现代电力系统简介

现代电力系统简介 电力系统是由发电厂、输配电系统及电力用户所组成，是由电源、中间环节、负载组成的对能量进行转换、输送及分配的典型电路。按转换能量的方式不同发电厂主要有三种类型。1.火力发电厂：它是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能来生产电能。燃料的燃烧使锅炉中的水变成高温高压水蒸汽，推动汽轮机再带动发电机发电。2.水力发电厂：它是利用河流的水位能推动水轮机，带动发电机发电。3.核能发电厂：它是利用核燃料在反应堆中核裂变能转化为热能，将水变为蒸汽，然后同一般的火力发电厂一样，用蒸汽推动汽轮机，带动发电机发电。除了这常见的三种发电厂外，还有其他可再生能源发电方式，如利用风力能源的风力发电；利用地热能进行发电的地热发电厂以及潮汐发电、太阳能发电、沼气发电等。而输配电系统经过一个多世纪的演变，经历了直流传输——交流传输——交直流传输的发展过程，形成了交直流混合的现代电力系统。

1 现代交流输配电系统的发展历程 最早将发电、送电、用电完成实际应用的是在19世纪上半叶，1882年德国慕尼黑国际博览会向世人展示了从57km 外密示巴赫小水电站直流发电机发出的1kV 左右的直流电是如何输送到现场并驱动一台水泵的运转，因而最初的电力输送是直流系统。

随着用电的需求增加以及输电距离的增大，为了提高输电效率、减少损耗，就要求提高输电电压。从制造的角度，发电机的电压不可能提得很高，这样就使当时的直流输电制的发展受到了限制。

19世纪下半叶，相继研究出三相电机、三相变压器和三相制。1891年德国建立了从鲁劳镇输电至法兰克福的最早的三相交流输电系统，如图1所示，图中三相输电线用

单线表示。发电厂的升压变压器将水轮发电机送出的95V 的三相交流电提高到15kV ，然后经三相架空输电线路送至170km 外的法兰克福，再经降压变压器降到110V ，供给灯泡照明，并由三相异步电动机去驱动水泵。采用三相输电而不用单相输电的原因在于：用三个单相电路组合起来向外输电，需要6根导线，而三相交流电可用三根或四根线进行输电，能够节省线材；由于使用的输电线少，所以可以减少在输电线上的电能损耗；三相交流电动机比单相交流电动机的效率高而且起动、运行性能都要好。

三相交流输电线输送的的功率正比于线电压及线电流，当输送功率一定的情况下，输送电压越高，输送的电流就越小，所用导线截面积也就越小，线路上的电能损耗也越少，线路投资当然就越少，这是提高输电电压的原因。但线路的电压与绝缘密切相关，电压越高对绝缘的要求也越高，线路电压的提高就受制于当时高压电器的制作水平与能力；并且电压越高，对杆塔、变压器、断路器等的投资也就越大。因此对应一定的输送功率与输送距离可以得到一相对最佳的输电电压。再综合考虑到高压电器设备制作的经济性以及便于代换，我国国家标准规定我国高压交流送电电压为6kV 、10kV 、35 kV 、110 kV 、220 kV 、330 kV 、

500 kV

照明 电动机 图1 最早的三相交流输电系统示意图

和750 kV这样的等级，现在还在进行1000～1500 kV超高压送电系统的研究。

随着国民经济的发展，社会对电能的需要越来越大，早期一个发电厂孤立运行供电的方式就显得非常不合理。我国从20世纪50年代就开始了城市电网的建设，就是将各个电厂（水电厂、火电厂）通过传输线互联在电力网上成为城市电力系统。20世纪60年代我国逐渐形成了省网，70～90年代发展成区域电网。现在我国有东北、华北、华东、华中及西北5个区域电网及山东、福建、广东、广西、四川、重庆、云南、贵州、海南、新疆、西藏和台湾

图2 某电力系统示意图

12个省网，并正在进行大区电网互联，估计到21世纪二三十年代将形成全国统一电网。这种电网的互联可以实现电能资源的互补，提高供电的可靠性和电能质量，提高运行经济性。图2是一个电力系统的示意图。

从图2可以看出，电力系统是由电源（各种类型的发电厂）、变压器、导线、开关以及负载（用电单元）所组成，是实现电荷流通的物理通道，由各种架空电线（水泥杆塔、铁塔）或电缆向分布在各处的用电单元实现电能输送，在空间形成了电能分配的网络，这类似信息传输中的“空分”。当用电紧张或电网出现突发事故时，供电部门的调度有时会采取措施对某些用电单元限时供电，这又有点类似信息传输中的“时分”。总之，电力系统是一个实现能量转换、传输、分配的复杂的电网络。

2 高压直流输电

交流电网互联已成为电力工业的发展趋势，但随之也带来电厂并联运行的稳定性问题。

当电网发生短路事故或大负载冲击时，就可能使电机失步，造成暂态不稳定，以致形成大面积停电，对国民经济造成严重损失。现在采取的主要方法是利用保护装置快速切断故障段。为了彻底解决交流电网中同步发电机并联运行的稳定性问题，直流输电所固有的优点引起了人们对它的再度重视。然而直流输电能在现代电力系统中起实用作用是由于现代电力电子技术的发展。以现代电力电子器件为核心组成的换流站可以方便地将交流变成直流（整流）或将直流变成交流（逆变），加上变压器的配合，就形成了图3所示的现代高压直流输电。

交流发电机发出的电经升压变压器送至换流站Ⅰ，经换流站Ⅰ整流成高压直流电，再经高压直流输电线送至换流站Ⅱ，换流站Ⅱ将其逆变成高压交流电，再经换流变压器送入受端的交流系统Ⅱ。图3也可理解为交流系统Ⅰ与交流系统Ⅱ经过高压直流输电线路实现了互联。我国1989年建成的500kV高压直流输电线路由葛洲坝至上海，实现了华中电网与华东电网的互联。

高压直流输电线路

(整流或逆变) (逆变或整流)

图3 高压直流输电示意图

直流输电具有如下的特点：

1）输送相同的容量，直流输电线路与交流输电线路相比，损耗与费用都较低，但换流站的费用和损耗却比较高；因此，输电距离足够长时，直流输电体现出了优势。

2）远距离的电缆送电，直流输电远较交流有利。因为直流输电不存在分布电容的影响，无需加装补偿电抗器，因此直流线路特别适合于海底或地下电缆输电。

3）直流线路适合交流电网的非同步互联，能避免故障传递，不存在稳定性的互相影响，还可以实现不同频率的交流系统的互联。

4）直流电路中潮流（功率）易于实现快速控制，可以用来改善交流系统的稳定性。

现代直流输电依托于现代电力电子器件及现代电力电子技术，随着现代电力电子器件性能的不断完善，价格的下降，以及随着变流技术的不断发展，直流输电在现代电力系统中必将起着越来越重要的作用。

3 灵活交流输电技术

现代电力电子技术、微处理技术及控制技术在交流高压输电技术中的应用，形成了灵活交流输电技术，这是对传统的交流输电系统的重大技术革新，为交流输电带来了蓬勃生机。灵活交流输电技术采用大功率现代电力电子器件代替现有的机电式开关，对电压、线路阻抗、功角这三个影响电力系统中功率输送的主要电量按系统的需求迅速调整，它具有如下的优点：

1）在不改变现有电网结构的情况下，可以极大地提高电网的输电能力。

2）提高了系统的可靠性、快速性和灵活性。

3）扩大了系统对电压潮流的控制能力。