第1章 緒論

1.1 電力系統的基本概念

1.1.1 電力系統的組成

電能是現代社會的主要能源，它在國民經濟和人民生活中起著極其重要的作用。一個完整的電力系統由各種不同類型的發電廠、變電站、輸電線路及電力用戶組成。在發電機中機械能轉化為電能，變壓器、電力線路輸送分配電能，電動機、電爐、電燈等用電設備消費電能，在這些用電設備中電能轉化為機械能、熱能、光能等。這些生產、輸送、分配、消費電能的發電機、變壓器、電力線路、各種用電設備聯系在一起組成的統一整體,就是電力系統。

1.發電廠

發電廠將一次能源轉換成電能，根據一次能源的不同，有火力發電廠、水力發電廠和核能發電廠。此外，還有風力發電廠、地熱發電廠和潮汐發電廠等。另外，還有各種新能源發電形式，詳見本章1.1.2節的敘述。

火力發電廠將煤、天然氣、石油的化學能轉換為電能。我國火力發電廠燃料以煤炭為主，隨著西氣東輸，將逐步擴大天然氣燃料的比例。火力發電的原理是，燃料在鍋爐中充分燃燒，將鍋爐中的水轉換為高溫高壓蒸汽，蒸汽推動汽輪機轉動，帶動發電機旋轉發出電能，如圖1-1所示。

水力發電廠將水的位能轉換成電能。其原理是水流驅動水輪機轉動，帶動發電機旋轉發電。按提高水位的方法，水力發電廠有堤壩式水電廠、引水式水電廠和混合式水電廠3類。堤壩式水電廠是在河流上落差較大的適宜地段攔河建壩，形成水庫，抬高上游的水位，利用上、下游形成水位差進行發電。引水式水電廠則是由引水系統將天然河道的落差集中進行發電，一般不需修壩或者只需要修低堰。水電廠建設的初期投資較大，但發電成本低，僅為火力發電成本的1/4~1/3，并且水電屬于清潔、可再生能源，利于環保，還兼有防洪、灌溉、水產養殖功能，因此，綜合效益好。

核能發電廠利用原子核的核能生產電能。核燃料在原子反應堆裂變釋放核能，將水轉換成高溫高壓的蒸汽，其生產過程與火電廠基本相同。

風力發電的原理是風的動能作用在葉片上，轉化為機械能推動風機風輪轉動。

太陽能發電分為太陽光能發電和太陽熱能發電。太陽光能發電是利用光電轉換元件，如光電池直接將太陽光能轉換成電能。太陽熱能發電分直接轉換和間接轉換兩種。直接轉換有溫差發電、熱離子發電等，間接轉換原理與火力發電相似。

2.變電站

變電站的功能是接受電能、變換電壓和分配電能。為了實現電能的遠距離輸送和將電能分配到用戶，需將發電機電壓進行多次電壓變換，這個任務由變電站完成。變電站由電力變壓器、配電裝置和二次裝置等構成。按變電站的性質和任務不同，可分為升壓變電站和降壓變電站。按變電站的地位和作用不同，又分為樞紐變電站、區域變電站和用戶變電站。樞紐變電站在整個電力系統中起紐帶連接作用；區域變電站將樞紐變電站來的電能進行再次降壓處理；用戶變電站接受區域變電站的電能，進行再次降壓，合理分配給各個用戶設備。

3.電力線路

電力線路將發電廠、變電站和電能用戶連接起來，完成輸送電能和分配電能的任務。電力線路有各種不同的電壓等級，通常將220kV及以上的電力線路稱為輸電線路，110kV及以下的電力線路稱為配電線路。配電線路又分為高壓配電線路（110kV）、中壓配電線路（35~6kV）和低壓配電線路（380V/220V），前者一般作為城市配電網骨架和特大型企業供電線路，中者為城市主要配網和大中型工廠供電線路，后者一般為城市和企業的低壓配網。

4.電能用戶

所有消耗電能的用電設備或用電單位稱為電能用戶。電能用戶按行業可分為工業用戶、農業用戶、市政商業用戶和居民用戶等。

在上述介紹的電力系統中，屬于配電電壓等級的電力線路及相應的變電站組成的統一整體，就稱為配電網（Distribution Network），也即電力系統中二次變電站低壓側直接或降壓后向用戶供電的網絡，配電網絡由架空配電線路、電纜配電線路、變電站、開閉所、降壓變壓器等構成。配電網也正是本書的研究對象。

1.1.2 各種新能源發電形式

能源是國民經濟發展和人民生活水平提高的重要物質基礎，當前我國能源供應主要依賴煤炭、石油、天然氣等化石能源，但化石能源的資源有限性和開發利用帶來的環境問題嚴重制約著經濟和社會的可持續發展。隨著全球經濟的快速發展，煤炭、石油等不可再生能源供應日趨緊張，開發使用新能源已經成為當務之急，而全球氣候變暖所導致的災難性后果更為可再生能源的發展提供了動力。世界各國都把支持可再生能源發展作為實現經濟可持續發展的重要手段，美歐等國普遍加大對可再生能源技術開發和應用的投入。我國早在2008年制定的《可再生能源發展“十一五”規劃》中提出“到2010年，可再生能源在能源消費中的比重達到10%”。

下面舉例說明常見的幾種新能源發電形式。

1.太陽能

太陽能發電分為太陽光能發電和太陽熱能發電。太陽光能發電是利用光電轉換器件，如光電池直接將太陽光能轉換成電能，即光伏發電。太陽熱能發電分直接轉換和間接轉換兩種。直接轉換有溫差發電、熱離子發電等。間接轉換原理與火力發電相似。

光伏建筑一體化（Building Intergrated Photovoltaic，BIPV）是指在建筑上安裝光伏系統，并通過專門設計，實現光伏系統與建筑的良好結合。這樣可以加快推進太陽能光伏發電技術在建筑領域中的應用，是降低建筑能耗、調整建筑用能結構的有效措施之一。下面列舉一些典型的BIPV應用工程案例。

1）仰天崗自然科學博物館。該建筑位于江西新余市，總裝機容量約為3.05MWp，建筑安裝面積約36 455m²，系統沒有儲能裝置，太陽電池將日光轉換成直流電，通過逆變器變換成380V交流電，建筑物用電通過10kV市電供給。

2）威海市民文化中心。該建筑位于青島路東，海濱南路西，總建筑面積63 314m²，地下1層，地上4層，主體高32m，錐體高50m。其總裝機容量為480kWp，建筑安裝面積為5 556m²，屋頂全部使用內嵌薄膜電池的玻璃，是世界上最大的非晶硅光伏屋面工程，該工程也打破了“玻璃電池”全部是平面的常規，是世界上首個采取波浪形設計的“玻璃電池”屋頂。

3）廣州珠江城。該建筑屬于超高層國際寫字樓，在珠江城31~70層東西立面遮陽板（安裝面積各約為650.5m²）和塔樓屋頂位置（安裝面積約為360m²）建設太陽能光伏發電系統，總裝機容量為184.96kWp，于2011年初竣工。

4）日新科技光伏工業園。日新工業園位于武漢東湖新技術開發區汽車電子工業園內，建筑類型包括工業建筑、公共建筑和民用建筑三種形式。整個光伏安裝面積為9 823m²，主要在建筑屋面、天窗、幕墻及園區照明安裝光伏并網發電系統，總裝機容量達1.2MWp，年發電量可達1.5×10⁶kW·h，發出的電能通過光伏專用逆變器并入用戶側電網。該項目2008年11月被國家財政部和建設部批準為可再生能源建筑應用示范項目，已經于2010年6月竣工驗收。

另外，還有如深圳園博園總裝機容量為1MWp、北京土地技術開發區軟件園為50kWp、住建部主樓為75.6kWp、淮安清河文展中心為40.32 kWp、廣東金剛玻璃公司園區內廠房為400kWp、湖北黃金山科技園為3MWp、青島火車站為103kWp、珠海東澳島文化中心為1 004.4kWp、深圳拓日光伏工業園辦公大樓為70.4 kWp等諸多的光伏建筑一體化的示范工程。這些光伏建筑一體化工程的建設充分考慮了城市的可持續發展需求，貫徹了節能減排政策，充分利用可再生能源，很好地發揮公共建筑的節能示范作用。

2.生物質能

生物質發電是利用生物質所具有的生物質能進行發電，是可再生能源發電中的一種，包括農林廢棄物直接燃燒發電、農林廢棄物氣化發電、垃圾焚燒發電、垃圾填埋氣發電、沼氣發電等多種形式，生物質能源中的有害物質（硫和灰分等）含量僅為中質煙煤的10%左右，可實現二氧化碳零排放。

生物質發電在許多歐美國家自20世紀90年代開始大發展。我國已公布的《可再生能源中長期發展規劃》也確定了“到2020年，生物質發電總裝機容量達到3000萬千瓦”的發展目標。截至2007年年底，國家和各省發改委已核準項目87個，總裝機規模為2 200MW。全國已建成投產的生物質直燃發電項目超過15個，在建項目30多個。下面列舉一些典型的生物質發電案例。

1）粵電湛江生物質發電廠。擁有2臺50MW生物質發電機組，系目前世界單機容量及總裝機容量最大的生物質電廠，采用農林作物廢棄物等生物質作為燃料，已于2011年11月正式投入商業運營。電廠選址在雷州半島，當地日照充沛、農林作物生長較快，在有限的收集半徑內，燃料來源充足穩定，地理優勢明顯。該生物質發電項目每年可替代約100000 tec[1]，① 減少二氧化碳排放約300000 t，減少二氧化硫排放近2000 t，這對于改善當地農村村容村貌、減少城鄉大氣污染將發揮重要作用。

2）北京德清源沼氣發電。坐落在北京延慶縣張山營鎮的德青源蛋雞場曾是亞洲最大的蛋雞場，每天要面對220t雞糞和270t廢水的困擾。為解決循環發展、減少污染，德清源利用雞糞、廢液發酵產生的沼氣發電，興建12000m³的沼氣池，年產沼氣7000000m³，年發電14GW·h，實現了從“雞糞”到“能源”的華麗轉身。

3.海洋能

海洋能作為一種特殊的能源，它的能量主要來自潮汐、涌流和波濤的沖擊力、溫度差及海水中溶解的化學成分。

1）潮汐能發電。潮汐發電與普通水力發電原理類似，在漲潮時將海水儲存在水庫內，以勢能的形式保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮位之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。潮汐發電在國外發展很快，歐洲各國擁有漫長海岸線，因而有大量、穩定、廉價的潮汐資源，在開發利用潮汐方面一直走在世界前列。中國海岸線曲折漫長，相關電站主要集中在福建、浙江、江蘇等省的沿海地區。其中，1980年投產發電的浙江溫嶺江廈潮汐試驗電站是我國第一座雙向潮汐電站，也是世界上僅次于法國朗斯潮汐電站和加拿大安納波利斯潮汐電站的第三大潮汐電站，它當時的總裝機容量為3200kW，設計年發電量為10.7GW·h。

2）波浪能發電。波浪能發電是以波浪的能量為動力生產電能，通過某種裝置可將波浪的能量轉換為機械的、氣壓的或液壓的能量，然后通過傳動機構、汽輪機、水輪機或液壓馬達驅動發電機發電。日本當前發電容量最大的設備是1996年9月投運的由日本東北電力公司在原町火力發電廠南部防波堤上裝設的130kW的波浪發電設備。中國科學院廣州能源研究所于1989年在廣東珠海建成了第一座示范實驗波浪電站，1996年又建成了一座新的波浪實驗電站。我國首座波浪獨立發電系統，汕尾100kW岸式波浪電站，于1996年12月開工，2001年進入試發電和實海況試驗階段，2005年第一次實海況試驗獲得成功。根據規劃，到2020年，我國將在山東、海南、廣東各建1座1000kW級的岸式波浪發電站。

3）溫差能發電。由于太陽光照射，海洋表層水溫可達25~30℃，而水下400~700m深層冷水溫度則為5~10℃，溫差為20~24℃，這就為發電提供了一個總量巨大且比較穩定的能源。海洋溫差發電的基本原理是利用海洋表面的溫海水（26~28℃）加熱某些低沸點工質并使之汽化，或通過降壓使海水汽化以驅動汽輪機發電，同時利用從海底提取的冷海水（4~6℃）將做功后的乏氣冷凝，使之重新變為液體。

4）鹽差能發電。當兩種不同鹽度的海水被一層只能通過水分而不能通過鹽分的半透膜相分割時，兩邊的海水就會產生滲透壓，促使水從濃度低的一側向另一側滲透，使濃度高的一側水位升高，直至膜兩側的含鹽量相等為止。鹽差能發電利用的是海水中的鹽分濃度和淡水間的化學電勢差。

在上述海洋能能源中，目前僅有潮汐能被大規模利用，潮汐是一項取之不盡的電力能源。

4.地熱能

地球的地熱能蘊量巨大，地熱能是來自地球深處的可再生熱能。地熱發電是利用地下4km左右的巖漿產生200~350℃的蒸汽帶動汽輪機發電。地熱發電非常清潔，基本上不產生CO₂。我國地熱資源豐富，著名的羊八井地熱電站年發電量超過1×10⁸kW·h，在解決拉薩供電方面起著很大的作用。近10年，我國的地熱開發以每年12%的速率增長，高于世界平均增長率。

地熱在建筑中也有著廣泛的應用，最典型的就是地源熱泵。地源熱泵，是利用地球表面淺層水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太陽能和地熱能，并采用熱泵原理，既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。下面介紹一些地源熱泵的典型應用。

1）杭州朗詩國際街區高層住宅地源熱泵項目。該小區位于浙江省杭州市下沙區，總建筑面積約為220000m²，地上建筑面積約為180000m²，地上高為100m。本工程末端為“天棚輻射+置換新風”系統。其中X戶型為風機盤管+地板采暖系統，利用地埋管作為冷熱源，采用四臺地源熱泵機組為末端天棚系統和新風系統提供冷熱量。

2）北京第一個高溫多功能地源熱泵工程。該項目位于北京市大興區工業開發區，即雨昕陽光太陽能公司綜合辦公樓，是北京地區第一個采用高溫多功能熱泵新技術和新產品集成與配套的，第一個真正實現了一機功能的大型地源熱泵建筑節能應用示范工程。該項目的建成和使用，對投資者可帶來良好的經濟效益，每年可節省至少70%以上的空調冷暖費用和生活用熱水加熱費用。

3）天津市首座零碳建筑——中新天津生態城公屋展示中心項目。該項目于2012年11月正式投入使用，采用了地源熱泵等13項節能環保技術，創立了綠色生態建筑標桿。

4）浙江海鹽縣客運中心地源熱泵項目于2011年9月全面開工，將建成浙江省第一個使用地源熱泵系統的汽車站。

地源熱泵利用地能一年四季溫度穩定的特點，冬季把地熱能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環境溫度的地熱能中的熱能取出來供給室內采暖，夏季把地熱能作為空調的冷源，即把室內的熱能取出來釋放到低于環境溫度的地源中，從而達到節能的目的，并且整個系統在運行過程中，不產生任何有害物質，實現了環保。

5.可燃冰

可燃冰的學名是天然氣水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate），因其外觀像冰一樣，所以又被稱作“可燃冰”（Combustible Ice）或者“固體瓦斯”和“氣冰”。它極易燃燒，燃燒產生的能量比同等條件下的煤、石油、天然氣都要多，而且在燃燒以后幾乎不產生任何殘渣和廢棄物。天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境中。中國從1999年起才開始對可燃冰開展實質性的調查和研究，于2007年5月1日凌晨，在南海北部首次成功鉆獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國、日本、印度之后第4個通過國家級研發計劃采到水合物實物樣品的國家。

6.化學電池

這是一種將化學能轉換成電能的裝置。自1800年意大利科學家伏打（Volta）發明伏打電堆算起，化學電池已經有200余年的歷史。目前，全世界共有1000多種不同系列和型號規格的電池產品，常見的有金屬氫化物鎳電池、鋰離子二次電池、燃料電池、鋁電池、儲能電池等。化學電池能量轉換率高，方便并且安全可靠。

7.氫能

二次能源是聯系一次能源和用戶的紐帶，二次能源又可分為“過程性能源”和“含能體能源”。電能是當前應用最廣泛的“過程性能源”。由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接存儲，因此汽車等交通工具只能采用汽油、柴油這一類“含能體能源”。隨著常規能源危機的出現，在開發新的一次能源（如可燃冰）的同時，人們將目光也投向尋求新的“含能體能源”，氫能正是一種值得期待的新型二次能源。氫能具有以下一些優點。

1）來源廣。地球上的水儲量為13.38×10⁸m³，是氫取之不盡、用之不竭的重要源泉。

2）燃燒熱值高。氫的熱值高于所有化石燃料和生物質燃料。

3）清潔。氫本身無色、無味、無毒。

4）燃燒穩定性好。容易做到比較完善的燃燒，燃燒效率很高。

5）存在形式多。氫可以以氣態、液態或固態金屬氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。

1.1.3 節能減排形勢下的綠色低碳建筑應用

目前全球氣候變暖，溫室效應正在不斷威脅著地球的生態環境。在溫室氣體中，二氧化碳不是最有害的，但卻是排放量最高的。而又有資料顯示，建筑物產生了全球約40%的二氧化碳排放，是溫室氣體的主要排放源。因此，在所有減少溫室效應氣體排放的立法規劃中，建筑都處于核心地位。目前，建筑能耗約占我國社會總能耗的30%左右，而這30%還僅僅是建筑物在建造和使用過程中消耗的能源比例，如果再加上建材生產過程中耗掉的能源（約占社會總能耗的16.7%），建筑相關的能耗將占到社會總能耗的46.7%。因此，“建設綠色低碳建筑、大力推進節能減排”已經刻不容緩。綠色建筑并不是一般意義上的立體綠化屋頂花園，而是指在建筑全生命周期內，最大限度地節約資源、保護環境和減少污染，為人類提供健康適用和高效的使用空間的同時，與周圍自然環境和諧共生的建筑。零碳是指要實現建筑碳排放量為零。要實現建筑的綠色低碳，可以從兩種途徑來實施：一是通過增加可再生能源的使用量、提升化石能源的生產效率、采用低碳化的材料資源等來減少碳排放；二是通過發展海洋、濕地、土壤及林木等增加碳吸收。

世界上第一個二氧化碳零排放社區是英國倫敦貝丁頓社區（Beddington Zero Energy Development,BedZED）。該社區建成于2002年，擁有包括公寓、復式住宅和獨立洋房在內的82套住房，另有大約2 500m²的工作空間。整個社區只使用可再生資源產生滿足居民生活所需能源，強調對陽光、廢水、空氣和木材的循環利用，如利用廢木頭發電并制造熱水，妥善利用水資源和先進的通風系統，使用氫氣作為能源的零碳排放汽車等，旨在不向大氣釋放二氧化碳。該社區的建成為可持續建筑創造了新的標準。

我國第一個零碳建筑是上海世博會倫敦零碳館。上海世博中心是按中國和國際標準建成的“綠色低碳”建筑，作為中國公共建筑節能科技的典范。世博中心在其設計過程中，圍繞科技創新和可持續發展的理念，按照減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環（Recycle）的3R設計原則，從節能、節電、節水、節材、節地等環節入手，統籌安排資源和能源的節約、回收和再使用，減少污染物的排放量，減少建筑對環境的影響。下面重點闡述一下世博中心在電氣節能方面的一些措施。

1）光伏發電。安裝總容量為1MW的屋頂太陽能光伏發電系統，太陽電池方陣采用不透光的單晶硅電池板，其轉換效率為12%~15%，系統采用并網運行方式。

2）電源點的節能設計。考慮到場館建筑面積大且負荷分散，因此在整個建筑內除設置一座35/10kV總變電站外，還設置了5個10/0.4kV配電站，以使電源靠近負荷中心減少線路損耗。

3）變壓器的選擇。在型號上選用節能型的產品，實際負荷率基本控制在0.5~0.7范圍內，屬于較佳的負荷狀態。因為若變壓器容量偏小，則負荷率過高會引起負載損耗增大，效率變低、壽命變短；若變壓器容量偏大，則負荷率過低又會引起空載損耗增大，效率也變低。

4）照明系統的節能。場館的景觀照明設計中，大面積使用了環保、耗電量低的發光二極管（Light Emitting Diode,LED）光源來代替傳統光源。

5）設置電能管理及能耗監測系統。利用通信網絡對各部分功能進行優化，對終端數據進行監測。

6）治理諧波。場館中電力電子設備較多，工程中主要應用無源濾波裝置對諧波進行治理，降損節能。