（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电对配电网电压调整作用的机理研究.pdf

声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 分布式发电对配电网电压调整作 用的机理研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中 不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :/ 11 4 。期 : )w t 3 .4 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权 保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文:学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校 可以 学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 ) 作 者签 名: 日期: lq 4 rv vt 导 师 签 名 : hlqq l 日期 ， 一 一 二不 卫 二 竺 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 引言 集中发 电、远距离输电和大电网互联的电力系统是 目前电能生产、输送和分配 的主要方式，正在为全世界 9 0 %以上的电力负荷供 电。但它也存在一些弊端，主要 有川 : 1 ) 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电; 2 )不能灵活跟踪负荷的变化。 如夏季空调负荷的激增会导致电力供应短时不 足，而为这种短时的峰荷建造发输电设施是得不 偿失的，因为其利用率极低。随着 负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降， 发输电设施的利用率都有下降 的趋势; 3 )大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电:而电力系 统越庞大， 事故 ( 如雷击) 发生的 概率越高。 因 此可以 说， 现有的电力系统是既“ 笨 拙”又 “ 脆弱”的. 另一方面，在全球范围内 正在进行的电 力市场化改革又使得独立发电运营成为 可能，并有机会进入原本被电 力系统垄断的发电侧电力市场，参与电力市场竞争。 在市场经济体制下，由国家垄断的能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。以 建设速度快、投资规模小为特点的分布式发电技术为众多投资者提供了 投资和获利 空间，也增加了能 源设施建设的投资 渠道。同时，世界范围内电 力工业技术进步和 地球资源日 渐衰竭及人们对环境的关注，使得在电力系统中 形成了一个新的 研究热 点 分 布式 发电d g ( d i s tr ib u t e d g e n e r a t io n ) 技 术2 ,3 1 d g 具有小型化，对建设场所要求不高，不占用输电走廊， 施工周期短，能够 迅速应付短期激增的电力需求，供电可靠性高等优点。 但是由于 d g系统设备一次 性投入较大， 而且一般使用天然能 源，成本较高。因 此，只有保持较高的能源利用 率，并且保证一定的运行小时数才能显现出其良 好的 经济性.但是， 如果系统独立 运行，由于电力负 荷的波动， 很难保证发电机能 够连续满负荷运行。 而当d g机组 并网之后，机组多余的电量可以向外输送，不足部分由电网补充，可以使发电 机始 终运行在一个比较经济的工况下。同时并网后由于有大的电力系统作为支撑，用户 的用电 质量可以得到很大改善。 对于我国来说， 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是我国目 前电 能生产、输送和分配的主要方式。 但是，我国西部地区地广人稀，经济与东部相比 还很落后，地区负荷小而分散， 要在广大的西部地区完全采用具有一定规模的、强 大的集中式供配电网 络需要巨 额的投资和很长的时间周期，能源供应问题已 经严重 华北电力大学硕士学位论文 制约了这些地区的 经济发展和人民生活质量的提高，必须采用 d g与集中网 络相结 合的 供电方式。 而且我国广大西部地区蕴含丰富的可再生能源( 如风能、 太阳能等) ， 太阳能及风能的开发利用居全国之首，具 有发展 d g技术的客观条件。因此，大力 发展该项技术对保证广大西部地区的能源供应、促进经济快速发展具有重要意义。 另外，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国， 煤燃料的使用已成为我国大 气污染的主要来源。因此，尽可能多地用 洁净能 源替代高含碳量的矿物燃料，是我 国能 源建设遵循的原则.大力开发太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新 能源和可再生能源利用技术，大力发展 d g ，将成为增加能源供应及减少环境污染 的重要措施之一。 由于d g同配电网并网运行， 能够充分发挥d g机组的优势， 提高能源利用率， 减少污染物的排放，降低配电网网损， 提高供电 可靠性。因此， 我国d g的开发利 用正处于快速发展的阶段， 风能、太阳能、地热能等的 利用己 经为部分地区的电力 供应问题提供了解决方案。 但是d g同 配电网运行对配电网 也会产生一些不利的影响， 当d g机组并网 后， 将直接影响输配电网络对一般用户的供电 质量。由于在局部多出了一个电源会造成 电压被抬高， 有可能超出规定的正常范围; 而对于使用感应发电 机的风电厂等工业 用户，由于其运行要吸收无功功率，可能会造成线路无功损耗加大，从而使线路电 压下降。另外还会造成配电系统的电压波动和闪 变以 及产生电压和电 流谐波等. 了解d g对配电网的影响 ，有利于我们充分发挥其优势，研究不利影响产生的 原因 及其解决措施，对于d g的进一步发展和应用有很大的意义。 1 . 2 d g 的研究现状 2 . 1国外发展现状 在 d g研究和开发领域，美国、 英国、日 本等国家在技术上处于领先地位 4 1 1 )英国 多 年来， 英国政府一 直试图通过能源效率最佳方案 ( e e b p p ) 促进d g的发展。 英国 在过去2 0 年中，已超过 1 0 0 0 个d g系统被安装， 遍布英国的各大饭店、休闲 中心、医院、 综合性大学和学院、园艺、机场、公共建筑、商业建筑、 购物商城及 其它相应场所。d g 的发展成为英国 政府提高能源效率措施的有机组成部分，已经 取得了 显著的 发展。目 前，新的应用还在继续发展，如将 d g用于园艺，可以做到 热电 冷联产， 将排出的 c 0 2 , s 0 2 , n o x 用于植物的肥料， 最大限度地减轻能源使 用为环境带来的危害。 2 )美国 美国从1 9 7 8 年开 始提倡发展d g 技术， 现在美国能源部( u . s .d o e ) 的d i s t r i b u t e d 华北电力大学硕士学位论文 e n e rg y r e s o u r c e s 计 划 是带 领全 国 共同 努力 发 展 下一 代洁 净、 高效 、 可 靠、 用 户能 够 买的 起的 d g系统。具体的 操作方式是与能源设备的制造商、能源服务者、能源项 目的开发者、州政府和联邦机构、公众利益组织、用户进行合作、研究、开发一系 列先进的、能够进行就地生产的、小规模、模块化设计的发电、储能技术，用于工 业、商业和民用方面，这些技术包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃 料电池、热驱动技术和能量储存技术，同时也进行先进的材料、电力电 子、复合系 统以及通讯、控制系统等方面技术的开发.美国能源部的提出: ( 1 ) 2 0 2 0 年的长期目 标:通过最大程度地使用具有良 好成本效益的d g系统， 使美国的电能生产和输送系统成为世界上最洁净、最有效、最可靠的系统。 ( 2 ) 2 0 1 0 年的中期目 标: 减少d g系统的成本， 提高d g系统的 效率和可靠性， 使 d g系统占美国新增发 电装机容量的 2 0 %. i e e e经过评估认为，到2 0 1 0 年d g系统将占新增发电容量的3 0 %.成立了 一 个名为 i e e e s c c 2 1 o n f u e l c e l l s , p h o t o v o l t a i c s , d i s p e r s e d g e n e r a t i o n , a n d e n e r g y s t o r a g e 的新机构， 专门 检查燃料电池、太阳能、 d g系统、能量储存等方面标准的发 展， 并协调这些标准与i e e e以外的其它团体或机构颁发标准的一致性， 确保这些标 准的通用性， 并于 1 9 9 9 年3 月颁布了关于分布式发电系统与电网连接的p 1 5 4 7 标准。 1 . 2 . 2国内发展现状 我国电力体制的改革， 政府职能与企业职能的分离， 发电与输配电网 彻底分离， 发电侧竞争市场机制的建立，为 d g系统的发展奠定了坚实的基础。当前，对 d g 系统的研究在国内已 开始启动， 并且已 经在北京、 上海、 广东等地兴建基于冷、 热、 电 联产的d g ( 5 1 ， 在西部和沿海兴建基于可再生能源 ( 太阳能、风能等)的d g . 目前国内 在 d g方面的研究相对较少， 且大多集中 在电源本身，如怎样构造高 效率的 风机， 提高风机运行的稳定性， 改进太阳能的利用方式， 提高利用效率等( 这 与国内该技术的发展现状相关) ， 在d g对电力系统规划、 运行等方面的影响的研究 大多集中在定性分析的层面上。 如 d g对电力系统运行的多方面影响，对目 前已 在 我国应用较多的风力发电 技术的相关问题的 分析等。然而，定量研究 d g对电力系 统运行的影响 对于d g在我国的发展尤其重要。 国外电网相对己 经发展得比 较完善， 电网比较强大，承受冲击的能力较强，d g 的接入对主网运行的影响尚不够大。而 我国电网，尤其是西部电网，网 架结构还很弱， d g的接入对主网的 运行有很大的 影响。因此，国外在d g ( 特别是并网运行方面) 的 研究成果尚 无法直接应用于我国， 其分析结果与在我国电网情况下是否一致还有待比较， 解决方法在我国电网情况下 能否适用也需要进一步研究，这是在我国 ( 特别是西部地区)大规模发展 d g技术 需要解决的重要问题. 华北电 力大学硕士学 位论文 3 d g 对 电力系统的影响 随着 d g应用的日 益广泛， 它们在电 力系统的渗透率也越来越高。 若d g 与电 力系统并网运行，将会有一系列的问 题产生，主要包括以下几个方面 6 - 9 j 3 . 1 d g 对电力系统负荷预测、规划和运行影响 d g的出现会使电 力系统负荷预测、 规划和运行与过去相比 有更大的不确定性。 由于大量的 用户会安装d g为其提供电能，使得配电网规划人员更加难于准确预测 负荷的 增长情况， 从而影响后续规划。另外，规划时最优化工具必须能够准确评估 d g对所在电网的影响，给出d g的 最优位置和规模， 使得 d g在电网的逐步渗透 过程中不会破坏电网运行的安全性和经济性。 其次， 配电网规划中若出现许多发电 机节点，使得在所有可能的网 络结构中寻找到最优的网络布置方案 ( 即可以使建造 成本、维护成本和电能损耗最小的方案) 就更加困难。 此外， d g机组类型及所采用一次能源的多样化，如何在配电网中确定合理的 电源结构，如何协调和有效地利用各种类型的电 源就成为新出现的而且迫切需要解 决的问题 。 3 . 2 对系统潮流、电能质量和运行可靠性影响 一、潮流 d g 的出现， 改变了配电系统潮流的单向模式并使得潮流无法预测， 同时还会产 生一系列的电能质量问题， 影响系统运行的可靠性。 没有d g 时， 馈线潮流总是单向 的，并且随着距变电站距离的增加有功潮流单调减少。但是馈线上安装了dg 之后， 从根本上改变了系统潮流的模式并使得潮流无法预测。 d g 并网后，当允许d g 向电 网输出电能时， 根据d g 和负荷的空间关系， 馈线沿线的潮流可能是增加的也可能是 减少的。 当馈线上的d g 输出电能大于当前的负荷时， 馈线的某些部分甚至是全部潮 流完全可能是反向的。这种非常规的 潮流模式会产生多方面的影响，如潮流的改变 使得电 压调整很难维持， 还会导致配电网的电压调整设备 ( 如阶跃电 压调整器、有 载调压变压器、 开关电容器组) 出 现异常响 应; 而且如果从d g 流向 变电所的潮流足 够大时，d g 附近的设备可能 会过负荷， 从而影响系统供电可靠性。 二、电能质量 d g 并网后还会对电网 提供给其他用户的电能质量产生潜在的影响。由于d g 是 由用户来控制的， 因此将根据其自 身的需要起动和停运d g ， 这可能使配电网的电压 常常发生波动。 d g 的频繁起动会使配电线路上的负荷潮流变化大， 从而加大电压调 整的难度，调节不好会使电压超标。未来 的d g 可能大量采用 电力电子型电源，电压 的调节和控制方式与常规方式会有很大不同，需要相应的控制策略和手段与其配 华北电力大学硕士学位论文 合。 当d g 切换成孤岛方式运行时， 如无储能元件或其能量太小， 就易使用户负荷发 生电 压闪变。此外，电力电子型的分布式电 源易产生谐波， 造成谐波污染。而且不 同类型的d g( 即基于逆变器的d g 和传统的旋转型d g) 所产生的影响也会存在差别。 三、可靠性 d g 对电 力系统的可靠性影响是多方面的，既有积极的一面，也有消极的一面， 因 此必须对d g 在电网中逐步渗透对可靠性的影响进行全面研究和分析，以确保d g 可以在不降低系统可靠性和安全性的前提下经济运行。 1 . 3 . 3 d g 在系统二次方面产生影响 d g 的存在对电力系统的故障行为和保护功能都会产生一定的影响， 主要有以下 几个方面: 1 ) d g 的出 现会改变故障电 流大小、 持续时间及其方向; d g 本身的故障行为也 会对系统运行和保护产生影响。 d g 机组对故障电流的影响可能会影响配电网的可靠 性和安全性。单个小型d g 所贡献的短路电流并不大，然而，许多小型d g 的综合贡 献或大型d g 机组可能会改变短路电流水平。 使其足够导致过电流保护 ( 保险丝) 配 合失误、过大的故障电 流、妨碍熔断器运行及故障检测。 2 ) 当包含d g 的电网与主电网分离后， d g 仍继续向 所在的独立电网 输电， 这就 是所谓的孤岛。无意中 形成的孤岛， 可能会对系统、用户设备、维修职员等造成危 害，而且低劣的电能质量会损害孤岛中的负荷。 3 )馈线潮流的不确定性，将会对电 力系统继电保护设置和动作整定带来一定 的难度。 传统的保护系统是在假定配电 系统都是放射状的基础上设计的。 而随着d g 在配电网的渗透，保护系统的设计基础就发生了改变。 1 . 3 . 4需进一步研究的问题 d g对电力系统的大量渗透产生重要影响，需进一步深入研究的问题包括16 1 . 1 ) d g对电力系统负荷预测不确定性的影响; 2 ) d g对电力系统规划， 特别是对配电网规划的影响; 3 ) d g在电网中的最优安装位置及规模; 4 )在电力市场环境下d g的地位及辅助服务: 5 ) d g和常规电力系统间的相互影响， 包括d g对系统的电能质量、 电压稳定、 潮流以及系统运行稳定性等影响，也包括系统的 各种扰动对 d g本身及其运行和保 护的影响; 6 ) d g的并网方式及其技术经济评价; 7 )各种 d g的稳态、暂态、动态分析模型; 8 )包含大量d g的配电网的电压调整策略; 华北电力大学硕士学位论文 9 )多电 源点配电网络保护的整定和配置问 题的新思路和新方法; 1 0 )分布式电 源对电网可靠性影响的模型及其综合经济性评价方法和指标; 1 1 )有效的“ 反孤岛” 方案和算法; 1 2 )不同类型d g对故障电 流的影响和贡献; 1 3 )包含多种 d g的符合能源系统的最优组合及其建模与控制。 4 d g 并入配电网后的电 压调整 电压维持在规定电压范围内才能保证 电能质量。配电系统的调压规则是以潮流 从变电站流向 用户为基础的，但在 d g接入电网之后， 配电系统从放射状结构变为 多电 源结构，潮流的大小和方向 有可能发生巨大改 变，从而使电力系统中某些部分 的电压也发生变化1 1 0 - t a l e d g并网与原有的 调压方法之间的冲突引起用户端电 压发 生变化有两种典型情况。 1 )电压升高。d g 的引入会给某些电力用户带来电压升高的问 题。若某一带有 d g的住宅区和其它几个住宅区共享一个普通配电 变压器，则有可能提高变压器二 次侧的电压而升高其它几个住宅区的电压。当配电变压器位于馈线上的某一点，此 时变压器一次测电压接近甚至高 于电压上限时， 上述情况将会发生。当d g未接入 时，潮流从变电站流向用户， 在配电 变压器和变压器下游馈线上有一个电压降，电 力用户的入口电压低于变压器一次侧的电压。当用户附近或负荷侧接入d g单元， 有可能使潮流反向 从而抵消这个电压降， 甚至可能使电力用户的入口 电压高于配电 变压器一次测的电压。 2 ) 电压降低。 在调压装置如电 压调节器或有载调压变压器下游接入一个d g单元， 原有的调压控制将不能正确测量馈线的实际负荷和进行正常的调压控制，使得接入 d g的电压曲 线低于不接分布式电 源的电压曲 线. d g的存在减少了 压降补偿装置所 测量到的负荷，在进行补偿时会受到干扰，进行电 压补偿时所设的目 标电压值比维 持馈线末端电 压达到规定标准的 实际设定值低， 因此接入 d g后馈线上的电压比未 接 d g 时更低。 在这种情况下产生的效果与 “ 电 压支持” 相反， d g的接入不仅没 有提高馈线电 压，反而降低了馈线电压。将 d g单元移至调压器或其他压降补偿装 置的上游将是这一问题的解决方法，但是又会带来另外一些问 题。 原来的调压方法 是以 放射状潮流为基础并广泛应用于电力系统中。因此必须评估d g对电力系统电 压的影响， 以 保证在d g应用越来越多的趋势下 d g不会对用户引起不良后果。 要 分析带有 d g的电力系统的调压特性，正确方法之一是利用具有多 源分析功能的软 件对配电 系统和调压装置的运行进行潮流仿真。 在分析中还必须注意到，d g 的注 入功率有可能导致d g附近的电 压是否在供电电压偏差范围内。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 5本文的主要工作 本文在分析了d g技术的基础上， 对含d g的配电网的电压分布做了定量研究， 系统的分析了d g对配电网电 压的影响，通过建模和仿真，完成了对 d g引入后的 配 电网的电压调整。 1 ) 介绍了配电网的概念、分类和接线方式，总结了国内外有关d g的相关概念， 并从一次能源、 接口 技术和大小等方面对目前出 现的d g技术做了 分类，并详细介 绍了目 前5 种具有发展潜力的d g技术。 2 )建立了均匀配电网络模型， 包括电压等级、接线方式、负荷模型、运行方式， 建立了有功、无功形式的d g模型，并通过此模型研究了d g引入配电网后电压分 布的两种算法， “ 负”负荷算法和叠加定理算法， 通过仿真实验，验证了 这两种算 法的正确性 。 3 )基于 dg引入配电网后 电压分布的计算公式，对 d g对配电网电压的影响进行 了定量分析，对d g引入前后的配电网电 压分布进行了比 较，得出结论，并分别从 d g的有功、功率因数 ( 无功)和接入位置几个方面 进行了讨论。 4 ) 研究了配电网的各种调压方法以 及静止无功补偿装置的工作原理， 针对d g引 入配电网后的电压分布特点，提出了将 s vc / s v g引入到配电网中与 dg配合调节 电压， 分别以电压为目 标，以降 低线损为目 标计算出了 s v c / s v g 的 投入地点和容 量，给出了d g与 s v c / s v g优化配置调压方法， 仿真结果表明该方法计算简便、 中间步骤少、效果显著。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 分布式发电技术 2 . 1 分布式发电的定义 事实上分布式发电 并不是一个全新的概念，早期的小火电 、小热电也属于分布 式发电，只是 由于技术经济性能不好逐渐被淘汰 了。而一直 以来，对它的称呼都不 一样。国外常用的称呼有:d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n( 分布式发电) ，d e c e n t r a l i z e d g e n e r a t i o n( 分布式产能) ，d i s t r i b u t e d p o w e r( 分布式电力) ，d i s t r i b u t e d e n e r g y r e s o u r c e s( 分布式能源) 等等。 与此相应，国内 的称呼也不一致，如分布式电源， 分布式发电系统，分布式发电等。这样很容易引起棍乱。 本文采用分布式发电d g ( d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n )的说法，并不表示对其他说 法的否定。本文旨 在比较和分析不同机构、不同 学者给出的不同定义，主要是对分 布式发电 有一个概念上的认识。什么是分布式发电系统呢?至今为止，对于分布式 发电 系统还没有确切的、统一的定义 1 5 l 1 )美国能源部给出的定义是:与能量管理系统和储能系统相联，改善电力传输 系统的运行情况的小型的、 模块化的不论它是否能与电网 相联的生产电能的技术。 2 )加利福尼亚能源委员会 ( c e c )给出的定义是:在配电网范围内分布在用户 处或其附近的、并联或独立的，能使用户和公共事业单位获益的发电机组。 3 ) e p r i 和 i e e e的定义分别是:要求需求侧管理的， 小型 ( 5 0 mw) 的电能 生产或存储技术，不与大型电网相联的电能生产技术。 4 )美国先进能源市场研究中心给出的定义是:包含位于用户附 近的发电设施、 能量 储存和能量管理以及热电 联产技术，利用联网优势为供需双方利益服务的发电 系统。 从不同机构、学者给出的分布式发电系统的定义可以看出，分布式发电系统的 研究还处在初级阶段，分布式发电系统的基本术语、基本概念是不统一的。经过分 析，对d g的定义各自有各自 的侧重点和出 发点， 各定义之间 是既相近又有区别: 1 ) d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ( d g ) ， d i s t r i b u t e d p o w e r ( d p ) ， d e c e n t r a l i z e d g e n e r a t i o n ( d g ) ， d i st r i b u te d p o w e r g e n e r a ti o n ( d p g ) 基 本 上是 等同 的， 是 指可以 安 装在 用 户附 近并 为 其 供电的 小 型发电 技术 或装it . d is t r ib u t e d e n e r g y r e s o u r c e , d i s t r ib u t e d r e s o u r c e和 d i s t r i b u t e d e n e r g y的定义基本相同，是从电网运行、能源管理角度给 出 的， 与d is t r ib u t e d g e n e r a t io n 的定 义的 区 别主 要 在于 是 否涉 及 到能 源管 理和 能源 储存技术。 2 ) 综合这些分布式发电系统的定义，可以 看出， 分布式发电 系统的定义是从分 布式发电系统所包含的技术，所处位置，与电网的关系，应用目 的，容量大小等 5 华北电力大学硕士学位论文 个方面进行定义的。 3 )在技术方面，有些定义认为分布式发电 系统只是发电技术，而有些定义除了 包括发电 技术外还包括能量储存、能源管理、需求侧管理等技术，如电力研究所 ( e p r i ) 给出的d i s t r i b u t e d r e s o u r c e s ( d r ) 定义， 电力电子工程协会 ( i e e e )给 出的d i s t ri b u t e d r e s o u r c e s ( d r )定义，美国能源市场研究中心给出的d i s t r i b u t e d e n e r g y ( d e ) 定义。 4 ) 在分布式发电系统的容量方面， 有的定义用的是 “ 小的”一词，有的定义给 出了 确切的容量限值， 但限值不统一， 有的是5 0 mw， 有的是 3 0 m w， 有的是 i o mw. 然而， 由于容量限 值的不统一， 使人们无法确切判定哪些发电设备属于分布式发电系 统， 哪些不属于分布式发电 系统。应该指出的是，以发电装置容量的大小来界定分 布式发电系统是不科学的。 综合各种定义及我国的 具体情况，一般我们所说的分布式发电，指的是为了满 足一 些特殊用户的需求，支持已有的配电网的经济运行而设计和安装的 在用户处或 其附近的 模块式的、清洁环保的小型发电机组，一般为几兆瓦到几十兆瓦。它们或 坐落在用户附近使得负 荷的供电可靠性及电能质量都得到增强，或者由于就地应用 热电联产使得效率得到提高的发电形式。一般它们的投入与切除以及发 电量的大小 均不受大电网调度的 控制，能够经济、高效、可靠地发电。 2 . 2分布式发电的分类 在不同的研究领域， d g有不同的分类方式。一般可以根据 d g的技术类型、 所用的 一次能 源 及电 力 系统 的 接口 技 术进 行 分 类(6 ， 如表2 - i 所 示。 i )根据d g的技术类型 根据d g通常所使用的技术可分为:柴油机组发电、水力发电、风力发电、光 伏发电、太阳热发电、燃气轮机组发电和燃料电 池等。 它们所使用的能源有化石燃 料、 可再 生能 源 及电 能的 储 存 ( e le c tri c s to r a g e ) . 2 )与电 力系统的接口技术 若 d g与电 力系统相联， 则可以根据d g并网技术的类型分类，即直接与系连 接 ( 机电式)和通过逆变器与系统相联两大类。若d g是旋转式发电 机直接发出工 频交流电 则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电、太阳热发 电 等;而逆变器型 d g通常指的是将直流电逆变上网的 d g( 如风力发电、光伏发 电、 然料电 池及各种电能储存技术)和发出高频交流电的d g( 微透平机组) 。 3 )根据大小 虽然按照大小来界定分布式发电系统是不科学的， 但在 d g的实际应用中，考 虑到 d g 大小对其在 电力系统中应用有直接影响，因此按其大小分为小型 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 mw) o 表 2 - 1分布式发电分类 技术类型一次能源输出 接 口技术 大小 小型中型大型 水力发 电可再生能源 ac 直接相联 今* 风力发电可再生能源dc逆变器 *.* 光伏系统 可再生能源 dc 逆变器 *. 地热发电可再生能源ac 直接相联 巾* 嫩料电池 化石燃料， 可再生能源 dc 逆变器 * 太 阳热发电可再生能源 ac 直接相联 *今 * 微透平 化石燃料， 可再生能源 ac 逆变器 * 小型燃气轮机 化石燃料， 可再生能源 ac 直接相联 * 生物质能发电 可再生能源 或废弃物 ac 直接相联 * 今* 各种储能发电电网或 d gdc逆变器 * 2 . 3分布式发电技术简介 2 . 3 . 1微型燃气轮机 微型燃气轮机是指功率为几百千瓦以 下的以 天然气、甲 烷、 汽油、柴油为燃料 的超小型燃气轮机. 满负荷运行时效率可达到3 0 %，实行热电联产， 效率可提高到 7 5 %. 微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、 污染小、运行维护简 单。它是目 前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电 源之- . 1 6 - 1 8 1 华北电 力大学硕士学位论文 一、工作原理 图2 - 2微型燃气轮机工作原理图 美国c a p s t o n e 公司生产的 微型姗气轮机的工作原理如图2 - 2 所示。 主要组成部 分包括:发电机、离心式压缩机、透平、回热器、燃烧室、空气轴承、数字式电能 控制器( 将高频电能转换为并联电网频率 5 0 / 6 0 h z ， 提供控制、 保护和通讯) 。 这种微 型燃气轮机的独特设计之处在于它的压缩机和发电机安 装在一根转动轴上，该轴由 空气轴承支撑， 在一层很薄的空气膜上以9 6 0 0 0 r / m i n 的转速旋转。 这是整个装置中 唯一的转动部分，它完全不需要齿轮箱、油泵、散热器和其他附属设备。这种微型 燃气轮机采用的几项关键技术如下: 1 )空气轴承。空气轴承支撑着系统中唯一的转动轴。 它不需要任何润滑，从 而节约了 维修成本，避免了由 润滑不当 产生的过热问题， 提高了系统可靠性。它可 使微型燃气轮机以最大输出功率每天2 4 小时全年连续运行。 2 )燃烧系统技术.已取得专利的燃烧系统设计使其成为最清洁的化石燃料燃 烧系统，不需进行燃烧后的污染控制。 3 ) 数字式电能控制器。将电 力电 子技术与高级数字控制相结合实现了多种功 能，如调节发电机发电功率、实现多 个燃气轮机成组控制、调节不同相之间的功率 平衡、允许远程调试和调度、快速削减出 力、切换并网 运行模式和独立运行模式。 数字式电能控制监视器可监视多达2 0 0 个变量，它可控制发电 机转速、 燃烧温度、 燃料流动速度等变量，所有操作可在一套界面友好的软 件系统上进行。 二、微型燃气轮机的 优点 微型 燃气轮机与常规发电装置相比具有如下优点: 1 ) 环保。微型燃气轮机的废气排放少，使用天然气或丙烷燃料满负荷运行时， 排 放的 体 积分 数n o 二 小于9 x 1 0; 使 用柴油 或 煤油 燃料 满 负 荷运行 时， 排 放的 体积 分 数n o 二 小于3 5 x l 0 -6 ; 采用油 井 气做 测 试时 ， 排放的 体 积 分数n o 二 小于1 x 1 0。 其 他采 用 天然 气作 为 燃料的 往 复式发 电 机 产生 的n o 二 比 微型 燃 气轮 机多1 0 - 1 0 。 倍， 华北电力大学硕士学位论文 柴油发电 机产生的n o 二 是微型燃气轮机的 数百倍。 2 ) 维护少。 微型燃气轮机采用独特的空气轴承技术， 系统内 部不需要任何润滑， 节省了日常维护。每年的计划检修仅是在全年满负荷连续运行后更换空气过滤网。 3 ) 效率高。 微型燃气轮机发电效率可达3 0 %， 联合发电和供热后整个系统能源 利用率超过7 0 %. 4 )运行灵活 。微型燃气轮机可并联在电网上运行，也可独立运行，并可在两种 模式间自动切换运行。由软件系统控制两种运行模式之间的 自动切换。 5 )适用于多种燃料。 微型燃气轮机适用于多种气体燃料和多种液体燃料， 包括 天然气、丙烷、油井气、煤层气、沼气、 汽油、柴油、 煤油、酒精等。 6 )系统配置灵活。可根据实际需要灵活配置微型燃气轮机的数量，并能够进行 多 单元成组控制，其中一台检修时不影响整个系统的运行。 7 )安全可靠。微型燃气轮机是同类型产品中符合美国保险商实验所严格标准 u l 2 0 0 0 的唯一产品，它同时符合i e e e 5 1 9 , n f p a规范、 a n s i c 8 4 . 1 和其他规范， 保证了与电网互联的安全性。 2 . 3 . 2风力发电技术 风力发 电技术是将风能转化为电能的发电技术 ，也是一种清洁能源。它的输出 功率由 风能决定。风力发电是目 前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发 前 景 的 发 电 方 式 19 -2 11 一、风轮机 风力发电的原理是: 天然风吹转叶片，带动发电机转子旋转而发电。风力发电 机的风轮机多 采用水平轴、 三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长。功 率调节是风轮机的 关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式: 一类是定浆距失速控制: 另一类是变浆距控制。大部分风力发电 机都有对准风向机 构，自 动使风轮机处于迎风状态。随着技术的发展，已出现了浓缩风能型风力发电 机迎风及限 速自 动控制系统等新型风力发电 机系统. 二、发电机 按照风轮发电 机转速是否恒定， 风力发电可分为定转速运行与可变速运行两种 方式;按照发电机的结构区分，有异步发电 机、同步发电机、永磁式发电机、无刷 双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。 早期的风力发电机大多采用附带增速装置的异步发电机。 异步发电机结构简 单， 发出的工频交流电 可直接使用或经变压器输入电网。多数情况下，异步风力发 电机定速旋转;绕线式异步电 机可通过在转子接入可变电阻实现低频励磁来调节转 矩大小，也可以变速运行。因为要从电网获得励磁电流，所以 异步风力发电一般不 能脱离电网单独运行，除非用某种方式获得励磁。同 步风力发电 机不需要增速传动 华北电力大学硕士学位论文 结构，整体结构简单。随着电 力电子变流技术的 进步， 先进的同步风力发电常采用 交一直一交的接入方式，即先把发出的交流变成直流， 然后再逆变成工频交流接入 用户或电网. 这种发 电方式的优点是， 发电机转速不必与电网频率要求的转速同步。 由于其输入功率存在固有的不平衡性，风力发电在一定 程度上可起到蓄能作用，一 般风力发电机输出的交流电经过整流后向蓄电池组充电，然后通过逆变器连入电 网。 三、运行方式 风力发电的运行方式可分为独立运行、 并网运行、 与其它发电方式互补运行等。 独立运行是指风力发电 机输出的电能经蓄电 池储能，再 供应用户使用。这种方式可 供电网达不到的边远农村、牧区、海岛 等地区使用，一般单机容量数百到数千瓦。 并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发 电 场，发出的电能全部经变压器送至电网， 这是目 前风力发电的主要方式。风力同 其它发电 方式互补运行，如风力一柴油机组互补发电方式，风力一 太阳能光伏发电 方式 2 2 1 ， 风力一燃料电 池发电方式等， 这种方式不仅可弥补风速变化所带来的发电 量突然变化的影响， 保证一年四 季均衡供电，而且可延长蓄电池寿命，同时还可以 使离网型小型用户发电系统的发电成本降低，自然资源得到充分利用。 2 . 3 . 3太阳能光伏发电 众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭。据测算，1年内到达地球表面的太阳 能总量是目 前世界己 探明储量能 源的 1 万多 倍。 我国年均日 照长， 辐射总量大，属 于太阳能资源较为丰富的国家之一， 全国国土面积三分之二以上的地区每年日 照时 数大于 2 0 0 0小时，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发 电量的总和。因此开发利用太阳能是大有前途的 2 3 1 太阳能光伏电 池 p v ( p h o t o v o l t a i c c e l l ) 发电技术是利用半导体材料的光电效应直 接将太阳能转化为电能。白天发电的 盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。采用光 伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域 限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护 简单等优点。 但是光伏电池的转换效率低。目 前应用的光伏电池是一种半导体器件 ( 如单 晶 硅、 多晶 硅 ) ， 受 到 太阳 光 照时 发生 光伏 效应， 将 太阳 光能 转 变成直 流电 能。 在使用时将光伏电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组成方阵。光伏电池 的输出功率受日 照强度、电池结温等因素的影响，不能调度，而且系统的频率和电 压对其基本上没有影响。 一、太阳能光伏发电类型 国际上利用太阳能光伏发电主要有以 下 3 种类型: 1 )独立光伏发电系统 是指仅仅依靠太阳能电 池供电的 光伏发电系统，从电力系统夹说. 千瓦a以卜 华北电力大学硕士学位论文 的独立光伏发电 系统也称为离网型光伏发电系统。 这也是我国目 前主要的光伏发电 应用市场， 且每年以2 0 %的速度增长。主要市场包括农村独立光伏电站、家用光伏 电 源、光伏水泵，工业领域的光缆通讯、微波通讯、卫星电视接收站、边防哨所电 源、公路信号电 源、航标及灯塔电源，以及太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能汽 车、 太阳能半导体冷藏箱、太阳帽、 太阳能充电器、太阳能计算器等等。 2 ) 并网光伏发电 系统 光伏发电 系统的 主流发展趋势是并网光伏发电 系统。该系统在国外已 步入大规 模发电阶段，是当今国际上光伏发电的发展潮流， 但在我国仍处于酝酿试验阶段。 太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变器变换成交流，再同电网的交流电 合起 来使用， 这种形式的光伏系统就是并网光伏系统。 由于该系统所发电直接进入电网， 省掉了储能的蓄电池组，因而可使其成本下降 1 8 %左右。 3 ) 屋 顶 发电 2 1 2 3 光伏发电系统与建筑物相结合，构成了屋顶光伏发电系统。对于家庭、小的商 业楼可用 p v 一 蓄电池一 永磁电机组成系统( 1 k w - 1 5 k w) ;大商业楼和小工业用户 可用p v - d c - a c 逆变器驱动三相感应电机系统( 1 5 k w-5 0 k w ) . 所发电力既可供 建筑物使用，也可并入电网。在美国、日本和澳大利亚的一些地区，已经有由 屋顶 式光伏电 池发电设备联成的 p v系统与当地电网相联，白天发电的盈余倒送电网， 晚间用户从电网取电， 在供电企业和用户间形成了一种新型的关系。这种屋顶光伏 发电 系统通过巧妙设计可达到降 低建筑造价及光伏发电 系统造价的目的。 二、 并 网 光伏 发电 系 统 2 4 1 并网 光伏发电系统是光伏发电系统的主流趋势。并网光伏发电系统可分为住宅 用并网光伏发电系统和集中式并网光伏发电系统两大类。前者特点是光伏发电系统 发的电直接分配给用户负载，多余或不足的电 力通过连接网来调节;后者特点是光 伏发电系统发的电直接输送到电网上，由电网 把电力统一分配给各用户。目 前住宅 用光伏系统在国 外已 得到大力推广， 而集中 式并网光伏系统应用尚 在发展.两者在 系统结构上差别不大。 光伏并网系统主要由 太阳能电 池方阵和并网逆变器组成。并网 逆变器是并网光 伏系统的中心。 逆变器把太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网相同的电压和 频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。 逆变器有以下几个作用: 在输出电 压和电流随太阳能电 池温度以 及太阳 辐照度而变化时， 总是输出太阳能电池的最大 功率;输出已 抑制谐波的电 流，以免把不良 运行波及到电网:倒流输出 剩余电 力时，自 动调整电压， 把用户的电压维持在规定范围。 当并网逆变器与电网连接时， 它始终在功率因数等于 1 的条件下运行，电流和电压几乎同相，仅提供有功功率。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 3 . 4燃料电 池 威廉 格鲁夫( w. g r o v e ) 于 1 8 3 9 年发明了燃料电池以 来，它的开发使用至今己逾 1 5 0 年了。 燃料电 池的首次实质性的应用始于2 0 世纪6 0 年代美国太空总署( n a s a ) 的阿波罗太空飞行计划。当时美国通用电 气公司为阿波罗太空飞船设计了称之为 g e m i n i 的燃料电池动力系统， 它采用海绵状的薄膜聚合物作为电池的电解液。 这种 燃料电池具有非常理想的比功率，但价格十分昂贵。燃料电池发电不同于传统的火 力发电，其燃料不经过燃烧， 而是在催化剂的作用下直接将姗料与空气或氧气之类 的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能 发电。燃料电池也不同于平时 所说的干电 池和蓄电池。 燃料可以是氢气、 碳氢化合 物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的 转化效率仍能达到 8 4 %. 一、燃料电池基本原理 燃料电 池主要由阳极、阴极和电 解液构成， 如图2 - 1 所示。 阳极， 即燃料电极， 为燃料和电 解液提供一个结合面， 用以 催化氧化反应以及驱动电子到达外部电路: 阴极即氧气电极，为氧气和电解液提供一个结合面， 用以催化还原反应以及接收来 自 外部电 路的电 子;电 解液用于转移在燃料和氧气电极反应中产生的各种离子，催 化剂的材料可以是金属铂、银或镍等。 到目 前为止，使用最广的是氢一空气或氢一 氧气型燃料电池。氢气是一种理想的无污染燃料，在所有燃料中，它具有最高的能 量 密 度， 燃 烧后的 副 产品 为 纯净 水(2 4 1 /一)、 e 阴极 电解液耸 阳极 图2 - 1燃料电池基本原理 二、 燃 料电 池 的 类型 2 5 ,2 6 1 目前的燃料电池类型主要有:8 0 质子交换膜燃料电池 ( p e mf c )、2 0 0 1c 磷 酸型燃料电池 ( p a f c )、6 5 0 熔融碳酸盐燃料电池 ( mc f c )以 及 1 0 0 0 的固体 氧化物燃料电 池 ( s o f c ) 。 其中 磷酸型燃料电 池最接近商业化， 新一代的熔融碳酸 华北电力大学硕士学位论文 盐燃料电池和固 体氧化物燃料电池则被认为最值得推荐用于电力系统的发电 2 5 1燃 料电池的应用涉及 d g的各个市场环节， 特别是近年来燃料电 池取得了突破性发展， 正处于商业化的前期示范阶段，有望成为商业化的d g技术。 三、燃料电池的特点 目前燃料电池发电的初期投资成本和运行费用还比较高，不足以与传统发电方 式竞争。尽管如此， 这些试验项目 获得了燃料电池公司、电力公司和政府的广泛参 与。燃料电 池的魅力在于其极具潜在价值的优点:效率高且不受负荷变化的影响; 适应负荷变化的能力极强， 当负荷变化在2 5 % - 1 0 0 %围内时，电 池效率不受影响， 而且跟踪负荷变化的速度很快，这使得燃料电池不仅适合大规模发电，也适合小规 模分布式发电; 清洁无污染; 安装周期短、 安装位置灵活， 可省去配电系统的建设。 随着燃料电 池技术的突破和制氢技术的不断进展， 燃料电池可以 与太阳能光伏 电池或风力发电系统构成 “ 太阳 能光伏( 或风力发电) 制氢储能一燃料电池发电系 统” ， 以 制氢 储能 替 代 传统的 蓄电 池储 能 环节 2 71 。 当日 照 ( 风 源) 情 况良 好时 ， 通 过电 解水制氢将多余的电能储存起来;在夜晚或阳光不足( 风力不足) 时，将储存的氢通 过燃料电池再转换为电能，继续向负载供电，从而保证 了系统供 电的连续性和稳定 性。这种系统具有储能密度高，使用寿命长