第1章 緒論

1.1 電力系統(tǒng)概述

1.1.1 電力系統(tǒng)組成

電能是一種清潔的二次能源，便于傳輸和使用，通過用電設(shè)備可以將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量加以利用，例如，通過電動機(jī)可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動機(jī)械負(fù)載做功，通過照明燈具可以將電能轉(zhuǎn)換成光能進(jìn)行照明。電能是現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中重要的基礎(chǔ)能源之一，由于其所處的基礎(chǔ)性地位，因此對其質(zhì)量和可靠性都有較高的要求。

電力系統(tǒng)（Power System）是包含生產(chǎn)電能、輸送電能、分配電能、變換電能和使用電能的一個整體。圖1-1是一個簡單的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

通過圖1-1可以簡單了解電能從生產(chǎn)到使用的整個過程。發(fā)電廠生產(chǎn)電能，經(jīng)過升壓變壓器將電壓升高后送到高壓輸電線上，由輸電線路將電能送到變配電所，經(jīng)過多次降壓后，將電能送給用電設(shè)備使用。

電力系統(tǒng)去掉發(fā)電廠的電氣部分和用電設(shè)備，其他部分稱為電力網(wǎng)，簡稱電網(wǎng)。電力系統(tǒng)與發(fā)電廠的熱能部分和動力部分合起來稱為動力系統(tǒng)，三者之間的關(guān)系如圖1-2所示。

電力系統(tǒng)包括4個組成部分：發(fā)電廠、變配電所、電力線路和電力用戶。

1.發(fā)電廠

發(fā)電廠是生產(chǎn)電能的工廠，其將自然界中存在的某些一次能源轉(zhuǎn)變成電能。由于自然界中不存在足量可控的電能，因此發(fā)電廠是電力系統(tǒng)不可缺少的組成部分。發(fā)電廠一般根據(jù)一次能源來命名，例如，火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、核電站、風(fēng)力發(fā)電場等。火力發(fā)電是傳統(tǒng)的發(fā)電方式，技術(shù)成熟，但是耗能大，污染環(huán)境，目前仍然是我國發(fā)電的主要方式。風(fēng)能是一種綠色能源，利用風(fēng)力發(fā)電可以節(jié)約常規(guī)能源的使用，減少污染氣體的排放，是一種具有潛力的發(fā)電方式。下面分別對火力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的工作原理進(jìn)行簡單介紹。

（1）火力發(fā)電 圖1-3是某火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程示意圖。首先將煤磨成煤粉噴入鍋爐中燃燒，加熱管壁內(nèi)的水，經(jīng)過加熱成為高溫、高壓的水蒸氣，推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動同軸發(fā)電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生電能，做過功的水蒸氣經(jīng)過冷凝器冷卻后，經(jīng)過水泵重新送回到鍋爐內(nèi)加熱。

（2）風(fēng)力發(fā)電 目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩種，下面以永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例介紹風(fēng)力發(fā)電的工作原理，如圖1-4所示。

風(fēng)力機(jī)將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，經(jīng)過變速齒輪箱改變轉(zhuǎn)速，再由永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，然后由變頻器改變電壓頻率，將電能送給電網(wǎng)。

2.變配電所

變配電所是電力系統(tǒng)的重要電力設(shè)施，其具有變換電壓等級、接受和分配電能的作用。不含有變壓器，只具有接受和分配電能功能的電力設(shè)施稱為開關(guān)站、開閉所或配電所。發(fā)電機(jī)附近的變配電所為升壓變配電所，其他為降壓變配電所，設(shè)置升壓變配電所的目的是為了大功率遠(yuǎn)距離傳輸電能時減小線路上的電能損耗，設(shè)置降壓變配電所是出于安全和絕緣考慮，降壓后將電能供給用電設(shè)備。

按照電壓等級和地位不同，降壓變配電所又分為樞紐變配電所、城市電源變配電所、區(qū)域變配電所、總降壓變配電所、車間變配電所、公用變配電所和專用變配電所等。

3.電力線路

電力線路用于傳輸電能，其分為輸電線路和配電線路，輸電線路傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸電能容量大，電壓等級高，一般將發(fā)電廠升壓后的電能送給各個變配電所。配電線路將電能送給下級變配電所或用電設(shè)備。

出于節(jié)約生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，發(fā)電廠一般建設(shè)在一次能源豐富的地區(qū)，例如，盛產(chǎn)煤的地區(qū)，高山峽谷地勢落差大的地區(qū)。因此發(fā)電廠離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，需要由輸電線路將電能輸送到負(fù)荷中心。負(fù)荷是分散的且歸屬不同，因此需要由配電線路將集中的電能分配給散布的用戶。

4.電力用戶

電力用戶消耗電能，是電能使用者。按照行業(yè)劃分，電力用戶分為工業(yè)企業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民用戶等。工業(yè)企業(yè)用戶最多，占總耗電量的70%以上。

1.1.2 電力系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)形式

以上包含發(fā)電、輸變電、變配電和用電4個環(huán)節(jié)的電力系統(tǒng)是目前主流結(jié)構(gòu)形式。而由于新能源發(fā)電、分布式發(fā)電和微網(wǎng)的興起，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式變得更加多樣化，以適應(yīng)各種不同的場合。

由于常規(guī)能源短缺、大氣污染嚴(yán)重等問題，結(jié)合“雙碳”目標(biāo)，各種分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。例如，許多企業(yè)在廠房的空閑屋頂安裝光伏陣列板，自產(chǎn)自用電能，既減小電網(wǎng)電能消耗，減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，又能節(jié)省企業(yè)用電開銷，降低生產(chǎn)成本。這種自產(chǎn)自用系統(tǒng)省去了輸電和配電環(huán)節(jié)，只含有發(fā)電和用電環(huán)節(jié)。

1.1.3 電力系統(tǒng)運(yùn)行特點

1.可靠性高

電能是關(guān)系生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)性能源，中斷供電會在經(jīng)濟(jì)、政治和人身安全等方面產(chǎn)生影響，因此必須采取措施保證供電的可靠性。

2.生產(chǎn)和消費實時平衡

目前交流電能還不能大量存儲，因此要求生產(chǎn)和消費實時平衡，消耗多少電能，發(fā)多少電能，并做好電能調(diào)度。電力系統(tǒng)通常采用聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式，不同地區(qū)的電源連接起來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，共同給用戶供電，實現(xiàn)電源和負(fù)荷之間的電能平衡。

3.暫態(tài)過程要求短暫

系統(tǒng)故障會損壞系統(tǒng)元件，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此出現(xiàn)故障時要求系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，切除故障，減小故障影響程度，快速恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此電力系統(tǒng)一般配有自動監(jiān)測和保護(hù)裝置。