电气工程基础电气工程基础系统篇系统篇2012-2013-2任课教师：褚晓东Email：chuxdsdu.edu Tel.: 81696127 (office)，135731226591绪论绪论lEngineering is purposeful use of science -Prof. Anant Agarwal from MITlNothing in life is to be feared. It is only to be understood -Marie Curie 2绪论绪论l这是一门怎样的课程？讲些什么？l认识电力系统的主要构成环节，理解各个环节如何相互连接、作用、牵制，协作完成电力生产、输配与消费等任务l去繁就简，对电力系统进行数学抽象，建立分析计算模型l针对具体问题，提出系统的、工程化的求解思路与方法有什么用？l认知并解决电力工程的相关问题l培养系统化的思维：分析与综合l与实际现场对接：问题、方法、工具 3绪论绪论l电力系统的形成与发展Volta(伏打伏打)在1800年发明了电池(voltaic pile)rsted(奥斯特奥斯特)与与Ampre(安培安培)在1820年发现并验证了电流的磁效应Ohm(欧姆欧姆)发现了欧姆定律Faraday(法拉第法拉第)在1831年发现了电磁感应定律Maxwell(麦克斯韦麦克斯韦)在1873年出版了A Treatise on Electricity and Magnetism，系统阐述了电磁场理论19世纪末，电气工程迅速发展，成为第二次工业革命的驱动力4交流交流/直流之争：北美的直流系统直流之争：北美的直流系统l1880年代初期，Thomas Edison倡导的直流系统占据主导地位，采用直流发电机供给白炽灯与电动机负荷，利用储能电池提供备用l同时期，开铁心变压器（open core transformer，由Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs发明）的变电效率非常低，实用的交流电动机还没有问世，用电设备串联接入配电系统，这些因素限制了交流系统的发展Thomas EdisonEdison发明的白炽灯原型5交流交流/直流之争：欧洲的交流系统直流之争：欧洲的交流系统l欧洲是交流系统的发源地l1832年，法国人Hippolyte Pixii利用Faraday原理发明了世界上第一台交流发电机6交流交流/直流之争：欧洲的交流系统直流之争：欧洲的交流系统l1884-85年，Ganz Works的Z.B.D.团队（Kroly Zipernowsky, Ott Blthy, Miksa Dri）发明了世界上第一台闭铁心（close core transformer）变压器，变电效率大幅提高lZ.B.D.团队发明了并联型的配电系统l1886年，Ganz Works建造了Rome-Cerchi发电厂，是世界上第一个采用交流发电机的发电厂Z.B.D.团队7交流交流/直流之争：北美的交流之路直流之争：北美的交流之路lGeorge Westinghouse是交流系统的倡导者，William Stanley, Jr.为他工作，Stanley于1886年在Massachusetts（马萨诸塞）州的Great Barrington建造了世界上第一个完整的单相交流发输配电系统：采用Siemens的单相交流发电机、Stanley发明的变压器，供给Edison发明的白炽灯负荷l同年， Westinghouse电气公司成立，至1887年，建造了30多个交流系统George WestinghouseWilliam Stanley, Jr.Great Barrington系统中的变压器8交流交流/直流之争：北美的交流之路直流之争：北美的交流之路l1888年，Westinghouse电气公司的Oliver Shallenberger发明了交流电能表计l同年，Westinghouse注册了Nikola Tesla有关多相交流感应电动机和变压器设计的几项专利，lWestinghouse购买了Galileo Ferraris的交流感应电动机专利 Nikola TeslaOliver Shallenberger9交流交流/直流之争：技术制式的竞争直流之争：技术制式的竞争l电力工业历史上的交流/直流之争既是Westinghouse与Edison两人之间的对决，也是两种技术制式的竞争，涉及了北美与欧洲的许多公司，双方都握有大量的技术专利，希望随着对方的式微，扩大自己的市场份额，最终，交流系统成为市场主导1891年， 国际电工技术展览会在Frankfurt（法兰克福）的举行，由175公里之外Lauffen（劳芬）的发电站向展览会的照明与电动机负荷供电，这是世界上第一个远距离大功率（230 kVA）三相交流输电工程，凸现三相交流制式的优势1892年，General Electric（通用电气）公司成立（合并了Edison电气公司），全力投入交流电气设备的设计与制造，很快超越Westinghouse电气公司，成为领先者在欧洲， Siemens & Halske公司成为市场主导者10交流交流/直流之争：技术制式的竞争直流之争：技术制式的竞争l为什么交流制式成为电力工业的选择?与直流制式相比，交流制式的优点是什么？l为什么现代电力系统采用三相交流制？与单相制相比，多相制的优点是什么?可否采用其他相制，例如四相、五相制等？l直流制式能否重新占据电力工业的主导地位？直流制式的适用于何种系统？电力电子技术的发展能否推动直流制式的回归？11高压直流输电（高压直流输电（HVDC）l电力系统采用交流还是直流制式之争始于电力工业开端之时，至今，交流仍是各国电力系统的主要形式l20世纪70年代之后，电力电子技术的发展使得高电压、大功率直流输电技得以实现l在许多条件下，高压直流输电与交流输电相比更有优势l高压直流输电系统的换流站采用晶闸管阀实现交直流之间的转换12高压直流输电（高压直流输电（ HVDC）13电力系统的构成电力系统的构成14电力系统的构成：发电电力系统的构成：发电15电力系统的构成：输配电电力系统的构成：输配电16电力系统的构成：负荷电力系统的构成：负荷17电力系统的构成电力系统的构成l电力系统的构成电力系统是一个能量流能量流系统 多种形式的一次能源在发电厂发电厂转化为电能，通过较高电压等级的输输电网电网输送至各负荷中心，配电网配电网将来自输电网的电能降压而对负荷负荷供电电力系统是一个网络流网络流系统 输电网与配电网是将电能从电源输送至用户的途径，电能（功率）在电网中的传输受到网络结构的约束电力系统是一个信息流信息流系统 电力系统在运行管理上是高度自动化的：组成电力系统的各主要环节都配备了数字化的测量、保护与控制装置，在控制中心，数字计算机通过对各种信息的接收、处理和发送，持续不断地监视及控制全系统的运行18能量转换能量转换火力发电火力发电l将煤炭、石油或天然气等化石燃料燃烧所产生的热能转化为机械能以生产电能l主要的能量转换设备包括锅炉、汽轮机与发电机组l发电流程（能量转换过程）：锅炉将水加热变成蒸汽（化学能热能）、蒸汽吹动汽轮机的叶片（热能机械能）、汽轮机带动发电机的转子旋转（机械能电能）19能量转换能量转换火力发电火力发电20能量转换能量转换水力发电水力发电l将水的机械能转化为电能l发电流程（能量转换过程）：水从高位向低位冲泻（势能动能）、水轮机带动发电机的转子旋转（动能电能）l抽水蓄能：在负荷低谷时，将水由低位水库抽出注入高位水库，发电机工作于电动机模式；在负荷高峰时，工作于发电模式，起到削峰填谷的作用21能量转换能量转换水力发电水力发电l拦河坝(1)提高了上游的水位，形成水库，增大了水的势能l打开导管(2)的阀门，水沿着导管冲泻下来，势能变成动能l水的动能带动水轮机(3)的叶片，使水轮机转动l水轮机带动发电机(4)发电22能量转换能量转换核能发电核能发电l利用受控核聚变产生热能，将热能转化为机械能，再由机械能转化为电能l除了热能的产生机理不同，核能发电与火力发电的热物理机制类似l在妥善处理核废料的基础之上，核能发电是清洁的发电形式23能量转换能量转换核能发电核能发电l在反应堆中，一次侧水经过加压不会产生蒸汽l二次侧水在蒸汽发生器中产生蒸汽l蒸汽吹动汽轮机的叶片，汽轮机带动发电机的转子旋转，产生电能24能量转换能量转换可再生能源发电可再生能源发电l可再生能源：风能、太阳能、生物质能、潮汐能、波浪能等，都被尝试用来进行发电l风力发电发展迅速：到2012年底，全球风电的装机容量已经达到282.5GWl目前，中国、美国和德国是风电装机容量最大的三个国家：75.6 GW、60.0 GW和31.3 GW25能量转换能量转换可再生能源发电可再生能源发电l太阳能的利用主要有三种形式：太阳能直接转化为热能、光伏电池发电、太阳能热能电能l目前，太阳能发电的两种形式其能量转换效率都较低，直接转化为热能是较有前途的应用途径26我国的发电总装机容量我国的发电总装机容量(2007-2012)l至2012年3月底，全国装机容量达到1029.93GW，其中：火电、水电、核电、风电装机容量分别达到768.72、197.24、12.57、48.71GW27我国年发电量我国年发电量 (1980-2010)28区域电网互联区域电网互联中国电力互联格局29区域电网互联区域电网互联美国电力互联格局30课程的主要内容课程的主要内容l掌握电力系统分析的基础理论l了解电力系统各设备受电、热、动约束的能力，掌握电力系统设计与运行中应遵循的原则l建立电力系统设计、运行、控制与保护的整体概念31课程的主要内容课程的主要内容l电力系统分析的基础理论电力网络的稳态与动态分析系统篇模型：发电、输配电及负荷等元件的模型，网络模型分析计算：潮流、短路、稳定性电力系统的高压特性高压篇电力系统各种一次设备的特点和选型设备篇电力系统一次设备的保护原则和方法保护篇电力系统运行的调度与控制控制篇32参考文献参考文献l夏道止. 电力系统分析. 北京：中国电力出版社，2004（第一版），2011（第二版）l王锡凡，方万良，杜正春. 现代电力系统分析. 北京：科学出版社，2007lArthur R. Bergen, Vijay Vittal. Power System Analysis, 2nd ed. NJ: Prentice Hall, 200033课程网站课程网站l :/course.sdu.edu /1472.html l“教学日历” , “教学资料”34考试政策考试政策 依据依据比例比例课堂出席与参与20-30%期末考试70%-80%35电力系统模型：物理系统的数学抽象电力系统模型：物理系统的数学抽象36电力系统模型：物理系统的数学抽象电力系统模型：物理系统的数学抽象37第第2章章 电力系统各元件的数学模型电力系统各元件的数学模型l同步发电机同步发电机l变压器变压器l输电线路输电线路l负荷负荷38电磁感应原理电磁感应原理l总结五个典型实验，可得如下结论：不管什么原因使穿过闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化，回路中都会出现电流，这种电流称为感应电流在磁通量增加和减少的两种情况下，回路中感应电流的流向相反感应电流的大小则取决于穿过回路中的磁通量变化快慢：变化越快，感应电流越大；反之，就越小l实验一：闭合导体回路与磁棒之间有相对运动时，可引起电磁感应现象l实验二：闭合导体回路和载流线圈间有相对运动时，亦可引起电磁感应现象l实验三：闭合导体回路中有电流强度可改变的载流线圈时，同样可引起电磁感应现象l实验四：闭合导体回路和载流线圈间相对静止，但磁铁棒相对于它们运动，也可引起电磁感应现象。
l实验五：闭合导体回路在均匀磁场中运动，也能够引起电磁感应现象39电磁感应原理电磁感应原理l感应电动势感应电动势 当闭合导体回路所包围面积的磁通量变化时，此回路中就出现感应电流，这意味着该回路中必定存在电动势，这种直接由电磁感应现象所引起的电动势叫做感应电动势感应电动势l在任何电磁感应。