电力工程基础——系统篇

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涛孵安
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1 电气工程基础 - 系统篇第二讲电力系统稳态分析元件模型石访 shifang@sdu.edu.cn

2 潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建一拦水堤坝, 将海湾或河口与海洋隔开构成水库, 再在坝内或坝房安装水轮发电机组, 然后利用潮汐涨落时海水位的升降, 使海水通过轮机转动水轮发电机组发电

3 电力系统能量转换核能发电利用受控核裂变产生热能, 将热能转化为机械能, 再由机械能转化为电能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在妥善处理核废料的基础之上, 核能发电是一种清洁的发电形式 3

4 电力系统能量转换核能发电在反应堆中, 一次侧水经过加压不会产生蒸汽二次侧水在蒸汽发生器中产生蒸汽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 PWR 4

5 核聚变 - 未来人类的能源宝库电气工程基础 - 系统篇

6 电力系统能量转换可再生能源发电可再生能源 : 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风力发电发展迅速到 017 年年底, 全球风电累计装机容量达到 540GW 中国美国和德国中国累计装机容量达到 188GW 6

7 海上和陆上风电日益下降的价格不断给我们惊喜风电低价格在不同的市场呈现遍地开花的趋势, 在摩洛哥印度墨西哥和加拿大, 风电价格在美元 0.03 美分 /kwh 左右, 其中墨西哥最近的招标价格更是达到美元 0.0 美分 /kwh 017 年, 我国新增并网风电装机 1503 万千瓦, 累计并网装机容量达到 1.64 亿千瓦, 占全部发电装机容量的 9.% 风电年发电量 3057 亿千瓦时, 占全部发电量的 4.8%, 比重比 016 年提高 0.7 个百分点 017 年, 全国风电平均利用小时数 1948 小时, 同比增加 03 小时 7

8 电力系统能量转换可再生能源发电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 017 年, 新增光伏装机中国 :15GW(43GW) 日本 :9GW 美国 :6GW 欧洲 :7GW 8

9 我国的发电总装机容量截至 015 年底, 全国装机容量达到 15 亿 kw;16 年 16.4 亿火电 :9.6 亿 kw( 总占比 67%) 增速 0.5% 非化石 :4.45 亿 kw ( 总占比 33%) 水电 :>3.0 亿 kw ( 增速 7.9%) 风电 :14500 万 kw( 增速 6%) 光伏 :4500 万 kw ( 增速 67%) 核电 :3000 万 kw 9

10 全球电力生产排名 10

截止 017 年底, 全国十大电力装机省份分别是 : 山东 1556 万千瓦内蒙古 1186 万千瓦江苏 11469 万千瓦广东 10903

11 截止 017 年底, 全国十大电力装机省份分别是 : 山东 1556 万千瓦内蒙古 1186 万千瓦江苏万千瓦广东万千瓦四川 971 万千瓦云南 8905 万千瓦浙江 8899 万千瓦新疆 8503 万千瓦山西 8073 万千瓦河南 7993 万千瓦 11

12 1

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14 14

15 截至 017 年底, 山东省新能源总装机达到万千瓦, 占 18.55% 15

16 区域电网互联 014 年 3 月 18 日 16

17 中国 17

18 美国 EI+WECC+ERCOT 18

19 欧洲 UCTE/ENTSO-E 19

20 0

21 Case : 高压直流输电系统 (HVDC) 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 0 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始于 40 年代在许多条件下, 高压直流输电与交流输电相比更有优势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 1

23 Case : 高压直流输电系统 (HVDC) 整流器如何如何工作 3

24 HVDC 相较于 AC 的优势优势长距离水下电缆输电, 为避免中间落点, 采用直流比交流优越电容电流两个交流系统的互联同频系统 : 保持相对独立性, 提高安全稳定性异频系统大容量远距离架空输电线经济性调节迅速劣势落点困难难以成网 4

25 HVDC 的稳态功率设直流输电系统换流站 CS1 的直流输出电压为 U d1, 换流站 CS 的直流输入电压为 U d CS1 直流线路 CS 直流线路电流为 : ~ ~ 交流系统 1 交流系统 U 直流线路 U R 换流站 CS1 送到直流线路的功率和换流站 CS 从直流线路接受的功率分别为 P U I P U I d1 直流线路上的损耗功率为 : I d1 d d d1 d P d1 d P d d I d d ( U d1 U d ) ( U d1 U R d ) 5

26 电力系统稳态分析电路直流电路和正弦稳态电路的分析 6

27 电力系统模型 : 物理系统的数学抽象 7

28 第章电力系统各元件的数学模型同步发电机变压器输电线路负荷 8

29 .1 同步发电机电压源或电流源 ; 电压可调 ; 功率限制 ; 无限大容量电源 ( 理想电源 ): 容量无穷大, 频率恒定电压恒定的电源 ; 9

30 ..1 变压器正序参数与等值电路变压器的用途与分类变压器是一种静止电机, 将电能从一种电压形式 ( 等级 ) 转换成另一种电压形式 ( 等级 ) 根据用途不同, 变压器可以分为 : 电力变压器与特种变压器电力变压器 : 在电力系统中传输和分配电能特种变压器 : 其他用途的变压器, 包括整流变压器试验变压器 ( 互感器 ) 电炉变压器控制变压器等 30

31 变压器的基本工作原理当一次绕组接交流电压后, 励磁电流在铁心中产生交变的主磁通 Φ Ф 在两个绕组中分别产生感应电动势 e1 和 e 变压器变比 k e1/e=n1/n=k N>N1, 为升压变压器, N<N1, 为降压变压器 e 1 N1 df dt e N df dt 018/3/1 电气工程基础 - 系统篇 31

32 变压器空载运行变压器的一次绕组接交流电源, 二次绕组开路, 负载电流为零, 称为变压器的空载运行一次绕组电流 i 0 产生励磁磁动势 F 0 = N 1 i 0 F 0 产生的磁通分为两部分 : 大部分以铁心为磁路, 同时与一次绕组 N1 和二次绕组 N 匝链, 在两个绕组中产生电动势 e 1 和 e, 称为主磁通 Ф ; 另一部分磁通仅与一次绕组匝链, 通过油或空气形成闭路, 称为一次绕组的漏磁通 Ф 1σ 3

33 变压器空载等效电路用阻抗 R m +jx m 表示主磁通 Φ 的作用, 用阻抗 R 1 +jx 1σ 表示一次侧绕组电阻 R 1 和漏抗 X 1σ 的作用, 即可得到空载时变压器的等效电路 R1 和 X1σ 受饱和程度的影响很小, 基本上保持不变 Rm 和 Xm 随着饱和程度的增大而减小, 变压器正常工作时, 由于电源电压变化范围小, 铁心中主磁通的变化不大, 可以认为励磁阻抗 Rm+jXm 基本不变 33

34 变压器负载运行变压器的一次绕组接交流电源, 二次绕组接负载阻抗时, 二次绕组中有电流流过, 称为变压器的负载运行二次侧接负载, 流过电流 i, 一次绕组电流为 i 1 二次侧电流产生磁动势 F =N i, 一次绕组电流 i 1 产生磁动势 F 1 = N 1 i 1, F 1 与 F 共同作用, 建立励磁磁动势 F, 产生主磁通 Φ 34

35 变压器负载运行变压器的一次绕组接交流电源, 二次绕组接负载阻抗时, 二次绕组中有电流流过, 称为变压器的负载运行除了通过铁心并与一次和二次绕组相交链的主磁通 Φ 之外, 还有少量仅与一个绕组交链且主要通过空气或油而闭合的漏磁通, 包括一次绕组的漏磁通 Φ 1σ 和二次绕组的漏磁通 Φ σ 35

36 变压器绕组归算由于一二次侧绕组匝数不同, 电动势也不同, 难以将两侧的等效电路合并成一个完整的等效电路归算 : 将二次绕组归算到一次侧, 即假想将二次绕组的匝数变换成一次绕组的匝数, 而不改变一次和二次绕组原有的电磁关系电流的归算 : I & ' N N 1 I& 1 I & k 电动势的归算 : E& E& ' N N 1 k E & ' ke& 阻抗的归算 : R X ' ' k k R s s X 36

37 双绕组变压器 T 型等效电路 R 1 X 1s R ' X s U 1 I 1 I m R m E & & 1 E ' I ' U X m E& I& 1 1 E& + I& ' ' & I m U& U& 1 ' E& E& ' 1 + I& ( R + + I& ' 1 1 ' ( R + jx jx 1s ' ) ) 37

38 双绕组变压器近似等效电路 (I) 将激磁阻抗移至一次侧, 得近似 G 形等效电路 I & 1 R T R 1 + R ' X T X + X ' 1 s s U 1 I m R m I & U & X m 38

39 双绕组变压器近似等效电路 (II) 将励磁支路用导纳 Y m G T jb T R m 1 + jx m 来表示 39

40 变压器的额定值额定容量 S N : 在铭牌规定的额定状态下变压器输出的视在功率, 三相变压器指三相容量之和额定电压 U N : 铭牌规定的各个绕组在空载指定分接开关位置下的端电压, 三相变压器指线电压额定电流 I N : 根据额定容量和额定电压计算出的电流, 三相变压器指线电流 40

41 双绕组变压器等效电路参数的测定等效电路中的 R T X T R m X m 等参数通常通过短路试验和空载试验来确定短路试验 : 二次绕组短路, 一次绕组加可调的低电压调节外加的低电压, 使短路电流达到额定电流, 测量此时的一次电压 U k 输入功率 P k 和电流 I k, 由此确定等效漏阻抗短路试验通常在变压器高压侧加电压, 低压侧短路短路电压 : 短路试验时, 使电流达到额定值时所加的电压 41

42 双绕组变压器电阻短路试验时, 加入电压较低磁通很小, 铁耗可以忽略, P k 近似等于铜耗 S N P k 3I NR 1 T U1N R T PkU 1N R T 1000S N 4

电气工程基础 - 系统篇 018/3/1 43 双绕组变压器漏抗由于故 100 3 100 % 1 1 1 1 N T N N k k U Z I U U U T

43 电气工程基础 - 系统篇 018/3/1 43 双绕组变压器漏抗由于故 % N T N N k k U Z I U U U T T R X >> % 1 1 N T N k U X I U N N k k N N T S U U U I U X 100 % 100 %

44 Q&A Fundamentals of Power System Engineering Power System Analysis 44 44

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