1.2 電氣系統和電力系統

1.2.1 電氣系統

從學科角度來說，電氣學科是以電能、電氣設備和電氣技術為手段來創(chuàng)造、維持與改善限定空間和環(huán)境的一門科學，涵蓋電能的轉換、利用和研究3個方面，包括基礎理論、應用技術、設施設備等；從使用的角度來說，它是人們高度依賴的能量供給物，電氣存在于人們日常生活的各個方面，用電也成了一種生活習慣。

電氣系統在范圍上有廣義和狹義之分，廣義的電氣系統與傳統意義上的電力系統相同，是由發(fā)電廠、變電站、輸電線路、配電線路、電力用戶等連成一體的系統，從功能上通常分為發(fā)電、輸配電、用電三部分；狹義的電氣系統可理解為電能并網之前的系統，不包含并網后的輸電、用電等環(huán)節(jié)，重點在于場內發(fā)電、配電、并網等環(huán)節(jié)。由于本書針對的是風電場電氣系統，所以重點討論狹義上的電氣系統。

1.2.2 電力系統

傳統電力系統即廣義的電氣系統，如圖1-4所示。

在電力系統中，通常將輸送、交換和分配電能的設備稱為電力網，它由變電站和各種不同電壓等級的輸電線路組成。電力網按電壓等級的高低和其供電范圍的大小可分為地方電力網、區(qū)域電力網及超高壓遠距離輸電網3種類型。變電站是聯系發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，由電力變壓器和配電裝置組成，起變壓、交換和分配電能的作用。根據變電站在電力系統中地位不同，可分為樞紐變電所、中間變電所和終端變電所等。而配電站只用來接收和分配電能而不承擔電壓變化的任務，多建于工業(yè)企業(yè)內部。

1．運行特點

與其他工業(yè)產品相比，電能的生產、輸送、分配和消費有著極其明顯的特殊性，主要有以下幾個特點：

（1）電能與國民經濟各個部門的關系密切。由于電能與其他能量之間的轉換十分方便，而且容易進行大量生產、遠距離輸送和控制，因此電能使用非常廣泛，電能在國民經濟和人民生活中起著極其重要的作用，其供應的中斷或不足將影響國民經濟的各個部門。

（2）電能不能大量儲存。由于電能不能大量儲存，電能的生產、輸送、分配和使用實際上是在同一時刻進行的。這就是說，發(fā)電設備在任何時刻生產的電能必須與該時刻用電設備所需的電能和輸配電過程中電能損耗的總和相平衡。

（3）快速性。由于電能的傳播速度接近光速，所以它從一處傳至另一處所需的時間極短；電力系統從一種運行方式轉變到另一種運行方式的過渡過程非常快；電力系統中的事故從發(fā)生到引起嚴重后果所經歷的時間常以秒甚至毫秒計；從發(fā)生故障到系統失去穩(wěn)定性通常也只有幾秒的時間；因事故而使系統全面瓦解的過程一般也只以分鐘計。所以，為了使設備不致因暫態(tài)過程的發(fā)生而導致損壞，特別是為了防止電力系統失去穩(wěn)定或發(fā)生崩潰，必須在系統中采用相應的快速保護裝置和各種自動控制裝置。

2．基本要求

根據以上特點，對電力系統的運行有5點基本要求。

（1）保證供電的安全可靠性。保證供電的安全可靠性是對電力系統運行的基本要求。為此，電力系統的各個部門應加強現代化管理，提高設備的運行和維護質量。應當指出，目前要絕對防止事故的發(fā)生是不可能的，而各種用戶對供電可靠性的要求也不一樣。因此，應根據電力用戶的重要性不同區(qū)別對待，以便在事故情況下把給國民經濟造成的損失限制到最小。通常可將電力用戶分為以下類型：

1）一類用戶。指由于中斷供電會造成人身傷亡或在政治、經濟上給國家造成重大損失的用戶。一類用戶要求有很高的供電可靠性。對一類用戶通常應設置兩路以上相互獨立的電源供電，其中每一路電源的容量均應保證在此電源單獨供電的情況下就能滿足用戶的用電要求，確保當任一路電源發(fā)生故障或檢修時，都不會中斷對用戶的供電。

2）二類用戶。指由于中斷供電會在政治、經濟上造成較大損失的用戶。對二類用戶應設專用供電線路，條件許可時也可采用雙回路供電，并在電力供應出現不足時優(yōu)先保證其電力供應。

3）三類用戶。一般指短時停電不會造成嚴重后果的用戶，如小城鎮(zhèn)、小加工廠及農村用電等。當系統發(fā)生事故，出現供電不足的情況時，應當首先切除三類用戶的用電負荷，以保證一類用戶和二類用戶的用電。

（2）保證電能的良好質量。頻率、電壓和波形是電能質量的3個基本指標。當系統的頻率、電壓和波形不符合電氣設備的額定值要求時，往往會影響設備的正常工作，危及設備和人身安全，影響用戶的產品質量等。因此，要求系統所提供電能的頻率、電壓及波形必須符合其額定值的規(guī)定。其中，波形質量用波形總畸變率來表示，正弦波的畸變率是指各次諧波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。

我國規(guī)定電力系統的額定頻率為50Hz，大容量系統允許頻率偏差為±0.2Hz，中小容量系統允許頻率偏差為±0.5Hz。35kV及以上的線路額定電壓允許偏差為±5%;10kV線路額定電壓允許偏差為±7%，電壓波形總畸變率不大于4%;380V/220V線路額定電壓允許偏差為±7%，電壓波形總畸變率不大于5%。

電力系統頻率允許偏差和用戶供電電壓及波形畸變率允許變動范圍見表1-2和表1-3。

（3）保證電力系統運行的穩(wěn)定性。當電力系統的穩(wěn)定性較差，或對事故處理不當時，局部事故的干擾有可能導致整個系統的全面瓦解（即大部分發(fā)電機和系統解列），而且需要長時間才能恢復，嚴重時會造成大面積、長時間停電。因此穩(wěn)定問題是影響大型電力系統運行可靠性的一個重要因素。

（4）保證運行人員和電氣設備工作的安全。保證運行人員和電氣設備工作的安全是電力系統運行的基本原則。這一方面要求在設計時合理選擇設備，使之在一定過電壓和短路電流的作用下不致損壞；另一方面還應按規(guī)程要求及時地安排對電氣設備進行預防性試驗，及早發(fā)現隱患，及時進行維修。在運行和操作中要嚴格遵守有關的規(guī)章制度。

（5）保證電力系統運行的經濟性。電能成本的降低不僅會使各用電部門的成本降低，更重要的是節(jié)省了能量資源，因此會帶來巨大的經濟效益和長遠的社會效益。為了實現電力系統的經濟運行，除了進行合理的規(guī)劃設計外，還須對整個系統實施最佳經濟調度，實現火電廠、水電廠及核電廠等負荷的合理分配，同時還要提高整個系統的管理技術水平。