《供配电技术》课件项目八 分布式发电与智能电网

学习目标了解分布式电源和分布式发电的概念了解常见的分布式电源和储能方式掌握分布式发电的特点和应用了解发展分布式发电的意义了解智能电网的概念了解智能电网的主要新技术了解智能电网能解决的问题任务一分布式发电及应用现状一、分布式能源系统的内涵和特点随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的运行难度也不断加大，投入成本高，运行效率低等弊端也日益凸显。目前，大电网与分布式电源相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是电力工业的发展方向。（一）

分布式发电的概念和特点根据国家发展改革委2013年发布的《分布式发电管理暂行办法》，分布式发电是指靠近用电现场，运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网，在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施。技术类型上，分布式发电技术种类较多，主要包括天然气多联供、工业余热余压、煤矿瓦斯等资源综合利用发电、生物质发电(含垃圾发电)、小水电、太阳能发电(含光伏及光热)、风力发电等。任务一分布式发电及应用现状一、分布式能源系统的内涵和特点（一）

分布式发电的概念和特点与远离负荷中心依靠远距离输配的传统电源相比，分布式发电具有如下特点：（1）建设容易，投资少。单机容量和发电规模都不大，不需要建设大电厂和变电站、配电站，土建和安装成本低，工期短，投资少。

（2）靠近用户，输配电简单，损耗小。靠近电力用户，一般可直接就近向负荷供电，而不需要长距离的高压输电线，输配电损耗小，建设简单廉价。

（3）污染少，环境相容性好。可充分利用可再生清洁能源。（4）能源利用效率高。可结合冷热电联产，将发电的废热回收用于供热和制冷，科学合理地实现能源的梯级利用。

（5）运行灵活，安全可靠性有保障。小机组的启动和停运快速，灵活。可作为备用电源。（6）联网运行，有提供辅助性服务的能力。夏季和冬季用电高峰期，冷热电联供可满足季节供热或制冷需要，并节省电力，从而减轻供电压力。实际应用中，不同类型的分布式发电以较高密度接入电网，可以在能源利用效率、节能减排和提高供电可靠性等方面体现明显优势，但也会使配电网成为有源化网络，对配电网运行提出更高要求。任务一分布式发电及应用现状（二）发展分布式发电的意义(1)经济性

(2)环保性

(3)能源利用的多样性分布式发电可利用多种能源，如清洁能源(天然气)、新能源(氢)和可再生能源(风能和太阳能等)，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。

(4)调峰作用(5)安全性和可靠性高当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性。(6)优化电力市场分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电，发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制。

(7)解决边远地区的供电问题我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系统不失为一种优选的方法。一、分布式能源系统的内涵和特点任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统分布式发电系统通常包括能量转换装置(即分布式电源)及控制系统,并通过电气接口与外部电网相连,如图8-1所示。图8-1分布式发电系统的组成分布式电源主要有太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机、生物质能发电、垃圾发电、氢能发电、小水电等。分布式电源的种类众多，导致电源系统动态特性差异很大，而动态特性的差异不仅仅体现在电源本身，除了少数直接并网的分布式电源外，其他大多通过电力电子装置并网。因此，分布式发电系统的动态特性还包括电力电子变流器及其控制系统的特性。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统为了电网安全稳定和经济可靠运行，新能源发电应具有适应电网不同工况的能力，能够根据电网运行条件的变化自动调整运行状态，满足智能电网对新能源并网提出的可测、可控、可调的要求，具体要求如下。（1）能够按照电网调度机构的启动指令发电。（2）能够按照电网调度机构的停机指令或发生电气故障时自动停机。（3）应具有有功功率调节能力，并能根据电网调度机构指令控制有功功率输出。（4）应具有无功调节能力，参与电网电压调节。（5）风电场、光伏电站等新能源电站应具备一定的低电压穿越能力。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统1.风力发电及风电机组并网特性风力发电机组是将风能转化为电能的设备，其特点之一就是出力受风速波动影响比较大。风电行业经过近十几年的高速发展在并网问题上的解决方案已得到成熟的应用。

（1）

所有的风电机组都具备低电压穿越（LVRT）功能，即在电网电压跌落2s以内，机组可以保持不脱网，在此期间还要向电网发无功，支持电压的快速回升。（2）大规模并网的风电场都要求安装直接可以接受电网调度指令的能量管理平台，电网公司可以根据电网电量供求状况直接控制风电场的输出。（3）所有风电场都要安装功率预测系统，实时向电网公司发送未来半个小时内，24小时内预测的风电场可以达到的最大出力。这使得风电机组的电网友好性大大增强。目前，我国大规模集中式并网的风电机组有两类，一种是双馈式发电机的风电机组，一种是永磁或电励磁发电机的风电机组。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统1.风力发电及风电机组并网特性图8-2双馈式风电机组原理图图8-3永磁直驱式机组的原理图任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统

2. 光伏发电及并网特性光伏发电入网及控制原理如图8-4所示。系统主要由两个环节构成：第一个环节由光伏阵列、MPPT（最大功率跟踪点控制）控制器和DC/DC升压变化器构成，这一环节的功能是找到系统最大功率点；第二个环节由直流端电压控制器、DC/AC逆变器和电流控制器组成，这一环节的作用实现光伏发电系统的电网跟踪控制。目前，并网逆变器也都实现了低电压穿越功能。由此可见变流装置在光伏发电系统的并网环节起到了至关重要的作用。图8-4光伏发电并网原理及控制任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统3. 燃料电池发电燃料电池是一种新型的电化学反应装置，把化学能直接转化为电能。它打破了用燃料燃烧取其热量的传统发电模式，而以燃料通过电解质进行化学反应的方式，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、洁净的转化为电能。其能量转化方式为：化学能（燃料）→电能，与传统的火力发电相比，环节大大简化，效率提高。图8-5由燃料电池构成的发电系统任务一分布式发电及应用现状（一）分布式电源二、分布式电源及储能系统4. 微型燃气轮机微型燃气轮机是指功率为数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。微型燃气轮机的内部结构非常复杂，发电系统原理图如图8-7所示。发电机发出的高频交流电经过整流器和逆变器，即AC/DC/AC变换后，转为工频交流电供给负荷或并网。图8-7微型燃气轮机发电原理图微型燃气轮机满负荷运行时效率可以达到30%，而实行冷、热、电三联供，综合能源效率可以达到到70%～90%。发展基于微型燃气轮机的冷热电三联供，可以解决我国电力发展不均衡的问题。而且机组作为分布式发电并入电网，起停灵活，可以和分布式的风电配合使用，提高新能源在能源消费中的比例，改善能源消费结构，丹麦在这方面已经积累得了丰富的经验可以参考。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式发电中的储能系统二、分布式电源及储能系统1.储能系统在分布式系统中的作用：（1）平衡发电量和用电量。（2）充当备用或应急电源，某些分布式电源受自然条件影响而减少甚至不能供电时，储能系统就像备用电源，可临时维持供电。此外，基于系统安全性的考虑，分布式发电系统也可以保存一定数量的电能，用以应付突发事件。（3）改善分布式系统的可控性，储能系统可调节分布式系统与大电网的能量交换，将难以准确预测和控制的分布式电源，整合为能够按计划输出电能的系统，使其成为可以调度的发电单元，从而减轻对大电网的影响，提高大电网对分布式电源的接受程度。（4）提供辅助服务，通过功率波动的抑制和快速的能量吞吐，可明显改善分布式发电系统的电能质量。增强了分布式发电系统可控性，在用电高峰时分担负荷，在发生局部故障时提供紧急功率支持。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式发电中的储能系统二、分布式电源及储能系统1.电网中的储能技术大规模储能技术可分为机械储能（飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能）、电能直接存储（超级电容和超导电磁储能）、化学储能（氢和其他化学物质储能）和电化学储能（二次电池和液流电池）等４类。其中，电化学储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵活方便等优点，成为目前储能技术的发展方向。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式发电中的储能系统二、分布式电源及储能系统1.电网中的储能技术目前，铅酸电池和锂离子电池等多类电池已实现了大规模产业化，特别是高比能锂离子电池在电动汽车领域被认为具有较好的发展前景。然而，从面向电网大规模储能的角度来看，储能价格和电池寿命是电化学储能技术的关键参数。一般认为，储能投资成本低于250美元／kWh、储能寿命达15年（循环4000周期以上）、储能效率高于80%的电化学储能体系能满足大规模储能市场的要求。然而，现有电化学储能技术还不能在价格和性能上全面满足上述要求。因此，在进一步提高现有电化学储能装置性能、降低储能价格的基础上，发展下一代性能优异的电化学储能新体系显得尤为重要。任务一分布式发电及应用现状（一）分布式发电中的储能系统二、分布式电源及储能系统1.电网中的储能技术（1）铅酸蓄电池铅酸电池是指以铅及其氧化物为电极、硫酸溶液为电解液的一种二次电池，铅酸电池的储能成本低，可靠性好，效率较高（70％～90％），目前已经成为交通运输、国防、通信、电力等各个部门最为成熟和应用最为广泛的电源技术之一。但是铅酸电池的循环寿命短（500～1000周期），能量密度低（30～50（W·h）/kg），使用温度范围窄，充电速度慢，过充电容易放出气体，加之铅为重金属，对环境影响大，使其后期的应用和发展受到了很大的限制。（2）锂离子电池锂离子电池技术的发展始于Goodenough提出的LiｘCoO２等嵌锂材料，这种材料已沿用至今，其电化学能量存储取决于锂离子在正负极电极材料中的嵌入和脱嵌。20世纪90年代末，Padhi等人合成了一种磷酸铁锂（LiFePO４）的正极材料，首次从材料上降低了锂离子电池的价格，使得锂离子电池在大规模储能领域的应用成为可能。（3）其他电池随着技术的不断发展，近年来钠硫电池和液流钒电池的研究取得突破性进展。这两种电池具有高能量效率、无放电现象、使用寿命长等优良特性，在国外一些微电网研究系统中得到运用。但是，由于价格原因，在微电网中的大规模运用还有待时日。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响1.电网中的储能技术分布式供电系统一般由分布式电源、储能设备、分布式供电网络及控制中心和附近的用电负荷构成，如果与公共电网联网运行就还包括并网接口。（1）分布式发电系统的并网接口分布式发电与电网或负载互联的接口一般有三种：同步发电机、异步发电机、电力电子变流器。不管中间经过什么样的环流过程，最终分布式发电系统发出的电能都要变换成与电网电压同频率、同幅值、同相位的交流电后实现并网。为了减少并网装置在并网工作时产生的冲击，根据电力系统准同期并网的条件，并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下3个条件：1）并网逆变器输出电压和市电电压值接近相等，一般压差应在10%以内；2）并网逆变器输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.3Hz；

3）并网逆变器输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过20°。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响1.分布式发电系统的并网接口分布式供电系统一般由分布式电源、储能设备、分布式供电网络及控制中心和附近的用电负荷构成，如果与公共电网联网运行就还包括并网接口。（1）分布式发电系统的并网接口分布式发电与电网或负载互联的接口一般有三种：同步发电机、异步发电机、电力电子变流器。不管中间经过什么样的环流过程，最终分布式发电系统发出的电能都要变换成与电网电压同频率、同幅值、同相位的交流电后实现并网。为了减少并网装置在并网工作时产生的冲击，根据电力系统准同期并网的条件，并网逆变器在实现并网工作时应同时满足以下3个条件：1）并网逆变器输出电压和市电电压值接近相等，一般压差应在10%以内；2）并网逆变器输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.3Hz；

3）并网逆变器输出电压和市电电压同相，通常此相位差不宜超过20°。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响1.分布式发电系统的并网接口图8-8分布式电站产生与电网电压同步的正弦波的原理框图任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响1.分布式发电系统的并网接口图8-9并网逆变器逆变原理任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响2.微电网分布式发电系统的运行模式有两种：一种是独立运行，多用于大电网覆盖不到的边远地区、农牧区；另一种是联网运行，多用于电网中负荷快速增长的区域和某些重要的负荷区域，共同向负荷供电。联网运行将是分布式发电系统未来发展的主要方向。如果兼有两种运行模式那就是微电网。微电网简称微网，是由各种分布式电源/微电源、储能单元、负荷及监控、保护装置组成的集合；具有灵活的运行方式和可调度性，既能在并网运行也可以脱网自主运行，并能在两种模式下切换，通过控制装置之间的协调配合可以同时向用户提供电能和热能，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦，通常接在低压或中压配电网络中。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响2.微电网图8-10典型微电网的结构微网中一般包含光伏电池、微型燃气轮机、燃料电池和蓄电池等多种电源，每种电源的控制和并网方式不尽相同。微网中配备能量集中管理系统，连接并采集各微电源控制器数据，可统一解决微网的电压控制、潮流控制、保护控制等问题；微网通过主隔离器实现与主电网的并网和脱网控制。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响2.微电网微网运行的孤岛效应。孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修停电时，停电线路由所连接的并网发电系统继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。对孤岛效应的研究可以分为两种情况即反孤岛效应和利用孤岛效应。反孤岛效应是指禁止非计划孤岛效应的发生，由于这种供电状态是未知的，将造成一系列的不利影响，并且随着电网中分布式发电装置数量的增多，造成的危险性增大，传统的过/欠压、过/欠频保护已经不再满足安全供电的要求。利用孤岛效应是指按预先配置的控制策略，有计划的利用孤岛效应，具体指在因电网故障或维修而造成供电中断时，由分布式发电装置继续向周围负载供电，从而减小因停电带来的损失，提高供电质量和可靠性。孤岛效应的利用将作为未来研究的主要任务之一，这必须要求系统中的分布式发电装置能够将电压和频率维持在标准规定的范围内。任务一分布式发电及应用现状（二）分布式发电的运行二、分布式发电的运行及其对电网的影响2.微电网根据微网自身的特点和分布式发电的特点，微网的应用可以带来如下好处：（1）微电网将原本分布的微电源相互协调起来，加强了本地电网的可靠性，降低馈线损耗，保持本地电压，通过利用余热提高了能源的利用效率，保证电压降的修正或者提供不间断电源。（2）在微电网和主干网并联运行时，可以让微电网主要承担多余的峰荷，而主网只需满足基本负荷就可以，提高电网的运行效率。（3）微电网可以满足一片负荷聚集区的电力需求，这种聚集区可以是重要的办公区和厂区，或者是传统电力供电成本较高的远郊或居民区，相对传统电网，微电网的结构更加灵活。（4）由于微电网的电源多为可再生能源，因此可以减小环境污染，有利于社会的可持续发展。任务一分布式发电及应用现状（三）分布式电源的接入对电力系统的影响二、分布式发电的运行及其对电网的影响分布式电源的接入对电力系统的影响可总结为如下六个方面：（1）对电能质量的影响。由于分布式发电多由用户控制，用户根据需要会频繁地启动和停运，这会使配电网的线路负荷潮流变化加大，使电压调整的难度更大，同时不同的分布式发电运行方式易发生电压闪变，产生不平衡电压，造成谐波污染等。（2）对继电保护的影响。将导致继电器的保护区缩小，造成保护误动，可能使重合闸动作不成功。（3）对配电网可靠性的影响。分布式发电的安装地点、容量和连接方式不当，或与继电保护的配合不好会造成供电可靠性降低；但分布式发电也可以增加配电网的输电裕度，缓解电压暂降，提高系统的可靠性。（4）对配电系统实时监视、控制和调度方面的影响。分布式发电的接入使信息采集、开关设备操作、能源调度等过程复杂化，需要依据分布式发电并网规程重新审定，并通过并网协议最终确定。任务一分布式发电及应用现状（三）分布式电源的接入对电力系统的影响二、分布式发电的运行及其对电网的影响分布式电源的接入对电力系统的影响可总结为如下六个方面：（5）孤岛运行问题。配电网并网断路器断开后，分布式发电的继电器不能迅速作出反应，仍然向部分馈线供电，会造成系统或人员安全方面的损害。同样当配电网重合闸时，孤岛运行的分布式发电会由于异步重合造成发电设备损坏。因此分布式发电和配电网的运行控制策略需要重新调整。（6）其他方面影响。大量分布式发电接入会在短路电流超标、铁磁谐振、变压器接地、配电网效益等方面产生一些影响。发展分布式发电的意义？你能回答吗？储能系统在分布式发电中的作用是什么，分布式发电系统中的化学储能设备的关键参数是什么？问题与思考分布式电源的并网逆变器，在实现并网操作时要满足什么样的技术条件？任务二智能电网一、智能电网的概念智能电网是以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础)，将现代先进的传感测量技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。二、智能电网要解决的问题1．精确供能——供用电双方互动，电网透明化，提高能源需求侧的节能效率。2．需求侧管理——提高终端响应能力。3.电网自由接入——通过供需互动解决分布式能源及可再生能源和资源综合利用设施的电力并网。4.自我管理，保障安全和可靠——通过全系统电源互助和需求响应解决供电安全。5.分散蓄能——为蓄电式交通工具和蓄电式农机的大规模使用提供优化控制平台。6.创新平台——为智能化电器和信息家电建立一个全面创新的技术环境。任务二智能电网三