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，通過電動機可以將電能轉(zhuǎn)換成機械能帶動機械負載做功，通過照明燈具可以將電能轉(zhuǎn)換成光能進行照明。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。風能是一種綠色能源，利用風力發(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)電和風力發(fā)電的工作原理進行簡單介紹。

（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，推動汽輪機轉(zhuǎn)動，帶動同軸發(fā)電機發(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）風力發(fā)電 目前風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和永磁風力發(fā)電系統(tǒng)兩種，下面以永磁風力發(fā)電系統(tǒng)為例介紹風力發(fā)電的工作原理，如圖1-4所示。

風力機將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，經(jīng)過變速齒輪箱改變轉(zhuǎn)速，再由永磁風力發(fā)電機將機械能轉(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，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)電廠離負荷中心較遠，需要由輸電線路將電能輸送到負荷中心。負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、大氣污染嚴重等問題，結(jié)合“雙碳”目標，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)負擔，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、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)正常運行。因此電力系統(tǒng)一般配有自動監(jiān)測和保護裝置。