3 电气工程概论_第三章_电力系统及其自动化技术

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1、电气工程概论,1,第3章 电力系统及其自动化技术,电气工程概论,2,3.1 电力系统发展简史,一次能源：植物能源（柴草等）、矿物能源（煤、油、天然气等）、可再生能源（水、风、潮汐、地热、太阳能等）及核能（核裂变、核聚变）。 二次能源：由一种或多种一次能源经过转换或加工得到的能源产品，二次能源更具优越性,其利用效率高、清洁、方便。 电能是一种被极其广泛地应用的二次能源。电能可以方便地转换成机械能、光能等其它形式的能量供人们使用。电能已成为工业、农业、交通运输、国防科技及人民生活等各方面不可缺少的能源。,电气工程概论,3,311 电力工业简介,电力工业主要生产环节,发电 利用各种能源资源，生产电能

2、。,电力工业还包括以下环节：规划、勘测设计、施工建设、运行调度、维护改造、安全监察、科研开发、设备制造、教育培训、法规标准、电力营销（电力市场）等等。,电气工程概论,4,欧美电力发展史,电气工程概论,5,欧美电力发展史（续）,电气工程概论,6,欧美电力发展史（续）,电气工程概论,7,减小损耗的最合理的途径就是提高电压。 输电技术全部发展史的特征便是不断提高线路电压。,欧美电力发展史（续）,电气工程概论,8,新中国成立前的我国电力工业 中国的电力工业始于1882年，至今年已有124年的历史； 新中国成立前，全国发电装机容量仅为184.86万千瓦，年发电量只有43.1亿kWh，分别居当时世界第21

3、位和第25位； 输电电压很低，输电电压等级繁多，全国没有形成统一的电压级标准。,中国电力工业发展史,电气工程概论,9,电气工程概论,10,新中国成立后的我国电力工业 1949年新中国成立，我国电力工业迅速发展。到1978年，全国电力装机容量已达5712千瓦，比1949年增长近30倍；年发电量2566亿千瓦时，增长近59倍。 1987年，装机容量达亿千瓦； 1995年，装机容量达2亿千瓦； 2000年，装机容量达3亿千瓦； 2004年，装机容量达4亿千瓦。,电气工程概论,11,目前基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。 全国总装机4亿kW（2004年4月) ，发电量

4、为18000亿kWh （2003年底）均居世界第二位； 2007年，全国总装机达7.13亿kW， 发电量达到32559 亿kWh。,电气工程概论,12,3.2 电力系统简介,1、电力系统的功能与作用 电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统，按规定的技术和经济要求组成的一个同一系统。 发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备，也称为一次设备，由主设备构成的系统称为主系统，也称为一次系统； 测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为二次设备，二次设备构成的系统称为辅助系统，也称为二次系统。,电气工

5、程概论,13,电力系统的基本任务是安全、可靠、优质、经济地生产、输送与分配电能，满足国民经济和人民生活需要。 为了发挥电力系统的功能和作用，应满足以下基本要求： 满足用户需求； 安全可靠性要求； 经济性要求； 环保和生态要求。,电气工程概论,14,2、现代电力系统的特点 电力系统技术上的发展是以“大机组、大电网、高电压、高度自动化”为特征来描述； 数字化、网络化、信息化、智能化技术日益提高电力系统的自动化水平； 洁净煤技术、水电开发、核电的发展越来越得到重视，新能源的开发利用，特别是可再生能源的开发利用也是现代电力技术的发展趋势； 建立健全的电力市场机制是提高效率、降低成本，促进电力资产的合理

6、利用与发展的有效保证。,电气工程概论,15,3、电力资源与负荷 我国一次能源蕴藏量较为丰富，煤炭资源总蕴藏量为2.6亿万吨，列世界第2位；水力资源蕴藏量有6.76108kW，其中可供开发的就有3.7108kW，居世界首位；其他如石油、核料、风能、太阳能、地热等能源也较丰富。 中国资源的分布（西部为主）、中国能源的结构（水、煤为主）、中国经济的发展格局（东部领先）决定了中国电网的发展格局：西电东送、南北互供、全国联网。,电气工程概论,16,电力系统的负荷按供电可靠性分为三类： 一级负荷：对一级负荷中断供电，将可能造成生命危险、损坏设备、破坏生产过程，使大量产品报废，给国民经济造成重大损失，使市镇

7、生活发生混乱。 二级负荷：对二级负荷停止供电，将造成大量减产，交通停顿，使城镇居民生活受到影响。 三级负荷：不属于一、二级负荷的其他负荷。,电气工程概论,17,4、电力系统构成 电力系统是由发电厂、输配电系统及负荷组成的统一整体，通常覆盖广阔的地域。,电气工程概论,18,电气工程概论,19,电气工程概论,20,5、电力系统设备 一次设备是指电力系统中发电、变电、输电、配电、用电等设备的总称； 包括：发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用电设备等。 二次设备是指电力系统中用来测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备。 包括测

8、量仪表、控制装置、继电保护及自动装置、直流电源设备等。,电气工程概论,21,6、交流系统与直流系统 直流电是指电流的大小相对于时间是恒定的，方向也不改变。 交流电是指电流的大小及方向随时间做周期性变化。通常交流电是指按正弦规律变化的。,电气工程概论,22,电气工程概论,23,直流输电系统示意图,电气工程概论,24,7、电力系统的运行 电力系统的基本参量： 电压、电流、阻抗（电阻、电抗、容抗）、功率（有功功率、无功功率）、频率等。,电气工程概论,25,交流电路的功率,电气工程概论,26,发电厂类型,3.3 发电厂,电气工程概论,27,火力发电厂,火力发电厂是利用煤、油、天然气、油页岩等为燃料的发

9、电厂。按照发电方式可分为汽轮机发电、燃气轮机发电、内燃机发电、燃气蒸汽联合循环发电、供电又供热的“热电联产”的热电厂。,电气工程概论,28,火电机组现状 大机组比重小 2000年100MW及以下机组的容量占火电机组容量31.7% 火电厂煤耗高 2003年供电煤耗率平均为380g/kWh，约比世界先进水平差50g/kWh 火电机组品种单一 火电机组中95%是常规的燃煤火电机组,电气工程概论,29,制约因素 石油、天然气资源量不足 一次能源消费以煤炭为主，约占75%，煤电占总发电量的80%以上 环境问题 大气烟尘 温室效应 酸雨,电气工程概论,30,水力发电厂,水力发电厂是利用河流、水库的水位能来

10、发电的电厂。按照取水方式的不同，分为径流式、坝后式、河床式、抽水蓄能电厂。,电气工程概论,31,三峡工程简介,三峡工程位于长江西陵峡中段，湖北宜昌三斗坪，距宜昌约45km 三峡坝顶高程 185m，初期蓄水位 139m，正常蓄水位175m，坝顶全长1983m； 三峡左岸电站2003年首批6台机组发电， 2004年又有4台机组发电，计划2012年全部建成投产； 三峡工程是世界最大规模的水电枢纽工程，也是治理长江的关键工程，具有防洪、发电、航运、灌溉等综合效益；,电气工程概论,32,三峡电站分为左岸电站，右岸电站及右岸地下电站等个独立电站； 左岸电站装机14台，右岸电站装机12台，计划地下电站装机

11、6 台（预留扩建）； 单机容量 700/756 MW，总装机容量（只计地上电站）18.2/19.656 GW；初期139m水位是单机发电功率500MW 供电范围：华东、广东、华中（含重庆以及通过华中电网向华北电网送电） ； 三峡电站年发电量 84.7/91.5 TWh （只计地上电站） ；,电气工程概论,33,核电厂,原子能发电厂是用核燃料在反应堆中受控核裂变转化为热能，将水变为蒸汽推动汽轮机带动发电机发电的电厂。,电气工程概论,34,中国核电站,1991年，中国自主设计建设的第一座核电站秦山核电站建成投产； 1994年建成大亚湾核电站； 1996年开始，中国自主设计建设了秦山二期核电站；与国

12、外合作建设了岭澳核电站、秦山三期核电站和田湾核电站。 截至2004年7月，共有9台核电机组投入生产，总功率701万千瓦。,电气工程概论,35,新能源发电,新能源发电是利用太阳能、风能、地热、潮汐、海浪、海洋温差、沼气、垃圾、燃料电池等能源生产电能的发电厂。,电气工程概论,36,太阳能发电,利用太阳光能和热能来生产电能就是太阳能发电。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。 太阳能发电分光热发电和光伏发电。 在太阳能的有效利用当中，大阳光伏发电技术是近些年来发展最快，最具活力的技术研究领域。 在太阳能光伏技术应用中，尚待解决的技术问题还有很多，如：如何降低

13、太阳能电池的生产成本；如何提高太阳能电池的光电转化效率；高效率、低成本的电能储存技术；如何实现太阳能电池的最佳输出匹配等。,电气工程概论,37,太阳能光伏发电,光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。,电气工程概论,38,电气工程概论,39,地热发电厂,地热发电就是利用地表深处的地热能来生产

14、电能。 地球的内部非常热，其地心温度大约为4000，热能持续不断地在流向地面，从地表辐射出去并消失在太空中。 地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，是一门新兴的能源工业。 地热发电的基本原理与普通火力发电相似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，然后又把机械能变为电能。 现在大量应用的地热发电系统主要有两大类：地热蒸汽发电系统和双循环发电系统。 另外，在研究的地热发电系统还有全流发电系统和干热岩发电系统。 目前世界地热发电中多数为地热蒸汽发电，因为它技术成熟，运行安全可靠。,电气工程概论,40,地热发电厂,电气工程概论,41,风力发电,风力能源是由于太阳对大气层造

15、成的温差和地球表面不规则而引起。利用风力的动能就叫风力发电。 我国风能资源丰富，陆地理论储量亿千瓦，可 开发的装机容量约.亿千瓦，居世界首位，商业化、规模化发展潜力巨大。全国累计安装小型风力发电机近万台，用作解决西部无电地区农牧民生产生活用电。在广东、福建、内蒙古、新疆等地已建成个风电场，总装机容量近万千瓦。,电气工程概论,42,潮汐发电站,潮汐运动中蕴藏着巨大的能量。潮汐能的大小与水体大小及潮差大小有关； 实验表明，潮汐能量和海面的面积及潮差高度的平方成正比； 目前，利用潮汐发电是开发利用潮汐的主要方向。 潮汐发电与水力发电的原理相似，潮汐发电是利用潮差来推动水轮机转动，再由水轮机带动发电机

16、发电； 潮汐发电必须选择有利的海岸地形，修建潮汐水库，涨潮时蓄水，落潮时利用其势能发电； 单库单向型，只能在落潮时发电。单库双向型：在涨、落潮时都能发电。双库双向型：可以连续发电，但经济上不合算，未见实际应用。,电气工程概论,43,全国潮汐能资源的理论蕴藏量为1.9108kw，可开发利用的装机容量为2157104kw，可开发的年电量为618xl08kwh，占世界潮汐能总量的110。 中国沿海已建成9座小型潮汐电站，1980年建成的江厦潮汐电站是我国第一座双向潮汐电站，也是目前世界上较大的一座双向潮汐电站，其总机容量为3200千瓦，年发电量为1070万度。 江厦潮汐试验电站位于浙江省温岭县江厦港的下游。该港为乐清湾北端的一个封闭式半日浅海潮港，平均潮差为5.08m，最大潮差达8.39m。它是我国最大的一座单库双向开发、生产和科研相结合的中间试验电站。,电气工程概论,44,3.4 电力网,电网的构成和功能,电力网络由不同电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置构成。 电力网络的功能是输送和分配电能并进行电压变换。 电力网可分为输电网和配电网，大型电力网的结构通常