第一章电力系统概述

• 重点： • 三大计算 1、标幺值计算 2、稳态计算：潮流；调频、调压 3、暂态计算：故障；稳定性
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第一章 电力系统概述
第一节 电力系统中能源的构成 第二节 电力系统的形成
第三节 电力系统的负荷
第四节 电力系统运行的特点及要求 第五节 电力系统的电压等级和规定 第六节 我国电力工业的发展
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第一章 电力系统概述 重点及难点：
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主 要 内 容
电 力 系 统 基 础
电力系统 稳态分析 （一）
正常稳态分析 计算（U、I、 P、Q、f ）
运行调整和优化
电力系统的基本概念 各元件的特性和模型 潮流计算
调频 调压
经济运行
电力系统 暂态分析 （二）
电磁暂态分析 （故障分析）
对称故障（三相短路） 不对称短路 静态 暂态
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正常稳态分析 （稳定性分析）
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三、风力发电
• 风能资源 风能就是指流动的空气所具有的能量，是由 太阳能转化而来的。 全球大气中总的风能量约为:1017kW， 可被开发利用的风能约为:2×1010kW， 比世界上可利用的水能: 大10倍。 因此，风能的开发利用具有非常广阔的前景。
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• 古代对风能的利用: 几千年(埃及最早)的历史:风车用于碾 谷和抽水、借风航行等
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• 2、并网运行 • 风力发电机与电网连接，向电网输送电能的运行 方式，是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥 易行的运行方式，并可达到节约矿物燃料的目的。 10kW以上直至兆瓦级的风力发电机皆可采用这种运行 方式。 • 在风能资源良好的地区，将几十、几百台或几千 台单机容量从数十千瓦、数百千瓦直至兆瓦级以上的 风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成 的风力发电机群体，称为风力发电场，简称风电场。 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其发出的电 能全部经变电设备送往大电网。
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•
1、冲击式水轮机
根据水流冲击转轮的部位和方向的不同， 冲击式水轮机可分为水斗式、斜击式和双击式。 水斗式水轮机应用最广泛，它的主要部件 有转轮、喷嘴、喷针、折向器、主轴和机壳。
图1－6 水斗式水轮机 1－转轮；2－喷嘴；3－转轮室；4－机壳；5－调节手轮；6－针阀 23
• 2、反击式水轮机
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图1－6 压水堆核电厂发电方式示意图
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问题 （1）辐射环境影响 排放的汽体、液体、固体废物 （2）非辐射环境影响 排放的废热、废水等
福建省在福鼎、福清 筹建核电站，作为能源的 过渡方案。
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表1-1 能源分类
可再生能源：水力
常规 能源 非可再生能源：煤、石油、天然气、核裂变 可再生能源：太阳能、风能、生物质能、海洋能、 地热能 非可再生能源：核聚变材料
一次 能源 能 源
二次 能源 新能源
电力、焦炭、煤气、汽油、煤油、柴油、重油、沼气、蒸汽、 热水
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(二)、资源的有效利用 人类生产和生活始终面临着一个无 法避免的问题：资源稀缺。
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• （6）偏远地区地广、人稀、风力资源丰富，风力发电 独立运行方式便于解决其供电问题。 • （7）风能具有间歇性，风力发电必须和一定的其他形 式供能或储能方式结合。 • （8）风能的能量密度低，空气的密度仅约为水的密度 的1/800，因此，同样单机容量下，风力发电设备的体 积大、造价高，单机最大容量也受到限制。 • （9）风力发电机组运转时发出噪声及金属叶片对电视 机与收音机的信号接收会造成干扰，对环境有一定影 响。
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火电厂生产过程 火电厂按照原动机不同可分为汽轮机电厂、燃气轮 机电厂、蒸汽—燃气轮机联合循环电厂。但从能量转换 观点分析，其基本过程都是：燃料的化学能→热能→机 械能→电能。 • 锅炉将燃料的化学能转化为蒸汽热能，蒸汽机将 蒸汽热能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能。 （如图1—5所示）。 • 火电厂的实际生产过程要复杂得多，还需要很多 辅助系统以维持其正常生产，如输煤系统、除灰系统， 供水系统、水处理系统等。
注重：能源开发与节约并重
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一、水力发电
我国水力资源
理论蕴藏量：6.98亿千瓦 技术可开发：4.93亿千瓦 经济可开发：3.95亿千瓦 目前已开发：1.08亿千瓦 • 水电站是将水能转变成电能的工厂， 能量转换过程：水能→机械能→电能。 水流量(m3/s)和水头（落差m）
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水电站的型式
（1）坝后式
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• 能源按使用情况进行分类，如表1-1所示。 • 凡从自然界可直接取得而不改变其基本形态的能 源称为一次能源。 • 由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源 称为二次能源。 • 在一定历史时期和科学技术水平下，已被人们广 泛应用的能源，称为常规能源。 • 那些虽古老但采用了新的先进的科学技术而加以 广泛应用的能源称为新能源。 • 凡在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充 的能源，称为可再生能源。 • 经过亿万年形成的，在短期内无法恢复的能源称 为非可再生能源。
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• （4）尾水管
图1－8 尾水管示意图
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水力发电的特点：
• （1）水能是可再生能源，没有损耗，没有污染。 • （2）不排放有害气体、烟尘和灰渣，没有核废 料。 • （3）水力发电的效率高，常规水电厂的发电效 率在80%以上。 • （4）机组起停灵活，输出功率增减快、可变 幅度大，便于调峰、调频和承担事故备用电源。 • （5）水库可以综合利用，承担防洪、灌溉、航 运、生活和生产用水、养殖、旅游等任务。 • （6）受丰枯变化的影响较大。 • （7）对生物资源生态环境有破坏。
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• 能源按其来源可以分为四类： • 第一类是来自太阳能。除了直接的太阳辐射
能之外，煤、石油、天然气等石化燃料以及生物质能、 水能、风能、海洋能等资源都是间接来自太阳能。
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第二类是以热能形式储藏于地球内部的地 热能，如地下热水、地下蒸汽、干热岩体等。 • 第三类是地球上的铀、钍等核裂变资源和 氘、氚、锂等核聚变资源。 • 第四类是月球、太阳等星体对地球的引力， 而以月球引力为主所产生的能量，如潮汐能。
重点： 1、电力系统的基本概念 难点： 电压等级
2、电力系统的基本要求
3、电压等级
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第一节 电力系统中能源的构成
• 能源开发与利用
• (一)能源资源 • 能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、 石油、天然气、水能等，也包括太阳能、风能、生物质能、 地热能、海洋能、核能等新能源。 • 能源资源是一种综合的自然资源。纵观社会发展史， 人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能 源时期，目前正向新能源时期过渡，并且无数学者仍在不 懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源。 • 但是，目前人们能利用的能源仍以煤炭、石油、天然 气为主，在世界一次能源消费结构中，这三者的总和约占 93%左右。
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图1－5 凝汽式火力发电厂生产系统组合示意图
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浙江华能火电厂
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火电厂锅炉外观
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三、 风力发电
• 风能就是指流动的空气所具有的能量，是由太阳 能转化而来的。 • 风能是一种干净的自然能源、可再生能源，同时 风能的储量十分丰富。 • 据估算，全球大气中总的风能量约为1017kW，其 中可被开发利用的风能约为2×1010kW，比世界上可 利用的水能大10倍。 • 因此，风能的开发利用具有非常广阔的前景。 (一)、风力发电机 从能量转换观点来看，风力发电的能量转换过程 为：空气动能→旋转机械能→电能，因此发电设备的 关键在于将截获的流动空气所具有的动能转化为机械 能的装置即风力机。
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• (三)、风力发电的特点 • （1）风能是可再生能源，不存在资源枯竭的问题。 • （2）风力发电是清洁的电能生产方式，不会造成空气 污染。 • （3）风力发电机组建设工期短，单台机组安装仅需几 周，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间。投资 规模灵活，可根据资金多少来确定，而且安装一台可投 产一台。 • （4）运行简单，可完全做到无人值守。 • （5）实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电 场约1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用，而且 对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件 下均可建设，还可建设大型海上风力发电场。
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（4）梯级电站
一级站厂
二级站厂
三级站厂
古田溪梯级 电站、 富泉溪梯级 电站
四级站厂
图1－4 梯级水电站布置示意图
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（5）抽水蓄能电站
图1－5 抽水蓄能式水电站
既是电源又是负荷，起到削峰填谷作用；
具有调频、调相、负荷备用、事故备用的功能。
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浙江天荒坪抽水 蓄能电站水库
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• 水电站的主要动力设备 ——水轮机 能将水能转换成旋转的机械能。 仅利用水流的动能转换为机械能的 水轮机称为冲击式水轮机。 同时利用水流的压能、动能转换成 机械能的水轮机称为反击式水轮机（最 广泛）。
• 授课教材： 《电力系统基础（第二版）》杨以涵主编，中国电 力出版社，2007 • 主要参考书目： 1、《电力系统概论》，杨淑英，中国电力出版 社.2003 2、《电力系统分析》，夏道止，中国电力出版社， 2004年9月。 3、《电力系统基础》，吴俊勇，北京交通大学出 版社 4、《电力系统稳态分析》第三版，陈珩, 中国电力 出版社, 2007.6
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四、 太阳能发电
1、太阳能资源
太阳能是地球的能源之母、万物生长 之源。 可再生能源，用之不竭，免费使用。 而且是清洁、无污染。
但是，太阳能的能流密度较低，还具有 间歇性和不稳定性。
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• 五、核能发电 • 核电厂是利用核裂变能转化为热能，再按火电厂 的发电方式，将热能转换为电能，它的原子核反应堆 相当于锅炉。核反应堆中，除装有核燃料外，还以重 水或高压水作为慢化剂和冷却剂，所以，反应堆又可 分为重水堆、压水堆等。图1—6为压水堆核电厂发电 方式示意图。 • 核反应堆内，铀-235在中子撞击下，使原子核发 生裂变，产生的巨大能量主要以热能形式被高压水带 至蒸汽发生器，在此产生蒸汽，送至汽轮发电机组。 • 1kg铀-235所发出的电力约等于2700t标准煤所发 出的电力。
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二、 火力发电
• 火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然 气或其他燃料的化学能生产电能的工厂。 • 我国电源构成是以火电为主，至2004年底，全国 总装机容量为44070万kW，火电装机容量为 32490万 kW,占我国发电装机总容量的 73.7 %。 • 火电厂按使用燃料的不同可分为燃煤、燃油和燃 气等几类电厂。我国的煤炭资源比较丰富，燃煤火电 厂是我国目前电能生产的主要方式。
• 现代对风能的利用： 风力发电
如：新疆达板城风电场、福建平潭、东山 等地风电场
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一、风力发电机 （1）风力发电的能量转换过程：
空气动能→ 旋转机械能 →
风力机
电能
发电机
与电风扇对照！！！
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• (二)、风力发电的运行方式 • 风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统所 组成，其中风力机完成风能到机械能的转换，发电机 及其控制系统完成机械能到电能的转换。 • 风力发电的运行方式通常可分为独立运行和并网 运行。 • 1、独立运行 • 发电机组的独立运行是指机组生产的电能直接供 给相对固定的用户的一种运行方式。独立运行的风力 发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用。 • 为了实现不间断的供电，风力发电系统可与其他 动力源联合使用，互为补充，如风力—柴油发电系统 联合运行，风力—太阳能电池发电联合运行。
图1－1 水电站示意图 1－水库；2－压力水管；3－水电站厂房；4－水轮机 5－发电机；6－尾水渠道
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示例：
水口水电厂
三峡电站
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三峡电站
水轮机
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wenku.baidu.com
（2）河床式水电站
图1－2 河床式水电站示意图
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葛洲坝水电站
（河床式）
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（3）引水式水电站
图1－3 引水式水电站示意图
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引水式 电站示例
反击式水轮机种类很多，有混流式、斜流 式、轴流式（定浆式、转浆式）、贯流式（全 贯流式、半贯流式）。
主要由水轮机室、导水机构、转轮和泄水 机构四大部分组成。
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（1）水轮机室 是引水机构，常称蜗壳，其作用是将引水 管来的水流沿圆周方向均匀导向转轮。
图1－7 蜗壳外形图
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• （2）导水机构 导水机构的作用是使水流沿着有利的 方向进入水轮机的转轮。 调整导叶的开度，调节进入转轮的流 量，从而改变水轮机的输出功率。导水机 构关闭导叶，可使水轮机停止运行。 • （3）转轮