diff --git a/README.md b/README.md index b03ff49..375acb6 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -39,13 +39,14 @@ Market-neutral educational material — no venture-specific analysis. | 04 | [04_market_mechanics_companion_en.md](primers/grid/04_market_mechanics_companion_en.md) | [zh](primers/grid/04_market_mechanics_companion_zh.md) | Market mechanics companion — clearing, pricing, settlement. 市场机制手册——出清、定价、结算。 | | 05 | [05_trading_under_uncertainty_en.md](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_en.md) | [zh](primers/grid/05_trading_under_uncertainty_zh.md) | Trading under uncertainty. 不确定性下的交易。 | -**Topical primers 专题读物** (EN only): +**Topical primers 专题读物**: -| Doc 文档 | File | Contents 内容 | -|---|---|---| -| SCUC & SCED | [scuc_sced_en.md](primers/scuc_sced_en.md) | The two optimization problems that clear US wholesale markets; N-1 security, LMP as dual variables. 出清美国批发市场的两大优化问题。 | -| Newsvendor 报童模型 | [newsvendor_en.md](primers/newsvendor_en.md) | The newsvendor problem applied 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underpins the bid loop in `pjm/design_models_*`. 报童模型在电力竞价中的应用。 | +| Stochastic optimization 随机优化 | [stochastic_optimization_en.md](primers/stochastic_optimization_en.md) | EN only | Stochastic optimization in power systems — scenarios, recourse, hydro, offering under uncertainty. 电力系统中的随机优化。 | ### `us_market/` — US market reference 美国市场综述 diff --git a/power_grid_ac_fundamentals.md b/primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md similarity index 98% rename from power_grid_ac_fundamentals.md rename to primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md index ec996e8..723de5f 100644 --- a/power_grid_ac_fundamentals.md +++ b/primers/power_grid_ac_fundamentals_en.md @@ -2,7 +2,7 @@ ## Overview -This document summarizes the key ideas discussed in the chat, starting with the basic structure of the electrical grid and then building toward alternating current, impedance, inductors, capacitors, and Kirchhoff’s laws. +This primer starts with the basic structure of the electrical grid and then builds toward alternating current, impedance, inductors, capacitors, and Kirchhoff’s laws. --- diff --git a/primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md b/primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md new file mode 100644 index 0000000..39443f4 --- /dev/null +++ b/primers/power_grid_ac_fundamentals_zh.md @@ -0,0 +1,863 @@ +# 电网与交流电基础 + +## 概述 + +本文从电网的基本结构讲起,逐步介绍交流电、阻抗、电感、电容与基尔霍夫定律。 + +--- + +## 1. 什么是电力系统? + +电力系统是一个大型互联网络,把发电厂及其他电源产生的电能输送到家庭、商业和工业用户。 + +电网主要由四个部分组成: + +1. **发电** +2. **输电** +3. **变电站与变压器** +4. **配电** + +### 1.1 发电 + +电力来源包括: + +- 天然气、煤炭和核电厂 +- 水电站 +- 风力发电机组 +- 光伏电站 +- 电池及其他储能系统 + +传统发电机通常直接产生交流电( **AC** )。光伏组件和电池天然产生直流电( **DC** ),因此需要通过电力电子逆变器接入交流电网。 + +### 1.2 输电 + +输电线路用于远距离输送大规模电力。 + +功率近似为: + +\[ +P = VI +\] + +其中: + +- \(P\) 为功率 +- \(V\) 为电压 +- \(I\) 为电流 + +输送相同功率时,提高电压可以降低电流。 + +输电损耗近似为: + +\[ +P_{\text{loss}} = I^2R +\] + +损耗与电流的平方成正比,因此高压输电能显著减少发热损耗。 + +### 1.3 变电站与变压器 + +变电站连接电网的不同部分,其中的设备可以: + +- 升高或降低电压 +- 接通或断开线路 +- 测量电压与电流 +- 在故障时保护设备 +- 控制潮流 + +变压器在远距离输电前升高电压,在靠近用户处再降低电压。 + +### 1.4 配电 + +配电网把电力从当地变电站输送到用户。 + +配电变压器进一步把电压降到家庭、办公场所和工业设备使用的等级。 + +--- + +## 2. 重要的电网物理量 + +### 2.1 电压 + +电压是两点之间的电势差,是驱动电流的电学“推力”。 + +交流电网中的电压同时具有: + +- 幅值 +- 相角 + +不同母线的电压幅值和相角可能略有不同。 + +### 2.2 电流 + +电流是电荷在导体中的运动。 + +电网中的线路电流取决于: + +- 接入的发电与负荷 +- 电压差 +- 电压相角差 +- 线路阻抗 +- 网络拓扑 + +### 2.3 有功、无功与视在功率 + +交流系统区分三类功率。 + +#### 有功功率 \(P\) + +有功功率用于完成实际工作,以瓦特为单位。 + +例如: + +- 产生热量 +- 驱动电机 +- 发出光 + +#### 无功功率 \(Q\) + +无功功率用于维持电场和磁场,以乏(var)为单位。 + +无功功率在电源与电感、电容等无功元件之间往返交换。 + +#### 视在功率 \(S\) + +视在功率以伏安为单位。 + +三者关系为: + +\[ +S^2 = P^2 + Q^2 +\] + +### 2.4 频率 + +频率是交流电每秒完成的周期数。 + +\[ +1\text{ Hz} = 1\text{ 个周期/秒} +\] + +常见电网频率为: + +- 美国及部分国家为 60 Hz +- 世界许多其他地区为 50 Hz + +频率反映发电与用电之间的平衡: + +- 用电大于发电时,频率往往下降。 +- 发电大于用电时,频率往往上升。 + +--- + +## 3. 母线、支路与负荷 + +电力工程师通常把电网表示为一个网络。 + +### 母线 + +**母线** 是发电机、负荷、变压器或输电线路汇接的节点。 + +### 支路 + +**支路** 是连接两条母线的输电线路或变压器。 + +### 负荷 + +**负荷** 是消耗电力的设备,例如: + +- 电机 +- 照明 +- 供热系统 +- 计算机与电子设备 + +一个简化网络为: + +\[ +\text{发电机} +\rightarrow +\text{母线 1} +\rightarrow +\text{输电线路} +\rightarrow +\text{母线 2} +\rightarrow +\text{负荷} +\] + +真实电网包含许多并行路径。电力依据网络的电气特性在各条路径间分配,而不是沿某一条指定路线输送。 + +--- + +## 4. 直流电与交流电 + +### 4.1 直流电 + +在 **直流电** (DC)中,电荷主要沿一个方向流动。 + +电池是常见的直流电源。 + +### 4.2 交流电 + +在 **交流电** (AC)中,电压和电流的方向周期性反转。 + +理想正弦电压为: + +\[ +v(t) = V_{\text{peak}}\sin(\omega t) +\] + +电压会: + +1. 上升到正值 +2. 降至零 +3. 变为负值 +4. 回到零 +5. 重复循环 + +负电压并不意味着“比没有电还少”,而是两个参考点之间的极性发生了反转。 + +### 4.3 交流电如何产生 + +发电机把机械旋转转换为电能。 + +在简化的发电机中: + +1. 磁场相对线圈旋转。 +2. 穿过线圈的磁通量发生变化。 +3. 线圈中产生感应电压。 +4. 磁场方向反转时,电压方向也反转。 + +由此产生交流电。 + +发电机的原动机可以是: + +- 蒸汽轮机 +- 燃气轮机 +- 水轮机 +- 风力机 +- 发动机 + +### 4.4 电压有效值 + +交流电压持续变化,因此工程上常用均方根值,即有效值描述它。 + +对于正弦波: + +\[ +V_{\text{RMS}} = \frac{V_{\text{peak}}}{\sqrt{2}} +\] + +标称 120 V 的家庭电源约为 120 V 有效值,峰值接近 170 V。 + +有效值的意义在于,它在电阻上产生的热效应与数值相同的直流电压相同。 + +--- + +## 5. 电能如何在交流系统中传输 + +导线在通电前就已经含有可移动电子。 + +发电厂并不是把某一群电子一路送到用户。实际过程是: + +1. 发电机建立电磁场。 +2. 电磁场沿电路传播。 +3. 导体内的局部电子开始运动。 +4. 能量被传递给负荷。 + +在交流系统中,电子通常只是在大致相同的平均位置附近来回振荡。 + +这里涉及两种不同的速度: + +- **电子漂移速度:** 相对较慢 +- **电磁传播速度:** 非常快,通常是光速的相当一部分 + +电磁能流可用坡印廷矢量表示: + +\[ +\mathbf{S} = \mathbf{E} \times \mathbf{H} +\] + +其中: + +- \(\mathbf{E}\) 为电场 +- \(\mathbf{H}\) 为磁场 +- \(\mathbf{S}\) 表示能量流动的方向与速率 + +导体为把能量送向负荷的电磁场提供引导。 + +--- + +## 6. 交流电路中的相位 + +两个交流波形的峰值和过零点同时出现时,称为 **同相** 。 + +一个波形超前或滞后于另一个波形时,称为 **不同相** 。 + +### 纯电阻 + +对于理想电阻: + +\[ +v(t) = i(t)R +\] + +电压与电流同相。 + +### 纯电感 + +对于理想电感: + +- 电压超前电流 \(90^\circ\) +- 电流滞后电压 \(90^\circ\) + +### 纯电容 + +对于理想电容: + +- 电流超前电压 \(90^\circ\) +- 电压滞后电流 \(90^\circ\) + +--- + +## 7. 电阻、电抗与阻抗 + +### 7.1 电阻 + +电阻阻碍电流,并把电能转化为热量。 + +\[ +P_{\text{loss}} = I^2R +\] + +电阻的单位是欧姆。 + +### 7.2 电抗 + +电抗是电场或磁场储能对交流电造成的阻碍。 + +它来自: + +- 电感 +- 电容 + +与理想电阻不同,理想电抗不永久消耗平均有功功率,而是暂时储存能量并将其返还电路。 + +### 7.3 阻抗 + +阻抗是对交流电的总阻碍。 + +\[ +Z = R + jX +\] + +其中: + +- \(Z\) 为阻抗 +- \(R\) 为电阻 +- \(X\) 为电抗 +- \(j\) 表示 \(90^\circ\) 的相移 + +在交流电路中,欧姆定律写作: + +\[ +\underline{I} = \frac{\underline{V}}{Z} +\] + +下划线表示相量。 + +### 示例 + +若某条线路的阻抗为: + +\[ +Z = 2 + j8\ \Omega +\] + +则: + +- 电阻为 \(2\ \Omega\) +- 感抗为 \(8\ \Omega\) + +阻抗的模为: + +\[ +|Z| = \sqrt{2^2 + 8^2} \approx 8.25\ \Omega +\] + +由于电抗远大于电阻,该线路以感性为主。 + +--- + +## 8. 电感 + +电感通常由线圈构成,在磁场中储存能量。 + +其核心特性是: + +> 电感阻碍电流的变化。 + +### 8.1 电感如何工作 + +电流流过导线时会产生磁场。 + +把导线绕成线圈,可以增强并集中磁场。 + +电流变化会引起磁场变化,变化的磁场又会产生一个阻碍原有变化的感应电压,这就是楞次定律。 + +基本关系为: + +\[ +v_L = L\frac{di}{dt} +\] + +其中: + +- \(v_L\) 为电感电压 +- \(L\) 为电感量,单位为亨利 +- \(di/dt\) 为电流变化率 + +### 8.2 直流特性 + +刚接入直流电源时,电感会阻碍电流突然上升。 + +在串联 RL 电路中: + +\[ +i(t) = \frac{V}{R}\left(1-e^{-tR/L}\right) +\] + +时间常数为: + +\[ +\tau = \frac{L}{R} +\] + +电流稳定后: + +\[ +\frac{di}{dt}=0 +\] + +因此: + +\[ +v_L = 0 +\] + +此时,理想电感对稳态直流相当于短路。 + +### 8.3 电感断电 + +电流突然中断时,正在消失的磁场会产生试图维持原有电流的电压。 + +这可能造成: + +- 火花 +- 电弧 +- 高压暂态 +- 开关或晶体管损坏 + +续流二极管等保护器件可为电流提供安全通路。 + +### 8.4 储存的能量 + +电感在磁场中储存能量: + +\[ +W_L = \frac{1}{2}LI^2 +\] + +### 8.5 感抗 + +对于正弦交流电: + +\[ +X_L = 2\pi fL +\] + +在以下情况下,感抗增大: + +- 频率升高 +- 电感量增大 + +理想电感的阻抗为: + +\[ +Z_L = j\omega L +\] + +### 8.6 电网中的电感 + +即使没有明显的线圈,电网设备也具有电感。 + +例如: + +- 输电线路 +- 变压器 +- 电机 +- 发电机 +- 电抗器 + +电力系统中的电抗器是大型电感,用于: + +- 限制故障电流 +- 控制电压 +- 吸收无功功率 +- 减小暂态过程 + +--- + +## 9. 电容 + +电容在电场中储存能量。 + +其核心特性是: + +> 电容阻碍电压的变化。 + +### 9.1 结构 + +基本电容器由两块导体极板和其间的绝缘介质组成。 + +\[ +\text{极板} \; | \; \text{介质} \; | \; \text{极板} +\] + +介质可以是空气、陶瓷、塑料薄膜、氧化物或其他绝缘材料。 + +### 9.2 电荷与电压 + +储存的电荷为: + +\[ +Q = CV +\] + +其中: + +- \(Q\) 为电荷 +- \(C\) 为电容量,单位为法拉 +- \(V\) 为电压 + +对于理想平行板电容器: + +\[ +C = \frac{\varepsilon A}{d} +\] + +在以下情况下,电容量增大: + +- 极板面积增大 +- 极板间距减小 +- 介质介电常数增大 + +### 9.3 电流—电压关系 + +电容的基本方程为: + +\[ +i = C\frac{dv}{dt} +\] + +电容两端电压变化时,就会有电流流动。 + +有限电流只能以有限速率改变电容电压,因此理想电路中的电容电压不能瞬间跳变。 + +### 9.4 直流充电 + +未充电的电容通过电阻接入直流电源时: + +\[ +v_C(t) = V\left(1-e^{-t/RC}\right) +\] + +并且: + +\[ +i(t) = \frac{V}{R}e^{-t/RC} +\] + +时间常数为: + +\[ +\tau = RC +\] + +电容充满后,电压保持恒定,因此: + +\[ +\frac{dv}{dt}=0 +\] + +从而: + +\[ +i=0 +\] + +理想电容对稳态直流相当于开路。 + +### 9.5 储存的能量 + +电容在电场中储存能量: + +\[ +W_C = \frac{1}{2}CV^2 +\] + +### 9.6 容抗 + +对于正弦交流电: + +\[ +X_C = \frac{1}{2\pi fC} +\] + +在以下情况下,容抗减小: + +- 频率升高 +- 电容量增大 + +理想电容的阻抗为: + +\[ +Z_C = \frac{1}{j\omega C} = -jX_C +\] + +### 9.7 电网中的电容 + +电网中的电容存在于: + +- 输电线路 +- 地下电缆 +- 电容器组 +- 串联补偿设备 +- 并联补偿设备 + +电容器组用于: + +- 支撑电压 +- 就地提供无功功率 +- 改善功率因数 +- 降低线路电流 +- 减少 \(I^2R\) 损耗 + +串联电容器抵消一部分线路感抗: + +\[ +X_{\text{net}} = X_L - X_C +\] + +并联电容器接在母线上,用于支撑母线电压。 + +--- + +## 10. 电感与电容对比 + +| 特性 | 电感 | 电容 | +|---|---|---| +| 储能场所 | 磁场 | 电场 | +| 阻碍其变化的量 | 电流 | 电压 | +| 基本方程 | \(v=L\,di/dt\) | \(i=C\,dv/dt\) | +| 稳态直流特性 | 理想情况下短路 | 理想情况下开路 | +| 交流相位关系 | 电流滞后电压 | 电流超前电压 | +| 频率升高时的电抗 | 增大 | 减小 | +| 理想阻抗 | \(j\omega L\) | \(1/(j\omega C)\) | + +--- + +## 11. 电流反向时,功率为何仍可流向负荷 + +对于纯电阻: + +\[ +v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t) +\] + +\[ +i(t)=I_{\text{peak}}\sin(\omega t) +\] + +瞬时功率为: + +\[ +p(t)=v(t)i(t) +\] + +因此: + +\[ +p(t)=V_{\text{peak}}I_{\text{peak}}\sin^2(\omega t) +\] + +由于 \(\sin^2(\omega t)\) 永不为负,电阻在交流周期的两个半周都吸收能量。 + +当电压和电流同时反向时,两者乘积仍为正。 + +对于理想电感和电容,功率会在正值与负值之间交替,因为能量不断被储存并返还。 + +--- + +## 12. 基尔霍夫定律 + +基尔霍夫定律描述电气网络必须遵守的基本守恒规则。 + +### 12.1 基尔霍夫电流定律 + +在任意节点或母线上: + +\[ +\sum I_{\text{流入}} = \sum I_{\text{流出}} +\] + +电流不能在理想节点上积聚。 + +在电力系统中,这体现为每条母线上的有功和无功平衡。 + +简化的有功平衡为: + +\[ +P_{\text{发电}} - P_{\text{负荷}} += +P_{\text{送出}} + P_{\text{损耗}} +\] + +无功功率也有类似的平衡方程。 + +### 12.2 基尔霍夫电压定律 + +沿任意闭合回路: + +\[ +\sum V = 0 +\] + +所有电压升之和等于所有电压降之和。 + +对于输电线路: + +\[ +\underline{V}_1 - \underline{V}_2 = \underline{I}Z +\] + +其中: + +- \(\underline{V}_1\) 和 \(\underline{V}_2\) 为母线电压相量 +- \(\underline{I}\) 为线路电流 +- \(Z\) 为线路阻抗 + +### 12.3 在电网分析中的作用 + +结合使用基尔霍夫两条定律,工程师可以计算: + +- 母线电压 +- 线路电流 +- 有功潮流 +- 无功潮流 +- 损耗 +- 故障电流 + +它们是以下分析的基础: + +- 潮流分析 +- 短路分析 +- 稳定性分析 +- 保护设计 + +--- + +## 13. 功率如何在交流电网中流动 + +在互联交流网络中,功率会在所有可用路径之间分配。 + +功率分布取决于: + +- 线路电阻 +- 线路电抗 +- 母线电压幅值 +- 电压相角 +- 网络连接关系 + +低阻抗路径通常比高阻抗路径承载更多电流。 + +高压输电系统的感抗通常大于电阻,因此有功潮流很大程度上受母线间相角差影响。 + +电网调度机构通过以下方式影响潮流: + +- 调整发电机出力 +- 投切输电线路 +- 调整变压器分接头 +- 投切电容器组或电抗器 +- 使用电力电子控制器 + +--- + +## 14. 核心心智模型 + +### 交流电 + +\[ +\text{发电机旋转} +\rightarrow +\text{交变电压} +\rightarrow +\text{交变电流} +\rightarrow +\text{能量传输} +\] + +### 电感 + +\[ +\text{电流变化} +\rightarrow +\text{磁场变化} +\rightarrow +\text{产生感应电压} +\rightarrow +\text{阻碍电流变化} +\] + +### 电容 + +\[ +\text{电压变化} +\rightarrow +\text{电荷移动} +\rightarrow +\text{电场变化} +\rightarrow +\text{产生电流} +\] + +### 电网分析 + +\[ +\text{网络模型} ++ +\text{阻抗} ++ +\text{基尔霍夫定律} +\rightarrow +\text{电压、电流与潮流} +\] + +--- + +## 15. 总结 + +电网是把电能从发电机输送到负荷的互联交流网络。 + +最重要的概念包括: + +- 高电压可以降低输电电流和电阻损耗。 +- 交流电压与电流周期性反转方向。 +- 电能由导体引导的电磁场传输。 +- 电阻消耗有功功率。 +- 电感在磁场中储能,并阻碍电流变化。 +- 电容在电场中储能,并阻碍电压变化。 +- 阻抗由电阻与电抗共同组成。 +- 基尔霍夫电流定律约束母线处的平衡。 +- 基尔霍夫电压定律约束回路中的电压一致性。 +- 这些原理构成潮流、故障和稳定性分析的基础。