基于改进粒子群算法的微网环保经济运行的优化

实现电网支撑、防震减灾、提高能效、节能降耗、促进分布式能源发展等方面起到重要作用，是未来智能电网一种新的组织形式，因此微网越来越受到各国学者的广泛关注，尤其微网运行中的环保和经济性问题正在不断得到重视和研究。 本文先从微网的环保经济性角度出发，设计了包含冷热电联供系统（ 互补联合发电系统的微网结构，包括微网总体结构和供能结构。并进一步提出微网经济运行优化的数学模型和控制策略，其中分为常规模型和概率模型。然后重点研究了粒子群优化算法，对标准粒子群算法、混沌粒子群算法和量子粒子群算法进行了设计、编程和测试。最后将基本粒子群算法和改进粒子群算法结合，用于微网并网和孤网不同模式下的环保经济优化，尤其探讨了在实时电价、自由竞争、功率双向流动的电力市场下的经济负荷分配问题，储能系统分别以交替充放电、备用放电、削峰填谷方式运行。各种算例验证了本文设计的各种粒子群优化算法和控制策略的正确性和可行性 ，对微网负荷经济分配具有一定的指导意义 。关键词：微网；环保经济运行；经济优化；经济负荷分配（经济调度）；粒子群优化算法；蓄电池储能im HP)m m K ： 论 网环保经济型结构设计 网环保经济运行的优化模型 网环保经济运行智能优化算法研究 于改进粒子群算法的算例分析 结与展望 章 绪 论1第一章绪论随着能源危机和环境污染的日益突出，以及传统集中式大电网的弊端日益凸显，伴随智能电网与分布式发电的快速发展，在本世纪初，世界各国的学者或机构陆续提 出了微型电网（简称微网）的各种概念1我们可以理解为：微网是通过本地分布式微型电源，向附近负荷提供电能和热能的小型分布式供电系统，它由微源（分布式电 源）、负荷、储能装置和电力电子控制保护设备等组成，可以独立运行（孤岛运行） 或者并网运行（联网运行）。世界各国已经积极开展了对微网的研究，它具有深厚的研究背景和广阔的发展前景。 界能源消耗日益明显、全球气候变化日趋严峻，环境污染也越来越严重了，这些问题已经上升为全球关注的重大问题。调整能源结构，发展低碳经济、提倡节能减排，充分开发利用可再生能源，走节能环保可持续发展道路势在必行。我国 政府也非常重视节能减排、发展清洁能源和可再生能源，坚持走绿色和谐可持续发展 之路。 “十二五 ”规划纲要6在第六篇绿色发展 建设资源节约型、环境友好型社会中鲜明指出，要积极应对全球气候变化，加强资源节约和管理，大力发展循环经济，加 大环境保护力度，促进生态保护和修复，并且明确提出了节能减排目标 6： “非化石能源占一次能源消费比重达到 单位国内生产总值能源消耗降低 16%，单位国内生产总值二氧化碳排放降低 17%。主要污染物排放总量显著减少，化学需氧量、二氧化硫排放分别减少 8%，氨氮、氮氧化物排放分别减少 10%。 ”在国家能源局组织制定的可再生能源发展 “十二五 ”规划中，可再生能源发展的总体目标是7：到 2015年，可再生能源年利用量达到 中商品化年利用量达到 4亿吨标准煤，在能源消费中的比重达到 上。 “十二五 ”期间，国家将组织 100个新能源示范城市、 200个绿色能源县、 30个新能源微网示范工程建设，创建可再生能源利用综合示范区。在这种国际大环境和国家政策的大力扶持下，节能、经济、环保、安全可靠的微网模式受到了极大提倡和发展。微网不仅可以充分利用清洁可再生能源，实现绿色环 保，还能实现能源梯级利用，大大提高资源利用率，同时还能提高供电可靠性，因此 越来越受到世界各国的青睐。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文2随着国民经济的飞速发展和电力需求的不断增长，集中式发电、远距离输电、大电网互联的电力系统在过去数十年来得到快速发展。然而，随着近年来世界气候灾害 的频发和世界某些国家大面积停电事故的发生，这种传统的集中式大电网的弊端显现 出来。比如 2003年的 “、 “、 “、 “等都是大电网中局部故障引发的恶性连锁反应，最终导致整个大电网的瓦解和大停电等重大事故。这些重大事故造成了巨大的经 济损失和社会影响，人们开始对电力系统的发展模式进行思考和另辟蹊径。分布式发 电技术8此提上了日程。我国 2008年 1月的 “南方雪灾 ”再次说明在发展集中式大大电网的同时，要注重在负荷中心建设足够的分布式电源，来进一步提高电力系统运 行的安全可靠 性 。分布式发电能源利用率高，污染少、环境相容性好，安装地点灵活，并且与集中式发电相比，靠近用户，节省输配电资源和运行费用，大大降低了输电损耗。同时， 它可以运行灵活，能够独立运行与并网运行，可以改善电网峰谷特性，提高供电可靠 性，是大电网的有力补充和有效支撑。分布式发电无疑是电力系统的发展模式的重要 趋势之一1然而，分布式发电发展过程中，也显现出其自身存在的问题 15。分布式电源具有间歇性、随机性、响应速度慢等特点，控制困难，并且单机接入成本高，并网后容易 引起电压波动与闪变等电能质量问题。限于目前配电系统的无源辐射状结构和潮流单向单路流动特征，分布式电源只能以负荷形式接入运行，发电量必须小于安装地用户 负荷，这就导致分布式发电受到了极大限制 。随着电力电子技术、通信技术、现代控制理论的发展，微网的概念得以提出，旨在解决大规模、多类型分布式电源的并网问题，最大限度地发挥分布式发电技术的优势。微网将额定功率较小的分布式发电单元、负荷、储能装置、控制装置整合到一 起，形成一个个单一可控单位，为用户提供电能和热能。这样微网就有效的解决了分 布式发电接入问题，提供了充分利用分布式发电单元的机制。 上述谈及目前电力系统面临的各种挑战，人们对电力系统的发展模式进行了思考，除了分布式发电技术，另外一个就是我国正在大力推进的智能电网建设。智能电 网强调资源优化配置，鼓励终端用户与电网互动，微网靠近终端用户，且可以独立运 行，可以实现交易互动和供需平衡；智能电网强调智能决策系统，提高供电安全可靠 性，微网能够作为备用电源提供有力支撑，提高抗灾应急能力；智能电网的兼容性允第 一章 绪 论3许接入各种类型的发电机组和储能系统，很好的包容了微网；智能电网强调更高要求 的电能质量服务，微网不仅可以提供优质可靠电力服务，而且可以对不同负荷实现个 性化供电。微网作为智能电网的重要组成部分，与智能电网密切相关，也促进了微网 的发展。微网被很多学者形象地成为 “模范市民（ m ”15。微网具有双重角色，对于电力用户，微网作为一个可定制电源，满足用户多样化需求，例如提高局部供电 可靠性，支撑当地电压频率，作为不可中断电源提高电压下陷的校正等。对于电力企 业，微网可以作为一个可调度负荷，在数秒内做出响应满足传输系统的要求。节能 高效 、绿色环保、安全可靠、运行灵活的微网无疑具有重要的意义和价值，主要体现在以下几点 10,5。（ 1） 微网可以节省电力投资和运行费用，有利于电网经济节能运行，建设资源节约型社会。微网接近负荷，无需远距离高压输电，减少线损，节省输配电建设和运行费用。 （ 2） 微网可以实现多种能源形式高效梯级利用，有利于电网节能高效运行，建设资源节约型社会。微网具有发电、供热、制冷等多种服务功能，有效实现能源梯级利 用，达到更高的能源综合利用效率。（ 3） 微网可以提高供电的安全性和可靠性，有利于电力系统抗灾应急能力建设。微网既可以独立运行，为周围用户提供不间断电力，而且可以作为大电网的调峰和备 用电源，黑启动使停电时间缩短，帮助外网重新恢复正常。 （ 4） 微网可以促进可再生能源分布式发电的并网，有利于节能减排，建设环境友好型社会。微网可以充分发挥分布式电源优势，有效利用清洁可再生能源发电，绿色 环保，利于可再生能源在我国的发展与推广。 （ 5） 微网可以提高系统的电能质量，有利于提高电网企业的服务水平，建设和谐社会。微网还可以为用户提供差异化电能服务，满足不同类型的用户（如照明、娱乐、医疗、军事等）不同的电能质量和供电可靠性要求。 微网作为大电网的有效补充和有力支撑、中国特色坚强智能电网的重要组成部分，发展前景十分广阔，而微网的环保经济性又是微网得以推广的关键所在。本论文 在导师的微网项目支撑下，对微网的环保经济优化做出研究和探讨，为微网的进一步发展提供了一定的建议和参考。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 美、欧洲、日本等地区和国家已经纷纷开展了微网研究，提出了不同特色的微网发展规划。目前已经完成微网的基础理论研 究，初步建立分布式电源与微网的模型与仿真工具，并通过实验室测试和现场示范工程进行验证，解决了微网运行、保护和经济性分析等一些基本理论问题 15。 的 微 网 由 美 国 能 源 部 （ 和 加 州 能 源 委 员 会 （ 共 同 资 助 ， 从 2003年 起 正 式 研 究 。 美 国 电 气 可 靠 性 技 术 解 决 方 案 协 会 ( 最 早 提 出 微 网 概 念 1 网 概 念 报 告 16中 ， 对 微 网 的 主 要 控 制 思 想 及 关 键 问 题 进 行 了 描 述 和 总 结 ，系 统地阐述了 网的定义、结构、控制方式、继电保护及效益分析等相关问题 。 目 前 ， 网 的 初 步 理 论 研 究 成 果 已 在 实 验 室 微 网 平 台 上 得 到 了 成 功 验 证17 由美国北部电力系统承建的 19 美国第一个微网示范工程，成为美国微电网工程的成功案例。 同时，美国能源部在 “展战略 21中，提出一个以微网形式安放和利用微型分布式发电系统的阶段性计划，详尽 地 阐述 了未来 微网 的 发展规划。在 2006年的美国微网会议上，美国能源部详细剖析 了 今后的微网发展计划。美国能源部还与通用电气共同资助了第二个 “通用电气 (球研究 (计划， 通用电气 的目标是开发出一套包括电气和热能的性能 、 并网控制、成本优化控制以及对可再生能源间歇性发电管理 的 微网能量管理系统 (荷需求日益增长的现状，日本也较早展开了微网研究。在 2003年新能源产业技术综合开发机构（ 动了含可再生能源的地区配电网项目，建立了 3个微网示范工程2， 分别 位于 青森县、京都县和爱知县。日本发展微网目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求 2。它在微网方面的研究更侧重控制与储能技术，在微网集成控制、冷热电综合利用等方 面开展了一系列研究，但是清洁经济和环境效益很少被考虑进去，微网的经济性评价方面仍然面临很多挑战。第 一章 绪 论5青森县八户市示范工程全部采用可再生能源供给电能和热能 15。该工程电源包 括80203物质燃气发电机， 2荷共计 603。系统运行期间频率基本维持在（ 50可以保证稳定运行。 2005年 12月，京都经济能源工程开始运行。 2006年，在仙台建立的电能质量可靠性服务示范工程也已完成。 力安全供给以及环境保护等方面综合考虑，在 2005年提出了 “智能电网 ”计划23，并在 2006年出台该计划的技术实现方案 24。欧洲提出要充分利用智能技术、分布式发电 技术 、电力电子技术等实现分布式发电与集中式供电的高效结合，并鼓励独立运营商和发电商积极参与电力市场交易。微网以其智能性、 能量利用多元化、清洁高效等特点也成为欧洲未来电网的重要组成部分。欧洲微网的研究更关注多个微网的互联和市场交易 等 问题。目前，欧盟主要资助和推进两个微网项目 “ “15，相继在希腊、德国、西班牙等国建立了不同规模的微网实验平台。项目旨在通过拓展和 发展微网的概念，增加微型发电装置的渗透率，并初步形成了微网的运行、控制、保护等理论，并在微网实验室平台上验证 了 这些理论。欧盟科技框架计划（ 助了微网的开拓性研究，主要 包括 多微网管理运行优化、 微型发电 系统的控制策略、微网运行性能的综合评估等， 这些研究将促进分布式发电系统大规模并网，并为传统电网向智能电网过渡打好基础。国在微网方面的研究还处于起步阶段，但是 “十一五 ”规划积极推动和鼓励可再生能源的发展作为我国的重点发展战略之一， “十二五 ”规划也把微网的发展作为我国配电网的重要发展战略之一。 “十二五 ”期间，国家将组织 100个新能源示范城市、 200个绿色能源县、 30个新能源微网示范工程建设，创建可再生能源利用综合示范区 7。另外，我国 863、 973等国家高科技项目近年已开始大力资助关于微网理论和相关核心技术方面的研究。 广东佛山市 863计划分布式供能课题示范工程，以禅城供电局综合楼、送电大厦和试验研究所为供冷对象，示范工程设置三台 200供给禅城供电局院内送电大厦、试验研究所和禅城区供电局新大楼华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文6照明用电和空调制冷。 2012年 “广州大学城三联供的分布式能源站 ”一期项目包括 蒸汽联合循环机组及配套设施、热水制备站、冷冻站等。能源站以天然气为一次能源，通过燃气 863计划 还 在 2010年设立了先进能源技术领域智能电网关键技术研发（一期）重大项目和大型光伏（并网、微网）系统设计集成技术研究示范及装备研制重大项目。我国的研究力量和成果与发达国家还有较大差 距，有必要对微网的基础理论和关键技术深入研究，促进微网在我国的发展和应用。 济运行要求也是重要的环节。使用清洁可再生能源发电，提供 “绿色电力 ”，做到节能减排，是环境保护的要求和电力用户的呼声。微网的经济运行，由此扩展为环保经济运行。要求满足负荷需求的前提下， 不仅要合理、有效地安排各台分布式电源的出力，还要考虑微网的各种发电成本，尤 其污染气体排放成本，综合考虑环境效益，实现微网的环保经济运行。也就是环保经济调度问题。国外国内学者对这方面也做出了不少研究。 外文文献 25详细描述了微网技术的应用所带来的潜在经济效益和环境效益。文献26对含有可再生能源发电的微网系统提出经济结构设计与运行优化的一种较简单方法，约束条件只有等式约束。文献 27对一种含有风光发电的孤岛微网系统，利用下降梯度法，进行经济调度计算。文献 28对埃迪斯科文大学（ 网进行经济调度建模，利用模糊聚类算法对孤岛系统进行了经济调度探讨，仿真结果显示利用模糊方法 效果良好。 中文文献 29最近三年内国内学者对这方面的主要研究成果。文献 29针对微网并网期间的经济运行问题，建立了微网系统的经济性模型。该模型不仅考虑了热电 冷联产系统的发电特性，而且计及了分时电价的影响和潮流双向流动时产生的电能交 易问题。文献 30对含可再生能源的热电联供型微网进行经济运行优化，并使用基于随机模拟技术的粒子群优化（ 法求解。文献 32对包含钠硫电池储能的微网系统进行经济运行优化，建立了包括环境效益在内的多目标约束，最后还分析讨论了多种 因素对优化结果的影响。文献 34在建立含多种微电源的微网模型的基础上，提出了一种通过模糊控制对蓄电池进行充放电的控制策略，采用改进粒子群算法对微网系统进 行经济运行优化的方法。博士论文 35详细探讨了低碳电力调度、环流抑制、功率共享控制、逆变器并网控制问题，还利用混沌蚁群算法研究了微网环保经济运行问题。第 一章 绪 论7以上文献涉及的绝大部分微网模型结构基本类似，且比较简单，很少对微网结构经济化设计；并且有些文献中不含储能系统，即使含有储能，相当一部分储能控制较 为简单；并网模式中考虑实时电价的情况极少；经济优化的算法多样，有的偏于简 单；另外多目标优化问题，绝大部分转化为了单目标优化问题，并未直接使用多目标优化算法。本论文针对以上问题或者不足展开探讨。 合国内外对微网的研究现状，对微网的环保经济运行优化做了比较充分的研究。建立了微网仿真模型和经济优化模型，并利用改进粒子群算法在不同运行模式下对微网的环保经济运行实现优化，提供最优负荷分配方案 和交易计划。论文的主要内容如下： 第一章，主要介绍了本课题的研究背景和意义，比较全面地综述了国内外对微网的研究现状和对微网环保经济运行的研究现状。第二章，主要对微网结构进行设计。这是进行环保经济优化的前提之一。从环保经济性角度，设计环保经济型微网结构，从中包含 三章，主要建立微网环保经济优化模型。这是进行环保经济优化的又一前提。本章先建立各微源的数学模型，其中包括常规模型和概率模型，然后建立整个微网的调度模型。其中还探讨了微网在不同模式下的运行控制策略。 第四章，主要对微网环保经济运行优化的智能算法进行了充分的研究。这是进行环保经济优化的工具前提。简要概述了目前常用的智能优化算法，重点研究了粒子群 优化算法，对标准粒子群算法和两种改进粒子群算法进行编程测试，并应用于微网优化。 第五章，主要是将标准粒子群算法和改进粒子群算法结合，进行微网优化的算例分析。在并网和孤网不同运行方式下，分别研究了三种模式，得出优化结果和图形。 第六章，对全文的工作做了总结，并对下一阶段的具体研究内容进行了展望。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文8第二章微网环保经济型结构设计要研究微网的环保经济运行，首先要确定微网的结构。俗话说 “结构决定功能 ”，不同的微网结构，元件不同，运行效果不同，环保经济性也不同。国内外涉及微网结 构设计的文献很少，而本章主要试探性从环保经济性对微网结构进行简单设计 。同时笔者参考文献 5564，根据设计结构进行了 此略去。微网安全可靠运行的基础上，优化资源配置，减少环境污染，实现能源高效供给以提高微网运行的环保性和经济性，是目前微网研究的重点之一。以往更注重 “经济性 ”这一说法，由于环境问题人们越来越重视，故笔者将 “环保性 ”与 “经济性 ”并列统称为 “环保经济性 ”。其实它反映了两个方面：经济性，侧重于资源消耗与耗费成本，强调耗费少收益高，即降低成本，提高效益；环保性，侧重于环境影响与污染排放，强调绿色清洁，可持续。经济性对应节能减排政策中的节能，环保性对应节能减排政策中的减 排。 微网与传统电网的重要差别之一在于微网中微电源的多样性和灵活性。微网中这些微电源的特性、组合结构及运行方式是影响微网环保经济运行的关键所在。在参考如何提高传统电网经济性 36基础上，研究微网运行的环保经济性主要从以下几个方面进行： （ 1） 合理 设计 微网结构，优化资源配置。对已建成的微网进行环保经济性改造；（ 2） 合理控制微网运行，降低各种损耗。（ 3） 合理调度微网单元，确定微源最佳组合方案和负荷经济分配原则。下文主要从结构、成本和效益简单分析微网的环保经济性。做到绿色清洁，对环境造成危害最小，最好的办法是采用清洁能源和可再生能源发电。因此微网结构设计中鼓励添加风力发电、太阳能发电、燃料 电池发电等单元。由于风电、太阳能发电等分布式电源具有间歇性、随机性和不可控 性，为了便于调度优化，微网结构中要添加可优化发电单元，也经常加入常规同步发 电机发电单元。第 二章 微 网 环 保经 济型 结 构设 计9从经济性出发，要做到资源消耗最少和成本最低，必须节约资源、实现资源优化配置和提高资源利用率。以往单独的微网发电单元，效率并不高，存在不少浪费，因 此可以从冷热电联供（ 统和互补发电系统这两方面进行结构设计。比如，单纯的微型燃气轮机，发电效率可达 30%，如果实行冷热电联产，效率可以提高到 75%以上。风光互补发电系统不仅充分考虑了风能与太阳能天然的互补性和最佳的匹配 性，弥补了风力和太阳能独立发电系统在资源利用上的缺陷，而且使用一套储能与逆 变系统，节省了成本。 综上分析，本文设计的微网结构既包含可再生能源发电单元，也包含常规发电电源；既包含冷热电联供系统，也包含风光互补发电系统。具体的结构详见 成本分析如果将微网的环境影响因素（温室气体与污染气体的排放），以惩罚成本的形式计算，那么微网的成本40包括：初始 建设 成本、运行维护成本、燃料成本、 气体 排放惩罚成本 （处理成本） 等。其中 ， 初始 建设 成本主要 指 微 型电源 、控制保护设备、蓄电池储能、 送电 线路、天然气输送管道等 设备的 购买及安装成本 等 ；运行维护成本主要 包括 开停机成本、 网损 、人力成本等；燃料成本主要是指微型燃气轮机、燃料电池发电和锅炉产热所使用天然气的费用 ；气体 排放惩罚成本主要 是指各种 微源发电 时应 惩罚价格的积。网的效益主要体现在三个方面：（ 1）用户效益。微网可以保证电力用户最基本的用电和冷热需求，可以提高供电可靠性，提供辅助服务等。（ 2）配网效益。微网环保经济运行，可以降低微网成本，推迟或者避免配网设备投资；还 可以通过市场交易售电收益。（ 3）环境效益。微网充分使用清洁能源，有效控制污染排放，生态与生活环境受到保护。其实三个方面的效益是紧密相关的。本论文算例中，环境效益，是以污染气体排放惩罚成本的形式计算。涉及的两种具体收益包括供热制冷收益和电网交易收益，所有收益都以成本的形式计算。 1典型微网结构微网的基本结构 15,3,41如图 1所示。该微网中含有多个分布式电源（ 储能装置，相对于大电网来说 ，它就是 一个整体 ， 通过断路器和上级电网的变电站联系。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文10图 2经 典结 构图上图中的微网呈放射状，含有 A、 B、 条馈线。 为了 实现并网和孤岛两种运行模式直接平滑转换 ， 微网通过主隔离装置 (一般为静态开关 )与 外网（通常是 配电网 ）相连。其中 馈线上的负荷设为 敏感负荷 ，即 重要负荷 ，并且含有热负荷，由附近的冷热电联产机组供给电能和满足冷热需求 。馈线 非敏感负荷 ，当孤岛模式时负荷不能完全满足时，可以对馈线 当大电网出现故障或者电能质量问题时，微网可以 断开 主断路器 ，转入孤岛 运行， 负荷 全部由 微网中的分布式微源 承担， 当故障 消除后，主断路器重新合上，微网 可以实现 从孤岛到并网的平稳过渡。 图 2微网结构 35,41。它采用微型燃气轮机和燃料电池作为主要电源，储能装置连接在直流侧与分布式电源一起作为一个整体通过电力电子接口连接到微网。第 二章 微 网 环 保经 济型 结 构设 计1图 2 结 构图图 2该微网中包括 光伏电池 (燃料电池 (微型燃气轮机 (飞轮储能和蓄电池 ， 并且含有一个热电联产机组（ 微网系统 也呈放射性， 采用分层控制策略，并且 可以孤岛运行，也可以并网运行， 允许微网向大电网供电。图 2微 网结 构图结合前文环保经济性分析，在上述典型微网结构图的基础上，包含 计微网结构详见下文。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文122.统 42又称为冷热电联供系统，它以燃气（天然气、生物质气等）作为一次能源，将发电系统和供 热、供冷系统相结合的小规模、点状分布在用户附近的一种综合供能方式，总的能源利用率可以达到 75 90。 量轻，占地面积小，安装方便，维护简单，自动化程度高，运行成本低，节能环保，能源综合利用率高，因 此2：动力子系统、供热子系统、制冷子系统和相应的控制子系统，也可以大致分为原动机部分和热力部分 4。动力设备（原动机）类型主要有蒸汽轮机、燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、斯特林机（也称外燃机、热 气机）、燃料电池等。热力部分主要包括余热回收装置、吸收式制冷机以及供热与制冷设备等。 地制宜，采用不同的配置方案。目前几种典型的配置方案如表 2表 2方 案配 置类 型 热 机 发 电部 分 供 热方 式 制 冷方 式单 类型 原动 机 M+M/机 组或 余热 补 燃装 置 溴 化锂 吸收 或电 制冷 机M/M/型 原动 机 +： 微型 燃气 轮机 ； 燃料 电池 ； 光伏 电池 ； 斯特 林机 ； 永磁 同步 发电 机； S： 同步 发电 机； 异步 发电 机； 逆变 器本论文微网结构中采用的 品主要有两种结构类型，一种为单轴 (构，另一种为分轴 (构。单轴结构 的 微型燃气轮机中 ， 燃气涡轮与发电机同轴，转速较高， 需要 进行整流 和 逆变；分轴结构 的 微型燃气轮机 中， 燃气涡轮与 发电机 不同轴， 中间添加了 变速齿轮，由于降低了发电机转速，因此可以直接并网运行。单轴结构 构紧凑，可靠性高的特点，本文采用单轴结构 二章 微 网 环 保经 济型 结 构设 计1342,4根据废气处理、供热制冷方式不同，也分为多种。节能减排高效的主流模式主要有以下几种。模式二和三是本文 选 用的 燃 机 发 电 机 电 力 负 荷热 交 换 器 供 暖 /热 水燃 气 排 气 制 冷 机 制 冷回 热 器 图 2模 式一图 2对进入 燃烧室的压缩空气预热， 可以减少 燃料消耗， 节约成本， 提高系统效率。回热器排出的尾气可以通过 热交换器供暖或者供应热水，也可以通过 制冷机 制冷，满足用户的冷热需求 。这种方式主要不足之处在于，供冷热量方式过于单调没有备用。 微 燃 机 发 电 机 电 力 负 荷余 热 锅 炉 换 热 器备 用 锅 炉 供 暖 /热 水燃 气补 燃 燃 料 排 气 制 冷 机 制 冷图 2模 式二图 2料在微型燃气轮机燃烧室中燃烧，高温烟气先进入燃气透平中膨胀做功，透平排气进入余热锅炉，回收余热生成蒸汽或者高温热水。 余热锅炉的输出，在冬季可直接用于供暖或提供生活热水，在夏季驱动蒸汽型吸收式 制冷剂组制冷。当微燃机在停运或者或许供热量和制冷量不足时，可以在余热锅炉中 补燃提供所需额外热量，从而提高了负荷应变能力。如果独立用锅炉系统，因为需要水处理设备，投资成本相对较大，但是以蒸汽为热媒，系统内的各种能量转换利用相 对容易，蓄热也比较方便。因此这种类型应用比较广泛。华 南理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文14微 燃 机 发 电 机 电 力 负 荷回 热 器 供 暖 /热 水燃 气补 燃 燃 料排 气 制 冷烟 气 型吸 收 式冷 热 水 机 组图 2模 式三图 2单循环燃气轮机与烟气型吸收式冷热水机组相结合的 料也是通过燃气轮机发电，但是烟气中的余热不在通过余热锅炉，而是直接通过吸收式机组回收利用。当微燃机在停运或者或许供热量和制 冷量不足时，可以在吸收式机组中补燃提供所需额外热量，从而也提高了负荷应变能 力。因为制冷设备自身限制，吸收式排烟温度较高，为了提高能源利用率，可以再吸 收式机组的后面增加一级换热器，进一步回收燃气中的余热，但成本会随之增加。一种能将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效、无污染的发电装置。燃料电池在生产过程中会产生大量的热能，这使得燃 料电池除发电外亦可以通过排放的废热进行冷、热生产。燃料电池发电效率较高，约为 36 50，在冷热电联供过程中可以达到 80 90的高效率，且燃料电池运行成本也较低。燃料电池冷热电联产系统 46型结构如图 2 然 气 空 气供 电吸 收 式 制 冷 机 组 锅 炉换 热 器燃 料 电 池重 整 蒸 汽 天 然 气蒸 汽供 热制 冷排 气排 气 图 2章 微 网 环 保经 济型 结 构设 计15燃料电池与微型燃气轮机组成的联合循环系统 49既是 是一种互补联合发电方式，有非常好的发展前景。在 这种 联合循环系统中，不仅可以充分利用微燃机将废热 重新用于发电 ，而且燃料电池 取代了 微燃机 的燃烧室，高温排气直接进入 燃机涡轮 做功， 可以使 整个装置的效率 高 达 80% 并 且 使用天然气为燃料，减少污染气体排放，有助于保护环境。因此这种联合驱动的 景十分诱人。图 2 燃 机 发 电 机 电 力 负 荷燃 烧 室供 暖 /制 冷 处 理燃 料回 热 器燃 气 涡 轮 驱 动 图2.联合发电 10，是采用多种电源联合运行，让各种发电方式在一个系统中互为补充，通过它们的协调配合来提供稳定可靠的、电能质量合格的电力。互补发电在明 显提高可再生能源可靠性的同时，还能提高能源的综合利用率。 互补发电具有广泛的推广应用价值，是能源机构中一个崭新的增长点，明显的优点主要由以下几点：（ 1）互补发电既能充分发挥可再生能源的优势，也能克服可再生能源本身的不足；（ 2）可以协调利用多种能源，提高能源综合利用率；（ 3）电源供电质量的提高对补偿设备的要求明显降低；（ 4）互补发电装置合理布局与配置，可以充分利用土地和空间，节省资源；（ 5）多种电源共用送变电设备和运行管理人员，可以降低成本，提高运行效率。 目前常见的互补联合发电方式，主要有风能 能 光）互补发电，还有风力或光伏 型燃气轮机 伏 论文采用风光互补发电、风 柴油机互补发电、微燃机 节已介绍）和光伏 理 工大 学全 日制 工程 硕士 学位 论文16风光互补发电 51具有良好的互补性，可以很大程度上弥补各自独立发电时的波动性和间歇性的缺点，提高供电可靠性；而且根据用电情况和资源条件的合理配 置，可以共用储能装置和供电线路等，能够减少占地，降低成本。不论技术上还是经 济上，风光互补发电系统都已经成为非常合理的电源系统。图 2风 电 机 组光 伏 电 池 组 逆 变 器 及风 光 互 补 控 制 器 蓄 电 池 组交 流 负 载直 流 负 载图 2互 补发 电系 统结 构示 光伏发电与柴油机发电机组并联运行，一方面可以节省燃料柴油，降低发电成本；另一方面还可以充分利用可再生能源，减轻发电可能造成的环境污染，并能保