分布式發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)研究綜述

1、分布式發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)研究綜述法曉（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，143085210509）ABSTRACT: Distributed generation investment, flexible generating method, and environmental compatibility and large power grid increasingly join to, have brought about great changes in modern power system operation and cont

2、rol. It can not only meet the specific requirements o and users, such as peak; also can reliability status of distributed generation in the research of power system, and discusses the future research direction of distrib

3、uted generationKEY WORDS: Distributed generation; distribution network; stability control; relay protection; power quality; power market; stochastic optimal control; power system摘要分布式發(fā)電以其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)與大電網(wǎng)日益聯(lián)合運(yùn)行， 給現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制帶來(lái)巨大的變化。它既可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求，如削峰；又可以提供傳統(tǒng)的電

4、力系統(tǒng)無(wú)可比擬的可靠性和和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究分布式發(fā)電具有重要的理論意義和重大的應(yīng)用價(jià)值。文章簡(jiǎn)要介紹了新型分布式發(fā)電技術(shù)，綜述了分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀， 并探討了分布式發(fā)電的未來(lái)研究方向關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；穩(wěn)定控制；繼電保護(hù)；電能 質(zhì)量；電力市場(chǎng)；隨機(jī)最優(yōu)控制；電力系統(tǒng)1 引言20實(shí)際80年代末，美國(guó)以及歐洲紛紛開始分布式發(fā)電，全球供電模式開始由集中供電轉(zhuǎn)向分布式供電，根據(jù)國(guó)際供電會(huì)議組織（CIRED）于1999年發(fā)布的分布式發(fā)電調(diào)研報(bào)告，當(dāng)時(shí)丹麥，荷蘭兩分布式發(fā)電裝機(jī)容量占到了總裝機(jī)容量的28%，波蘭，比利時(shí)，英國(guó)，西班牙等國(guó)分布式發(fā)電的比重都在8%以上。2000年全球

5、新增的裝機(jī)容量中，分布式發(fā)電的比例占到了10%以上；分布式發(fā)電具有投資少，占地少，建設(shè)周期短，環(huán)保，節(jié)能等特點(diǎn)，對(duì)于高峰期電力負(fù)荷比集中供電更加經(jīng)濟(jì)，有效，分布式供電可作為我國(guó)集中式供電的有益補(bǔ)充，作為備用電源分布式發(fā)電可為高峰負(fù)荷提供電力。提高供電的可靠性，為本地節(jié)省建設(shè)投資，促進(jìn)電力能源可持續(xù)發(fā)展。分布式發(fā)電的應(yīng)用與能源，技術(shù)發(fā)展，環(huán)保和電力市場(chǎng)放開等都有關(guān)系，其并網(wǎng)應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析，控制與保護(hù)影響深遠(yuǎn)，進(jìn)一步可能引發(fā)電力市場(chǎng)電價(jià)及用戶側(cè)管理方面的變革。本文在簡(jiǎn)要介紹分布式發(fā)電電源及其并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，主要介紹分布式電源的特點(diǎn)，最新的發(fā)展成果及研究成果。 含分布式電源的系

6、統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)及其最優(yōu)化，含分布式電源的系統(tǒng)分析，運(yùn)行與控制，緊急控制與繼電保護(hù)等方面。2 分布式發(fā)電技術(shù)2.1 分布式電源分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電 分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內(nèi)燃機(jī)（Internal Combustion Engines） 、微型燃?xì)廨啓C(jī)（ Micro-turbines） 、燃料電池（Fuel Cell） 、可再生能源如太陽(yáng)能發(fā)電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風(fēng)力發(fā)電等22 微型燃?xì)廨?/p>

7、機(jī)技術(shù) 微型燃?xì)廨啓C(jī)是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機(jī)。其發(fā)電效率可達(dá) 30%，如實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到 75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電電源。23 燃料電池技術(shù)燃料電池的工作原理是富含氫的燃料（如天然氣、甲醇）與空氣中的氧氣結(jié)合生成水，氫氧離子的定向移動(dòng)在外電路形成電流，類似于電解水的逆過程。它并不燃燒燃料，而是通過電化學(xué)的過程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。通常，燃料電池發(fā)電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應(yīng)堆部分、電力電子換流控制部分。目前已研究開發(fā)了五種燃料電池：聚合電解質(zhì)膜電

8、池（PEM） 、堿性燃料電池（AFC） 、磷酸型燃料電池（PAFC） 、固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC） ，其中 PAFC 是目前技術(shù)成熟且已商業(yè)化的燃料電池。燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點(diǎn)：其副產(chǎn)品是熱水和少量的二氧化碳，通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率的 2倍；排廢量小（幾乎為零） 、清潔無(wú)污染、噪音低；安裝周期短、安裝位置靈活，可以省去配電系統(tǒng)的建設(shè)。2.4 光伏電池技術(shù)光伏電池是將可再生的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電裝置。國(guó)外開發(fā)的屋頂式光伏電池發(fā)電技術(shù)已得到廣泛的關(guān)注。德國(guó)最著名的 2000 戶屋頂工程 （2000

9、 Roof Project） ， 超過 2000 戶家庭安裝了屋頂式光伏發(fā)電裝置，平均每個(gè)分布式發(fā)電單元發(fā)電量達(dá) 3kW。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術(shù)條件的限制， 如投資成本高、 系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性等。但由于它利用的是可再生的太陽(yáng)能，因此其前景依然被看好。2.5 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換角度分成兩部分：風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)速作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯(lián)軸器再與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián)，從而發(fā)電運(yùn)行。它最有希望的應(yīng)用前景是用于無(wú)電網(wǎng)的地區(qū)，為邊遠(yuǎn)的農(nóng)村、牧區(qū)和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸

10、接近清潔煤發(fā)電。3 分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀3.1穩(wěn)定性分析 總結(jié)了 DGS 影響配電網(wǎng)電壓控制的幾點(diǎn)因素：現(xiàn)有的自動(dòng)電壓控制器（Automatic Voltage Control，AVC）通過控制無(wú)源配電網(wǎng)（幾乎沒有發(fā)電機(jī)存在）電壓幅值的大小而工作的；DGS 位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離主變電站，在主變電站實(shí)現(xiàn)電壓控制較困難；如變電站到發(fā)電機(jī)之間的線路阻抗大、負(fù)荷密度低，電壓控制甚至不能實(shí)現(xiàn)；如果接于饋電線的 DGS 容量額定值大于饋電回路的總負(fù)荷量，通過降壓變壓器的潮流將反向，致使變壓器低壓側(cè)成為電源；DGS 的類型（同步機(jī)、異步機(jī)）及運(yùn)行條件影響電壓控制。通過負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)電壓控制的理論

11、。與現(xiàn)有三種電壓控制方式（即減小線路阻抗、在關(guān)鍵時(shí)刻限制發(fā)電機(jī)出力、 功率因子控制（PFC） ）比較分析發(fā)現(xiàn)，新建立的控制方式經(jīng)濟(jì)性好、靈活性強(qiáng)，能動(dòng)態(tài)跟蹤電壓波動(dòng)。且負(fù)荷控制理論為配電網(wǎng)朝著監(jiān)控智能化、自動(dòng)化、靈活化方向的發(fā)展注入更多的新內(nèi)容。基于分布式發(fā)電穩(wěn)定性建模的研究方法將 DGS 視為備用電源、削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用三個(gè)模塊。在輻射狀電網(wǎng)中，通過機(jī)械或電力電子轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn) DGS 作為備用電源投入， 削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用模塊則視為“負(fù)”負(fù)荷。在網(wǎng)狀配電網(wǎng)中，為適應(yīng)基于輻射狀網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析算法，將恒壓源代替 DGS，并在機(jī)組的出口處安裝斷路器。以一個(gè) 11kV 的輻射狀配電網(wǎng)為算例， 分別

12、改變 DGS 及故障點(diǎn)位置，仿真計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障（單相接地、兩相短路、兩相短路接地）時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、 定子電流和轉(zhuǎn)子角度 （DGS 的轉(zhuǎn)子相對(duì)于無(wú)窮大母線的角度） 。仿真計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，故障點(diǎn)距離 DGS 越遠(yuǎn)、故障臨界切除時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)越穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)子角度達(dá)到150°后，系統(tǒng)的瞬時(shí)穩(wěn)定性能變差。風(fēng)電場(chǎng)由于其空間的分散性和隨機(jī)性不可調(diào)，并網(wǎng)運(yùn)行方式下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性下降 考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量與配電網(wǎng)短路容量（短路電流有效值與短路處的正常工作電壓的乘積）的比值對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響，該比值較高的電網(wǎng)在有利的運(yùn)行條件下能成功地調(diào)節(jié)電壓，而電壓穩(wěn)定特性可能又

13、是限制該比值繼續(xù)增加的重要因素。介紹風(fēng)電場(chǎng)接入一弱農(nóng)場(chǎng)電網(wǎng)的實(shí)例，指出低短路容量和高 R/X（聯(lián)絡(luò)線阻抗Z=R+jX）比值將使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生較大的變化。指出風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后將影響有載調(diào)壓變壓器的 AVC 的正確動(dòng)作，影響程度主要取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的大小、機(jī)端補(bǔ)償電容器組投切規(guī)則和并網(wǎng)點(diǎn)位置。提出了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口處或風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處安裝無(wú)功補(bǔ)償電容器，不僅有助于 AVC 維持電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，還有助于降低網(wǎng)損。借助于電力系統(tǒng)計(jì)算軟件包（ERACS）進(jìn)行的仿真計(jì)算表明，在保持電壓穩(wěn)定、減少線路能量損耗和改善電網(wǎng)系統(tǒng)頻率特性方面，分布式發(fā)電與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)變壓器的分接頭的方式相比，前者在技術(shù)上更

14、有效、更實(shí)用。3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)后，輻射式的網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐槐椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負(fù)荷。配電網(wǎng)的根本性的變化使得電網(wǎng)各種保護(hù)定值與機(jī)理發(fā)生了深刻變化。提出，故障發(fā)生時(shí)為確保保護(hù)裝置正確動(dòng)作，應(yīng)切斷電網(wǎng)中的 DGS。從而引發(fā)以下問題：過電流故障的切除與 DGS 的切斷在時(shí)限上的配合；自動(dòng)重合閘開斷時(shí)間間隔內(nèi)，確保 DGS 快速切斷；在架空線和地下電纜的混合線路中切斷DGS，變壓器空載運(yùn)行，電纜對(duì)地電容與變壓器側(cè)的線圈發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生不規(guī)則的高電壓大電流嚴(yán)重威脅線路的電力器件。借助于電磁暫態(tài)計(jì)算程序 （EMTP） 仿真分析了分布式同步電

15、機(jī)（SG）和感應(yīng)電機(jī)（IG）在配電網(wǎng)中對(duì)保護(hù)定值的影響。仿真結(jié)果表明，DGS的聯(lián)網(wǎng)影響了故障切除時(shí)間，SG 的臨界切除時(shí)間雖然大于 IG 的，但兩者的臨界切除時(shí)間低于配電網(wǎng)沒有 DGS 時(shí)的故障切除時(shí)間。詳細(xì)討論了保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲、保險(xiǎn)絲自動(dòng)重合閘、繼電器繼電器三類保護(hù)裝置的配合問題，配合的協(xié)調(diào)性取決于 DGS 的容量及其位置的分布。DGS 與主電網(wǎng)的失步（Loss of Main，LOM）會(huì)導(dǎo)致 DGS 過負(fù)荷，頻率和輸出電壓下降，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量比較幾種失步檢測(cè)技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了以微處理器為基礎(chǔ)，通過測(cè)量 DGS 的輸出功率的監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的方法。設(shè)計(jì)了一種基于頻率變化率的數(shù)字式D

16、GS 繼電保護(hù)裝置， 通過改善靈敏度和時(shí)間響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn) DGS 與主電網(wǎng)的失步保護(hù)。這種基于數(shù)字的綜合保護(hù)包，能智能地組織、協(xié)調(diào)內(nèi)部各種邏輯組件的功能，實(shí)現(xiàn)過/低電壓保護(hù)、過/低頻保護(hù)、中性點(diǎn)電壓偏移保護(hù)以及識(shí)別 DGS 是否處于孤島（Island）狀態(tài)。DGS 失去接地（Loss Of Earth）保護(hù)是配電網(wǎng)一個(gè)潛在的危險(xiǎn)，介紹了一種檢測(cè) DGS 接地的新技術(shù)，它利用發(fā)電機(jī)的寄生阻抗來(lái)判斷 DGS是否接地。該技術(shù)為運(yùn)行時(shí)未正確接地的 DGS 提供了可靠、靈敏、快速的保護(hù)。4 分布式發(fā)電的未來(lái)影響 分布式發(fā)電作為國(guó)際上電力系統(tǒng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，其研究的重點(diǎn)集中在分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響

17、。有鑒于此，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)分布式發(fā)電今后的研究方向做了闡述：（1）現(xiàn)有分布發(fā)電技術(shù)的完善和新型技術(shù)的研發(fā)，如開發(fā)新的電解質(zhì)材料和催化劑，提高燃料電池的性能、使用壽命、性能價(jià)格比等。（2）采用新的算法（如遺傳算法等）建立分布式發(fā)電的等值模型，研究分布式發(fā)電的極限功率及其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，研究分布式電源故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響及相應(yīng)的控制策略。（3）通過負(fù)荷灰色預(yù)測(cè)技術(shù)、專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)及小波分析預(yù)測(cè)技術(shù)建立精確的隨機(jī)性負(fù)荷模型，從而建立分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)。（4）以分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，從隨機(jī)最優(yōu)控制原理出發(fā)，結(jié)合智能控制（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法）及現(xiàn)代控制理論，建立分布式發(fā)電的自動(dòng)發(fā)電的隨機(jī)最優(yōu)控制模型及電壓、頻率隨機(jī)自適應(yīng)控制模型。（5）基于全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、靈活跟蹤和調(diào)度控制。（6）建立新型電力公司與用戶的關(guān)系體系，妥善研究和制定與分布式發(fā)電有關(guān)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范，研究分布式發(fā)電對(duì)電力市場(chǎng)的影響5 結(jié)論本文