《电能系统基础》课程概论课件

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1、电能系统基础,信电学院 2020/9/16,自我介绍,张 晓 83995557(办) 13705217567 方永丽 13815307260,电能系统基础概论,1.课程定位 2.研究对象 3.知识体系 4.学科发展热点 5.教学内容 6.课程要求 7.参考书,1.课程定位,电气工程及自动化专业核心课程 电力学科的基础课程 电力系统及自动化专业研究生入学考试专业课程,2.研究对象电力系统,电力系统： 完成电能生产、输送、分配和消费的统一整体。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。 电力系统的元件分两类： 一类是电力元件（一次元件），包括生产、变换、输送与分配、消费电能

2、的元件。 一类是控制元件（二次元件） ，保证一次系统安全/可靠/经济运行的信息系统及操作机构。 本课程主要研究对象为电力系统一次系统，即电力元件组成的网络。,2.研究对象电力系统,发电机：完成电能生产，将一次能源转换成二次能源（电能）。 变压器、电力线路：电能的输送和分配 负荷（用户）：电能消费,将电能转换成其他形式的能量，包括电动机、照明、电炉等。,2.1 发电厂：电能生产,1.火力发电 2.水力发电 3.核能发电 4.风力发电、潮汐发电、地热发电等新能源发电。,2.1.1 火力发电,燃料：煤、石油、天然气 化学能热能机械能电能 目前最主要电源，比例大约70 组成： 燃烧系统、汽水系统、电力

3、系统 存在问题： 安全问题：采矿和运输中的安全问题 环境问题：酸雨、温室效应、可吸入颗粒物等 效率问题：效率较低。,火力发电厂全景,2.1.2 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： 水库、水轮机、电力系统,2.1.2 水力发电的优缺点,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 良好的启动和调节性能：启动到并网供电速度快（5分钟） ，启动简单，适于遥控。可满足电力需求的快速变化。 缺点： 建设问题： 投资大，工期长，存在国防安全。库区移民、淹没耕地、

4、破坏文物、可能破坏生态平衡、破坏自然景观等 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。,长江三峡水电站全景图,三峡大坝及左岸电站厂房,2.1.3 核能发电,铀等核燃料核裂变，核能热能机械能电能 目前主要的电源之一，比例大于10，作为一种新型的巨大能源，发展迅速。 组成： 反应堆、汽水系统、电力系统 秦山核电站、大亚湾核电站等,2.1.3 核能发电的优缺点,优点： 大量节省煤、石油等燃料，避免燃料的运输。如50万KW电厂，150万T煤/年，20T铀/年 与火电相比，造价高，但发电成本低30-50，因此规模越大越合算。 缺点

5、： 对放射性污染的担心，在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。,2.1.4 发展中的新能源发电,有风能、地热、太阳能、潮汐能等等。 新能源主要是洁净的、可再生的能源，是未来的主要发展形式，是当前国际上研究和开发的热点。 这些新能源容量很小、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着很多特殊问题。,2.2 变压器、电力线路,主要电能的输送和分配。 包括输电网和配电网。,2.2.1 高压输电网,高压输电网： 高压输电网主要是将远离负荷中心的发电厂大量电能，经高压输电线送到邻近负荷中心的枢纽变电所。 输电网还用来与相邻的电力网相联，或与相邻电力网的高压枢纽

6、变电所相联。 输电电压通常为220KV及以上。 特点 电压等级220KV以上，是整个电力网的主干。 由大型发电厂升压站和枢纽变电所连接组成。,2.2.2.配电网络,配电网可分为高压、中压和低压配电网。 高压配电网的电压一般在35110KV 中压配电网的电压一般为620KV，用于将电能送到用户或配电变压器 低压配电网的电压为380/220V，用于向小用户供电。,2.3 负荷,负荷（用户）: 电能消费,将电能转换成其他形式的能量，包括电动机、照明、电炉等。 电力系统负荷是电力用户所需功率的总和，也称电力系统综合用电负荷。,动力系统、电力系统与电力网示意图,发电厂、变电所其他高压电气设备,开关设备

7、断路器、隔离开关、接地开关等 保护设备 熔断器、避雷器、电抗器等 测量设备 电流互感器、电压互感器,主接线基本形式的分类,主接线方式,有汇流母线,无汇流母线（无母线 ）,单母线,双母线,简单单母线 单母分段 单母带旁母 单母分段带旁母,双母线 双母单分段 双母带旁母 3/2接线（一个半断路器）,桥形接线（内桥、外桥） 多边形接线 单元接线 扩大单元接线,电力系统的电气主接线-双母线接线,母线,隔离开关,母线及隔离开关,断路器、电流互感器,断路器、电流互感器,2.4 电力系统中性点运行方式,110kV及以上：直接接地 380V/220V：直接接地 10kV66kV： 不接地 经消弧线圈接地 经低

8、阻接地等,3.知识体系,课程所涉及的知识涵盖了电气工程学科电源侧的主要内容，构成电力系统及其自动化方向基础知识的主体，主要内容包括： 电力系统基础知识 介绍电力系统的基本常识 电力系统分析 是本课程的核心内容 分析研究电力系统在正常和故障状态下的运行规律 电力系统的电气设备 设备认识与选型,3.1电能系统基础知识,电力工业发展概况 电能系统的概念、组成 电能质量的内涵：电压、频率、波形 三相电能系统的中性点运行方式 电能系统的运行、监视、控制与保护概述,3.2电力系统分析的研究内容,电力系统分析的研究内容主要包括： 电力系统稳态分析 电力系统暂态分析 分为：电磁暂态过程 机电暂态过程,3.2.

9、1电力系统分析方法概述,电力系统分析实际上是电路理论、磁路理论在电力系统中的应用。 其分析计算的一般过程是： 首先将待求物理系统进行分析简化，抽象出等效电路，然后确定其数学模型（建立求解方程），最后用数学方法求解，对结果进行分析。,3.2.1电力系统分析方法概述,电力系统分析方法： (1)电力系统的描述 运行参量 比如： P、Q、V、I、f、相位角、功角 系统物理参数 比如：R、X、B、G (2)电力系统建模 电力元件的建模 （发电机、输电线路、变压器、负荷等）的稳态模型、暂态模型； 电力系统的建模 直流稳态模型（标量方程）、交流稳态模型（向量方程）、暂态模型（微分方程） (3)分析方法 基于

10、手算的近似实用计算 基于矩阵计算的计算机算法,3.2.2电力系统稳态分析,主要研究电力系统在正常运行时的运行规律，借以指导电力系统在正常运行时的能量管理与调度。教学内容包括： 电力元件的建模：电气参数及等值电路 电力系统的潮流计算（重点） 电力系统的无功功率和电压调整 电力系统的有功功率和频率调整,3.2.2.1电力元件的建模,将电力元件抽象化，使用物理参数和电路模型等值描述元件的输入输出规律 包括：发电机、输电线路、变压器、负荷等在稳态、暂态过程中的模型,3.2.2.2电力系统潮流计算,稳态分析的核心内容，主要研究电力系统在正常运行时的功率分布（潮流）和电压分布。 数学模型是功率形式的节点电

11、压方程 手算法常采用逐节点递推计算网络损耗和节点电压，然后计算潮流分布 计算机算法可采用多种非线性方程的求解方法，比如牛顿-拉夫逊法等。,3.2.2.3电力系统的无功功率和电压调整,目的是研究电力系统电压管理的基本规律 前提：电力系统无功分布近似解耦的影响电网电压的分布 通过分析电力系统无功功率和电压的关系，指导合理选择电压监视点和确定电压调整措施。,3.2.2.4电力系统的有功功率和频率调整,目的是研究电力系统频率管理的基本规律 前提：电力系统有功功率平衡近似解耦的影响电网频率的变化 通过分析电力系统有功功率和频率的关系，指导电力系统频率调整措施。,3.2.3电力系统暂态分析,所谓暂态指电力

12、系统两个稳态之间的过渡过程。 暂态分析研究电力系统在系统参数突变（一般指故障）后的运行规律，主要关注运行变量的变化规律，比如短路电流的变化规律，借以指导电力系统的事故处理、设备选型和保护整定。 教学内容包括： 电磁暂态过程分析（短路计算） 机电暂态过程分析（稳定性分析）,3.2.3.1电力系统故障分类,故障分类 短路故障：三相短路、两相短路、两相短路接地、单相短路接地 断线故障,3.2.3.2电磁暂态过程分析,电磁暂态过程指电力系统的扰动尚未对发电机转子转速产生明显影响的情况下的变化过程分析。 电磁暂态过程分析主要研究短路和断线故障，所以常被称为电力系统故障分析。 对于不对称故障，要使用对称分

13、量法，建立网络的正序、负序和零序模型，在序量求解后在还原为相的量值。,3.2.3.2电磁暂态过程分析,电磁暂态过程分析的教学内容 电力系统对称短路计算 电力系统不对称短路计算 电力系统的断线分析,3.2.3.3机电暂态过程分析,机电暂态过程指电力系统的扰动已经对发电机转子转速产生明显影响的情况下的变化过程分析。其典型特征是频率失去同步。 机电暂态过程分析主要研究电网在强扰动下，发电机发电频率与电网频率存在偏差的情况下的运行规律。作为特征，主要分析能否维持系统稳定的问题，所以常被称为电力系统稳定性分析。 电力系统稳定性分析内容： 静态稳定性 暂态稳定性,3.4电力系统电气设备,电气设备的认识 结

14、构、功能、分类、基本原理 包括：发电机、变压器、送电线路、开关设备、避雷器、互感器等 电器设备选型的知识 选型理论：绝缘问题、发热问题、受力问题 各种设备的选型条件 设备选型的计算条件,*电力系统PS的主要研究内容,规划、设计及可靠性 暂态过程、稳定性及安全性分析 人工智能在电力系统中的应用 高压直流输电HVDC 大功率电力电子器件的整流、逆变技术的应用 交直流混合输电是未来的理想输电模式 灵活交流输电技术FACTS 以静止无功补偿SVC、静止调相器Statcom、综合潮流控制器UPFC、可控串联补偿TCSC、有源电力滤波器APF等为核心实现的可以灵活调整交流电网的功率分布和电压分布的综合技术

15、。,与教材相应的教学内容,电力系统基本知识 电力系统的参数及等值电路 潮流计算 调压分析 调频分析 短路计算 稳定性分析 电力系统设备选型 涉及的章节分布介绍（课本）,课程要求,了解电力系统的基本常识 掌握电力系统基本分析方法 基本掌握电力系统电气设备的选型知识 了解电力系统的运行与管理的基础知识 *注意理论知识与工程实际的结合点，重点把握基本理论！,学习方法与考核方法,认真完成作业 做好每章总结复习 答疑： 课前答疑 每周五下午答疑 考前答疑 考核： 闭卷笔试(70%)与平时成绩(30%)结合,主要参考书,1.电能系统基础，单渊达编，机械工业出版社，2001.12 2.电力系统分析，何仰赞等，华中理工大学出版社，1984 3.电力系统稳态分析，陈珩等，东南大学出版社，1985 4.电力系统暂态分析，李光琦编，水利电力出版社，1985 5. 电力系统分析，韩祯祥主编，浙江大学出版社, 1997 6.发电厂电气部分，范锡普编，水利电力出版社，1987,