清华大学电力系统分析课件孙宏斌.pptx
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清华大学电力系统分析课件孙宏斌.pptx
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,第一章电力系统概述(IntroductiontoPowerSystems)(第一讲),1,问题,2,1、人类为何偏爱电能?
2、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?
4、互联电力系统是怎么回事?
5、如何对电力大系统进行控制?
6、电能是如何生产的?
3,1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。
美国1996年用电情况:
2.68kW/人(装机容量)1.3kW/人(用电量)显著优点:
洁净(从使用的角度看):
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,二、什么是电力系统?
(I),系统定义:
由相互作用、依赖的若干部分组成的具有特定功能的有机整体,它又从属于一个更大的系统(系统论),4,什么是电力系统?
(II),电力系统:
完成电能生产、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。
世界上最大的人造机器:
人类20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1/4国有资产)国防资源,电力安全是国防安全的基础(水库、火电厂、输电线路、核电厂)(战争:
石墨炸弹、恐怖袭击),5,三、电力系统如何组成?
一次系统(高电压,本课程研究的内容)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。
6,一次系统如何组成?
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)。
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,7,美国电力一次系统物理基本结构,8,简单电力系统的三相电路图,输电线路,降压变压器,升压变压器,发电机,配电网配电线路,降压变压器,负荷,输电网电力网络,9,负荷1电力线路(输/配)变压器(升/降压)负荷N电力网络发电机N电力网络与INTERNET(C/S结构),10,发电机1,二次系统如何组成?
(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,11,四、复杂电力系统如何表示?
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,简单电力系统单线图,发电机,输电线路,配电线路,降压变压器负荷,降压变压器,12,升压变压器,五、如何构成更大的系统?
电力系统发电厂动力部分热力网,发电厂动力部分:
锅炉、汽轮机、水库、水轮机、核反应堆等,动力系统,13,单线图常用符号(动力系统),14,六、电力系统运行特点与要求有哪些?
特点密切性短促性同时性,要求可靠性高(第1、2、3级负荷)质量高(频率、电压、波形)经济性好,公司经济效益,15,电力系统与心血管系统,心血管系统动画,16,17,七、现代互联电力系统,输电系统,输电系统,系统直属电厂,配电系统,联路线,交换功率,提高可靠性,系统规模越来越大Tielines联络线,配电系统,地区发电厂,系统直属电厂,地区发电厂,用户,电力系统1,用户,电力系统N,18,19,电力系统为何要互联?
减少总装机容量(错峰效应);减少备用容量(同时故障和检修概率小)提高供电可靠性、电能质量(故障和异常时相互支援);合理利用动力资源,可经济运行(水、小火电、经济分配),20,互联带来了什么问题?
超高压互联设备的投资大;系统规模大而复杂,运行难度大,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,故障电流大。
随着现代信息技术、控制技术应用,自动化水平的提高,缺点正在逐步克服。
21,电力大系统的运行风险:
多米诺骨牌,22,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,24,电力大系统的运行风险:
多米诺骨牌,25,2,电力大系统的运行风险:
多米诺骨牌,6,2,电力大系统的运行风险:
多米诺骨牌,7,美国互联电力系统的运行风险!
28,八、如何对电力大系统运行进行控制?
我国做法:
集中管理(系统的安全、经济性)分层控制(五级调度)调度自动化(以国家电网公司为例),29,国调中心,辽吉龙蒙河山蒙北天湖湖河江宁林江东北西西京津北南南西,地区,1,地区,县1,县m,东北,华北,华中,华东,30,典型调度中心,东北电网调度中心,国家电力调度中心,吉林电网调度中心,31,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,深圳站画面,32,33,2发电厂:
电能生产一、火力发电,目前最主要电源,比例大于70%燃料:
煤、石油或天然气化学能热能机械能电能组成:
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),电力系统:
发电机、变压器、输电线路等,火力发电原理,火力发电原理,火电原理(简单),34,国内典型火电厂,北仑火电厂,上海外高桥火电厂,台中火电厂,火电厂夜景,香港青山火电厂,35,国外典型火电厂,德国火电厂1,德国火电厂2,日本横滨火电厂,36,汽轮机-发电机,600MW汽轮机安装,汽轮机发电机外观1,汽轮机发电机外观2,600MW发电机穿转子,汽轮机发电机外观3,37,火力发电存在哪些问题?
安全问题:
采矿和运输中的安全性灾难。
社会代价:
采矿和运输的基础设施等环境问题:
酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等效率问题:
热电厂(热电联产)不可再生,38,二、水力发电,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容量取决于水位差和流量组成(较火电厂简单)水库水轮机电力系统:
发电机、变压器、输电线路等,39,水力发电原理,水力发电原理,40,国内典型水电厂,二滩水电站(坝高240M,6*550MW),佛子岭水电站大坝,水电厂夜景,41,二十世纪最大的水电工程,南美伊泰普水电站,42,20世纪最大水电站18*700MW,年发电710亿度,水轮机-发电机,水轮机转轮吊装,水轮机发电机外观,43,水力发电有哪些优点?
最干净能源之一最廉价能源之一:
无需燃料,运行维护简单可再生能源之一综合水利工程:
同时解决发电、防洪、灌溉和航运等多方面问题。
良好启动和调节性能:
启动到并网供电速度快(5分钟),火电厂(数小时);启动简单,适于遥控。
可满足电力需求的快速变化。
特殊的水电厂:
抽水蓄能电厂,起“削峰填谷”作用,44,目前世界上最大的抽水蓄能电站,广州抽水蓄能电站(8*300MW发电电动机组),45,水力发电存在哪些问题?
建设问题:
投资大,工期长,存在国防安全、库区移民、淹没耕地、破坏文物、可能破坏自然生态平衡、破坏自然景观等问题。
运行问题:
发电出力受气象、水文、防洪、灌溉和航运等综合影响,分枯水期和丰水期,出力不稳定,增加电力系统运行的复杂性。
刘家峡库区文物保护,46,三、核能发电,目前主要电源之一,比例大于10%铀等核燃料核裂变(链式反应),核能热能机械能电能组成:
反应堆(“原子锅炉”)汽水系统(汽轮机)电力系统:
发电机、变压器、输电线路等。
47,核能发电原理,核能发电原理,48,典型核电厂,秦山核电站(2*300MW)我国第一个核电站,大亚湾核电站(1800MW),大亚湾核电厂核岛反应堆内景,49,核能发电为什么会迅速发展?
1954年第1台,莫斯科,奥勃宁斯克核电厂一种新型的巨大能源,发展迅速煤/石油等火电燃料储量有限,不可再生发达国家的水资源基本开发殆尽一些资源贫乏国家“能源危机”,不得不发展核能(北朝鲜),50,核能发电有何优缺点?
大量节省煤、石油等燃料,避免燃料运输,如:
50万kW电厂,150万T煤/年:
20T铀/年。
无需空气助燃,选址灵活,可在地下、山洞里、水下或空气稀薄的高原。
与火电比,造价高,但发电成本低30-50%,规模愈大愈合算,超过50万kW,核电厂比火电厂合算。
问题:
对放射性污染的担心,技术上能较好处理污染防护和核废料,但事故仍有发生。
51,四、大力发展中的新能源发电,太阳能、风能、地热、垃圾燃料、潮汐能、燃料电池、生物质能、核聚变等洁净、可再生,未来主要能源形式,当前国际上研究开发的热点。
有些新能源,如:
太阳能和风力发电,容量很小,分散性大,属分布式电源,互联后在运行和管理方面存在不少特殊问题。
十一五国家科技计划重点发展,52,新能源发电厂,风力电场1,风力电场2,法国朗斯潮汐电站,西藏羊八井地热电站,青海太阳能光伏电站,53,最大潮汐电站,240MW年发电量超5亿度,第一章电力系统概述,1,(IntroductiontoPowerSystems)(第二讲)(回顾),问题,2,1、电能是如何传输的?
2、电力系统为何用功率作为变量?
3、交流电路的功率和复功率如何引入?
4、什么是电力系统负荷和负荷曲线?
5、典型负荷曲线有哪些?
有何用途?
3,3电力网:
电能输送和分配一、电力网有哪些主要设备?
除去发电机与负荷的子系统,本课程主要研究高压输电网,配电网看成负荷一部分。
主要设备:
输电线路、变电站设备(变压器、开关、母线等)。
超高压架空电力线路,断路器(一种开关),超高压电力电缆,线路施工现场,深圳站画面,变电站,电力变压器,4,带有开关的接线图,到系统的其他部分,发电机,变压器,开关,母线,负荷,输电线路,5,二、电力网络是如何接线的?
对保证供电的可靠、优质和经济性至关重要。
接线图:
两种类型电气接线:
电力设备间电气联接关系地理接线:
发电厂、变电所间相对地理位置及其联接路径接线方式(与计算机网络类似),综合考虑:
供电可靠、电压合格、运行灵活、操作安全、费用经济等因素。
开式,闭式,6,地理接线图,发电厂变电站,7,开式接线(从一个方向得电能),(a),(b),(c),(d),(e)一般配电网运行时,(f),放射式干线式链式无备用,有备用,闭式接线(多个方向获得电能),环式(单电源),8,闭式(多电源),两端供电式,输电网运行时,一些实际电力网,英国电网,巴黎电网,东京电网,纽约电网,伦敦电网,北京电网,9,远距离大容量输电为何要采用高电压进行?
!
10,三、电力网为何要采用高电压?
远距离大容量输电的压降和损耗:
容量:
S=U*I压降:
U=I*Z损耗:
PL=I2*R高电压高稳定性(后续内容讨论)考虑绝缘,发电机电压10-30kV,变压器升压到110-750kV;高压线远距离输电,变压器降压给负荷;大负荷6-110kV,民用负荷110/220V单相,11,线路电压与容量、距离的关系,四、为何要确定额定电压?
标准化:
避免电压等级数量的无限制扩大,导致互联困难。
最佳的技术经济性能:
电力设备需要在额定电压下进行优化设计、制造和使用。
需要确定的额定电压:
线路(即:
电网、用电设备)发电机变压器(升压、降压)的一次/二次侧,13,五、如何确定额定电压?
(电压分布:
5%),0.95UN1,1.1UN1,UN1,UN,UN1,1次侧1.05UN,0.95UN2,1.05U,N2,(1.1),1次U,14,N1,升压变1次侧接线路?
UUN2,N2,15,如何确定额定电压?
(原则),线路(电网)额定电压=用电设备额定电压发电机额定电压=1.05线路额定电压升压变压器额定电压:
一次侧=发电机额定电压(与发电机相联:
1.05)=线路额定电压(与线路相联)二次侧=1.10线路额定电压降压变压器额定电压:
如何确定额定电压?
(算例),16,六、高压直流输电(HVDC)简介,高压直流输电示意图,整流装置,逆变装置,三相交流,17,变压器,送电端,受电端,变压器,三相交流,直流电路,直流输电的优点?
适用于大系统互联:
两端交流系统无需同步运行,无需同频率,本身不存在稳定问题。
直流线路造价低:
费用相同时,架空线输电容量DC:
AC=3:
2,电缆比例更高。
能量
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- 清华大学 电力系统 分析 课件 孙宏斌
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