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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
17、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以电压等级进行分层； 输电网将发电厂的电能通过高压输电线送到负荷中心，其额定电压通常为220750kV，它是电力系统的主干网；,电气工程概论,45,配电网将电能通过配电线路送到电能用户，可以分为高压、中压、和低压配电网； 高压
18、配电网的电压一般为35110kV或更高； 中压配电网的电压一般为135kV； 低压配电网的电压一般为380/220V。,电气工程概论,46,电力线路,电力线路分为架空线路和电缆线路 架空线路主要由导线、避雷线（又称架空地线）、杆塔、绝缘子串合金具等部分组成。 导线用来传导电流，输送电能。 避雷线用来将雷电流引入大地，保护线路免遭直击雷的破坏。 杆塔用来支撑导线和避雷线。 绝缘子用来使导线与导线、导线与杆塔之间保持绝缘状态。 金具用来固定、悬挂、连接和保护架空线路各主要元件的金属器件的总称。,电气工程概论,47,电缆是将导电芯线用绝缘层及防护层包裹，敷设于地下、水中、沟槽等处的电力线路。 特点：
19、 造价高，故障定位和检修困难； 占地面积少，供电可靠； 不影响城市环境。,电气工程概论,48,变电站的功能和构成,变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施，它通过变压器将各级电压的电网联系起来。 主要设备： 变换电压的变压器； 开闭电路的开关设备； 汇集和分配电能的母线； 计量和控制用的互感器、仪表、继电保护装置； 防御过电压的防雷装置，如：避雷器、避雷针等； 通信装置； 无功补偿装置。,电气工程概论,49,配电系统的功能和构成,配电系统是电力系统的一部分，由电压等级为110kV及以下的线路和设备构成，电力系统通过配电网络直接向用户供电，主要由配电变电站、
20、配电线路等构成。 主要包括： 1kV以下低压配电； 135kV中压配电； 35110kV高压配电。,电气工程概论,50,电网调度和运行,电能特点： 电能目前不能大量存储； 暂态过程非常迅速，以10-310-6s计； 意外供电中断，给国民经济造成重大损失； 电能质量要求十分严格。 电力系统调度管理是指对电力系统全局安全经济运行和事故处理的问题进行计划、指挥、控制、协调等工作的总称。 调度管理的任务 保证电网经济、安全可靠运行，提供合格的电能质量。 调度管理的内容 电力系统分层调度管理：国调、网调、省调、地调、县调。,电气工程概论,51,电力系统故障主要包括单相接地短路、两相接地短路、两相短路、三
21、相短路、断线等； 故障可能引起的后果： 短路故障点强大的短路电流及燃起的电弧，可能损毁设备； 部分区域电能质量下降； 短路电流的热效应和电动力效应会损坏设备或缩短设备寿命； 电力系统稳定性遭到破坏，产生振荡，甚至引起系统瓦解。,电气工程概论,52,电力系统非正常运行状态主要包括过负荷、过电压、非全相运行、振荡（非同步运行）、次同步谐振、同步发电机短时失磁异步运行等。 故障和非正常运行都能引起系统事故（如电压崩溃事故、频率崩溃事故）。 事故是指系统的全部或部分的正常运行遭受破坏，造成对用户停止供电、少送电或电能质量下降，甚至造成人身伤亡、设备损坏等。 继电保护装置就是能迅速反应电力系统中电气元件
22、发生的各种故障及不正常运行状态，并有选择性地动作于跳闸或发出信号的一种自动装置。 此外，自动重合闸、备用电源自动投入装置、按频率自动减负载、自动发电控制装置、自动励磁调节装置、电力系统安全稳定装置等自动装置都是保证电力系统安全稳定运行的重要自动化设备。,电气工程概论,53,3.5 电力应用,照明,照明大致分为两种： 一是由电能转化成热能，然后再转化成光能的光源，如白炽灯等。 另一种是利用放电而转化成光能的光源，如荧光灯、高压汞灯、霓虹灯等。,电气工程概论,54,电加热,电加热是以电能为能源加热物料，并通过电炉、电焊机等来实现加热的一种方法。 电加热大致分为两种： 一是电能在电炉、电热器具上转变
23、成热能后加热物料，如电炉、电弧炉、感应炉、微波炉、光波炉等。 另一种是利用电能驱动热泵，把热能从温度较高的物体输送给温度较低的物体,如热泵等。 应用: 工业领域：冶炼、热处理、焊接等 农业领域：温室培育等 家庭生活：烹饪、取暖等,电气工程概论,55,电力拖动,电力拖动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种拖动方式，又称电气传动或电力传动。,电动机,功率 开关,控制 器件,电源,传递 机构,工作 机械,机械连接,电连接,电力拖动的应用领域极其宽广，从一般的家用电器到工业机床设备、电动交通工具等，在国防、国民经济和人民生活的方方面面都有应用，是电能最主要的应用方式之一。,电气工程概论,56,3
24、.6 电力市场简介,电力市场的概念,电力市场是采用经济、法律等手段，本着公平竞争、自愿互利的原则，对电力系统中发电、输电、供电、用电等各组成员协调运行的管理机制和执行系统的总和。 电力市场的基本特征：开放性、竞争性、计划性和协调性。 电力市场首先是一种管理机制，同时还是体现这种管理机制的执行系统。包括贸易场所、计量系统、计算机系统、通信系统等。 电价是电力市场的杠杆和核心内容。 转运业务是电力市场重要的贸易形式。,电气工程概论,57,电力市场的兴起,我国电力体制改革的三个阶段： 第一阶段：1985年实施集资办电政策20世纪90年代初期，解决缺电问题。 第二阶段：20世纪90年代初期1998年撤
25、销电力工业部前，提出逐渐实施电力体制改革，方案为： 政企分开、厂网分开、输供分离、实施公司化改组； 统一开放、竞价上网、建立电力交易市场； 依法管理、竞争有序，建立健全电力市场法规体系和监管体系。 第三阶段：1998年撤销电力工业部目前，实行“厂网分开、竞价上网”试点。,电气工程概论,58,电力市场的基本原则,基本目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发展的电力市场体系。 电力市场最基本的原则是公平。 为保证电力市场公平竞争的原则，必须做到： 电力市场要有公开性（包括成本、定价、
26、计量、计划等），以便监督； 扩大自由选择权力，保证电网的开放； 必须建立有关法律法规、标准、规约，使竞争规范化。,电气工程概论,59,3.7 电力新技术和发展趋势,我国发展能源的指导方针是：大力（优先）发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电，同步发展电网，促进全国联网。 电力技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，电力技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。电力研究的一些前沿课题反映了这种趋势。,电气工程概论,60,1 高压交流输电技术 三相高压交流输电技术 常规的三相交流输电在远距离输电工
27、程中占主导地位，在未来相当长的时间内仍然是输电和联网的主要方式； 前苏联建成了900km的1150kV特高压输电线路并经过了试运行，后因无电可送等原因而降压为500kV运行； 未来交流输电发展的重点将是采用新技术充分利用线路走廊输送更多的电力。,电气工程概论,61,多相交流输电 多相交流输电以多相（相数大于3）交流电形式实现电能输送； 特点：相同的线路走廊和占地面积，多相输电可提高由线路发热条件决定的负荷容量，可设计得更“紧凑”适合线路路径受限制的地区，可以接入三相交流输电系统，不需经过多相交流变电所； 多相交流输电已经入工业性试验和试运行阶段。,电气工程概论,62,灵活交流输电 灵活交流输电
28、（FACTS）是基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的输电技术； 出现背景： 发展互联电网的需要； 发展电力市场的需要； 电力电子器件的快速发展使灵活交流输电的设想成为现实。 灵活交流输电技术的核心就是利用电力电子器件可以按照控制系统的要求，应用现代换流技术和控制技术，实现电压、阻抗或相位大幅度灵活控制。,电气工程概论,63,2 高压直流输电技术 端对端直流输电 该技术是一项成熟的远距离输电技术，预计端对端直流输电在未来仍是远距离输电和联网的重要方式。,多端直流输电技术 为了解决直流输电多电源供电、多落点受电问题，研究出多端直流输电技术。,电气工程概论
29、,64,新一代直流输电技术 未来直流输电技术的发展趋势是在应用可关断器件组成的换流器进一步改善输电性能的同时，大幅度简化设备，减少换流站的占地，降低造价，以便在技术经济上比其它输电方式更具竞争力； 典型例子是： 所谓轻型直流输电（HVDC Light），它采用IGBT等可关断的器件组成换流器； 使用户外换流阀以节省阀厅的建设费用； 应用连续调节交流滤波器、有源滤波器等技术大幅度减少户外场的占地。,电气工程概论,65,3 新型输电线路 紧凑型线路 紧凑型线路是指增加分裂导线数、缩短相间距离、合理排列相导线等措施以降低线路波阻抗，从而提高线路输送能力的输电线路。研究的主要目的是提高线路的输送能力，
30、节省线路走廊； 从20世纪60年代起，美国、前苏联、法国、巴西等国建成了各种电压等级的紧凑型线路，我国也建成了一条500kV的紧凑型线路，正在试运行中。,电气工程概论,66,气体绝缘线路 气体绝缘输电线路（GIL）是以六氟化硫气体绝缘的、带有与导体同轴的接地金属外壳的输电线路，与电缆相比，其优点是绝缘击穿后可恢复、承载电流大； 气体绝缘输电线路已在美国、德国的水力发电厂的出线等场合得到了应用。 未来由于输电线路走廊的获得越来越困难，气体绝缘输电线路的研究和开发受到重视。,电气工程概论,67,4 洁净煤发电技术 当今我国的火力发电机组效率低，污染物排放量大，与先进国家相比有较大差距，所以要大力推广洁净煤发电技术，建设大型循环流化床锅炉，增压硫化燃气-蒸汽联合循环和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环示范工程，采用高效脱硫脱硝装置，以使之达到世界先进水平。 火电厂生产流程主要包括四大系统：燃烧系统、汽水系统、电气系统和控制系统。后面的两个系统和本专业关系密切。 ,