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01.第一章电力系统概述(第一讲)


第一章 电力系统概述
(Introduction to Power Systems) (第一讲)

1

问题
1、人类为何偏爱电能? 2、什么是电力系统? 3、电力系统如何组成?如何表示? 4、电力系统运行有何特点和要求? 5、互联电力系统是怎么回事? 6、如何对电力系统进行控制? 7、电能是如何生产的?

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§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
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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》)

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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。 目前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。 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) (石墨炸弹、电子炮弹)

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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。
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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
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简单电力系统的三相电路图
配电网 配电线路

发电机

升压变压器

输电线路

降压变压器 降压变压器 负荷

输电网

电力网络
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发电机1

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)
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二次系统如何组成? (信息系统,非本课程重点内容)
量测 通讯 计算机 保护 控制 (操作)
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通讯

控制

计算机 或人

电 力 系 统
通讯
量测

四、复杂电力系统如何表示?
单线图:实际电力系统非常复杂, 为突出重点,用单线代表三相,反 映电力设备间电联系
输电线
发电 升压变压 降压变压 配电线 降压变压 负荷



简单电力系统单线图
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五、如何构成更大的动力系统?
电力系统 发电厂动力部分 热力网 动力系统

发电厂动力部分:锅炉、汽轮机、 水库、水轮机、核反应堆等
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较复杂动力系统、单线图常用符号

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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
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电力系统与心血管系统

心血 系统 动画

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七、现代互联电力系统

联路线,交换功率,提高可靠性,系统 规模越来越大 Tie lines 联络线 系统直属电厂 输电系统 输电系统 系统直属电厂

地区发电厂

配电系统
用户 电力系统1

配电系统 用户 电力系统N

地区发电厂

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美国互联电力系统

美国 互联 电力系

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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)

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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 电网并联回路增多,故障电流大。

随着计算机等信息技术的应用,自 动化水平的提高,缺点逐步克服。

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八、如何对电力大系统运行进行控制?

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

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国调中 东 华 华 华

… …


辽 吉 龙 蒙 宁 林 江 东 河 北 山 蒙 北 天 湖 西 西 京 津 北
地 区 地

湖 河 江 南 南 西

县 1

县 m

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典型调度中心
国家电 调度中

东北电 调度中

吉林电 调度中
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典型调度自动化系统(二次信息系统)
广东电 调度自 化系统

调度自 化系统 原理图

深圳 画面
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§2 发电厂:电能生产 一、火力发电
燃料:煤、石油或天然气 化学能→热能→机械能→电能 目前最主要电源,比例大于70% 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。
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火力发电原理

火 发 原

火电 原理 (简单

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国内典型火电厂
上海 外高 火电

火电 夜景

北仑 火电

香港 青山 火电

台中 火电

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国外典型火电厂
日本 横滨 火电

德国 火电厂

德国 火电厂

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汽轮机-发电机

汽轮 发电 外观1

汽轮 发电 外观2

汽轮 发电 外观3

600MW 汽轮机 安装

600MW 发电机 穿转子
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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)
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二、水力发电
河流水势能→水动能→机械能→电能 目前最重要的电源之一,比例大于10% 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
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水力发电原理

水力发 原理

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国内典型水电厂

水电 夜景

二滩 水电站
(坝高240M, 6*550MW)

佛子 水电 大坝

丹江 水电

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二十世纪最大的水电工程

南美 伊泰 水电

20世纪最大水电站 18*700MW,年发电710亿度
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水轮机-发电机

水轮 发电 外观

水轮 转轮 吊装

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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 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
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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)

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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
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三、核能发电
铀等核燃料→核裂变(链式反应),核能 →热能→机械能→电能 目前主要电源之一,比例大于10% 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。
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核能发电原理

核能发 原理

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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 内景
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核能发电为什么会迅速发展?
1954年第一台核电机组在莫斯科近郊奥勃 宁斯克核电厂发电以来,发展迅速。 一种新型的巨大能源 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)
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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 染防护和放射性核废料的处理问题,但事故仍有发 生。
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四、正在发展中的新能源发电
有:地热、太阳能、风能、垃圾燃料、潮 汐能、燃料电池、生物质能、核聚变等等 新能源主要是洁净的、可再生的能源,是 未来的主要能源形式,是当前国际上研究 和开发的热点。 对新能源,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 在运行安全和管理方面存在很多特殊问题。
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新能源发电厂
风力 电场 风力 电场 青海 太阳能 光伏电

西藏 羊八井 地热电

法国 朗斯 潮汐电

最大潮汐电站,240MW 年发电量超5亿度
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