電力系統(tǒng)與電力電子

1、電 力 工 程 系 電力系統(tǒng)與電力電子簡介（北京） 主要內(nèi)容電力系統(tǒng)概述電力電子技術(shù)簡介電力電子技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用電力電子裝置對電網(wǎng)的影響及其抑制措施一、電力系統(tǒng)概述1、電力系統(tǒng)概念和組成2、發(fā)電廠生產(chǎn)過程 3、電力系統(tǒng)運行特點及要求4、電能質(zhì)量5、電力系統(tǒng)故障6、電力系統(tǒng)分析 7、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行1.1電力網(wǎng)、電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)電力網(wǎng)、電力系統(tǒng)、動力系統(tǒng)電力網(wǎng)：輸變電設(shè)備 （地方、區(qū)域、超高壓遠距離電網(wǎng)）電力系統(tǒng)：發(fā)電機、輸變電設(shè)備、用電設(shè)備動力系統(tǒng)：動力設(shè)備、電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)的概念電能的生產(chǎn)：火電、水電和核電，各種新能源；電能的傳輸：以交流架空線路為主，還有以直流形式傳輸?shù)?；電能的使?/p>

2、：由各種形式的負荷將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能源。電能的生產(chǎn)-消費過程示意圖1.2 發(fā)電廠生產(chǎn)過程發(fā)電廠 電能生產(chǎn)的核心，擔負著把不同種類的一次能源轉(zhuǎn)換為電能的作用 燃燒煤、石油、天然氣發(fā)電的火力發(fā)電廠利用水能發(fā)電的水力發(fā)電廠 火電廠生產(chǎn)過程示意圖一次設(shè)備 直接生產(chǎn)和輸送電能的設(shè)備稱為一次設(shè)備 發(fā)電機、變壓器、主母線、母線 斷路器、隔離開關(guān)、自動空氣開關(guān)、 接觸器、閘刀開關(guān)、電抗器 避雷器、熔斷器 電力互感器（電流、電壓互感器） 電力電纜等發(fā)電機（一）發(fā)電機（二）電力變壓器實物照片 開關(guān)設(shè)備-斷路器 斷路器的種類 油斷路器（多油、少油斷路器）空氣斷路器、六氟化硫斷路器、真空斷路器等。多油斷路器少油

3、斷路器空氣斷路器 SF6斷路器 隔離開關(guān) 隔離開關(guān)是一種沒有滅弧裝置的開關(guān)設(shè)備 主要特點：在有電壓無負荷電流情況下，進行分、合電路 必須遵守的操作原則： 后拉（停電時,先切斷路器，后拉刀閘） 先合（送電時，先合刀閘，后合斷路器） 隔離開關(guān)（一）隔離開關(guān)（二）隔離開關(guān)（三）電力互感器 互感器包括電壓互感器和電流互感器 采用電壓互感器和,將高電壓變成標準的低電壓(100V)電流互感器，將系統(tǒng)的大電流變成小電流(5A或lA)從而，用以給測量儀表或繼電保護、自動裝置二次設(shè)備供電 電壓、電流互感器原理接線 電 流 互 感 器 電 壓 互 感 器 二次設(shè)備 對一次設(shè)備進行監(jiān)視、控制和保護的設(shè)備稱為二次設(shè)備

4、 。對電廠的安全可靠運行起著非常重要的作用。 儀表 繼電器 自動控制設(shè)備 信號設(shè)備 控制電纜發(fā)電廠和變電所一次系統(tǒng)在發(fā)電廠和變電所應(yīng)裝設(shè)的主要電氣設(shè)備,按照其作用可分為一次電氣設(shè)備和二次電氣設(shè)備 一次電氣設(shè)備 是直接生產(chǎn)和輸配電能的設(shè)備 二次電氣設(shè)備 是對一次電氣設(shè)備的工作進行控制、監(jiān)察、測量和保護的設(shè)備 發(fā)電廠和變電所二次系統(tǒng)二次電氣設(shè)備是對一次電氣設(shè)備的工作進行控制、監(jiān)察、測量和保護的設(shè)備,包括各種儀表、繼電器、自動控制設(shè)備、信號設(shè)備及控制電纜等 二次接線圖是將這些設(shè)備用一定的圖形和符號來表示，并按照一定的方式連接起來的圖。二次接線圖按用途分為原理接線圖、展開圖和安裝圖1.3 電力系統(tǒng)的運

5、行特點電能不能大量儲存 過渡過程非常迅速 與國民經(jīng)濟各部門及人民生活關(guān)系極為密切 電力系統(tǒng)的運行要求保證供電充足性，最大限度滿足用戶需要保證運行的可靠性保證良好的電能質(zhì)量保證電力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)點1安裝大容量的機組,減少備用容量2. 合理利用動力資源 3. 提高供電可靠性 4. 提高運行的經(jīng)濟性 電力系統(tǒng)負荷負荷：用戶的用電設(shè)備所消耗的功率（電能）電力系統(tǒng)的總負荷： 所有用戶消耗的功率（或電能）電力系統(tǒng)用戶 在國家經(jīng)濟力量還不強大的情況下，對不同用戶的供電可靠性提出不同的要求是合理的 電力系統(tǒng)用戶分類（一）第一類用戶： 是停電會造成人身傷亡，設(shè)備損壞，生產(chǎn)長時間不易恢復(fù)或造成政治

6、上的嚴重影響的用戶。 對這類用戶要由兩個或兩個以上的電源供電，保證不間斷地供電。電力系統(tǒng)用戶分類（二）第二類用戶： 如停電會造成大量減產(chǎn)，工人窩工，城市公共事業(yè)及人民生活受到影響等的用戶。一般情況下應(yīng)采取措施，保證向這類用戶不間斷地供電。 電力系統(tǒng)用戶分類（三）第三類用戶： 是短時間停電不會帶來嚴重后果的用戶，如工廠的輔助車間、小城鎮(zhèn)及農(nóng)村的公用負荷等。 但應(yīng)當指出，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)進步，供電可靠性會逐步提高。 電力系統(tǒng)的額定電壓等級（一）電力系統(tǒng)的額定電壓等級（二）線路額定電壓：線路始末端的平均電壓(Ua+Ub)/2，用電設(shè)備額定電壓： 取與線路額定電壓相同，使它們都能在接近于它們的

7、額定電壓下運行。發(fā)電機：高于線路額定電壓的5。變壓器：一次側(cè)接電源，相當于用電設(shè)備，因此一次側(cè)額定電壓等于用電設(shè)備額定電壓；二次側(cè)額定電壓應(yīng)高于線路額定電壓高10。不同電壓等級的適用范圍（一）不同電壓等級的適用范圍（二）1.4 電能質(zhì)量的主要標志 電壓偏移頻率偏差電壓波形畸變率電壓波動與閃變?nèi)嗖黄胶怆妷浩?我國電網(wǎng)電壓偏移允許值： 35kV及其以上電壓供電的用戶，電壓正負偏移絕對值之和不超過額定電壓的10%； 10KV及其以下三相供電系統(tǒng)，電壓正負偏移不超過7%。 頻率偏差 我國電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz。當系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到0.5Hz。 電網(wǎng)電壓波形畸變率 電能

8、質(zhì)量國家標準 1.供電電壓允許偏差 (GB12325-90) 2.電壓波動和閃變 (GB12326-2000) 3.公用電網(wǎng)諧波 (GB/T14549-93) 4.三相電壓允許不平衡度 ( GB/T15543-1995) 5.電力系統(tǒng)頻率允許偏差 (GB/T15945-1995) 6.暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 ( GB/T18481-2001)電壓暫降危害與實例（一）法國早在1994年進行的抽樣調(diào)查就顯示，百分之四十四的工業(yè)用戶相信電壓暫降對他們的生產(chǎn)活動產(chǎn)生較大的破壞，每年至少引起五例生產(chǎn)崩潰及設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失。中國國際廣播電臺曾報道美國商業(yè)周刊的一名編輯因供電電壓突然驟降1s造成電梯故障而

9、被困在電梯內(nèi)長達40小時，以心理和身體受到嚴重傷害為由向相關(guān)部門提出索賠2500萬美元的要求。電壓暫降危害與實例（二） 上海浦東華虹NEC電子是一家以生產(chǎn)0.250.5m硅晶片為主的高科技企業(yè)，NEC有一部分負荷對電壓變動十分敏感，當電壓跌至正常電壓的80%，持續(xù)時間超過20ms時，其內(nèi)部的部分設(shè)備就會停機，據(jù)粗略估算，每發(fā)生一次類似事件，造成的直接經(jīng)濟損失在200萬元人民幣以上。 據(jù)中國電力科學(xué)研究院對北京首都鋼鐵廠的調(diào)查，2002年電壓暫降幅值低于0.7p.u.有19次，平均損失200300萬元人民幣。1.5 電力系統(tǒng)故障 短路斷相各種復(fù)雜故障 短路故障 短路，是指電力系統(tǒng)除正常情況以外的

10、一切相與相之間或相與地之間的“短接” 主要原因是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞 運行人員帶負荷拉倒閘，或者線路檢修后未拆除地線就加上電壓等等誤操作，也會引起短路故障 鳥獸跨接在裸露的載流部分 風(fēng)、雪、雹等自然現(xiàn)象所造成的短路短路故障的種類三相短路（對稱短路 ）： 三相同時發(fā)生短路的情況電力系統(tǒng)同一點發(fā)生的不對稱短路有： 兩相短路 兩相接地短路 單相接地短路 單相接地短路較多 ，而相間短路則較少 ，三相短路，雖然發(fā)生機會較少，但情況嚴重 短路的現(xiàn)象 電流劇烈增加，例如發(fā)電機出線端處發(fā)生三相短路時，電流的最大瞬時值可能高達額定電流的1015倍，從絕對值來講可達上萬安培，甚至十幾萬安培。 同時，系統(tǒng)中的

11、電壓將急劇下降，例如系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路點的電壓將降到零，短路點附近的電壓也將明顯降低。短路的后果 （一）（1）短路點的電弧有可能燒壞電氣設(shè)備，同時很大的短路電流通過設(shè)備會使發(fā)熱增加，當短路持續(xù)時間較長時，可能使設(shè)備過熱而損壞；（2）很大的短路電流通過導(dǎo)體時，要引起導(dǎo)體間很大的機械應(yīng)力，如果導(dǎo)體和它們的支架不夠堅固，則可能遭到損壞；（3）短路時，系統(tǒng)電壓大幅下降，對用戶工作影響很大。系統(tǒng)中最主要的負荷異步電動機可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢及設(shè)備損害；短路的后果 （二）（4）有可能使并列的發(fā)電廠失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，引起大片地區(qū)停電； （5）不對稱短路引起的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡磁通，會在鄰近

12、的平行線路內(nèi)（如通信線路或鐵道信號系統(tǒng)）感應(yīng)很大的電動勢。這將造成通信的干擾并危及設(shè)備和人身的安全。 電力系統(tǒng)繼電保護繼電保護裝置 就是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。 繼電保護基本任務(wù) （1）自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其它無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。（2）反應(yīng)電氣元件的不正常運行狀態(tài)，根據(jù)運行維護的具體條件（例如有無經(jīng)常值班人員）和設(shè)備的承受能力，發(fā)出警報信號、減負荷或延時跳閘。對繼電保護的基本要求 四統(tǒng)一原則可靠性可信賴性安全性 選擇性是指保護裝置動作時，僅將故障元件從電

13、力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量縮小，以保證系統(tǒng)無故障部分仍能繼續(xù)安全運行。 快速性是指保護裝置以可能最短的時限將故障或異常工況自電網(wǎng)中切除或消除。 靈敏性是指對于其保護范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應(yīng)能力。 1.6 電力系統(tǒng)分析 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析電力系統(tǒng)暫態(tài)分析電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)的分析和計算 電力系統(tǒng)潮流的分析和計算 電力系統(tǒng)頻率 電力系統(tǒng)電壓調(diào)整電力系統(tǒng)潮流的分析和計算根據(jù)給定某些參數(shù)（有功、無功負荷，發(fā)電機發(fā)出的有功功率及發(fā)電機母線電壓的有效值），求解電力網(wǎng)中全部的運行參數(shù)（其它母線的電壓、各條線路中流動的功率及功率損耗等）。潮流計算的目的規(guī)劃設(shè)計中選擇系統(tǒng)接線方式、選

14、擇電氣設(shè)備及導(dǎo)線截面；運行中確定運行方式和合理的供電方案，確定調(diào)壓措施；提供繼電保護、自動裝置的設(shè)計與整定依據(jù)。電力網(wǎng)參數(shù)及等值電路輸電線參數(shù)及等值電路變壓器參數(shù)及等值電路電力網(wǎng)等值電路標么制電力網(wǎng)功率損耗與電壓計算負荷表示方法單相負荷負荷為感性時，電流滯后電壓的相位角為。單相復(fù)功率表示為負荷為容性時，電流超前電壓的相位角為。單相復(fù)功率表示為負荷表示法負荷發(fā)出無功三相負荷感性負荷容性負荷視在功率電力線路和變壓器的功率損耗為簡便起見，單相電路中直接標注三相的運行參數(shù)（即線電壓、三相功率、三相功率損耗）電力線路的功率損耗（一）電力線路的功率損耗（二）已知線路末端的電壓及三相負荷線路的功率損耗由以下

15、三部分組成：線路末端導(dǎo)納中的功率損耗（只有無功損耗）線路阻抗中的損耗（包括有功損耗和無功損耗）線路首端導(dǎo)納中的功率損耗（只有無功功率）線路末端導(dǎo)納中的功率損耗線路阻抗中的損耗（一）由電工學(xué)知識有電流用線路末端的三相功率S2和線電壓U2表示，則 即線路阻抗中的損耗（二）電流用線路首端的三相功率S1和線電壓U1表示，則即通式分子、分母必須是同一點的電壓、功率。功率及功率損耗均為三相的值；U為線電壓，單位為kV。線路首端導(dǎo)納中的功率損耗電力系統(tǒng)頻率和電壓調(diào)整在潮流計算的基礎(chǔ)上，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行狀況進行優(yōu)化和調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的的電能質(zhì)量和經(jīng)濟性。變壓器的功率損耗ZT中的損耗與通過變壓器的負

16、荷有關(guān),而負荷是變動的，稱為可變損耗。BT與負荷無關(guān)，只與電網(wǎng)的電壓有關(guān),稱為固定損耗。雙繞組變壓器的功率損耗計算勵磁支路用固定功率損耗表示總有功損耗為總無功損耗為式中，S為通過變壓器的三相視在功率，MVA；UN為變壓器的額定電壓，代替電路中的實際電壓，kV；RT、XT為歸算到UN的電阻，電抗，；以代入，則電力系統(tǒng)電壓調(diào)整電力系統(tǒng)暫態(tài)分析電力系統(tǒng)故障分析 短路電流的分析和計算1.7 電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題概念：電力系統(tǒng)能夠運行于正常運行條件下的平衡狀態(tài)，在受到干擾后能夠恢復(fù)到允許的平衡狀態(tài)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定（小干擾下的穩(wěn)定性）電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定（大干擾下的穩(wěn)定性）電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定小干擾下

17、的穩(wěn)定性指電力系統(tǒng)受到小的干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或周期性失步，自動恢復(fù)到初始運行狀態(tài)的能力。確定系統(tǒng)的某個運行穩(wěn)態(tài)能否保持的問題電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定大干擾下的穩(wěn)定性指電力系統(tǒng)受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。大干擾一般指短路故障、突然斷開線路或發(fā)電機等。二、電力電子技術(shù)簡介電力電子技術(shù)的任務(wù)處理、控制電能的形態(tài)處理、控制電能的流動向用戶提供最佳的電壓和/或電流 滿足工藝要求 節(jié)約能源電能形態(tài)轉(zhuǎn)換的形式改變電壓水平（交流或直流）改變頻率改變波形改變相數(shù)三、電力電子技術(shù)在 電力工業(yè)中的應(yīng)用高壓直流輸電（HVDC）靜止無功補償（SVC、SVG）有源濾波器（APF）可控

18、串聯(lián)補償柔性（靈活）交流輸電系統(tǒng)（FACTS可再生能源與電力系統(tǒng)互聯(lián)等高壓直流輸電（HVDC）最適合大容量、遠距離輸電的電能形態(tài)線路造價較低線路損耗較小異步聯(lián)接可控制性好HVDC應(yīng)用長距離、大容量輸電（能源基地到負荷中心）聯(lián)絡(luò)線（電力系統(tǒng)之間或電力企業(yè)之間）電纜輸電（地下或海底）改造原有交流線路以增加輸電容量輕型直流輸電（HVDC Light）較小容量的直流輸電系統(tǒng)（200300MW） 采用電壓源型逆變器（由可關(guān)斷器件構(gòu)成） 采用PWM技術(shù)靜止無功補償（SVC）的作用在較弱的電力系統(tǒng)中維持穩(wěn)定的電壓降低輸電損耗增加輸電容量增加瞬態(tài)穩(wěn)定極限對功率振蕩起阻尼作用改進電壓控制及穩(wěn)定性SVC的組合方式TCR分組投切TSC TCRFC TCRFC分組投切TSC 晶閘管控制電抗器（TCR）原理圖晶閘管投切電容器（TSC）原理圖靜止無功發(fā)生器（SVG）靜止無功發(fā)生器（SVG）原理圖有源濾波器（APF）有源濾波器（APF）原理圖電流