（电力系统及其自动化专业论文）计及分布式发电的配电网规划研究.pdf

山东大学硕士学位论文 进行了仿真计算。运算结果显示了该算法应用于这一领域的可行性和有效性。 通过粒子群算法进行多目标j 口- j 题的优化计算，并对不含有和含有分布式电源的 配电网规划结果作了比较分析。算例结果表明，引入分布式电源后对配电网优 化带来了一定的合理性和优越性。也从一个侧面印证了分布式发电技术进入电 力系统后会带来较有利的影响，同时也印证了分布式发电技术有着广阔的应用 前景。 v i 关键词：分布式发电配电网规划多目标优化粒子群算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) t e c h n o l o g yi san e wr i s i n gt y p eo fp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hm a k ef u l lu s eo fn e wc l e a ne n e r g y , s a v e i n v e s t m e n t s ，f l e x i b l e ，h i g h l y e f f i c i e n t a n d e n v i r o n m e n t a l l yc o m p a t i b l ep o w e r g e n e r a t i o nc o n d u c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a sg o tt h ea t t e n t i o nb ya l lc o u n t r i e si nt h e w o r l da n dw i l lb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r ti nt o t a lp o w e rs y s t e ms u p p l gt h es t u d yo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sam a jo rt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a st h el o a dg r o w t ha n dt h ea c c e s st ol a r g e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h es t u d yo n d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gw i t hd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t i s s u e d i s t r i b u t i o np l a n n i n gi sam u l t i - v a r i a b l e ，m u l t i - b o u n dm i x e dn o n l i n e a r p l a n n i n gp r o b l e m ，a n dt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d i nv i e wo ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n ga n dt h ed i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i s p a p e rp r o p o s e st h ea p p l i c a t i o no ft h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i t h m i nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gw i t hd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n t h i sp a p e rl a u n c h e s o nt h i st o p i c ，a n du s e st h ep s oa l g o r i t h mt os o l v em u l t i - o b je c t i v ep r o b l e m si nt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gw i t hd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，a sw e l la s i t si m p a c t so nt h ep o w e rs y s t e m t h e s ei m p a c t si n c l u d e ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o no n p o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , p o w e rq u a l i t y , r e l a yp r o t e c t i o n ，l o s s ，a n ds oo n w h e nt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o re m b e d d e dt h et r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e m ，t h eo r i g i n a l d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gm e t h o d sc a n tp l a yag o o dr o l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e s g e n e r a lp l a n n i n gi d e a sa n ds u m m a r ys t e p su n d e rt h en e ws y s t e ma n ds t u d i e st h e m e t h o d so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n ga n dt h a tw i t hd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n w h e t h e ri nt h ef i e l d so ft h en a t u r a la r e a so ri nt h ec o m m u n i t y , t om i n i m i z et h e c o s t sa n d o b t a i n i n gt h eg r e a t e s tb e n e f i t sa r ea l w a y st h eg o a l sh u m a np u r s u i t m i n i m i z i n gc o s t sw h i l em a x i m i z i n ge f f i c i e n c y , w i l lb eac o n t r a d i c t i o no ft h et w o f r o n t s s i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e rc o n s t i t u t e sat y p i c a lm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h eb a c k g r o u n do fm u l t i o b j e c t i v ep r o b l e m ，b a s i cc o n c e p t so f t h ep s oa l g o r i t h m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n da l g o r i t h m ss t e p sa p p l i c a t i o na r e a sh a v e v i i 山东大学硕士学位论文 ab r i e fi n t r o d u c t i o n b a s e do nt h ed e e p l ys t u d yo ft h ep s oa l g o r i t h mc a nf u r t h e r e x p a n dt h ea r e a so ft h ea p p l i c a t i o na n dp r o v i d ean e wa n de f f e c t i v et h e o r e t i c a lb a s i s s o l u t i o n sf o rm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam i n i m u mn e t w o r kl o s s ，t h em i n i m u me n e r g yc o s t so f d i s t r i b u t e dp o w e ro p e r a t i o n ，t h el a r g e s td i s t r i b u t e dg e n e r a t o r si n s t a l l e dc a p a c i t yo f d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n b a s e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k p l a n n i n gm u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o nm o d e l t os o l v et h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h i sp a p e r t r a n s f o r mm u l t i o b je c t i v ei n t os i n g l e o b je c t i v ep r o b l e m ，t h e ns o l v et h el a t t e ru s i n g s i n g l e o b je c t i v ea l g o r i t h m f i n a l l y , t h i sp a p e rt e s t st h ep s oa l g o r i t h mw i t hs p e c i f i ca p p l i c a t i o ni nar e a l n e t w o r kp l a n n i n g t h r o u g ht h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mu s e di nt h i sa r e ai sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e n e s s u s i n gt h ep s oa l g o r i t h mt o s o l v et h em u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，a n dc o m p a r i n go ft h ea n a l y s i s s i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hn o tc o n t a i na n dc o n t a i nd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sd i s t r i b u t i o n n e t w o r k p l a n n i n g s h o wt h a t ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gw i t hd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nh a v ear e a s o n a b l eo p t i m i z a t i o na n ds u p e r i o r i t yi ns o m ec e r t a i ne x t e n t f r o mo n es i d ew ec a l lc o n f i r mt h a tt h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi n t r o d u c i n g i n t op o w e rs y s t e mw i l lb r i n gm o r ep o s i t i v ei n f l u e n c e s ，b u ta l s oc o n f i r mt h a tt h e d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，m u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o n , p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至昌 日 期：2 竺! 星! 垒! f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 至函导师签名：翻望；日期：丝望2 1 幺矿论文作者签名：圭幽导师签名t & 整= 日期：丝望21 幺矿 山东大学硕士学位论文 ii 一! 曼! ! ! 曼! 曼曼 第一章绪论 本章主要介绍了分布式发电技术的研究意义、背景，分布式发电技术的技 术特点，目前国内外分布式发电的研究现状，本课题的研究内容和本文的组织 结构等。 1 1 研究的背景和意义 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 或分布式电源( d i s t r i b u t e d r e s o u r c e ，d r ) 一般是指为满足某些终端用户的需求，功率为数k w 至5 0 m w 小 型模块式的、与环境兼容的独立电源【1 1 。 电力系统规划包括电源规划、输电网规划和配电网规划。配电网处于电力系 统末端，是联系电源与用户的一个重要环节，电力系统对用户的供电能力必须通 过配电网来实现。电力系统规划的合理性是整个电力系统结构及运行特性的集中 反映并与电力用户有着直接的关系。 随着分布式电源越来越多的接入配电网系统，计及分布式发电技术的配网规 划也随之成为研究的热点【2 1 。为了满足短期乃至长期电网负荷增长以及保证电能 质量的要求，并使配电系统的建设和运行费用最小，配电网规划根据规划期间网 络负荷预测的结果和现有网络的基本状况确定最优的系统建设方案。若配电网目 前建设情况在规划期( 5 2 0 年) 不足以满足负荷变化情况，这就需要对电网升级 予以投资。在这种情况下，分布式电源，一种有效节约电力成本的发电方式，可 以为决策者提供一种减少建设投资成本的选择。 1 2 分布式发电技术简介 分布式发电作为“电力行业的第二次物质革命 展现在世人面前。应该说， 目前国内外对分布式发电的具体含义仍没有具体准确的定义，甚至各个国家的对 其叫法也大不相同：在英属国家，称为“嵌入式发电 ( e m b e d d e dg e n e r a t i o n ) 【4 】；在北美，称为“分散式发电”( d i s p e r s e dg e n e r a t i o n ) 5 】；在欧洲和亚洲的部 分国家，叫做“非集中式发电”( d e c e n t r a l i z e dg e n e r a t i o n ) 【6 】。这些电源由电力 山东大学硕士学位论文 部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和用户特定的要求。分布式发 电的主要特征是电力就地消化，与电站规模、发电技术无关。其作用有如调峰、 为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。 分布式发电的一些其他定义如下： ( 1 ) 任何与配电网相连的发电设施。 ( 2 ) 商业备用柴油发电机，例如，医院和宾馆安装的柴油机。 ( 3 ) 家庭备用发电机。 ( 4 ) 电力公司安装在变电站的发电设旌，用于提供电压支持或提高系统可 靠性。 ( 5 )用户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到5 0 m w 的小型发电设 施。 ( 6 )安装在负荷中心或靠近负荷中心的发电设施。 一个简单的分布式发电系统的示意图如图1 1 所示： 图1 1 分布式发电系统示意图 分布式发电是与集中大电网相对所得名，强调的是与集中式大电网相区别的 发电形式，正因如此，一般而言，分布式发电是直接接入配网系统并网运行或采 取独立运行的方式。分布式发电本身并非一种全新的发电形式，过去一些重要的 部门或场所如医院、矿山等，用户往往自行安装的一些小型发电机被作为紧急备 用电源，还有如我国早期燃煤的自备电厂、小热电等，这些也可认为是分布式发 电的范畴，但由于其技术性能不佳或者效率低下，或者对环境产生不良影响，已 经逐渐被淘汰或取代【7 】o 1 2 1 分布式发电的技术特点 含有分布式发电的集中电力系统有着以下优势【8 1 【9 】： ( 1 ) 绿色环保成为分布式发电技术应用的第一考虑因素，其使用的一次能 源多为绿色和可再生能源，污染物的排放减少近四分之一。因其能源综合利用效 2 山东大学硕士学位论文 率高，同集中发电相比，能够实现能源的梯级利用，使能源综合利用率进一步提 高，可达到8 0 以上。而采用超临界甚至超超临界参数的火电厂的效率也仅4 5 左右。 ( 2 ) 供电以网电和自备发电互为备用，分布式发电系统中各电站相互独立， 用户由于可以自行控制，不会发生大规模停电事故。分布式发电可大大提高供电 可靠性，可在电网崩溃和意外灾害( 例如地震、暴风雪、人为破坏、战争) 的情 况下维持重要用户的供电。所以安全可靠性比较高，保证了电力系统的供电可靠 性。 ( 3 ) 与大电厂相比，分布式发电系统的设备数量少，没有凝汽器等大型辅 助设备及大量管道，设备规模、体积较小，用地较省。分布式发电系统因普遍容 量小，操作简单且具智能化，机组起停快速、灵活，调峰性能优越。 ( 4 ) 分布式发电的输配电损耗很低，甚至没有，无需建配电站，可降低或 避免附加的输配电成本，同时土建和安装成本低；分布式发电系统靠近用户，不 需要建设大电网进行远距离高电压或超高电压的输电，可大大减少线损，节省电 网建设投资和运行费用。 ( 5 ) 分布式发电系统因靠近用户，安装周期短、移动方便，可满足特殊用 户的用电需求，如应急发电车等，也可广泛应用于城区商业中心、工业园区、新 开发的城区和房地产小区等。 一方面对于电力公司来说，由于分布式发电设施的安装周期短，不需要现存 的基础设施，而且与大型的中央电站及发电设施相比总投资较少，电力企业则可 以以较低的成本进入电力市场，因此在电力竞争性市场建立后分布式发电的作用 将会日益明显和重要；另外一方面，对于国家和公众来说，分布式发电提供了低 成本、高可靠性、高质量的电能供应，提高了整个国家的劳动生产率，并符合国 家的能源政策。 1 2 2分布式发电技术发展的现状 随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网规模迅速膨胀。这种发展所带 来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的 农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式 山东大学硕士学位论文 供配电网需要巨额的投资和较长的时间周期，能源供应严重制约着这些地区的经 济发展，而分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西 北部广大农村地区风力资源十分丰富，风力发电应用速度迅猛，除自用外，还可 送往其他地区，这种无污染绿色能源还可以减轻当地的环境污染。分布式发电系 统中的可再生能源除风力发电外，太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏 远地区缺电的良好办法。在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术不 可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。而在分布式发电 技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术，因为对于 中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和 供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产分布式供能 系统的广阔市场。 就全世界范围来看，能源利用效率越高、环境保护越好的国家，对于发展分 布式发电技术的推广应用就越热衷，鼓励支持政策越明确。全球范围内，已安装 的m w 级发电装置超过3 0 0 万台，并且每年超过8 0 0 0 0 m w 的速度递增。美国电力 科学研究院研究表明，至 j 2 0 1 0 年，全球2 5 的电能由小于2 m w 的d g 装置提供， 并且d g 所占市场份额将达到2 0 。欧盟发展委员会也提出到2 0 1 0 年，欧盟发电 量中“热电联产 所占的比例将由目前的9 增加到1 8 ；印度2 0 1 2 年可以再生 能源发电比例将超过1 0 【9 1 。与欧洲相比，在美国辐射状电网的应用很广泛，这 给技术上提出了挑战。这种放射电网并不适合潮流的反向流动，特别是对小型输 电单位，很难处理分布式发电入网问题。当有大量分布式发电上网时，需要有高 额投资来升级配电网【l 。 1 3 本论文的主要工作 本课题是对计及分布式发电技术的配电网规划的研究，目标是分析和研究 分布式发电技术的相关特性，以及其对电力系统的影响，研究分布式电源的合 理规模、布点以及电网扩展规划等问题。 各章的主要内容及创新点如下： 第一章介绍了本课题研究的背景、意义，介绍了分布式发电的定义，并对 目前分布式发电技术的主要技术特点进行了分析，并简要介绍了目前国内外分 4 山东大学硕士学位论文 布式发电的发展状况，提出了课题研究的主要内容。 第二章介绍了目前国内外主要的分布式发电的分类和分布式发电技术对传 统电力系统的影响。并着重介绍了以下几个方面的影响，这其中包括：对电力系 统安全和可靠性的影响、对系统保护的影响、对电能质量的影响、对系统网损的 影响。 第三章阐述了分布式发电对配电网规划提出的新要求，即传统的规划方法没 有充足的能力解决包含分布式电源的规划问题，这主要是因为传统的规划方法都 不同程度地将规划问题进行了简化，因此我们必须对规划中客观存在的难以定量 表达的不确定性因素用较好的方法进行处理。本章探讨了配电网规划的一般步 骤，主要从分布式发电的布点规划和配电网的扩展规划两方面展开论述。 第四章提出多目标问题，并指出含分布式发电的配电网规划实际上就是一 个多目标优化问题求解的过程。本章简单介绍了多目标优化问题的由来，解决 方法。并以粒子群算法为突破口，介绍了粒子群算法在求解多目标问题中的计 算步骤和算法流程。 第五章以提出了计及分布式发电的多目标配电网规划的三个优化子目标，以 某配电网为算例，进行配电网规划和计及分布式发电的配电网规划，对比计算结 果，并得出结论，印证了本文所提出的方法在解决相关问题存在一定的可行性和 应用价值。 第六章总结了本文的主要研究工作和存在的不足，提出了进一步要解决的 问题。 山东大学硕士学位论文 第二章分布式发电的分类及其对电力系统的影响 本章介绍了分布式发电的主要形式和分类，以及分布式发电技术引入之后 对传统电力系统所产生的影响。这些影响包括：对系统安全性和可靠性的影响、 对电能质量的影响等，以及其他方面的影响。 2 1 目前分布式发电的主要形式 当今的分布式发电可利用多种发电资源的发电形式【1 2 1 ，如天然气、氢气、 太阳能、风能等具有环境友好特性的能源。为了降低发电成本并提高对能源的利 用效率往往采取冷热电三联产( 供) ( c o m b i n e dc o o l i n gh e a ta n dp o w e r ，c c h p ) 、 液体或气体燃料的内燃机( i c ) 、微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e s ) 和各种工程用 的燃料电池( f u e lc e l l ) 。因其具有良好的环保性能，使这种发电技术得到广泛 关注，并在某些方面的发展取得较大的进展( 燃气轮机，微燃机发电等) 。由于 分布式发电在效率、能源多样化、环保、节能等多方面的优越性，使其与“小机 组”已不是同一概念。 2 1 1 太阳能光伏电池发电 太阳能光伏电池( p h o t o v o l t a i cc e l l ，p v c ) ，利用半导体材料的光电效应直 接将太阳能转化为电能。光伏电池发电系统是一种资本集中、可再生的发电设备， 运行成本低，不产生热量且规模小。这些特点使得光伏电池发电系统适合家用及 电网电价最高的小规模商用。该系统白天将发电的盈余倒送电网，晚间用户从电 网取电。由于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，使得其应用越来越广泛。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。 光伏电池的模型可以看作一个由电流源、一个非线性阻抗和负荷电阻所组成 的系统，它的简化模型如图2 1 所示【1 3 】【14 1 。此模型是基于以下两方面假设而得出 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 燃料电池内部串联电阻很小，忽略不计； ( 2 ) 内部并联电阻很大，同样忽略不计。 i l p v 图2 1 光伏电池等效电路 利用基尔霍夫定律，光伏发电的负荷电流可以表示5 b 式2 1 ： 护k 矿飞尸y h 争 _ f 泣， 各参数释义如下：其中屯p 提光伏发电的负荷电流；砖p 提光伏发电的输出 电流；o 尸y 为饱和电流；矿为负荷两端电压降落：尼为波尔茨曼( b o l t z m a n n ) 常数；堤开氏温度。 2 1 2 冷热电联产发电 传统发电技术利用燃料发电浪费严重【1 4 】，大量的能量被浪费并释放到环境 中。因此，利用总能系统替代传统的电力系统，可有效利用热机排往环境的热量， 产生蒸汽、热水或用于制冷、通风、除湿以及实现一些其它功能，这种系统被称 为冷热电联产系统( t h ec o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e rs y s t e m ，c c h p ) ， 有时也简称为热电联产系统( c h p ) 。 由于对输入燃料的热电联产有两种情况：一种以发电为主，采用大容量机组， 只有少部分余热得到利用，电力进入高压输电网分配，这种热电联产应归于集中 式发电，可以统一调度；另一种是以热定电，在满足一定热负荷需求的前提下， 8 山东大学硕士学位论文 - - i_ _ mi 尽量建设小型供热机组，电力由用户自身消化，或在当地配电网区域内消化，这 种发电形式就属于典型的分布式发电，在这种情况下，微型燃气轮机的各种输出 必须满足热量的需要，并且它的功率变化有一定的时限，即功率变化速度有一定 的限制，如( 2 2 ) ，( 2 3 ) 式所示： 虬。l 曲p o u t 乞m 缸 ( 2 2 ) 皈f 蝇u l , m i , 枷口 ( 2 3 ) 其中叱泖，是功率的变化量，必酣朋肋打是功率变化量的限制。 由于热电联产既供热，又发电，作为一种特殊的电源点，厂址选择由热力需 求的地点决定，这种热电联产应归于分布式发电。工业热电联产受热负荷限制， 机组发电容量较小，一般满足企业自身电力需求，是一种重要的分布式发电方式。 作为能源集成系统( i n t e g r a t e de n e r g ys y s t e m s ) ，冷热电联产系统按照功能 可分成三个子系统：动力系统( 发电) 、供热系统( 供暖、热水、通风等) 和制 冷系统( 制冷、除湿等) 。动力系统处于联产系统的顶端，通常根据动力系统确 定联产系统所采用的技术。联供技术的采用取决于许多因素，包括：电负荷大小， 负荷的变化情况、空间的要求、冷热需求的种类及数量、对排放的要求、采用的 燃料、经济性和并网情况【15 1 。 针对不同的用户需求，冷热电联产系统方案的可选择范围很大，与热、电联 产技术有关的选择有蒸汽轮机驱动的外燃烧式和燃气轮机驱动的内燃烧式方案， 与制冷方式有关的选择有压缩式、吸收式或其它热驱动的制冷方式。典型冷热电 三联产系统一般包括：动力系统和发电机( 供电) 、余热回收装置( 供热) 、制冷 系统( 供冷) 等。另外，供热、供冷、热源还有直接和间接方式之分。 在中国，目前工业领域的热电联产总装机容量约2 0 0 0 万k w ，预计n 2 0 l o 年 可达n s o o o 万k w ，至f j 2 0 2 0 年可达到l 亿k w 。中国能源供应条件和环境约束决定 了城市建筑物应用的分散式热电联产主要就是天然气热电联产。城市建筑物( 包 括公益事业单位、学校、宾馆、医院、饭店、住宅区等) 往往需要热、电、燃料 等多种能源供应，可以利用单一的燃料输入( 例如管道天然气) 满足多种终端能 源产品需求，构成独立的供能系统，典型的就是冷热电联供，其电力生产方式也 是典型的分布式发电。中国大城市正在积极建设天然气管网基础设施，天然气将 主要用于炊事、供热和发电燃料，用户可利用现有的天然气供应条件建设自用的 9 山东大学硕士学位论文 热电冷) 联产装置，提高天然气的利用效率。 2 1 3 风力发电 风能是一种清洁环保、储量丰富、可再生的能源，主要的利用形式有风力发 电、风力提水、风帆助航等。风力发电是目前风能应用最广泛和最重要的形式1 7 1 ， 由于风力发电利用的是洁净可再生的风能，而风力电机发电技术实现简单，技术 成熟，而且建设周期短。可以解决海岛、偏远山区等地形复杂条件下的供电需求， 是一种发展前景广阔的分布式供能形式，在全球范围内正迅速地发展起来。 风力发电主要包括以下三种方式【1 8 】： 第一种是独立运行，即离网式风力发电，这种类型的风电一般为小型用户( 家 庭用户) 使用。 第二种是风力发电与其它发电方式相结合，如风光互补发电等，主要作为电 网的虚拟延伸，为海上导航及远距离通信使用。 第三种是风力并网发电，是指将多台并网型风力发电机组安装在风力资源较 好的场地( 风场) ，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电的一种方 式，这是目前世界上大规模利用风能的有效方式。 2 2 分布式发电对电力系统的影响 目前全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单 一供电系统。分布式发电接入配电网后，辐射式的网络将变为遍布电源和用户 互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。分布式发电之所以 对电力系统可以带来深远的影响，从最根本上讲是其接入使得配电网中各支路 的潮流可能不再是单方向流动，从而改变了传统电力系统的运行模式，并由此 产生诸多研究领域。除此之外，各种形式的分布式发电技术本身还有待进一步 地研究和完善，比如从分布式发电与传统电网连接的角度看，必须针对含有分 布式电源的电网规划与运行方式、继电保护、安全性与稳定性、对控制中心的 影响等一系列问题进行深入的研究。 虽然全世界绝大部分的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当 今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身 1 0 山东大学硕士学位论文 的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都 会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造 成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生。而且这种大电网又极易受到战争 或恐怖势力的破坏，或者受到恶劣自然灾害的影响，严重时将危害国家的安全 和正常生活和生产建设，如2 0 0 8 年初中国南方大范围的冰冻雪灾天气，就对电 力系统的安全稳定运行构成了新的挑战，而各种分布式电源的临时投入，也为 取得抗灾抢险斗争的胜利起到了关键作用。 分布式发电虽然主要发生在配电网，但它对整个电力系统的影响都将是巨 大而深远的。从发电经济性层面看，集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化， 从而使得为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大，经济效益也非常低。根据西方 国家的经验我们可以看出：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资， 降低能耗，提高系统安全性和灵活性的有效方法。对发电、输电系统的影响在 于对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少：一方面，新增负荷相当 大的部分将由分布式发电来满足；另一方面，由于分布式发电的削峰填谷、平 衡负荷的作用，现有发输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为 满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必要。 总之，对整个电力行业而言，分布式发电对传统电力公司将带来前所未有 的机遇和挑战，分布式发电的普及也将对电力市场未来的走向和最后格局产生 深远的影响。一方面，电力公司和用户之间将形成新型的关系。用户可以从电 力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司有 偿提供削峰、紧急功率支持等服务；另一方面，分布式发电也为其他行业( 如 天然气公司) 进入电力市场打开了方便之门，整个电力市场的竞争将更加激烈。 2 2 1分布式发电对系统安全和可靠性的影响 分布式电源可作为备用电源为要求不问断供电的用户提供电能，在峰谷电 压的情况下，该措施可保障电力的可靠性，并减少电费支出。同时，分布式发 电装置在与大电网进行接入和断开的时候具有较大的自主性，因此在大电网发 生故障时，用户可通过启动或断开装置，使分布式发电装置和电网断开。 分布式发电可以与现有电力系统结合，形成一个高效、灵活的电力系统， 山东大学硕士学位论文 从而提高整个社会的能源利用效率，提高供电的稳定性、可靠性和电能质量。 重负荷中心引入分布式电源可以减少进线的实际输送功率，从而提高稳定性。 1 9 8 6 年5 月2 0 日，英格兰某地区的6 条4 0 0 k v 线路因雷击而断开，由于在5 分钟内在负荷区投入了i g w 的燃气轮机发电容量，从而防止了一次重大电压失 稳事故的发生。另外，可靠的分布式发电单元和储能装置的结合也是解决诸如 电压脉冲、浪涌、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效途径之 o d g 可能会对电力系统可靠性产生不利的影响，如大系统停电时有些d g 的 燃料会中断，或供给d g 辅机的电源会失去，d g 也会随之停运，仍无法提高供 电的可靠性；d g 与配电网的继电保护配合不好的话，可能使继电保护误动作， 反而降低系统的可靠性。 分布式发电对联合电力系统稳定性的影响主要取决于功率水平和发电方 式。由于分布式发电与传统大电网进行并联运行的方式有不同的选择，而且大 量电力电子设备和电容、电感的引入，将改变传统电力系统的网络拓扑，从而 影响潮流的分布，给联合电网的稳定性带来了不确定性。外界干扰可能导致联 合电网频率和电压不同步，从而拖垮整个系统，影响整个电网运行。 2 2 2 分布式发电对继电保护的影响 随着大量d g 装置参与电网供电，在新的电力市场格局下，电价将决定各个 电厂的投切。当电网电价高时，用户侧分布式电源投入发电：当电网电价低时， d g 装置的用户将从电网购入电能。因此，在分布式电源频繁投切和线路潮流方 向频繁改变的情况下，如何对配点网络继电保护装置进行整定和协调，将是一 个非常重要的研究课题。 大多数配电系统尤其是在农村，其结构呈放射状，采用这种结构的主要目 的是为了运行的简易性和过电流保护的经济性，当配电网中接入了分布式电源 之后，放射状网络将变成遍布电源和用户的互联网络，潮流也不再单向地从变 电站母线流向各负荷，因此，分布式发电将对配电网原有的继电保护产生较大 的影响【1 9 】： ( 1 ) 对上游线路保护动作延时的影响。解决的途径可以选择灵敏度较高 1 2 山东大学硕士学位论文 的过流保护曲线或适当修改反时限过流动作曲线的形状。修改保护动作定值或 动作曲线要在满足系统运行要求的前提下进行，否则容易导致误动作。 ( 2 ) d g 运行时可能会引起继电保护的失效。d g 产生的故障电流可能会 减小流过馈线继电器的电流，从而使继电保护失效。 ( 3 ) d g 接入配电网后可能会使继电保护误动作。相邻馈线的故障有可能 会使原本没有故障的馈线跳闸。 ( 4 ) 改变了配电网的故障水平。故障水平提高还是降低取决于运行的分 布式电源数量和种类，故障水平的提高要求开关设备的升级，故障水平的降低 可能会给过电流保护带来问题。因此，若某配电区域的分布式电源容量很大， 而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高其断路器的容量和升级保护装置。 2 2 3 分布式发电对电能质量的影响 分布式发电是建立在电力电子技术基础之上的，大量的电力电子转换器增 加了大量的非线性负载，将会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的 谐波污染，分布式发电对电能质量主要有两个方面的影响： ( 1 )电压闪变。分布式发电引起电压闪变的因素包括：某个大型分布式 单元的启动、分布式发电单元输出的短时剧变以及分布式发电单元与系统中电 压反馈控制设备相互作用而带来的不利影响。 ( 2 )引入大量谐波。由于大量电力电子器件应用于分布式发电，所以不 可避免地给系统带来大量谐波，谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器的 工作模式的影响。 虽然分布式发电的引入会造成电压闪变，并引入大量谐波，但是分布式发 电也存在改善电能质量的潜力，当电网关联负载较大时，分布式发电可以快速 投入使用，使系统尽可能减少故障，提高整个电网的稳定性，从而保证了电能 质量。 2 2 4 分布式发电对网损的影晌 随着我国电力装机容量的增加，供电紧张局面有所缓解，但电网建设的速 度明显滞后，网损问题日益突出，因此，必须采取措施降低电网损耗，优化电 网结构，实现经济运行。 1 3 山东大学硕士学位论文 网损不但与负载因素有关，同时还与系统连接的d o 的具体位置和容量大小 以及网络拓扑结构密切相关。因为分布式电源的接入使得配电网中各支路的潮 流不再是单方向流动，这现象的出现将引起系统网损发生变化，分布式发电 也可增大也可减小系统损耗【2 l 】。 文献 2 2 提出的两种网损分配方案( l o s s a l l o c a t i o ns c h e m e s ) 临界损耗系数 法( m a r g i n a ll o s sc o e f f i c i e n t ) 和直接损耗系数法( d i r e c tl o s sc o e f f i c i e n t ) ，弥 补了传统置换法( s u b s t i t u t i o nm e t h o d ) 的不足。对于d g 在m v 级电网资源优 化配置的问题，文 2 3 1 采用遗传算法分别解决了系统网损最小、电网改造升级投 资最少和发电机耗费( 燃料、维修等) 最省的问题。 文献 2 4 针对感应式电机在配电网中常见的应用模式进行了分析，分析表 明，感应式电机对配电网和网损都有影响。发电容量的大小及安装位置将影响 线路的参数，电压下降与线路参数有关。通过修正功率因数可以改善由感应式 电机所造成的对配网网损和电压造成不利影响。 2 3本章小结 分布式发电引入后对电力系统产生了各方面的影响，研究和分析相关影响， 对下一步发挥分布式电源的各种有利的效能并使其不利的效能降至最低有着重 要的意义。研究各种不同的分布式电源形式，有助于因地制宜地讲其引入当地 的电力系统。找到合乎经济效益的分布式发电方式是下一步研究的一个方向。 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章计及分布式发电的配电网规划 本章主要介绍计及分布式发电规划的内容和一般步骤，并对目前国内外计 及分布式发电的配电网规划研究现状作了简单的阐述。 3 1引言 分布式发电的引入导致配电网的结构根本性变化加剧了其对配电系统的影 响。这些根本性的变化表现