电气工程基础 — 系统篇 2012-2013-2

1. 电气工程基础—系统篇2012-2013-2 任课教师：褚晓东 Email：chuxd@sdu.edu.cn Tel.:81696127(office)，13573122659

2. 绪论 • Engineering is purposeful use of science -Prof. Anant Agarwalfrom MIT • Nothing in life is to be feared. It is only to be understood -Marie Curie

3. 绪论 • 这是一门怎样的课程？ • 讲些什么？ • 认识电力系统的主要构成环节，理解各个环节如何相互连接、作用、牵制，协作完成电力生产、输配与消费等任务 • 去繁就简，对电力系统进行数学抽象，建立分析计算模型 • 针对具体问题，提出系统的、工程化的求解思路与方法 • 有什么用？ • 认知并解决电力工程的相关问题 • 培养系统化的思维：分析与综合 • 与实际现场对接：问题、方法、工具

4. 绪论 • 电力系统的形成与发展 • Volta(伏打)在1800年发明了电池(voltaic pile) • Ørsted(奥斯特)与Ampère(安培)在1820年发现并验证了电流的磁效应 • Ohm(欧姆)发现了欧姆定律 • Faraday(法拉第)在1831年发现了电磁感应定律 • Maxwell(麦克斯韦)在1873年出版了A Treatise on Electricity and Magnetism，系统阐述了电磁场理论 • 19世纪末，电气工程迅速发展，成为第二次工业革命的驱动力

5. 交流/直流之争：北美的直流系统 • 1880年代初期，Thomas Edison倡导的直流系统占据主导地位，采用直流发电机供给白炽灯与电动机负荷，利用储能电池提供备用 • 同时期，开铁心变压器（opencore transformer，由Lucien Gaulard和John Dixon Gibbs发明）的变电效率非常低，实用的交流电动机还没有问世，用电设备串联接入配电系统，这些因素限制了交流系统的发展 Thomas Edison Edison发明的白炽灯原型

6. 交流/直流之争：欧洲的交流系统 • 欧洲是交流系统的发源地 • 1832年，法国人Hippolyte Pixii利用Faraday原理发明了世界上第一台交流发电机

7. 交流/直流之争：欧洲的交流系统 • 1884-85年，Ganz Works的Z.B.D.团队（Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy, Miksa Déri）发明了世界上第一台闭铁心（close core transformer）变压器，变电效率大幅提高 • Z.B.D.团队发明了并联型的配电系统 • 1886年，Ganz Works建造了Rome-Cerchi发电厂，是世界上第一个采用交流发电机的发电厂 Z.B.D.团队

8. 交流/直流之争：北美的交流之路 • George Westinghouse是交流系统的倡导者，William Stanley, Jr.为他工作，Stanley于1886年在Massachusetts（马萨诸塞）州的Great Barrington建造了世界上第一个完整的单相交流发输配电系统：采用Siemens的单相交流发电机、Stanley发明的变压器，供给Edison发明的白炽灯负荷 • 同年， Westinghouse电气公司成立，至1887年，建造了30多个交流系统 George Westinghouse William Stanley, Jr. Great Barrington系统中的变压器

9. 交流/直流之争：北美的交流之路 • 1888年，Westinghouse电气公司的Oliver Shallenberger发明了交流电能表计 • 同年，Westinghouse注册了Nikola Tesla有关多相交流感应电动机和变压器设计的几项专利， • Westinghouse购买了Galileo Ferraris的交流感应电动机专利 Oliver Shallenberger Nikola Tesla

10. 交流/直流之争：技术制式的竞争 • 电力工业历史上的交流/直流之争既是Westinghouse与Edison两人之间的对决，也是两种技术制式的竞争，涉及了北美与欧洲的许多公司，双方都握有大量的技术专利，希望随着对方的式微，扩大自己的市场份额，最终，交流系统成为市场主导 • 1891年， 国际电工技术展览会在Frankfurt（法兰克福）的举行，由175公里之外Lauffen（劳芬）的发电站向展览会的照明与电动机负荷供电，这是世界上第一个远距离大功率（230kVA）三相交流输电工程，凸现三相交流制式的优势 • 1892年，General Electric（通用电气）公司成立（合并了Edison电气公司），全力投入交流电气设备的设计与制造，很快超越Westinghouse电气公司，成为领先者 • 在欧洲， Siemens & Halske公司成为市场主导者

11. 交流/直流之争：技术制式的竞争 • 为什么交流制式成为电力工业的选择? • 与直流制式相比，交流制式的优点是什么？ • 为什么现代电力系统采用三相交流制？ • 与单相制相比，多相制的优点是什么? • 可否采用其他相制，例如四相、五相制等？ • 直流制式能否重新占据电力工业的主导地位？ • 直流制式的适用于何种系统？ • 电力电子技术的发展能否推动直流制式的回归？

12. 高压直流输电（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 • 20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 • 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

13. 高压直流输电（ HVDC）

14. 电力系统的构成

15. 电力系统的构成：发电

16. 电力系统的构成：输配电

17. 电力系统的构成：负荷

18. 电力系统的构成 • 电力系统的构成 • 电力系统是一个能量流系统 多种形式的一次能源在发电厂转化为电能，通过较高电压等级的输电网输送至各负荷中心，配电网将来自输电网的电能降压而对负荷供电 • 电力系统是一个网络流系统 输电网与配电网是将电能从电源输送至用户的途径，电能（功率）在电网中的传输受到网络结构的约束 • 电力系统是一个信息流系统 电力系统在运行管理上是高度自动化的：组成电力系统的各主要环节都配备了数字化的测量、保护与控制装置，在控制中心，数字计算机通过对各种信息的接收、处理和发送，持续不断地监视及控制全系统的运行

19. 能量转换—火力发电 • 将煤炭、石油或天然气等化石燃料燃烧所产生的热能转化为机械能以生产电能 • 主要的能量转换设备包括锅炉、汽轮机与发电机组 • 发电流程（能量转换过程）：锅炉将水加热变成蒸汽（化学能—>热能）、蒸汽吹动汽轮机的叶片（热能—>机械能）、汽轮机带动发电机的转子旋转（机械能—>电能）

20. 能量转换—火力发电

21. 能量转换—水力发电 • 将水的机械能转化为电能 • 发电流程（能量转换过程）：水从高位向低位冲泻（势能—>动能）、水轮机带动发电机的转子旋转（动能—>电能） • 抽水蓄能：在负荷低谷时，将水由低位水库抽出注入高位水库，发电机工作于电动机模式；在负荷高峰时，工作于发电模式，起到削峰填谷的作用

22. 能量转换—水力发电 • 拦河坝(1)提高了上游的水位，形成水库，增大了水的势能 • 打开导管(2)的阀门，水沿着导管冲泻下来，势能变成动能 • 水的动能带动水轮机(3)的叶片，使水轮机转动 • 水轮机带动发电机(4)发电

23. 能量转换—核能发电 • 利用受控核聚变产生热能，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，核能发电是清洁的发电形式

24. 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

25. 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2012年底，全球风电的装机容量已经达到282.5GW • 目前，中国、美国和德国是风电装机容量最大的三个国家：75.6 GW、60.0 GW和31.3 GW

26. 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

27. 我国的发电总装机容量(2007-2012) • 至2012年3月底，全国装机容量达到1029.93GW，其中：火电、水电、核电、风电装机容量分别达到768.72、197.24、12.57、48.71GW

28. 我国年发电量 (1980-2010)

29. 区域电网互联 中国电力互联格局

30. 区域电网互联 美国电力互联格局

31. 课程的主要内容 • 掌握电力系统分析的基础理论 • 了解电力系统各设备受电、热、动约束的能力，掌握电力系统设计与运行中应遵循的原则 • 建立电力系统设计、运行、控制与保护的整体概念

32. 课程的主要内容 • 电力系统分析的基础理论 • 电力网络的稳态与动态分析—系统篇 • 模型：发电、输配电及负荷等元件的模型，网络模型 • 分析计算：潮流、短路、稳定性 • 电力系统的高压特性—高压篇 • 电力系统各种一次设备的特点和选型—设备篇 • 电力系统一次设备的保护原则和方法—保护篇 • 电力系统运行的调度与控制—控制篇

33. 参考文献 • 夏道止. 电力系统分析. 北京：中国电力出版社，2004（第一版），2011（第二版） • 王锡凡，方万良，杜正春. 现代电力系统分析. 北京：科学出版社，2007 • Arthur R. Bergen, Vijay Vittal. Power System Analysis, 2nd ed. NJ: Prentice Hall, 2000

34. 课程网站 • http://course.sdu.edu.cn/1472.html • “教学日历” ,“教学资料”

35. 考试政策

36. 电力系统模型：物理系统的数学抽象

37. 电力系统模型：物理系统的数学抽象

38. 第2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

39. 电磁感应原理 • 总结五个典型实验，可得如下结论：不管什么原因使穿过闭合导体回路所包围面积内的磁通量发生变化，回路中都会出现电流，这种电流称为感应电流 • 在磁通量增加和减少的两种情况下，回路中感应电流的流向相反 • 感应电流的大小则取决于穿过回路中的磁通量变化快慢：变化越快，感应电流越大；反之，就越小 • 实验一：闭合导体回路与磁棒之间有相对运动时，可引起电磁感应现象 • 实验二：闭合导体回路和载流线圈间有相对运动时，亦可引起电磁感应现象 • 实验三：闭合导体回路中有电流强度可改变的载流线圈时，同样可引起电磁感应现象 • 实验四：闭合导体回路和载流线圈间相对静止，但磁铁棒相对于它们运动，也可引起电磁感应现象。 • 实验五：闭合导体回路在均匀磁场中运动，也能够引起电磁感应现象

40. 电磁感应原理 • 感应电动势 当闭合导体回路所包围面积的磁通量变化时，此回路中就出现感应电流，这意味着该回路中必定存在电动势，这种直接由电磁感应现象所引起的电动势叫做感应电动势 • 在任何电磁感应现象中，只要穿过回路的磁通量变化，回路中就一定有感应电动势产生 • 若导体回路是闭合的，感应电动势就会在回路中产生感应电流；若导线回路不是闭合的，回路中仍然有感应电动势，但是不会形成电流

41. 电磁感应原理 • 法拉第电磁感应定律 通过回路中的磁通量发生变化时，在回路中产生的感应电动势的大小与磁通量随时间的变化率成正比 • 楞次定律 闭合回路中感应电流的磁场总是反抗回路中磁通量的变化

42. 时间—空间向量 • 时间向量 • 磁链 • 感应电动势 • 电压和电流 • 空间向量 • 磁动势 • 磁通密度

43. 2.1 同步发电机的数学模型 同步电机的基本构造型式 • 磁极旋转式：以电枢为定子，磁极为转子 • 电枢旋转式：以磁极为定子，电枢为转子，应用于小容量同步电机

44. 2.1 同步发电机的数学模型 • 磁极旋转式同步电机 • 定子：又称为电枢，定子的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相交流绕组 • 转子：转子铁心上装有成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场，也称主磁场 • 气隙：处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能具有重要影响

45. 2.1 同步发电机的数学模型 • 隐极式（磁极旋转式）同步电机 • 转子上没有凸出的磁极，沿着转子圆周表面有许多槽，槽中嵌放着励磁绕组 • 在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区 • 在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度很高，为了减小转子本体及 转子上各部件所承受的离心力，大型汽轮发电机的转子通常为细长的隐极式圆柱体

46. 2.1 同步发电机的数学模型 • 凸极式（磁极旋转式）同步电机 • 转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极 • 由于水轮发电机机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单

47. 2.1 同步发电机的数学模型 同步发电机的双反应原理 • 电枢反应 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应，电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置

48. 2.1.1 同步发电机稳态运行的数学模型 • 双反应原理 考虑到凸极机的气隙不均匀，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别进行处理，称为双反应原理 凸极机极面下气隙较小，两极之间气隙较大，因此，如图所示，直轴下单位面积的气隙磁导λd要比交轴下单位面积的气隙磁导λq大 当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值相对较大

49. 2.1.1 同步发电机稳态运行的数学模型 隐极机的电压方程 • 不考虑磁饱和，隐极机负载运行时各物理量之间的关系：

50. & & & & + - + = E E I ( r jX ) U s q a µ F µ µ E F I a a a & & = - E j I X a a 2.1.1 同步发电机稳态运行的数学模型 • 采用发电机惯例，以输出作为电枢电流的正方向时，电枢电压方程为： (2-1) 电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa，不计磁饱和，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢（定子）电流I，即 在时间相位上， 滞后于 以90°电角度，若不计定子铁耗， 与 同相位，则 将滞后于 以90°电角度，所以 可写成负电抗压降的形式，即 (2-2)