电力系统分析理论

第1章绪论

1.1电力系统的发展

1.1.1世界电力工业的发展

从1831年法拉第发现电磁感应定律，到1875年巴黎北火车站发电厂的建立，电真正进入了实用的阶段.世界上第一台火力发电机组是1875年建于巴黎北火车站的直流发电机，用于照明供电.1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂.1882年，美国纽约珍珠街电厂建成发电，装有6台直流发电机，总容量为670kW，以110V直流为电灯照明供电.经过100多年的发展，到2020年全世界年总发电量约27000TW.h.

第一座发电厂在英国伦敦建成时，输送的是100V和400V的低压直流电;同年，法国人德普列茨将直流输电电压提高到1500～2000V，输送功率为2kW，将57km外水电厂的电力输送到慕尼黑，这被认为是世界上最早的电力系统.这种直流输电系统受到了输送功率和输送距离的限制，已不能世界发电总装机适应社会生产发展的需求.容量及年发电量进入19世纪90年代，随着电力变压器的实际应用，昔日直流技术的地位受到交流的挑战，并被其代替.1891年在制造出三相变压器与三相异步电动机的基础上实现了三相交流输电.1891年8月25日世界上第一条三相交流高压输电线在德国投入运行.在该线始端劳奋水电厂安装了一台230kV.A、90V的三相交流发电机和一台200kV.A、95/15200V的变压器;线路末端法兰克福建造了两座13800/112V降压变压器，其中一座供慕尼黑国际电工展览会用电，另一座为74.57kW的三相异步电动机供电，输电效率为80%.最早形成的交流电力系统出现在伦敦.发电厂厂址在远离市区的伊尔福德，厂内安装了一台容量为1000kW、电压为2500V的交流发电机，通过升压变压器把电压升高到10kV，经12km的输电线送到伦敦市区四个变电站，降为2400V，再经配电变压器降为100V向用户供电.交流输电系统很快胜出的原因主要有三点:交流系统的电压水平可以很容易地转换，因而为不同电压的发电、输电和用电提供了灵活性;交流发电机比直流发电机更简单;交流电动机比直流电动机更简单、价廉.

1891年瑞士人布洛制造出第一台30kV高压油浸变压器之后，高压输电网得到迅速发展.世界用电负荷的快速增长也极大带动了发电机制造技术向大型、特大型机组发展.而由于供电范围扩大，以大型和特大型发电机组为基础建设的大容量和特大容量电厂越来越向远离负荷中心的一次能源地区发展.大容量远距离输电的需求，使电网的电压等级迅速向超、特高压发展.从20世纪50年代开始，330kV及以上超高压输电线路得到了快速发展.1952年在瑞典建成世界上第一条380kV超高压输电线路;1965年加拿大建成世界第一条735kV输电线路.随后，美国又于1969年建成765kV输电线路;1985年，苏联哈萨克的埃基巴斯图兹火电厂至乌拉尔的1150kV特高压输电线投入运行，线路长1300km，更是开创了输电电压的新纪录.

虽然交流输电系统一统天下历经了半个多世纪，而且在发电和变电方面，交流至今仍保持着.1.

明显优势.但随着现代工业和社会的发展，直流输电又日益显示出一些优于交流的特性.比如:交流系统必须考虑同步稳定性问题，直流没有此问题;大容量超远距离输电大大增加建设投资费用，而直流系统可能会节约许多投资.一般认为，当输电距离足够长时（对架空线路，一般认为交流与直流输电距离的交叉点大约是500km，对地下或海底电缆是40km），直流输电的经济性将优于交流输电;现代控制技术的发展，直流输电可以通过快速（毫秒级）控制换流器实现对传输功率的快速灵活控制;直流输电线路可以连接两个不同步或频率不同的交流系统等.因此，20世纪30年代直流系统又东山再起，重新受到青睐，并在50年代中期进入工业应用阶段，不过这时已不再是直流发电机，而是采用交流发电，通过整流和逆变技术进行直流输电.1954年，瑞典在本土与果特兰岛之间建成了世界上第一条工业直流输电线（94km海底电缆），采用汞弧阀作为变流装置.可控硅整流元件的出现促进了高压直流输电的进一步发展.进入21世纪，直流输电更是进入一个新的发展时期.2010年我国云南楚雄州禄丰县至广州增城市的云广±800kV和向家坝至上海的向上±800kV特高压直流输电投入运行，这是当时世界上最早建设及投运的大容量、超长距离的特高压直流输电系统.云广直流全长1438km，额定输送容量5000MW;向上直流全长1907km，额定输送容量6400MW.随后，锦屏苏南的特高压直流长度首次突破2000km.2014年建成的哈密南郑州±800kV特高压直流输电的额定输电能力为8000MW.目

前全世界特高压电压等级最高的是昌吉古泉的±1100kV特高压线路.

1.1.2中国电力工业的发展

我国的电力工业起步很早，几乎与世界同步.1879年5月上海公共租界点亮了第一盏电灯，开始写下中国使用电力照明的历史，1882年中国第一家公用电业公司在上海创办———上海电气公司.不过后来几十年一直发展缓慢.至1949年，全国的总装机容量仅有1850MW，年发电量仅43亿kW.h，分别位居世界第21位和25位.

新中国成立后，我国电力工业得到迅速发展.到1978年，全国发电装机容量已达57120MW，比1949年增长30倍;年发电量2566亿kW.h，增长近59倍.装机容量和发电量分别跃居世界第8位和第7位.

改革开放后，1987年，电力装机容量达1亿kW，1995年突破2亿kW.到1996年，全国装机容量达2.5亿kW，年发电量达11320亿kW.h，跃居世界第二位，成为世界电力生产和消费大国.2000年总装机容量跨上3亿kW台阶，到2005年全国装机容量已达到5亿kW，发电量为24747亿kW.h.2006年全国装机容量超过6亿kW，发电量达到了28344亿kW.h，成为世界第一大电力生产国.截至2020年底，中国发电装机容量达到22.0亿kW，其中煤电装机容量占49.1%，非化石能源装机占44.8%;全年发电量7.62万亿kW.h，其中煤电发电量占60.8%，非化石能源发电占33.9%.

2003年7月10日，举世瞩目的长江三峡水电站首台机组正式并网发电，2009年全部机组投运，总装机规模达到32′70万kW.继长江三峡水电站后，位于川西南金沙江上的向家坝水电站（8′75万kW）、溪洛渡水电站（18′77万kW）、雅砻江锦屏水电站（14′60万kW）分别于2012年12月、2014年10月和2014年11月全部建成投运，位于云南境内的多座大型水电站也相继建成投产，我国已形成超大规模的水电集群外送格局.

此外，核电也相继发展，20世纪90年代初相继投产的秦山核电站和大亚湾核电站填补了我国核电空白，2019年核电装机容量409万kW，核电年发电量已达3487亿kW.h，而且还在继续发展.

2001年全国新能源和可再生能源发电装机就已经达到了360MW.2010年以后太阳能发电和风电开始了迅猛发展，截至2019年底风电装机规模达到20915万kW，太阳能发电装机规模达到20418kW.

在制造业方面我国已经取得了突破性进展，600MW、1000MW超临界机组已经投产发电.2006年11月28日，我国首台国产百万千瓦超临界燃煤机组———浙江华能玉环电厂1号机组正式投入商业运行.标志着我国已经掌握当今世界最先进的火力发电技术，也标志着我国发电设备中国发电总装机容制造能力和技术水平迈上一个新台阶.通过引进国际先进技术，国内合量及年发电量作生产的300MW大型循环流化床锅炉发电设备、9F级联合循环燃气轮机、600MW级压水堆核电站和700MW三峡水轮机组等发电设备在性价比上也具有了国际竞争力.

在输变电方面，1949年，35kV及以上电压等级输电线路仅有6475km.到1978年，全国330kV、220kV电网已初具规模.1982年1月河南平顶山G湖北双河G武昌500kV输变电工程投产，标志着我国开始步入超高电压时代.今天，500kV输电网络已经成为全国各大电网的主干电网.1988年，自行设计建成第一条±100kV直流高压输电工程竣工投运，该线路从浙江镇海到舟山岛，全长53.1km（其中海底电缆11km）.1989年，建成±500kV葛洲坝水电站到上海南桥的远距离超高压直流输电线路，全长1080km，实现华中与华东两大区域系统的直流联网.2003年9月，东北、华北、华中和川渝电网实现互联，南北跨距超过4600km.到2003年底，全国220kV及以上输电线路已经达到80.7万km，变电容量达到59.8亿MV.A.2005年9月26日，西北750kV输电线路正式投入运行.2010年云广和向上±800kV特高压直流输电投入运行.2010年三峡全部投运，实现了以三峡为中心的全国联网.2020年建成覆盖华北、华中、华东的交流特高压同步电网，同时建成西南大型水电基地±800kV高压直流送出工程，共同构成连接各大电源基地和主要负荷中心的特高压交直流混合电网.预计到2030年，中国将新增西南的水电和“三北”的新能源送出通道，进一步优1995～2019年中国220kV化煤电布局，全国跨区的电力输送规模将达到4.6亿kW.预计到及以上交流输电线路长度2050年，全国跨区电力规模将达到6.8亿kW，其中，东中部负荷中心受入电力流达到5亿kW.

1.1.3电力系统发展简述与运行特点

由以上可以看出电力系统的发展大致经历了三代:第一代电力系统的特点是小机组、低电压、小电网，是初级阶段的电力系统发展模式.第二代电力系统的特点是大机组、超高压、大电网.其优势在于大机组、大电网的规模经济性、大范围的资源优化配置能力，以及开展电力市场的潜力.电力系统的正常操作要求快速性，如发电机、变压器、线路、用电设备的投入或退出，都应在瞬间完成，有些操作和故障的处理必须满足系统实时控制的要求.这一阶段的缺点是高度依赖化石能源，是不可持续的发展模式.第三代电力系统的特点是基于可再生能源和清洁能源、骨干电网与分布式电源结合、主干电网与局域网和微网结合，是可持续的综合能源电力发展模式.它要求采用高效节能的发、输、配电设备，电能生产与消费的规模都很大，降低一次能源消耗和输送分配时的损耗对节约资源具有重要意义.充分利用可再生能源，合理调配水、火电厂的出力，尽可能减小对生态环境的破坏和有害影响等.

第三代电力系统即新一代电力系统，是百年来第一、二代电力系统的传承和发展.从第一代电力系统到第三代电力系统发展的内在动力是电能供需的变化，对于第三代电力系统而言，其主要驱动力是电源结构的变化.在未来的电力系统中可再生能源的占比将不断提高.风电、光伏发电等清洁可再生能源将成为主力电源，而传统的水电、气电、储能等灵活性资源将主要提供辅助服务以应对可再生能源发电的随机波动性，源网荷储的灵活互动将成为电力系统的重要形态.电力系统运营的市场化使电力系统的运行方式更加复杂多变，电力传输网络必须具有更强的自身调控能力.此外，能源的互联互通将更为广泛.电力系统将与燃气系统、热力系统紧密耦合，形成以电为中心的能源互联网.未来，大电网将与微电网并存，不同层级、区域的电网的分散协调将成为未来电网的主要发展模式.随着物理信息深度融合技术的发展，将在智能电网的基础上促进电力系统与信息互联网进一步广泛融合，以互联网思维和技术改造传统电力系统，建设能关于分布式发电、微电网、源互联网，是构建新一代能源系统的关键步骤，也是新一代电力系智能电网、能源互联网的概念统的发展方向.

电力系统的功能是将能量从一种自然存在的形式（一次能源）转换为电能（二次能源）的形式，并将它输送到各个用户.能量很少以电的形式消费，而是转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能.电能的优点是输送和控制相对容易，效率和可靠性高.电能的生产、输送、分配和使用与其他工业产品相比有着明显不同的特点，其主要特点有:

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