第1章 緒論

1.1 電力系統概述

1.1.1 電力系統組成

電能是一種清潔的二次能源，便于傳輸和使用，通過用電設備可以將電能轉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換成光能進行照明。電能是現代生產和生活中重要的基礎能源之一，由于其所處的基礎性地位，因此對其質量和可靠性都有較高的要求。

電力系統（Power System）是包含生產電能、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結構示意圖。

通過圖1-1可以簡單了解電能從生產到使用的整個過程。發電廠生產電能，經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，經過多次降壓后，將電能送給用電設備使用。

電力系統去掉發電廠的電氣部分和用電設備，其他部分稱為電力網，簡稱電網。電力系統與發電廠的熱能部分和動力部分合起來稱為動力系統，三者之間的關系如圖1-2所示。

電力系統包括4個組成部分：發電廠、變配電所、電力線路和電力用戶。

1.發電廠

發電廠是生產電能的工廠，其將自然界中存在的某些一次能源轉變成電能。由于自然界中不存在足量可控的電能，因此發電廠是電力系統不可缺少的組成部分。發電廠一般根據一次能源來命名，例如，火力發電廠、水力發電廠、核電站、風力發電場等。火力發電是傳統的發電方式，技術成熟，但是耗能大，污染環境，目前仍然是我國發電的主要方式。風能是一種綠色能源，利用風力發電可以節約常規能源的使用，減少污染氣體的排放，是一種具有潛力的發電方式。下面分別對火力發電和風力發電的工作原理進行簡單介紹。

（1）火力發電 圖1-3是某火力發電廠的生產過程示意圖。首先將煤磨成煤粉噴入鍋爐中燃燒，加熱管壁內的水，經過加熱成為高溫、高壓的水蒸氣，推動汽輪機轉動，帶動同軸發電機發電產生電能，做過功的水蒸氣經過冷凝器冷卻后，經過水泵重新送回到鍋爐內加熱。

（2）風力發電 目前風力發電系統的結構主要分為雙饋風力發電系統和永磁風力發電系統兩種，下面以永磁風力發電系統為例介紹風力發電的工作原理，如圖1-4所示。

風力機將風的動能轉變為機械能，經過變速齒輪箱改變轉速，再由永磁風力發電機將機械能轉變成電能，然后由變頻器改變電壓頻率，將電能送給電網。

2.變配電所

變配電所是電力系統的重要電力設施，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施稱為開關站、開閉所或配電所。發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備。

出于節約生產成本和提高經濟效益的角度考慮，發電廠一般建設在一次能源豐富的地區，例如，盛產煤的地區，高山峽谷地勢落差大的地區。因此發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。按照行業劃分，電力用戶分為工業企業用戶、商業用戶和居民用戶等。工業企業用戶最多，占總耗電量的70%以上。

1.1.2 電力系統其他結構形式

以上包含發電、輸變電、變配電和用電4個環節的電力系統是目前主流結構形式。而由于新能源發電、分布式發電和微網的興起，電力系統結構形式變得更加多樣化，以適應各種不同的場合。

由于常規能源短缺、大氣污染嚴重等問題，結合“雙碳”目標，各種分布式光伏發電系統得到了廣泛應用。例如，許多企業在廠房的空閑屋頂安裝光伏陣列板，自產自用電能，既減小電網電能消耗，減輕電網負擔，又能節省企業用電開銷，降低生產成本。這種自產自用系統省去了輸電和配電環節，只含有發電和用電環節。

1.1.3 電力系統運行特點

1.可靠性高

電能是關系生產和生活的基礎性能源，中斷供電會在經濟、政治和人身安全等方面產生影響，因此必須采取措施保證供電的可靠性。

2.生產和消費實時平衡

目前交流電能還不能大量存儲，因此要求生產和消費實時平衡，消耗多少電能，發多少電能，并做好電能調度。電力系統通常采用聯網運行方式，不同地區的電源連接起來構成網絡，共同給用戶供電，實現電源和負荷之間的電能平衡。

3.暫態過程要求短暫

系統故障會損壞系統元件，影響系統正常運行，因此出現故障時要求系統能夠快速響應，切除故障，減小故障影響程度，快速恢復系統正常運行。因此電力系統一般配有自動監測和保護裝置。