？ ?发电机发电机：电能生产，一次能源转换成二 次能源(电能)，火/水/核/风/太阳/地 热等 ：电能生产，一次能源转换成二 次能源(电能)，火/水/核/风/太阳/地 热等 ?电力网络电力网络（输配电系统）：电能输送和 分配，包括：输电网（输电系统）和配 电网（配电系统）。

（输配电系统）：电能输送和 分配，包括：输电网（输电系统）和配 电网（配电系统） ?负荷负荷（用户）：电能消费，将电能转换 成其他形式能量，电动机/照明/电炉等 （用户）：电能消费，将电能转换 成其他形式能量，电动机/照明/电炉等 8 美国电力一次系统物理基本结构美国电力一次系统物理基本结构 9 简单电力系统的三相电路图简单电力系统的三相电路图 输电线路输电线路 电力网络电力网络 降压变压器升压变压器发电机降压变压器升压变压器发电机 配电线路 降压变压器 负荷 配电线路 降压变压器 负荷 输电网输电网 配电网配电网 10 发电机N 发电机1 发电机N 发电机1 负荷N负荷N 负荷1负荷1 电力线路（输/配）电力线路（输/配） 变压器（升/降压） 电力网络 电力网络与INTERNET（C/S结构） 变压器（升/降压） 电力网络 电力网络与INTERNET（C/S结构） 11 二次系统如何组成？ （信息系统，非本课程重点内容） 二次系统如何组成？ （信息系统，非本课程重点内容） 电 力 系 统 计 算 机 或 人 通 讯 量 测 通 讯 控 制 12 四、复杂电力系统如何表示？四、复杂电力系统如何表示？ ?单线图：单线图：实际电力系统非常庞大复 杂，为突出重点，用单线代表三 相，反映电力设备间电联系 实际电力系统非常庞大复 杂，为突出重点，用单线代表三 相，反映电力设备间电联系 简单电力系统单线图简单电力系统单线图 发电机发电机 输电线路输电线路 配电线路 降压变压器 负荷 配电线路 降压变压器 负荷 降压变压器升压变压器降压变压器升压变压器 … 13 五、如何构成更大的系统？五、如何构成更大的系统？ ?电力系统电力系统 ?发电厂动力部分发电厂动力部分 ?热力网热力网 ?发电厂动力部分：锅炉、汽轮机、 水库、水轮机、核反应堆等 发电厂动力部分：锅炉、汽轮机、 水库、水轮机、核反应堆等 动力系统动力系统 14 单线图常用符号（动力系统）单线图常用符号（动力系统） 15 六、电力系统运行特点与要求有哪些？六、电力系统运行特点与要求有哪些？ ?特点特点 ?密切性密切性 ?短促性短促性 ?同时性同时性 ?要求要求 ?可靠性高（第1、 2、3级负荷） 可靠性高（第1、 2、3级负荷） ?质量高(频率、电 压、波形) 质量高(频率、电 压、波形) ?经济性好，公司经 济效益 经济性好，公司经 济效益 16 电力系统与心血管系统电力系统与心血管系统 心血管 系统 动画 心血管 系统 动画 17 七、现代互联电力系统七、现代互联电力系统 ?联路线，交换功率，联路线，交换功率，提高可靠性提高可靠性，系统 规模越来越大 ，系统 规模越来越大 输电系统输电系统 输电系统输电系统 系统直属电系统直属电厂厂 配电系统配电系统配电系统配电系统 地区发电地区发电厂厂 Tie lines 联络线联络线 系统直属电系统直属电厂厂 地区发电地区发电厂厂 用户用户 电力系统电力系统1 用户用户 电力系统电力系统N 18 19 20 电力系统为何要互联？电力系统为何要互联？ ?减少减少总装机容量总装机容量（错峰效应）；（错峰效应）； ?减少减少备用容量备用容量（同时故障和检修概率 小） （同时故障和检修概率 小） ?提高提高供电可靠性、电能质量供电可靠性、电能质量（故障和异 常时相互支援）； （故障和异 常时相互支援）； ?合理利用动力资源，可合理利用动力资源，可经济运行经济运行（水、 小火电、经济分配） （水、 小火电、经济分配） 21 互联带来了什么问题？互联带来了什么问题？ ?超高压互联设备的超高压互联设备的投资大投资大；； ?系统规模大而复杂，系统规模大而复杂，运行难度大运行难度大，局部 故障可能危及整个互联系统，安全风险 大。

，局部 故障可能危及整个互联系统，安全风险 大 ?电网并联回路增多，电网并联回路增多，故障电流大故障电流大 ?随着现代信息技术、控制技术应用，随着现代信息技术、控制技术应用，自 动化水平 自 动化水平的提高，缺点正在逐步克服的提高，缺点正在逐步克服 22 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 23 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 24 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 25 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 26 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 27 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 电力大系统的运行风险： 多米诺骨牌 28 美国互联电力系统的运行风险!美国互联电力系统的运行风险! 29 八、如何对电力大系统运行进行控制八、如何对电力大系统运行进行控制？？ ?我国做法：我国做法： ?集中管理（系统的安全、经济性）集中管理（系统的安全、经济性） ?分层控制（五级调度）分层控制（五级调度） ?调度自动化 （以国家电网公司为例） 调度自动化 （以国家电网公司为例） 30 国调中心国调中心 辽 宁 吉 林 龙 江 蒙 东 辽 宁 吉 林 龙 江 蒙 东 河 北 山 西 蒙 西 北 京 河 北 山 西 蒙 西 北 京 天 津 天 津 湖 北 湖 南 河 南 江 西 湖 北 湖 南 河 南 江 西 …… 地区 1 地区 1 地区地区 县县 1 县县 m 东北东北华北华北华中华中华东华东 … 31 典型调度中心典型调度中心 东北电网 调度中心 东北电网 调度中心 国家电力 调度中心 国家电力 调度中心 吉林电网 调度中心 吉林电网 调度中心 32 典型调度自动化系统（二次信息系统）典型调度自动化系统（二次信息系统） 调度自动 化系统 原理图 调度自动 化系统 原理图 深圳站 画面 深圳站 画面 33 §§2 发电厂：电能生产 一、火力发电 发电厂：电能生产 一、火力发电 ?目前最主要电源，比例大于70%目前最主要电源，比例大于70% ?燃料：煤、石油或天然气燃料：煤、石油或天然气 ?化学能→热能→机械能→电能化学能→热能→机械能→电能 ?组成：组成： ?燃烧系统：燃料→灰渣，风（空气）→烟燃烧系统：燃料→灰渣，风（空气）→烟 ?汽水系统：水←→蒸汽，循环水（冷水←→热水）汽水系统：水←→蒸汽，循环水（冷水←→热水） ?电力系统：发电机、变压器、输电线路等电力系统：发电机、变压器、输电线路等 34 火力发电原理火力发电原理 火力 发电 原理 火力 发电 原理 火电 原理 （简单） 火电 原理 （简单） 35 国内典型火电厂国内典型火电厂 北仑 火电厂 北仑 火电厂 上海 外高桥 火电厂 上海 外高桥 火电厂 台中 火电厂 台中 火电厂 火电厂 夜景 火电厂 夜景 香港 青山 火电厂 香港 青山 火电厂 36 国外典型火电厂国外典型火电厂 德国 火电厂 德国 火电厂1 德国 火电厂 德国 火电厂2 日本 横滨 火电厂 日本 横滨 火电厂 37 汽轮机-发电机汽轮机-发电机 600MW 汽轮机 安装 汽轮机 安装 汽轮机 发电机 外观 汽轮机 发电机 外观1 汽轮机 发电机 外观 汽轮机 发电机 外观2 600MW 发电机 穿转子 发电机 穿转子 汽轮机 发电机 外观 汽轮机 发电机 外观3 38 火力发电存在哪些问题？火力发电存在哪些问题？ ?安全安全问题问题：采矿和运输中的安全性灾难。

采矿和运输中的安全性灾难 ?社会代价社会代价：采矿和运输的基础设施等：采矿和运输的基础设施等 ?环境环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒 物等 问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒 物等 ?效率效率问题：→热电厂（热电联产）问题：→热电厂（热电联产） ?不可再生不可再生 39 二、水力发电二、水力发电 ?目前最重要的电源之一，比例大于10%目前最重要的电源之一，比例大于10% ?河流水势能→水动能→机械能→电能河流水势能→水动能→机械能→电能 ?容量取决于水位差和流量容量取决于水位差和流量 ?组成（较火电厂简单）组成（较火电厂简单） ?水库水库 ?水轮机水轮机 ?电力系统：发电机、变压器、输电线路等电力系统：发电机、变压器、输电线路等 40 水力发电原理水力发电原理 水力发电 原理 水力发电 原理 41 国内典型水电厂国内典型水电厂 二滩 水电站 二滩 水电站 (坝高坝高240M, 6*550MW) 佛子岭 水电站 大坝 佛子岭 水电站 大坝 水电厂 夜景 水电厂 夜景 42 二十世纪最大的水电工程二十世纪最大的水电工程 南美 伊泰普 水电站 南美 伊泰普 水电。