知识目标

• 掌握五种发电方式的原理与特点
• 理解输配电系统的基本构成
• 了解变压器与高压输电原理
• 认识智能电网与新能源并网

能力目标

• 能比较不同发电方式的优缺点
• 能分析为什么要高压输电
• 能说明变电与配电的区别
• 能讨论双碳目标下的能源转型

一次系统

直接参与电能生产、输送、分配的设备

二次系统

对一次系统进行监视、控制、保护的设备

辅助系统

保证主系统正常运行的配套设施

2024年发电装机占比

能源转型趋势

• 🔥 火电：占比逐年下降，但仍是主力
• 💧 水电：开发趋于饱和，增速放缓
• 🌬️ 风电：海上风电成为新增长点
• ☀️ 光伏：成本骤降，装机爆发式增长
• ⚛️ 核电：安全争议中稳步发展

基本原理

燃烧煤/天然气/石油 → 加热水产生蒸汽 → 推动汽轮机旋转 → 带动发电机发电

主要类型

• 燃煤电厂：我国主力，成本低但污染大
• 燃气电厂：清洁高效，可快速调峰
• 燃油电厂：应急备用，成本高
• 生物质发电：利用秸秆等，可再生

基本原理

P：功率(kW) | Q：流量(m³/s)
H：水头(m) | η：效率(85-95%)

主要类型

• 堤坝式：建大坝蓄水，如三峡
• 引水式：修引水隧洞，适合山区
• 抽水蓄能：低谷抽水储能，高峰发电
• 径流式：不用大坝，对生态影响小

清洁可再生

运行零排放，寿命可达50-100年

调峰能力强

启停迅速，2-3分钟可满负荷运行

综合利用

防洪、灌溉、航运、养殖多功能

核裂变原理

1kg铀-235裂变释放能量 ≈ 燃烧2700吨标准煤！能量密度极高。

四道安全屏障

安全壳可承受飞机撞击、地震等极端情况，是最后防线。

基本原理

风推动叶片旋转 → 齿轮箱增速 → 发电机发电
贝兹极限：风机理论最大效率为59.3%

ρ:空气密度 | A:扫风面积 | V:风速 | Cp:功率系数(≤0.593)

发展趋势

• 陆上风电：向大型化、智能化发展
• 海上风电：深远海成为新战场
• 分散式风电：就近接入配电网
• 风电+储能：平滑出力波动

全球第一

我国风电装机连续14年全球第一

成本骤降

陆上风电成本已低于煤电

大兆瓦机组

单机容量已达16MW+

光生伏特效应

光子撞击半导体（硅）→ 电子跃迁形成空穴对 → 在内建电场作用下分离 → 产生直流电

技术路线

• 晶硅电池：主流技术，效率20-24%
• 薄膜电池：轻薄柔性，效率较低
• 钙钛矿：实验室效率超26%，潜力大
• 叠层电池：理论效率可超40%

电磁感应定律

ε：感应电动势 | N：线圈匝数
Φ：磁通量 | t：时间
导体切割磁感线 → 产生感应电动势

同步发电机

• 转子：通直流电产生磁场（励磁）
• 定子：三相绕组输出交流电
• 转速：n = 60f/p（f:频率，p:极对数）
• 转速与电网频率严格同步

汽轮发电机

火电/核电，转速3000r/min

水轮发电机

水电，转速低但扭矩大

风力发电机

需经齿轮箱或直驱

基本原理

k：变比 | U₁,U₂：一、二次电压
N₁,N₂：一、二次绕组匝数
交变电流 → 铁芯交变磁通 → 二次侧感应电动势

主要类型

• 升压变压器：发电端，减少输电损耗
• 降压变压器：用电端，适配用户电压
• 自耦变压器：共用绕组，体积小
• 三绕组变压器：多电压等级输出

核心原理

在传输功率 P = UI 一定时：
• 提高电压 U → 减小电流 I
• 电流减小 → 线路损耗 I²R 大幅降低
• 线路电阻 R = ρL/S，与截面积相关

电压等级

交流输电 (AC)

• 优点：变压方便，技术成熟
• 缺点：存在电容效应，远距离损耗大
• 适用：中短距离、需多级变压
• 频率：我国50Hz，美国60Hz

直流输电 (DC)

• 优点：无感抗、无容抗，适合远距离
• 缺点：换流站昂贵，不能中间取电
• 适用：超远距离、海底电缆、异步联网
• 电压：±500kV, ±800kV, ±1100kV

架空线路

• 导线：钢芯铝绞线（LGJ）
• 杆塔：铁塔、混凝土杆
• 绝缘子：瓷质、玻璃、复合
• 避雷线：保护导线免雷击

电缆线路

• 优点：占地少，美观，不受气象影响
• 缺点：成本高，散热差，故障定位难
• 适用：城市地下、海底跨越
• 类型：交联聚乙烯(XLPE)为主

大跨越

长江大跨越档距大、塔高

海底电缆

跨海峡、连岛供电

超导电缆

零电阻，未来输电方向

核心功能

变电站是电网的"枢纽站"，将高压电变换为不同电压等级，分配给各类用户。

主要设备

• 变压器：电压变换核心
• 断路器：通断正常/故障电流
• 隔离开关：检修时隔离电源
• 互感器：测量与保护用
• 避雷器：过电压保护

枢纽变电站

连接多个电源和负荷，电压等级高

终端变电站

靠近用户，直接配电

GIS变电站

气体绝缘，占地小，适合城市

高压配电

电压等级：35kV、10kV
覆盖范围：城市区域、工业园区
供电方式：环网供电，可靠性高

低压配电

电压等级：380V/220V
覆盖范围：居民小区、商业楼宇
入户方式：三相四线制

1. 电压偏差

定义：实际电压与额定电压的偏差
标准：±5%（居民）、±7%（一般工业）
影响：设备效率下降、寿命缩短

2. 频率偏差

标准：50Hz ± 0.2Hz
影响：电机转速变化、电子产品故障
原因：发电与用电功率不平衡

3. 谐波

来源：变频器、整流器、电弧炉等非线性负载
危害：设备过热、继电保护误动、计量误差
标准：THD（总谐波畸变率）≤ 5%

4. 三相不平衡

定义：三相电压/电流幅值不等
危害：电机振动发热、变压器损耗增加
原因：单相负载分布不均

实时平衡

电力系统必须时刻保持发电=用电，否则频率会偏离50Hz。
频率下降→发电不足→切负荷
频率上升→发电过剩→弃风弃光

调度层级

• 国调：跨区互联电网调度
• 网调：区域电网（华北、华东等）
• 省调：省级电网调度
• 地调：地市级调度
• 县调：县级配电网调度

核心特征

• 自愈：故障自动隔离、恢复
• 互动：用户参与需求响应
• 优化：资产高效利用
• 兼容：接纳各类新能源
• 集成：信息物理融合

关键技术

• AMI：高级计量架构，智能电表
• FACTS：灵活交流输电系统
• 储能系统：平滑新能源波动
• 物联网：设备全面互联
• 大数据+AI：预测与优化

智能用电

峰谷电价、需求响应、智能家居

V2G

电动汽车向电网送电，移动储能

分布式能源

屋顶光伏、储能、微电网

机械储能

• 抽水蓄能：占全球储能90%+，成熟
• 压缩空气：利用地下洞穴，大规模
• 飞轮储能：响应快，寿命长，功率型

电化学储能

• 锂电池：能量密度高，广泛应用
• 钠电池：成本低，资源丰富
• 液流电池：容量大，可深度充放
• 固态电池：安全性高，未来方向

电磁储能

• 超导磁储能：响应极快，效率95%+
• 超级电容：充放电快，寿命百万次

化学储能

• 氢储能：能量密度极高，长周期
• 合成甲烷：利用CO₂，碳循环

核心挑战

• 间歇性：风光出力看天吃饭
• 波动性：分钟级大幅变化
• 随机性：难以准确预测
• 逆调峰：光伏中午大发，晚高峰无光
• 弱支撑：缺乏转动惯量，频率易波动

解决方案

• 储能配置：强配10-20%×2小时
• 火电灵活性改造：最低出力降至30%
• 需求响应：用户主动削峰填谷
• 虚拟电厂：聚合分布式资源
• 跨省互济：大范围优化配置

市场结构

中长期：锁定收益，规避风险
现货：发现价格，优化调度
辅助服务：保障系统安全稳定

价格机制

• 上网电价：发电侧卖出电价
• 输配电价：电网过网费
• 销售电价：用户买入电价
• 峰谷电价：引导错峰用电
• 容量电价：补偿备用机组

现货价格

山西现货试点，价格0.08-1.5元/kWh波动

绿电交易

新能源+绿证，溢价0.01-0.05元/kWh

容量补偿

保障火电生存，容量电价山东0.0991元/kW·月

工程参数

年发电量：约1000亿kWh，占全国3%
通航能力：万吨级船队直达重庆
防洪效益：荆江河段防洪标准提高到百年一遇

综合效益

• 发电：清洁能源，年省标煤3000万吨
• 防洪：保护江汉平原1500万人
• 航运：年通过量超1亿吨
• 供水：枯水期补水 downstream
• 生态： controversial，鱼道、增殖放流

目标路径

关键举措

• 能源供给侧：风光装机12亿kW+
• 能源消费侧：电能替代、能效提升
• 电网侧：特高压、储能、智能电网
• 碳市场：全国碳交易，价格机制
• CCUS：碳捕集、利用与封存

发电环节

核心：能量转换链、效率、碳排放、经济性

输配电环节

核心：电磁感应、P=UI、I²R损耗、电压等级

电网运行

核心：实时平衡、频率/电压控制、继电保护

新技术

核心：灵活性、经济性、双碳目标、市场化

核心知识点

• 五种发电：火、水、核、风、光，各有利弊
• 高压输电：P=UI，提高电压减少损耗
• 变电站：变换电压、分配电能、控制保护
• 智能电网：自愈、互动、优化、兼容
• 双碳目标：2030达峰，2060中和

考试重点

• 能量转换链：各发电方式的具体过程
• 变压器原理：U₁/U₂=N₁/N₂
• 输电损耗：P损=I²R，为什么要高压
• 新能源挑战：间歇性、波动性、并网
• 电能质量：电压、频率、谐波、三相平衡