电力系统稳态分析第1章.ppt

,电力系统稳态分析,浙江大学电气工程学院黄民翔电机工程楼314huangmx,电力系统稳态分析课程学什么研究、分析电力系统在平稳状态下各点的电压、各元件中通过的电流、功率研究各种设备、元件的数学模型研究描述系统中设备、元件拓扑关系的数学方法与模型求解问题的数学方法研究分析系统中各元件对状态量的影响和各状态量间内在联系电力系统稳态分析课程需要的基础知识电路原理电机学线性代数数值计算,电力系统稳态分析是从事电力系统工作的基本知识,3,第一章电力系统概述1.1电力系统及其发展1.1.1电力系统,电力生产、消费过程用电发电输变电,5,电力系统的组成,电力网变电所电力线路，变换、输送、分配电能电力系统发电机变压器电力线路用电设备，构成的发、输、配、用的整体动力系统锅炉/汽轮机等动力设备电力系统,6,较完整的电力系统的定义,电力系统是由发电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统按规定的技术和经济要求组成，将一次能源转换成电能，并输送到用户的一个统一系统。,7,1.1.2电力系统发展简史和我国电力系统,1）电力系统发展简史1831年法拉第发现电磁感应定律，1875年巴黎北火车站发电厂建立，电进入实用阶段；1882年T.A.爱迪生在纽约主持建造珍珠街电站，它装有6台直流发电机（总容量约670千瓦），用110伏电压供1300盏电灯照明，组成了首个直流电力系统19世纪90年代，三相交流输电系统研制成功，它克服了直流输电系统的局限性，并很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑从20世纪初到60年代末，最高交流输电电压从12.44kV提高到765kV；1985年前苏联建成1150kV特高压线路20世纪50年代末，现代高压直流输电技术的出现奠定了当今高压交/直流电力系统的基础，目前直流最高电压已达800kV,8,电力系统发展简史和我国电力工业概况（续1）,2007年，全球总发电容量约44.5亿kW（近两年，年增长约1.35亿kW），人均发电容量约为0.67kW2007年，全球总发电195.49亿kWh（近两年，年增长约6.55亿kWh），人均发电量约3000kWh目前最大的汽轮发电机组单机容量为130万kW,9,全球趋势电能需求增加,据2006年的某预测，全球能源需求将在2030年前增长50％，在2050年前增长100％，而电力将在2030前增长100％。,10,2）我国的电力系统,1882年，上海电气公司一台12kW蒸汽发电机发电，点亮上海南京路15盏弧光灯新中国成立时，发电装机容量185万kW2004年，我国首台国产60万千瓦超临界燃煤机组投产2007年11月24日，华能玉环电厂4号机组顺利投产，总容量达400万千瓦，成为世界上超超临界百万千瓦级容量最大的火电厂国内目前最大发电厂浙江北仑电厂60*5100*2500万kW2008年，长江三峡水电厂左右岸26台机组全部投产，成为世界上最大发电厂，装机1820万kW1991年秦山核电厂第一台30核电机组投产，2009年底全国已投产908万kW，在建2180万kW核电机组,11,装机容量迅速增长,GW,2010年底，我国发电装机容量为96219万千瓦；2010年全年，发电装机容量净增加9127万千瓦。,12,发电量迅速增长,2010年底，全国年发电量41923亿千瓦时。,TWh,13,装机结构,我国“十一五”能源建设的总体安排有序发展煤炭；加快开发石油天然气；在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电，优化发展火电，推进核电建设；大力发展可再生能源。,2009年底，我国装机容量8.74亿kW,我国电网概况,2005年9月26日，我国第一个750千伏输变电示范工程正式投运。2009年1月6日，山西晋东南-河南南阳-湖北荆门1000kV特高压交流示范工程正式投运2010年2月25日，向家坝-上海800kV特高压直流示范工程极Ⅰ低端直流换流器端对端系统送电成功。全国已形成以500KV，330KV为主网架的6个跨省联合电力系统和3个省级电力系统6个跨省大区电网华北、东北、华东、华中、西北电网和南方互联电网3个独立省网海南（2009年联网）、新疆、西藏,15,中国的电网分区图,,国家电网公司,,其它,,,,,,,,,,,,,东北,华北,西北,华东,华中,南方,台湾,新疆,西藏,海南,16,我国的能源分布图,水资源70,煤储量40,煤储量40,,,,,,,,,,,,火力资源,水力资源,重负荷区,＞1000km,＞1000km,,＞500km,＞1000km,＞1000km,,水能储藏量预测理论储量676GW技术可开发量379GW经济可开发量290GW现已开发量68GW,＞1000km,20,17,特点西电东送、南北互供、全国联网,西电东送北通道西北－华北西电东送中通道川渝－华中－华东西电东送南通道西南－广东,我国能源和电力的特点北煤南运，西电东送,18,2011年国网1000kV特高压交流电网,2009年1月6日，晋东南南阳荆门1000千伏特高压交流试验示范工程（累计完成投资57.36亿元）正式投运。,19,2011年800kV国网特高压直流电网,2009年12月24日，800千伏云南至广东特高压直流输电工程单极成功送电2010年2月25日，800kV向家坝-上海特高压直流示范工程极Ⅰ低端直流换流器端对端系统送电成功,20,全国联网格局示意图,21,面临的问题与挑战,2009年底，我国人均装机容量只有0.65kW（世界平均约0.67kW），人均年用电量约2743kWh（世界平均约3000kWh）。仅为发达国家的1/6左右，用电的构成与发达国家相比也有较大差距。在我国偏远地区，有2800万户居民没有用上电。电力工业的技术、运行和管理水平与先进国家相比，有较大差距。,用电构成,22,全球家庭用电情况,,世界主要国家电力比较,1.1.3电力系统的负荷和负荷曲线,电力系统负荷将电能转化为机械能、热能、光能的用电设备综合用电负荷系统中所有用电设备消费功率的总和。依用户对供电可靠性要求的不同，负荷分为三级。一类负荷二类负荷三类负荷,供电负荷综合用电负荷网损发电负荷的关系供电负荷厂用电,电力系统的负荷和负荷曲线（续）,负荷特点多变性随时间、电压、频率而变随时间变化负荷曲线描述随电压、频率变化负荷特性描述,年负荷曲线日负荷曲线有功/无功电压特性曲线,负荷曲线,负荷曲线某一时段内负荷随时间变化而变化的规律负荷曲线分类按负荷种类（有功、无功）、按时间长短（年、月、日）、按计量地点等负荷曲线的求取统计、实测负荷曲线的作用安排日发电计划、确定系统运行方式、求取平均功率、负荷率等例可由日负荷曲线求出平均负荷与通过元件的负荷率,27,2003－2005年全国日发电曲线,亿千瓦时,Aug.12th,7891GWh,100GWh/day,28,1.1.4电力系统中的发电厂,按一次能源分有火力发电、水力发电、核能发电、风电、太阳能风电等火力发电厂（1MPa10公斤力/平方厘米）超临界机组的效率可比亚临界机组高2左右，超超临界机组比超临界机组再高4左右。中压3.5MPa左右435℃高压9MPa左右500℃超高压13MPa左右535℃亚临界17MPa左右540℃超临界24MPa左右540～560℃超超临界2535MPa580℃及以上水的临界参数347.15℃、22.12MPa,,火电厂远景,,集控室,,发电机汽轮机组,,主厂房外景,水力发电径流式水电厂利用高落差的急流河道建坝，水库容量很小坝式水电厂河道中建大坝，水库容量大新安江水电厂，水库具有多年调节性能，正常蓄水位/死水位108/86米，总库容/调节库容216.26/102.66亿立方米。装机容量66.25万千瓦，台数9台，保证出力17.8万千瓦长江三峡水电厂，大坝高185米，设计正常蓄水水位l75米，总库容393亿立方米。总装机容量为1820万千瓦。抽水蓄能发电厂利用深夜或丰水期剩余电力，将下游的水抽到水库内，需要时发电核能发电建设费用高、燃料费便宜新能源发电风力发电、太阳能发电、燃料电池、生物质能发电、地热/潮汐发电等,,新安江水电厂,,新安江电厂大坝,新安江电厂大坝,,,三峡水电厂,,新安江电厂大坝,三峡水电厂大坝,,抽水储能电站（有上下水库）,,抽水储能电站剖面图,,水轮发电机,,风电场效果图,,风电场远眺,,,1.5电网的结构和结线方式,电网分层--按照电压等级可分为输电网和配电网输电网--高电压、远距离，一般为网状接线配电网一般为闭式设计，开环运行电力系统接线图地理接线图电气接线图（地理上远的节点，电气上未必远）单线代表实际系统的三相,,,地理接线图示意,电气接线图示意,47,典型接线方式无备用电源接线方式放射式、干线式、链式（可靠性较差）,有备用电源接线方式双回路的放射式、干线式、链式（可靠性和电压质量较单回线高，但造价高，不够经济）,环式、双端电源供电式（可靠性较高，设备少）,1.1.6电压等级、额定电压,额定电压--发电机、变压器和电气设备等在正常运行时具有最大经济效益时的电压。国家规定了标准电压等级系列，有利于电器制造业的生产标准化和系列化，有利于设计的标准化和选型，有利于电器的互相连接和更换，有利于备件的生产和维修等。电压等级的选择1）输送一定功率，有一最经济电压。电压越高，电流越小，导线等载流部分的截面积越小，投资也越小。但电压越高，对绝缘水平的要求越高，杆塔、变压器、断路器等的投资也越大。2）对应一个电压，有一个最大输送功率,国标电网额定电压等级,需综合考虑送电容量、距离、运行方式等因素、动力资源分布和工业布局等远景发展情况，进行技术经济比较符合国标；电压等级不宜过多；3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV以上电压均指线电压,各级电压传输能力统计,50,输电线路的额定电压及其电压分布,发电机的额定电压（5）变压器的额定电压（Page12）,,51,1.1.7电力系统运行的特点和要求,运行特点电能的生成、传输及消费几乎同时进行。电能与国民经济各部门之间的关系密切。电力系统的暂态过程非常短暂。电能一般不能大量储存。电能质量电能质量包括电压、频率、正弦交流电的波形质量电压质量和频率质量一般以偏离额定值的大小来衡量。一般规定，电压偏移不应超过额定电压的5％，频率偏差不超过0.20.5Hz。正弦交流电的波形质量一般以波形的畸变率衡量，即各次谐波有效值的平方和的方根值与基波有效值的百分比。10kV供电时为4％，380、220V供电时为5％,52,电力系统运行基本要求,保证运行的安全可靠性。保证一定数量的备用容量完善电力系统的结构，提高抗干扰能力③充分发挥计算机进行监视和控制的优势，不断提高电力系统的自动化水平④改善设备质量，提供运行管理水平和技术水平及运行检修人员的责任心保证良好的电能质量。保证系统运行的经济性。电能生产过程中，力求节约，减少能源消耗，降低发电成本；合理发展电网，优化电网结构和运行方式，降低电能传输过程中的损耗。考核电力系统运行经济性的两个指标煤耗率、网损率,53,1.1.8电力系统中性点的运行方式,星形接线变压器或发电机的中性点称为电力系统的中性点各种中性点运行方式特点分析直接接地110kV及其以上系统可靠性稍低，但有利于绝缘不接地366kV系统可靠性较高，但不利于绝缘经消弧线圈接地366kV系统减小接地点电流，使电弧易于自行熄灭，提高供电可靠性。三种形式过补偿流过故障点的是感性电流（一般做法）欠补偿流过故障点的是容性电流全补偿谐振，不允许,1.1.9直流输电,现代直流输电始于1954年，我国1987年宁波-舟山100kV直流输电试验项目投运，1990葛洲坝-南桥500kV直流输电项目投运直流输电系统构成和结线方式直流输电系统由整流站交流－直流、直流线路、换流站直流－交流构成结线方式可分为单极送电、双极送电,直流输电和交流输电的比较,快速调节潮流隔离故障没有稳定问题线路造价低低约20～30、损耗小（同样耐压、同样截面2根直流线与3根交流线输送功率相同；送相同功率，损耗小1/3便于分期建设便于系统互联换流站造价高需大量无功补偿直流输电的适用范围远距离送电系统互联海底电缆,,,,,,交流,线路长度,交直流输电的等价距离,费用,交流,柔性交流输电系统（FACTS）,FACTS的基本概念利用大功率电力电子元器件构成的装置来控制调节交流电力系统的运行参数和／或网络参数，优化电力系统运行状态、提高交流电力系统线路的输电能力按在系统中的安装联接方式FACTS可分为串联型、并联型和混合型目前已成熟并广泛应用于电力系统的FACTS装置静止无功补偿器SVC静止同步补偿器STATCOM晶闸管控制串联补偿器TCSCetc已有工业样机但仍在完善中的FACTS装置统一潮流控制器UPFCetc研究和原理设计阶段中的FACTS装置静止同步串联补偿器SSSC晶闸管控制移相器TCPSTetc,1．2电力系统基本元件概述,58,1.2发电机,1.现代电力工业，无论是火力发电、水力发电还是核能发电，几乎全部采用同步交流发电机。同步发电机的转速n（转/min）和励磁频率fHz之间有着严格的关系，即n60f/p，其中p为电机的极对数。根据转子结构型式的不同，分为隐极式和凸极式发电机。前者转子没有显露出来的磁极，后者则有。,59,电力系统基本元件,,60,2.电力变压器,电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。升压与降压都必须由变压器来完成。在电力系统传送电能的过程中，必然会产生电压和功率两部分损耗，在输送同一功率时电压损耗与电压成反比，功率损耗与电压的平方成反比。利用变压器提高电压，减少了送电损失。,电力变压器（续）,按三相变压器磁路系统分类单相变压器组、三相变压器按每相线圈分类双绕组（两圈变）、三绕组（三圈变）按电磁耦合方式分类普通变压器、自耦变压器按用途分类升压变、降压变、配电变、联络变按分接头是否可带负荷操作分类普通/有载调压变压器按冷却方式分类油浸自冷/风冷/水冷、强迫油循环风/水冷三相绕组联接方式双绕组常用接法三绕组常用接法电力变压器中有一侧的三相绕组为三角形接法时，能有效削弱三次谐波分量,62,图例变压器外形图,1-铭牌；2-信号式温度计；3-吸湿器；4-油标；5-储油柜；6-安全气道7-气体继电器；8-高压套管；9-低压套管；10-分接开关；11-油箱；12-放油阀门；13-器身；14-接地板；15-小车供配电方式10KV高压电网采用三相三线中性点不接地系统运行方式。用户变压器供电大都选用Y/Yno结线方式的中性点直接接地系统运行方式，可实现三相四线制或五线制供电，如TN-S系统。,63,3.电力线路,3.1架空线路（1）架空线路的导线和避雷线（2）架空线路的杆塔3.2电缆线路特点电缆线路的价格较架空线路高，电压愈高，两者差别愈大。,,耐张杆塔直线杆塔转角杆塔和直线转角杆塔终端杆塔换位杆塔跨越杆塔,64,4.无功功率补偿设备,在电力系统中的变电所或直接在电能用户变电所装设无功功率电源,以改变电力系统中无功功率的流动,从而提高电力系统的电压水平，减小网络损耗和改善电力系统的动态性能，这种技术措施称为无功功率补偿。无功功率补偿-装置①并联电容器组是一种静态的无功补偿装置。用它进行的补偿称为并联电容补偿。②同步调相机；③静止无功补偿器。（后两者属于动态的无功补偿装置）,65,本章总结,课程内容电力系统概述电力系统接线方式和电压等级电力系统基本元件概述本章重点电力系统的构成电能生产特点电力系统运行的基本要求接线方式及特点电压等级及电压分布中性点运行方式及特点,66,习题,电力系统互联有那些优势试述我国电压等级的配置情况。电力系统中性点接地方式与电压等级有何关系答案见电力系统分析同步练习册徐政，浙江大学出版社，2002版，全国高等教育自学考试指导委员会组编,