電氣工程學(xué)學(xué)科中的電力系統(tǒng)與電機(jī)控制

演講人:日期：電氣工程學(xué)學(xué)科中的電力系統(tǒng)與電機(jī)控制目錄CONTENCT電力系統(tǒng)基本概念與組成電機(jī)控制原理與技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)電過(guò)程與調(diào)度管理輸電和配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速技術(shù)應(yīng)用電力系統(tǒng)保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)01電力系統(tǒng)基本概念與組成電力系統(tǒng)定義電力系統(tǒng)功能電力系統(tǒng)定義及功能電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸電線路、配電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷組成的整體，負(fù)責(zé)將各種形式的能源轉(zhuǎn)換為電能并輸送到用戶端。電力系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電能的生成、傳輸、分配和使用，確保用戶獲得穩(wěn)定、可靠的電能供應(yīng)。01020304火力發(fā)電廠水力發(fā)電廠核能發(fā)電廠新能源發(fā)電廠發(fā)電廠類型及特點(diǎn)利用核能反應(yīng)產(chǎn)生熱能并轉(zhuǎn)化為電能，能量密度高但存在核安全和核廢料處理等問(wèn)題。利用水能轉(zhuǎn)化為電能，具有可再生、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但受地理位置和水資源限制。利用化石燃料（如煤、石油、天然氣）進(jìn)行燃燒發(fā)電，技術(shù)成熟但環(huán)境污染較大。包括風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電形式，具有環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但受天氣和地理位置等因素影響。負(fù)責(zé)將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能輸送到遠(yuǎn)距離的負(fù)荷中心或配電網(wǎng)絡(luò)，通常采用高壓或超高壓輸電技術(shù)以減少線路損耗。輸電線路負(fù)責(zé)將輸電線路輸送來(lái)的電能分配給各個(gè)用戶，包括中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)，確保用戶獲得穩(wěn)定的電能供應(yīng)。配電網(wǎng)絡(luò)輸電線路與配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷是指電力系統(tǒng)中的用電設(shè)備所消耗的電能，其特性包括負(fù)荷大小、負(fù)荷曲線、負(fù)荷率等。根據(jù)用電設(shè)備的不同，負(fù)荷可分為工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷和居民負(fù)荷等類型。不同類型的負(fù)荷具有不同的特點(diǎn)和用電規(guī)律。負(fù)荷特性及分類負(fù)荷分類負(fù)荷特性02電機(jī)控制原理與技術(shù)基礎(chǔ)直流電機(jī)交流電機(jī)永磁電機(jī)基于電磁原理和換向器實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，具有良好的調(diào)速性能和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。包括異步電機(jī)和同步電機(jī)，通過(guò)交流電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流的相互作用來(lái)工作，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家用領(lǐng)域。利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞電流的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，具有高效率、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)種類及其工作原理80%80%100%控制策略與方法概述系統(tǒng)輸出不參與控制過(guò)程，控制精度較低，但系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低。引入反饋環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)輸出與期望值進(jìn)行比較，形成偏差信號(hào)進(jìn)行控制，提高控制精度和穩(wěn)定性。采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能算法，適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。開(kāi)環(huán)控制閉環(huán)控制智能控制用于檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境信息，如位置傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等，將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入到控制器中。傳感器根據(jù)控制器的輸出信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，如功率放大器、繼電器、接觸器等，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速等功能。執(zhí)行器傳感器和執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中的作用直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)典型案例分析利用變頻器改變交流電源的頻率和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)。采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)控制策略，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的高性能控制，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。通過(guò)改變電樞電壓或磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、軋鋼機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域。03發(fā)電過(guò)程與調(diào)度管理0102030405火力發(fā)電利用化石燃料等能源進(jìn)行燃燒產(chǎn)生熱能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。水力發(fā)電利用水流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽(yáng)能發(fā)電利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，或通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能再發(fā)電。發(fā)電方式優(yōu)化根據(jù)能源資源條件、環(huán)境容量、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性等因素，對(duì)發(fā)電方式進(jìn)行優(yōu)化選擇。發(fā)電方式選擇及優(yōu)化調(diào)度策略實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）經(jīng)濟(jì)調(diào)度調(diào)度策略與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電設(shè)備檢修計(jì)劃、能源市場(chǎng)情況等因素，制定發(fā)電調(diào)度策略。通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）等實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)，對(duì)發(fā)電機(jī)組的出力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷變化的需求。在滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行發(fā)電調(diào)度。通過(guò)故障錄波、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)電力系統(tǒng)中的故障進(jìn)行診斷和分析。故障診斷制定完善的設(shè)備巡檢、維護(hù)和檢修制度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備缺陷和隱患，防止故障的發(fā)生。預(yù)防措施制定應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)處置方案，對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行及時(shí)、有效的處理，防止事故擴(kuò)大。應(yīng)急處理在故障處理完成后，及時(shí)恢復(fù)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)處置方案進(jìn)行總結(jié)和評(píng)估。故障恢復(fù)故障診斷與預(yù)防措施節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)能源管理系統(tǒng)減排技術(shù)新能源利用通過(guò)采用高效節(jié)能的發(fā)電設(shè)備、優(yōu)化發(fā)電方式、降低線損等措施，提高電力系統(tǒng)的能效水平。通過(guò)采用低排放的發(fā)電技術(shù)、煙氣脫硫脫硝等環(huán)保設(shè)施，降低電力系統(tǒng)排放的污染物水平。大力推廣新能源發(fā)電技術(shù)，提高新能源在電力系統(tǒng)中的比重，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。建立能源管理系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，為節(jié)能減排提供數(shù)據(jù)支持。04輸電和配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)放射狀結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但供電可靠性較低，適用于小容量、短距離輸電。供電可靠性最高，但投資和維護(hù)成本也最高，適用于特大型城市和重要工業(yè)區(qū)。具有較高的供電可靠性和靈活性，適用于大容量、長(zhǎng)距離輸電。采用遺傳算法、粒子群算法等智能優(yōu)化算法進(jìn)行輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低投資成本和提高運(yùn)行效率。

配電自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用饋線自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電等功能，提高供電可靠性。配電管理系統(tǒng)（DMS）集成SCADA、GIS、負(fù)荷管理等功能，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度和管理。分布式能源接入技術(shù)支持分布式能源（如光伏、風(fēng)電等）接入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的充分利用?？煽啃栽u(píng)估指標(biāo)采用平均停電時(shí)間、平均停電次數(shù)、系統(tǒng)平均停電頻率等指標(biāo)評(píng)估配電網(wǎng)的可靠性。提高方法采用高可靠性設(shè)備、加強(qiáng)設(shè)備巡檢和維護(hù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、實(shí)施配電自動(dòng)化技術(shù)等措施提高配電網(wǎng)的可靠性?？煽啃栽u(píng)估和提高方法新型輸配電設(shè)備介紹氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）具有占地面積小、維護(hù)工作量少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于高電壓等級(jí)的輸配電系統(tǒng)。智能變壓器具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷等功能，提高變壓器的運(yùn)行效率和可靠性。柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）采用電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的靈活控制，提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸電能力。高溫超導(dǎo)電纜具有傳輸容量大、損耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)城市電網(wǎng)發(fā)展的重要方向之一。05電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速技術(shù)應(yīng)用03應(yīng)用領(lǐng)域直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、機(jī)床、印刷機(jī)械等領(lǐng)域。01工作原理直流電機(jī)利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電刷和換向器實(shí)現(xiàn)電流方向的改變，從而產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩。02調(diào)速方法直流電機(jī)的調(diào)速方法包括改變電樞電壓、改變勵(lì)磁電流和采用晶閘管可控整流電路等。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)交流異步電機(jī)利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。工作原理調(diào)速方法應(yīng)用領(lǐng)域交流異步電機(jī)的調(diào)速方法包括變頻調(diào)速、變極調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率等。交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等領(lǐng)域。030201交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)永磁同步電機(jī)利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。工作原理永磁同步電機(jī)的調(diào)速方法包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。調(diào)速方法永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電梯、機(jī)器人等領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)工作原理無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向器代替機(jī)械換向器，通過(guò)控制定子繞組的電流方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。調(diào)速方法無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速方法包括改變供電電壓、采用PWM控制等。應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具、家用電器等領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)06電力系統(tǒng)保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)123通過(guò)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的電氣量變化，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障或異常，并迅速切除故障部分，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。繼電保護(hù)基本原理根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)、容量及運(yùn)行方式等條件，合理配置繼電保護(hù)裝置，確保裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性、可靠性和速動(dòng)性。裝置配置要求包括過(guò)電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、高頻保護(hù)等，各種保護(hù)類型在原理、實(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用場(chǎng)景上有所不同。常用保護(hù)類型繼電保護(hù)原理及裝置配置備用電源自投裝置功能當(dāng)工作電源因故障被切除后，備用電源自投裝置能自動(dòng)將備用電源投入，保證重要負(fù)荷的連續(xù)供電。應(yīng)用注意事項(xiàng)自動(dòng)重合閘和備用電源自投裝置在應(yīng)用中需注意與繼電保護(hù)的配合問(wèn)題，避免誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。自動(dòng)重合閘作用在電力系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，自動(dòng)重合閘裝置能使斷路器自動(dòng)重合，恢復(fù)系統(tǒng)供電，提高供電可靠性。自動(dòng)重合閘和備用電源自投裝置事故追憶功能在電力系統(tǒng)發(fā)生事故后，追憶事故發(fā)生前后的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)變化，幫助運(yùn)行人員了解事故原因和過(guò)程。實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)配置專用的故障錄波器和事故追憶裝置，或利用現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)。故障錄波功能記錄電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的電氣量波形，為故障分析提供重要依據(jù)。故障錄波和事故追憶功能實(shí)現(xiàn)智能化變電站特點(diǎn)01采用先進(jìn)的信息、控制技