《電能系統(tǒng)基礎(chǔ)》課程概論

1、電能系統(tǒng)基礎(chǔ)信電學(xué)院2022-7-4自我介紹l張 曉l83995557(辦) l方永麗能系統(tǒng)基礎(chǔ)概論l1.課程定位l2.研究對(duì)象l3.知識(shí)體系l4.學(xué)科發(fā)展熱點(diǎn)l5.教學(xué)內(nèi)容l6.課程要求l7.參考書1.課程定位l電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)核心課程l電力學(xué)科的基礎(chǔ)課程l電力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)研究生入學(xué)考試專業(yè)課程2.研究對(duì)象電力系統(tǒng)l電力系統(tǒng)： 完成電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)的統(tǒng)一整體。通常由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和負(fù)荷等電力設(shè)備組成的三相交流系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)的元件分兩類：一類是電力元件（一次元件）電力元件（一次元件），包括生產(chǎn)、變換、輸送與分配、

2、消費(fèi)電能的元件。一類是控制元件（二次元件）控制元件（二次元件） ，保證一次系統(tǒng)安全/可靠/經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的信息系統(tǒng)及操作機(jī)構(gòu)。l本課程主要研究對(duì)象為電力系統(tǒng)一次系統(tǒng)，即電力元件組成的網(wǎng)絡(luò)。 2.研究對(duì)象電力系統(tǒng) l發(fā)電機(jī)：完成電能生產(chǎn)，將一次能源轉(zhuǎn)換成二次能源（電能）。l變壓器、電力線路：電能的輸送和分配l負(fù)荷（用戶）：電能消費(fèi),將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，包括電動(dòng)機(jī)、照明、電爐等。2.1 發(fā)電廠：電能生產(chǎn) l1.火力發(fā)電l2.水力發(fā)電l3.核能發(fā)電l4.風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等新能源發(fā)電。2.1.1 火力發(fā)電l燃料：煤、石油、天然氣l化學(xué)能熱能機(jī)械能電能l目前最主要電源，比例大約70l組成：

3、 燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)l存在問題： 安全問題：采礦和運(yùn)輸中的安全問題 環(huán)境問題：酸雨、溫室效應(yīng)、可吸入顆粒物等 效率問題：效率較低?；鹆Πl(fā)電廠全景2.1.2 水力發(fā)電l河流水勢(shì)能水動(dòng)能機(jī)械能電能l目前最重要的電源之一，比例大于10l容量取決于水位差和流量l組成： 水庫、水輪機(jī)、電力系統(tǒng)2.1.2 水力發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：l最干凈能源之一l最廉價(jià)能源之一，無需燃料，運(yùn)行維護(hù)簡單l綜合水利工程：同時(shí)解決發(fā)電、防洪、灌溉和航運(yùn)等多方面問題l良好的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)性能：啟動(dòng)到并網(wǎng)供電速度快（5分鐘） ，啟動(dòng)簡單，適于遙控。可滿足電力需求的快速變化。缺點(diǎn)：l建設(shè)問題： 投資大，工期長，存在國防安全。庫區(qū)

4、移民、淹沒耕地、破壞文物、可能破壞生態(tài)平衡、破壞自然景觀等l運(yùn)行問題：發(fā)電出力受氣象、水文、防洪、灌溉和航運(yùn)等綜合影響，分枯水期和豐水期，出力不穩(wěn)定，增加電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性。長江三峽水電站全景圖三峽大壩及左岸電站廠房2.1.3 核能發(fā)電l鈾等核燃料核裂變，核能熱能機(jī)械能電能l目前主要的電源之一，比例大于10，作為一種新型的巨大能源，發(fā)展迅速。l組成： 反應(yīng)堆、汽水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)l秦山核電站、大亞灣核電站等2.1.3 核能發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：l大量節(jié)省煤、石油等燃料，避免燃料的運(yùn)輸。如50萬KW電廠，150萬T煤/年，20T鈾/年l與火電相比，造價(jià)高，但發(fā)電成本低30-50，因此規(guī)模越大越合算。

5、缺點(diǎn)：l對(duì)放射性污染的擔(dān)心，在技術(shù)上能較好處理污染防護(hù)和放射性核廢料的處理問題，但事故仍有發(fā)生。 2.1.4 發(fā)展中的新能源發(fā)電l有風(fēng)能、地?zé)帷⑻柲?、潮汐能等等。l新能源主要是潔凈的、可再生的能源，是未來的主要發(fā)展形式，是當(dāng)前國際上研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。l這些新能源容量很小、分散性大，屬分布式電源?；ヂ?lián)后在運(yùn)行安全和管理方面存在著很多特殊問題。2.2 變壓器、電力線路 主要電能的輸送和分配。 包括輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。2.2.1 高壓輸電網(wǎng)高壓輸電網(wǎng)l高壓輸電網(wǎng)：l高壓輸電網(wǎng)主要是將遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的發(fā)電廠大量電能，經(jīng)高壓輸電線送到鄰近負(fù)荷中心的樞紐變電所。l輸電網(wǎng)還用來與相鄰的電力網(wǎng)相聯(lián)，或與相鄰電力網(wǎng)

6、的高壓樞紐變電所相聯(lián)。l輸電電壓通常為220KV及以上。l特點(diǎn)l電壓等級(jí)220KV以上，是整個(gè)電力網(wǎng)的主干。l由大型發(fā)電廠升壓站和樞紐變電所連接組成。2.2.2.配電網(wǎng)絡(luò)配電網(wǎng)絡(luò)l配電網(wǎng)可分為高壓、中壓和低壓配電網(wǎng)。配電網(wǎng)可分為高壓、中壓和低壓配電網(wǎng)。l高壓配電網(wǎng)的電壓一般在高壓配電網(wǎng)的電壓一般在35110KVl中壓配電網(wǎng)的電壓一般為中壓配電網(wǎng)的電壓一般為620KV，用于將，用于將電能送到用戶或配電變壓器電能送到用戶或配電變壓器l低壓配電網(wǎng)的電壓為低壓配電網(wǎng)的電壓為380/220V，用于向小用，用于向小用戶供電。戶供電。2.3 負(fù)荷l負(fù)荷（用戶）: 電能消費(fèi),將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，包括電

7、動(dòng)機(jī)、照明、電爐等。l電力系統(tǒng)負(fù)荷是電力用戶所需功率的總和，也稱電力系統(tǒng)綜合用電負(fù)荷。動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)與電力網(wǎng)示意圖23kV水庫反應(yīng)堆鍋爐23kV500kV500kV230kV230kV20kV220kV330kV500kV110kV110kV380/220V至相鄰系統(tǒng)的互聯(lián)線路區(qū)域電力系統(tǒng)供配電系統(tǒng)工業(yè)用戶工業(yè)用戶10kV小型燃汽輪機(jī)市政生活商業(yè)電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)示意圖發(fā)電廠、變電所其他高壓電氣設(shè)備l開關(guān)設(shè)備l斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等l保護(hù)設(shè)備l熔斷器、避雷器、電抗器等l測(cè)量設(shè)備l電流互感器、電壓互感器主接線基本形式的主接線基本形式的分類分類主接線方式 有匯流母線 無匯流母線（無母線

8、）單母線 雙母線簡單單母線單母分段單母帶旁母單母分段帶旁母雙母線雙母單分段雙母帶旁母3/2接線（一個(gè)半斷路器）橋形接線（內(nèi)橋、外橋）多邊形接線單元接線擴(kuò)大單元接線QF雙母線接線雙母線接線1W1L2L3L4L2W電力系統(tǒng)的電氣主接線-雙母線接線雙母線接線母線隔離開關(guān)母線及隔離開關(guān)斷路器、電流互感器斷路器、電流互感器2.4 電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式l110kV及以上：直接接地l380V/220V：直接接地l10kV66kV： 不接地 經(jīng)消弧線圈接地 經(jīng)低阻接地等3.知識(shí)體系課程所涉及的知識(shí)涵蓋了電氣工程學(xué)科電源側(cè)的主要內(nèi)容，構(gòu)成電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向基礎(chǔ)知識(shí)的主體，主要內(nèi)容包括：l電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)l

9、介紹電力系統(tǒng)的基本常識(shí)l電力系統(tǒng)分析l是本課程的核心內(nèi)容l分析研究電力系統(tǒng)在正常和故障狀態(tài)下的運(yùn)行規(guī)律l電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備l設(shè)備認(rèn)識(shí)與選型3.1電能系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)l電力工業(yè)發(fā)展概況l電能系統(tǒng)的概念、組成l電能質(zhì)量的內(nèi)涵：電壓、頻率、波形l三相電能系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式l電能系統(tǒng)的運(yùn)行、監(jiān)視、控制與保護(hù)概述3.2電力系統(tǒng)分析的研究內(nèi)容電力系統(tǒng)分析的研究內(nèi)容主要包括：l電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析l電力系統(tǒng)暫態(tài)分析 分為：電磁暫態(tài)過程 機(jī)電暫態(tài)過程3.2.1電力系統(tǒng)分析方法概述電力系統(tǒng)分析實(shí)際上是電路理論、磁路理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。l其分析計(jì)算的一般過程是：l首先將待求物理系統(tǒng)進(jìn)行分析簡化，抽象出等效電路，然后

10、確定其數(shù)學(xué)模型（建立求解方程），最后用數(shù)學(xué)方法求解，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。3.2.1電力系統(tǒng)分析方法概述電力系統(tǒng)分析方法：電力系統(tǒng)分析方法：(1)電力系統(tǒng)的描述電力系統(tǒng)的描述 運(yùn)行參量 比如： P、Q、V、I、f、相位角、功角 系統(tǒng)物理參數(shù) 比如：R、X、B、G(2)電力系統(tǒng)建模電力系統(tǒng)建模l電力元件的建模（發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、負(fù)荷等）的穩(wěn)態(tài)模型、暫態(tài)模型；l電力系統(tǒng)的建模直流穩(wěn)態(tài)模型（標(biāo)量方程）、交流穩(wěn)態(tài)模型（向量方程）、暫態(tài)模型（微分方程） (3)分析方法分析方法l基于手算的近似實(shí)用計(jì)算l基于矩陣計(jì)算的計(jì)算機(jī)算法3.2.2電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行規(guī)律，借主要研究電

11、力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行規(guī)律，借以指導(dǎo)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的能量管理與調(diào)以指導(dǎo)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的能量管理與調(diào)度。教學(xué)內(nèi)容包括：度。教學(xué)內(nèi)容包括：l電力元件的建模：電氣參數(shù)及等值電路l電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算（重點(diǎn)）l電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整l電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整3.2.2.1電力元件的建模l將電力元件抽象化，使用物理參數(shù)和電路模型等值描述元件的輸入輸出規(guī)律l包括：發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、負(fù)荷等在穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)過程中的模型3.2.2.2電力系統(tǒng)潮流計(jì)算l穩(wěn)態(tài)分析的核心內(nèi)容，主要研究電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)的功率分布（潮流）和電壓分布。l數(shù)學(xué)模型是功率形式的節(jié)點(diǎn)電壓方程l手算法常采用逐節(jié)點(diǎn)遞推

12、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)損耗和節(jié)點(diǎn)電壓，然后計(jì)算潮流分布l計(jì)算機(jī)算法可采用多種非線性方程的求解方法，比如牛頓-拉夫遜法等。3.2.2.3電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整l目的是研究電力系統(tǒng)電壓管理的基本規(guī)律l前提：電力系統(tǒng)無功分布近似解耦的影響電網(wǎng)電壓的分布l通過分析電力系統(tǒng)無功功率和電壓的關(guān)系，指導(dǎo)合理選擇電壓監(jiān)視點(diǎn)和確定電壓調(diào)整措施。3.2.2.4電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整l目的是研究電力系統(tǒng)頻率管理的基本規(guī)律l前提：電力系統(tǒng)有功功率平衡近似解耦的影響電網(wǎng)頻率的變化l通過分析電力系統(tǒng)有功功率和頻率的關(guān)系，指導(dǎo)電力系統(tǒng)頻率調(diào)整措施。3.2.3電力系統(tǒng)暫態(tài)分析l所謂暫態(tài)指電力系統(tǒng)兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的過渡過程。l暫態(tài)分

13、析研究電力系統(tǒng)在系統(tǒng)參數(shù)突變（一般指故障）后的運(yùn)行規(guī)律，主要關(guān)注運(yùn)行變量的變化規(guī)律，比如短路電流的變化規(guī)律，借以指導(dǎo)電力系統(tǒng)的事故處理、設(shè)備選型和保護(hù)整定。l教學(xué)內(nèi)容包括：l電磁暫態(tài)過程分析（短路計(jì)算）l機(jī)電暫態(tài)過程分析（穩(wěn)定性分析）3.2.3.1電力系統(tǒng)故障分類l故障分類l短路故障：三相短路、兩相短路、兩相短路接地、單相短路接地l斷線故障3.2.3.2電磁暫態(tài)過程分析l電磁暫態(tài)過程指電力系統(tǒng)的擾動(dòng)尚未對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯影響的情況下的變化過程分析。l電磁暫態(tài)過程分析主要研究短路和斷線故障，所以常被稱為電力系統(tǒng)故障分析。l對(duì)于不對(duì)稱故障，要使用對(duì)稱分量法，建立網(wǎng)絡(luò)的正序、負(fù)序和零序模型，在

14、序量求解后在還原為相的量值。3.2.3.2電磁暫態(tài)過程分析l電磁暫態(tài)過程分析的教學(xué)內(nèi)容l電力系統(tǒng)對(duì)稱短路計(jì)算l電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路計(jì)算l電力系統(tǒng)的斷線分析3.2.3.3機(jī)電暫態(tài)過程分析l機(jī)電暫態(tài)過程指電力系統(tǒng)的擾動(dòng)已經(jīng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯影響的情況下的變化過程分析。其典型特征是頻率失去同步。l機(jī)電暫態(tài)過程分析主要研究電網(wǎng)在強(qiáng)擾動(dòng)下，發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率與電網(wǎng)頻率存在偏差的情況下的運(yùn)行規(guī)律。作為特征，主要分析能否維持系統(tǒng)穩(wěn)定的問題，所以常被稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。l電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析內(nèi)容：l靜態(tài)穩(wěn)定性l暫態(tài)穩(wěn)定性3.4電力系統(tǒng)電氣設(shè)備l電氣設(shè)備的認(rèn)識(shí)l結(jié)構(gòu)、功能、分類、基本原理l包括：發(fā)電機(jī)、變壓器

15、、送電線路、開關(guān)設(shè)備、避雷器、互感器等l電器設(shè)備選型的知識(shí)l選型理論：絕緣問題、發(fā)熱問題、受力問題l各種設(shè)備的選型條件l設(shè)備選型的計(jì)算條件*電力系統(tǒng)PS的主要研究內(nèi)容l規(guī)劃、設(shè)計(jì)及可靠性l暫態(tài)過程、穩(wěn)定性及安全性分析l人工智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用l高壓直流輸電HVDCl大功率電力電子器件的整流、逆變技術(shù)的應(yīng)用l交直流混合輸電是未來的理想輸電模式l靈活交流輸電技術(shù)FACTSl以靜止無功補(bǔ)償SVC、靜止調(diào)相器Statcom、綜合潮流控制器UPFC、可控串聯(lián)補(bǔ)償TCSC、有源電力濾波器APF等為核心實(shí)現(xiàn)的可以靈活調(diào)整交流電網(wǎng)的功率分布和電壓分布的綜合技術(shù)。 與教材相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容l電力系統(tǒng)基本知識(shí)l電力系統(tǒng)的參數(shù)及等值電路l潮流計(jì)算l調(diào)壓分析l調(diào)頻分析l短路計(jì)算l穩(wěn)定性分析l電力系統(tǒng)設(shè)備選型涉及的章節(jié)分布介紹（課本）課程要求l了解電力系統(tǒng)的基本常識(shí)l掌握電力系統(tǒng)基本分析方法l基本掌握電力系統(tǒng)電氣設(shè)備的選型知識(shí)l了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行與管理的基礎(chǔ)知識(shí)*注意理論知識(shí)與工程實(shí)際的結(jié)合點(diǎn)，重點(diǎn)把握基本理論！學(xué)習(xí)方法與考核