電力系統(tǒng)規(guī)劃--電力電量平衡

1、1 電力系統(tǒng)規(guī)劃 Power System Planning 電力電量平衡電力電量平衡 胡博/博士 Email: 2 電力電量平衡(主要內(nèi)容) 各類發(fā)電站的特性(火電、水電、 核電、新能源) 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量平衡(電力平 衡、備用確定、電量平衡) 3 各類發(fā)電站的特性(概述) 煤炭、石油、天然氣 火力發(fā)電廠 發(fā)電廠：一次能源轉(zhuǎn)換為電能的工廠。 水的勢(shì)能 水力發(fā)電廠 核能 核電廠 新能源（風(fēng)能、 太陽(yáng)能、 潮汐、地?zé)幔?新能源電廠 4 按運(yùn)行狀況分類 基荷發(fā)電站 ：核電站、大型凝汽式電站、徑 流式水電站 腰荷發(fā)電站：中型凝汽式電站、部分水電站 峰荷發(fā)電站：水電站、抽水蓄能電站、小型凝 汽式電站

2、、燃汽輪機(jī)電站 各類發(fā)電站的特性(概述) 5 火力發(fā)電廠：利用固體、液體、氣體燃料的 化學(xué)能來(lái)生產(chǎn)電能的工廠 原動(dòng)機(jī)：凝汽式汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、 內(nèi)燃機(jī) 我國(guó)大部分火電廠為凝汽式火力發(fā)電廠 化學(xué)能熱能機(jī)械能電能 燃燒原動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī) 各類發(fā)電站的特性(火電站) 6 鍋爐 煙囪 發(fā)電機(jī) 汽輪機(jī) 變壓器 輸電線路 熱量損失超過(guò)60% 各類發(fā)電站的特性(凝汽式火力發(fā)電廠示意圖) 7 出力和發(fā)電量較為穩(wěn)定 火電站有最小技術(shù)出力限制，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力差 火電機(jī)組啟動(dòng)技術(shù)復(fù)雜，啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，且需 耗費(fèi)大量燃料，承擔(dān)急劇變動(dòng)的負(fù)荷時(shí)易損傷 設(shè)備，因此不宜經(jīng)常啟停 。 火電站負(fù)荷的調(diào)節(jié)比較慢，我國(guó)部分300MW改 變負(fù)

3、荷的速率僅每分鐘12% 火電站所消耗的燃料和冷卻水量非常大 各類發(fā)電站的特性(火電站運(yùn)行特性) 8 水力發(fā)電廠：利用水庫(kù)、河流所蘊(yùn)藏的水力 資源來(lái)生產(chǎn)電能的工廠。 水電廠的類型 堤壩式 引水式 混合式 勢(shì)能機(jī)械能 電能 水輪機(jī)發(fā)電機(jī) 各類發(fā)電站的特性(水電站) 9 N：水流的發(fā)電功率，kW Q：某一時(shí)段內(nèi)的平均流量， m3/s H：河段的落差，又叫水頭，m ：水輪發(fā)電機(jī)組的效率 ， 例：某水電站多年平均流量流量為14300 m3/s ，水頭水頭110m， 設(shè)水輪電機(jī)組效率效率為95，則水電站出力約為： N = 9.81143001100.95/1000 =14660MW 9.81NQH 各類發(fā)

4、電站的特性(水電站的出力) 10 壩式水電站：攔河筑壩來(lái)提高開(kāi)發(fā)河段的水位以獲得 發(fā)電所需的水頭H 。 壩后式水電站 ：建筑中高水壩，以獲取較高的水頭， 其廠房建在壩的下游，不承受上游水壓力 河床式水電站：若地形、地質(zhì)等條件不允許修建高壩， 則可以利用低壩獲取水頭，此情況下，廠房成為擋水 建筑的一部分 各類發(fā)電站的特性(壩式水電站) 11 各類發(fā)電站的特性(壩式水電站) 12 上游 水庫(kù) 大壩 變壓器 發(fā)電機(jī) 下游 各類發(fā)電站的特性(壩后式水電廠示意圖) 13 進(jìn)水口 廠房 溢流壩 各類發(fā)電站的特性(河床式水電廠示意圖) 14 無(wú)壓引水式 ：沿河 岸修筑坡度平緩的 明渠或無(wú)壓隧洞來(lái) 集中落差

5、有壓引水式：使用 有壓隧道或管道來(lái) 集中落差 引水式水電站：沿河修建引水道，以使河段的落 差集中在引水道末的廠房處，從而獲得水頭H 各類發(fā)電站的特性(引水式水電站) 15 混合式水電站：在河段上綜合使用筑壩和建引水 道的方式以獲得水頭 H 各類發(fā)電站的特性(混合式水電站) 16 水電站的出力和發(fā)電量隨天然徑流量的情況而變 化 水頭的降低可使水輪發(fā)電機(jī)達(dá)不到額定發(fā)電出力 機(jī)組啟停迅速方便，適合在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào) 頻任務(wù)，從停機(jī)狀態(tài)到滿負(fù)荷運(yùn)行需幾分鐘，甚 至僅12分鐘 水電站的運(yùn)行費(fèi)用幾乎與生產(chǎn)的電量無(wú)關(guān) 各類發(fā)電站的特性(水電站運(yùn)行特性) 17 核電站：用核反應(yīng)堆將核燃料裂變產(chǎn)生的能 量轉(zhuǎn)變

6、為電能的發(fā)電廠。 核電站構(gòu)成：由核島（反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生 器）、常規(guī)島（汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)等）和配套 設(shè)施組成。 各類發(fā)電站的特性(核電站) 18 混凝土 防護(hù)殼 控制棒 反應(yīng)堆 加壓器 冷卻劑泵 蒸汽 發(fā)生器 給水泵 冷卻水 各類發(fā)電站的特性(壓水堆型核電廠示意圖) 汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 19 核聚變 核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定 條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用， 生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放 的一種核

7、反應(yīng)形式。的一種核反應(yīng)形式。 原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子 核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。如 果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原果是由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原 子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫子彈爆炸；如果是由輕的原子核變化為重的原子核，叫 核聚變，如太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。核聚變，如太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的能量來(lái)源。 20 核聚變 可控核聚變的發(fā)生條件產(chǎn)生可控核聚變需要的條件非?？量煽睾司圩兊陌l(fā)生條件產(chǎn)生可控核聚變需要的條件

8、非常苛 刻。我們的太陽(yáng)就是靠核聚變反應(yīng)來(lái)給太陽(yáng)系帶來(lái)光和熱，刻。我們的太陽(yáng)就是靠核聚變反應(yīng)來(lái)給太陽(yáng)系帶來(lái)光和熱， 其中心溫度達(dá)到其中心溫度達(dá)到1500萬(wàn)攝氏度，另外還有巨大的壓力能使萬(wàn)攝氏度，另外還有巨大的壓力能使 核聚變正常反應(yīng)，而地球上沒(méi)辦法獲得巨大的壓力，只能核聚變正常反應(yīng)，而地球上沒(méi)辦法獲得巨大的壓力，只能 通過(guò)通過(guò)提高溫度來(lái)彌補(bǔ)提高溫度來(lái)彌補(bǔ)，不過(guò)這樣一來(lái)溫度要到上億度才行。，不過(guò)這樣一來(lái)溫度要到上億度才行。 核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲](méi)有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能靠核聚變?nèi)绱烁叩臏囟葲](méi)有一種固體物質(zhì)能夠承受，只能靠 強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束。 21 核聚變 目前，可行性較大的可控核

9、聚變反應(yīng)裝置就是目前，可行性較大的可控核聚變反應(yīng)裝置就是托卡馬克托卡馬克 裝置裝置。 托卡馬克是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容托卡馬克是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容 器。它的名字器。它的名字Tokamak 來(lái)源于環(huán)形、真空室、磁、線圈。來(lái)源于環(huán)形、真空室、磁、線圈。 最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫 維齊等人在維齊等人在20世紀(jì)世紀(jì)50年代發(fā)明的。年代發(fā)明的。 托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。托卡馬克的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。 在通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)，在

10、通電的時(shí)候托卡馬克的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場(chǎng)， 將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的核聚變的 目的目的。 22 需要連續(xù)地以額定功率運(yùn)行，在電力系統(tǒng)中總是分擔(dān)基荷 主要設(shè)備及輔助設(shè)備非常復(fù)雜，檢修時(shí)間較長(zhǎng)，故有核電 站的電力系統(tǒng)通常需要設(shè)置較大的發(fā)機(jī)機(jī)組備用容量，并 要求有抽水蓄能機(jī)組等進(jìn)行調(diào)峰配合 核燃料以少勝多 ：一座100萬(wàn)kW壓水堆核電站一年只需要 25-30t低濃縮鈾作為燃料，而同容量的燃煤火電站一年需 要250萬(wàn)噸原煤。 各類發(fā)電站的特性(核電站運(yùn)行特性) 23 各類發(fā)電站的特性(抽水蓄能電站) 24 各類發(fā)電站的特性(抽水蓄能

11、電站發(fā)電模式) 25 各類發(fā)電站的特性(抽水蓄能電站蓄能模式) 26 削峰填谷，提高系統(tǒng)最小負(fù)荷率 擔(dān)任系統(tǒng)備用容量(比如與核電站配合，替代火電機(jī) 組充當(dāng)事故備用) 擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)，在系統(tǒng)中擔(dān)任負(fù)荷備用 可擔(dān)任調(diào)相任務(wù) 各類發(fā)電站的特性(抽水蓄能電站運(yùn)行特性) 27 風(fēng)力發(fā)電 太陽(yáng)能發(fā)電 地?zé)岚l(fā)電 潮汐發(fā)電 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電) 28 風(fēng)力取之不盡，用之不竭 無(wú)污染 出力具有隨機(jī)性，對(duì)系統(tǒng) 會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng) 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電風(fēng)力發(fā)電) 29 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電風(fēng)力發(fā)電) 30 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電地?zé)岚l(fā)電) 31 潮汐發(fā)電：利用海水漲潮、落潮中的動(dòng)能

12、和勢(shì) 能來(lái)發(fā)電 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電潮汐發(fā)電) 32 各類發(fā)電站的特性(其他能源發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電) 33 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量平衡(概述) 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量平衡 PowerEnergy單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng) 34 max 11 maxmax 11 (1) () HT HT NN HjTkf jk NN HjTkfrrf jk CCPr CCPCCPr 或 其中 CHj：第j個(gè)水電站的有效容量 CTk：第k個(gè)火電站的有效容量 NH：系統(tǒng)中水電站的個(gè)數(shù) NT：系統(tǒng)中火電站的個(gè)數(shù) Pfmax：系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷功率 r：備用系數(shù) Cr：系統(tǒng)備用容量 Hydro Thermal 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量

13、平衡(電力平衡) 35 電力平衡的主要目的 確定系統(tǒng)所需的發(fā)電設(shè)備容量 確定各類電站的建設(shè)規(guī)模及裝機(jī)進(jìn)度 確定與其它系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的合理性 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量平衡(電力平衡) 36 負(fù)荷備用（熱備用） 一般取系統(tǒng)一般取系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷的最大發(fā)電負(fù)荷的2%5%2%5%，大系統(tǒng)取小值，小系統(tǒng)，大系統(tǒng)取小值，小系統(tǒng) 取大值取大值 事故備用 （一部份為熱備用，一部份為冷備用） 一般取最大發(fā)電負(fù)荷的10%，且要求事故備用容量應(yīng)不小于 系統(tǒng)中一臺(tái)最大發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量 檢修備用 系統(tǒng)檢修備用容量一般取系統(tǒng)系統(tǒng)檢修備用容量一般取系統(tǒng)最大發(fā)電負(fù)荷的最大發(fā)電負(fù)荷的8%15%8%15%。 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，電力系統(tǒng)的總備用容量不低 于最大發(fā)電負(fù)荷功率的20% 。 增加 RCr可靠性 ，但同時(shí)投資 發(fā)電系統(tǒng)的電力電量平衡(備