（电力系统及其自动化专业论文）含分布式发电的配电网规划研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文含分布式发电的配电网规划研究， 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：王耋， 日 期： 碑扭曲 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：王立、 e t 期：2 珀3 a ! 驷 导师签名： 日期：鲨2 笙三目，7 日 华北电力大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1论文研究的背景和意义 目前全世界的电力系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单 一供电系统，这种集中、单一的大电网正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。但 是，近年来大电网停电事故频繁发生，我国各省近几年在夏季也都发生不同程度的 拉闸限电现象。这使得我们不得不反思这种大电网集中供电方式存在的一些问题n 。 首先来说，大电网中任何一点的故障都可能对整个电网带来严重的影响，甚至 可能导致大面积停电和电网崩溃，“美加大停电”就是一个这样的例子：其次，大 电网不能灵活跟踪负荷的变化，随着负荷峰谷差的不断增长，电网的负荷率正逐年 下降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋势；再次，在一些比较偏远地区，由 于距离电力系统太远，或者自然条件太恶劣，输配电建设投资过大或者根本就无法 架设，导致供电不理想。另外，近年来大电网经常是恐怖袭击和战争攻击的目标， 一旦遭到破坏，后果不堪设想。同时，全球的一次能源正日渐衰竭，而由电力生产 所带来的环境污染( 如酸雨、温室效应、电磁污染等等) 也越来越明显。 基于以上原因，分布式发电技术尤其是以可再生能源为一次能源的发电技术， 得到了电力工业越来越多的关注，已成为了一个研究热点。其中，风力发电是仅次 于水力发电的最成熟、最现实的一种清洁能源发电方式，在电网中所占比例越来越 大。目前，大电网与分布式发电相结合已被世界许多能源、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。 分布式发电2 “3 1 一般指在用户现场或靠近用户现场配置较小的发电组( 通常 低于3 0 m w ) ，用以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行，或者同时 满足这两个方面的要求。 发展d g 的重要意义主要在于以下几个方面： ( 1 ) 经济性。由于分布式发电可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理 的梯级利用，从而可提高能源的利用效率( 达7 0 曲o ) 。由于分布式电源的并网， 减少或缓建了大型发电厂和高压输电网，从而节约投资。同时，使得输配电网的潮 流减少，相应地降低了网损。 ( 2 ) 环保性。因分布式发电通常采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能 源，故可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量就近供电减少了大容量远 距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输出线的电磁污染，也减少了高压 输电线的征地面积和线路走廊，减少了树木的砍伐，有利于环保。 ( 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 华北电力大学硕士学位论文 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。夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料 的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供冷与冬季的供热需要， 同时也提供了一部分电力，由此可对电网起到削峰填谷作用。此外，也部分解决了 天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补作用。 ( 5 ) 安全性和可靠性。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 ) 电力市场问题。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。 随着电力市场的进一步开放，供电方对经济性、用电方对可靠性的要求都越来 越高，分布式发电也将得到越来越多的关注。各国也都纷纷出台相关政策，以鼓励 分布式发电的发展与应用。分布式发电正逐步渗入电力系统，成为2 1 世纪电力工 业的一个发展方向。 目前，分布式发电还无法在发电成本方面与集中式大容量发电相竞争。然而， 随着科技的发展，分布式发电装置的发电成本正在逐年降低，有的已经接近传统集 中式发电的成本。随着电力体制改革的深化，分布式发电技术和电力电子技术的进 一步发展。凭借其就地发电服务用户、清洁环保等诸多优点，在下一个十年左右的 时间里，分布式发电在传统电力系统中将会有实质性的增长t 4 1 对于一个分布式电源来讲，它的价值跟它所在的位置有着密切的关联。一个分 布式电源向电网输送1 m w 的电能，这是它的直接价值，而它实际的价值远远不止 这些。在负荷高峰时它能够转移一定量的负荷，从而有效缓解一些馈线的容量限制， 延迟馈线的投资；同时也可能降低电压损耗、减少线损从而减少长线路的投入等等。 当然，也有可能出现的情况是，分布式电源可能只能部分减缓容量问题或者根本就 不能减缓。这些都和分布式电源的位置和容量有一定关系，因而，对分布式电源进 行合理的规划就显得尤为重要。 1 2 国内外研究动态 1 2 1含分布式发电的配电网规划研究现状 对于一个分布式电源来讲，它的价值跟它所在的位置有着密切的关联。一个用 户侧电源向电网输送1 m w 的电能，这是它的直接价值，而它实际的价值远远不止 这些。在负荷高峰时它能够转移一定量的负荷，从而有效缓解一些馈线的容量限值， 2 华北电力大学硕士学位论文 延迟馈线的投资；同时也可能降低电压降落的问题、减少线损进而减少长线路的投 入等等。 但如果规划不合理，分布式电源的接入也可能会对配网带来更多的是负面影 响，也可能使配网的某些设备闲置或成为备用。例如，分布式电源的运行可能会使 配电系统中的电缆线路因负荷小而轻载运行，成为分布式电源的备用设备，增加了 配网的沉没成本，降低了供电局的效益。因此，合理的选择分布式电源的位置和容 量十分重要。 国内对分布式电源的研究还处于起步阶段，相关文献更多的是针对分布式发电 技术、对系统的影响、并网问题等方面的探讨，对分布式电源的布点和定容问题研 究较少。文献【5 】结合分布式发电技术，系统的分析了分布式发电措施的实施内容、 实施前景和对电力系统的影响，提出了利用统一资源规划方法，把用户侧发电资源 引入配网规划模型，并对模型和求解方法进行了一定的讨论，但缺乏深入分析，没 有给出具体的模型和求解方法。文献【6 】通过分析当前电力系统存在的问题，重点介 绍了两种分布式发电技术：微型燃气轮机发电技术和高温燃料电池一燃气轮机混合 发电技术，并说明其对常规电力系统规划产生的显著影响。根据战备条件，从确保 重要负荷供电保障角度出发，引入“负荷岛”的概念，对分布式电源的规划问题进 行了探讨。虽然是进行战备时的配网规划，但由于是从确保重要负荷供电角度出发， 因此，对非战时的配网规划仍具有一定的参考价值。文献【7 】提出了一种在配电网扩 展规划中进行分布式电源选址和定容的方法，应用遗传算法优化分布式电源的位置 和容量。对遗传过程中生成的每个分布式电源位置和容量方案个体，运用基于支路 交换的模拟退火算法规划扩展网络，对分布式电源和网络的综合规划结果进行经济 性评估以衡量个体方案的优劣。但该文献在目标函数中没有体现传统发电方式与分 布式电源的发电成本差异，且在算法求解中每个分布式电源的规划方案要通过两个 变量来表示，当可接入的分布式电源很多时就会导致求解变量过多、求解计算速度 过慢等问题。 国外已有一些学者对分布式电源的选址和定容问题进行了深入的研究。文献【8 】 提出了基于遗传算法和决策理论的三步式方法用于中压网络中分布式电源的最优 位置和规模的确定。文献【9 】提出了一种空间决策支持系统用于确定分布式电源的 允许安装位置。文献【1 0 】提出了一种新的三步式启发式最优算法用于包含分布式电 源的中压网络规划。文献【1 1 】在给定分布式电源容量情况下，采用解析法研究了单 条辐射线路上分布式电源的最优安装位置。该模型假定符合沿馈线按一定的规律分 布，但实际配电网中负荷分布往往是随机的。文献 1 2 、1 3 j 讨论了现有网络负荷值 及负荷点个数均不变情况下的分布式电源优化规划问题，没有考虑网络扩展的情 况。文献【1 4 】在分布式电源个数、位置和容量均未知的情况下，采用遗传算法对分 布式电源的位置和容量进行优化。但该方法只考虑了原有负荷节点的负荷增加情况 3 华北电力大学硕士学位论文 时的配电网扩展规划，未考虑新增负荷节点对网络结构的影响，具有一定的局限性。 文献【1 5 】提出了一种新的综合模型，在目标函数中不仅计入了新增变压器和新建线 路所需的费用，同时还考虑了待选的分布式电源的投资和运行成本、配电公司用于 购买新增负荷所需电力的费用、用于赔偿供电损失的费用。但模型的成立是建立的 没有新增的负荷节点的前提下，且文中没有提出相应的求解算法，仅使用于负荷节 点较少的情况。 1 2 2 含分布式发电的配电网潮流计算 配电网络的潮流计算是配电网规划设计的基础，因此，在含分布式发电的配电 网规划研究中很有必要研究含分布式发电的配电网潮流计算问题。包含分布式发电 的配电网潮流计算与普通潮流计算的区别之一是分布式电源的潮流计算模型与常 规发电机组计算模型不一致。在潮流计算中，常规的发电机组一般可以取为p v 节 点、p q 节点或者平衡节点，而分布式电源则具有其特殊性，其节点是否能取为这3 种节点类型中的一种目前还没有得到充分的研究，这与各种分布式电源的运行方式 和控制特性有关。 文献【1 6 】考虑到特殊负荷、环保和经济等方面的要求，认为d g 运行在额定工 况附近，在潮流计算中将其作为p q 节点处理。文献【1 7 】在潮流分析中建立了异步发 电机组的r x 模型，但是该模型在潮流计算中需要2 个迭代过程，一个是潮流计算 本身的迭代，另一个是转差的迭代。文献d 8 认为在潮流计算中d g 可以作为p q 节 点或p v 节点，而储能系统则可以作为恒电流节点处理，但该文没有对具体形式的 d g 展开说明。文献【1 9 】则针对配电网中不同种类的分布式电源建立相应的稳态潮流 计算模型：对于用同步电机接人电网的分布式电源，如微型燃气轮机等，用p v 节 点来模拟；而对用异步电机接人电网的分布式电源，如风力发电等，则用p q 节点 模拟，考虑了节点电压对无功功率的影响。 考虑到许多分布式发电的有功出力受自然天气条件的影响很大，例如风力发电 和太阳能发电，其出力随着风速和光强的变化而变化，文献 2 0 】重点分析了风力发 电和太阳能发电对系统电压的影响，在建立了风电机和太阳能电池的随机分析模型 后，将其加人随机潮流计算中，利用半不变量法在随机变量之间进行卷积运算。并 用g r a m c h a r l i c r 级数展开式计算随机变量分布，从而给出了1 年的系统的电压越限 小时数。 1 3 本论文的主要工作 本文的主要研究工作包括以下几个方面的内容： 1 重点介绍了目前发展较快的几种分布式发电技术，并系统地分析了分布式 4 华北电力大学硕十学位论文 发电对配电网规划和运行工作可能造成的影响。 2 对目前常用的配电网规划模型、优化方法进行了总结和比较。 3 对关于分布式发电的规划进行分类，即分为分布式发电在系统中的布点规 划和含分布式发电的配电网扩展规划。研究了分布式发电布点规划的流程、 分析内容和分析方法；重点对含分布式发电的配电网扩展规划进行研究， 针对分布式电源位置和容量问题建立了相应的数学模型和求解算法。 4 通过算例验证所提出模型和算法的可行性。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1引言 第二章分布式发电及其对电力系统的影晌 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人类对能源的需求也在不断增 加。能源的多样化和可再生能源的开发利用，是满足能源需求的根本途径。分布式 电源及其应用是本世纪最受重视的高科技领域之一，是电力系统的一个新的发展方 向。鉴于对环境及能源使用效率的进一步重视，分布式电源在我国的广泛应用是可 以预见的。 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 ，简称d g ) 是指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用户处或其附近的小型发电机 组( 一般小于3 0 m w ) ；以及安装在用户附近用于提高负荷的供电可靠性和电能质 量，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。 按发电能源可将分为两类：一类称为利用可再生能源的d c , ，主要包括太阳能 光伏、风能、地热能、海洋能等发电形式；另一类称为利用不可再生能源的d g ， 主要包括内燃机、热电联产、燃动机、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。目前， d g 研究的热点之一是可再生能源发电技术，其中水力发电、生物质能发电属于比 较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新 兴的发电技术。 本章首先介绍了分布式发电技术的基本概念，对现在比较关注的风力发电技 术、热电联产、燃料电池等几种分布式发电技术做详细的说明，并具体论述了分布 式电源的接入对配电网运行和规划的影响。 2 2 几种主要的分布式发电技术 2 2 1风力发电 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。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。 风电机组可以按照其运行方式、控制原则或拓扑结构的不同进行不同方法的分 类：例如按照运行的转速范围可以把风电机组划分为恒速风电机组与变速风电机 组：按照风电机组桨叶控制方式可以把风电机组划分为定桨距与变桨距的风电机 组：按照采用的发电机类型可以将其划分为基于普通异步发电机( 无电力电子交频 器) 、基于双馈感应电机( 采用部分功率电力电子变频器) 、基于多极同步电机( 采 6 华北电力大学硕士学位论文 用全功率电力电子变频器) 的风电机组。 综合上述分类方法目前风电机组市场上的风电机组可以基本划分为下面几种 主要机型2 1 l ： ( 1 ) 基于普通异步发电机的恒速风电机组，采用普通的异步发电机、三桨叶风 力机、风力机低速轴与发电机高速轴之间为齿轮箱，发电机机端装有并联电容器补 偿。 ( 2 ) 基于异步发电机的最优滑差风电机组，与上一种机型的最大不同是发电机 转子绕组通过滑环接入变频器控制的外加转子可变电阻，根据机组运行方式的不同 通过变频器调节转予可变电阻，能够增大风电机组运行的稳定裕度。由于此种风电 机组变速范围有限，因此仍属于恒速风电机组的范畴。 ( 3 ) 基于双馈感应发电机的变速、变桨距控制风电机组。发电机定子直接馈入 电网，转子通过部分功率变频器馈入电网，因此称之为双馈感应发电机。此类变速 风电机组通过变频器实现发电机有功、无功功率解耦控制，使风电机组具有变速运 行的特性，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组 机械部件所受应力；调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。 ( 4 ) 基于同步发电机的变速、变桨距控制风电机组。此类风电机组多采用多极 永磁的同步发电机，通过全功率变频器接入交流电网。由于变频器的解耦控制，使 得基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控 制系统及控制策略。 对于基于普通异步发电机的恒速风电机组，一般其风力机桨叶采取定桨距的失 速控制，或者采用主动失速的桨距角控制，也有少数的恒速风电机组采用了桨距控 制( p i t c hc o n t r 0 1 ) 。这种机型的风电机组只能在很小的转差范围内运行，不能充分 有效地利用风能，并且其额定运行时的稳定裕度也较小。为了有效地利用风能，恒 速风电机组的感应发电机一般都采用双绕组结构，对应不同的风速范围发电机可在 不同的极对数下以不同的额定功率运行；此外，基于普通异步发电机的恒速风电机 组还采用了可控硅控制的软并网装置，以在风电机组并网过程中减轻暂态过程的冲 击电流【引。 基于转子电阻可调的异步发电机的最优滑差风电机组，其转子电阻可以在一定 的范围内通过电力电子装置动态调节，风力机桨叶一般采取桨距角控制；相比于普 通异步机的恒速风电机组，其转速运行范围有所提高，但是仍然在高于同步转速的 很小的转速范围内运行，因此仍属于恒速风电机组的范畴。 基于双馈感应电机的变速风电机组与基于全功率变频器同步发电机的变速风 电机组都属于变速恒频的风电机组，由于具有变速运行的特性，能够提高风电机组 的风能转换效率，实现最大风能捕获并减小风电机组机械部件所受应力；并且能够 通过变频器控制系统将发电机有功、无功功率实现解耦控制，调节改善风电场的功 7 华北电力大学硕士学位论文 率因数及电压稳定性；因此近几年来逐步取代了基于普通异步发电机的恒速风电机 组成为了风电市场上的主流机型。 2 2 2 燃料电池发电 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。 当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。根据电解 质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、熔融碳 酸盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 及质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) 等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪 声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。 由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力 发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中问的转换的损 失，具有很高的发电效率。同时还有以下一些特点： 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率； 不管装置规模大小均能保持高发电效率； 具有很强的过负载能力； 燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等； 发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大； 电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式； 用天然气和煤气等为燃料时，n o x 及s o x 等排出量少，环境相容性优。 如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。 燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池( a f c ，工作温度为1 0 0 ) 、 固体高分子型质子膜燃料电池( p e m f c ，也称为质子膜燃料电池，工作温度为1 0 0 以内) 和磷酸型燃料电池( p a f c ，工作温度为2 0 0 ) 称为低温燃料电池；把熔融 碳酸盐型燃料电池( m c f c ，工作温度为6 5 0 ) 和固体氧化型燃料电池( s o f c ， 工作温度为1 0 0 0 ) 称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排 气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把p a f c 称为第一代燃料电池，把m c f c 称为第二代燃料电池，把s o f c 称为第三代燃料电池。 这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料o ”。 燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两 个电极( 负极即燃料电极和正极即氧化剂电极) 以及电解质组成。不同的是一般电池 的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身 不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化 8 华北电力大学硕士学位论文 为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则 上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。 2 2 3 冷热电联产 冷热电联产【2 3 】( c c h p ，c o m b i n e dc o o l i n gh e a t i n ga n dp o w e r ) 是一种建立在能 的梯级利用概念基础上，将制冷、供热( 采暖和供热水) 及发电过程一体化的多联 产总能系统。目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。与集中 式发电一远程送电比较，c c h p 可以大大提高能源利用效率。大型发电厂的发电效 率一般为3 5 5 5 ，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到3 0 4 7 。 而c c h p 的能源利用率可达到90 ，没有输电损耗；另外，c c h p 在降低碳和污 染空气的排放物方面具有很大的潜力。据有关专家估算，如果从2 0 0 0 年起每年有 4 的现有建筑的供电、供暖和供冷采用c c h p ，从2 0 0 5 年起2 5 的新建建筑及从 2 0 1 0 年起5 0 的新建建筑均采用c c h p 的话，到2 0 2 0 年的二氧化碳的排放量将减 少1 9 。如果将现有建筑实施c c h p 的比例从4 提高到8 ，到2 0 2 0 年二氧化碳 的排放量将减少3 0 。 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。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。另外，供热、供冷热源还有直接和间接方式之分。 在外燃烧式的热电联产应用中，由于背压汽轮机常常受到区域供热负荷的限制， 不能按经济规模设置，多数是相当小的和低效率的；而对于内燃烧式方案，由于技 术的不断进步，已经生产出了尺寸小、重量轻、污染排放低、燃料适应性广、具有 高机械效率和高排气温度的燃气轮机。同时燃气轮机的容量范围很宽，从几十到数 百kw 的微型燃气轮机到3 0 0 m w 以上的大型燃气轮机，它们用于热电联产时既 发电又产汽，兼有高发电效率( 3 0 4 0 ) 和高的热效率( 7 0 以0 ) 。现在，在有燃 气和燃油的地方，燃气轮机正日益取代汽轮机在热电联产中的地位。 压缩式制冷是消耗外功并通过旋转轴传递给压缩机进行制冷的，通过机械能的 分配，可以调节电量和冷量的比例；而吸收式制冷是耗费低温位热能来制冷( 根据 对热量和冷量的需求进行调节和优化) ，把来自热电联产的一部分或全部热能用于 驱动吸收式制冷系统。目前最为常见的吸收式制冷系统为溴化锂吸收式制冷系统和 氨吸收式制冷系统。前者制冷温度由于受制冷剂的限制，不能低于5 ，一般仅用 于家用空调；后者的制冷温度范围非常大( + 1 0 5 0 ) ，不仅可用于空调，而且可 用于0 c 以下的制冷场所。同时，氨吸收式制冷系统可以利用低品位的余热，所需 9 华北电力大学硕士学位论文 热源的温度只要达到8 0 c 以上就能利用，从而使能源得到充分合理的利用；而且氨 吸收式制冷系统还具有节电、设备易于制造和维修、对安装场所要求不高、系统运 行平稳可靠、噪声小、便于调节、可以在同一系统内提供给用户不同温度的冷量、 单个系统的制冷量很大等优点。 2 3 分布式发电对配电网运行的影响 随着电力市场的进一步开放以及分布式发电成本的逐年降低，分布式电源将在 电力系统占据越来越多的份额。但大量的分布式电源接入配电网将会对配电系统的 结构和运行产出很大的影响。主要表现在以下几个方面。 2 3 1分布式发电对系统安全和可靠性的影响 分布式电源接入配电网，对系统的安全和可靠性可能会带来正面影响，也可能 带来负面影响，视具体情况而定。 若将分布式电源作为备用电源接入系统，则可以部分消除电网的过负荷和堵 塞，提高电网的输电裕度。在适当的分布式电源布置和电压调节方式下，分布式电 源可以对系统电压起支持作用，改善系统电压的整体水平；若该种分布式电源具有 低电压穿越能力，则在系统发生故障时还能继续运行，并起到缓解电压骤降的作用， 提高系统对电压的调节性能。这些都有利于提高系统的可靠性水平。 但若分布式电源并网运行，则也可能降低系统的安全可靠性。若分布式电源不 具备低电压穿越能力，则在系统发生故障时通常要求该分布式电源从电网中切除， 则当其所接的线路故障重合时，分布式电源不但不能起到电压支持的作用，反而会 加重电压跌落；且如果分布式电源没有及时跳闸脱网，造成的非同期重合可能引起 保护误动作、设备受损，线路无法及时恢复运行，反而增加了用户的停电时间。发 生系统停电时，有些分布式电源的燃料会中断或供给分布式电源辅机的电源会失 去，分布式电源会同时停运，仍无法提高供电的可靠性。同时，分布式电源与配电 网的继电保护如果配合不好，可能使继电保护误动作，反而使系统的安全可靠性降 低。另外，分布式电源不适当的安装地点、容量和连接方式都可能降低配电网的安 全可靠性。 2 3 2 分布式发电对系统保护的影响 配电网往往是辐射状结构，只有一个电源，线路潮流单向流动。考虑到配电网 8 0 的故障都是瞬时的，配电网的保护设计通常是在变电站处安装反向过流继电 器，主馈线上装设自动重合闸装置，支路上装设熔断器。根据“仅断开故障支路， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 对瞬时故障进行重合闸”原则，使自动重合闸装置与各侧支路上的熔断器相互协调， 而每个熔断器又分别与其直接相连的上一级和或下一级支路上的熔断器相互协调 以实现配电网线路的保护。 分布式电源在接入配电网后，由于配电网结构发生变化，将给继电保护带来下 面几个问题i z 引： 1 当分布式电源接入配电线路后，线路保护的灵敏度降低或者保护范围缩小。 在线路的某些位置，速断保护根本无法启动，形成速断保护死区，使线路故障不能 及时切除。若分布式电源并网点位于速断保护死区，在不改变保护系统的情况下， 只能由后备过流保护动作切除故障，这增加了故障对电网的影响。若调整速断保护 整定值，则可能造成速断、过流保护和其他控制装置之间无法协调，导致保护误动 作。 2 相邻线路故障时分布式电源可能引起所在线路保护误动作。如果故障发生在 距离母线较近的部分，由于分布式电源的作用，其所在线路的线路保护检测到的故 障电流值将大于其整定值，从而引起误动作，使分布式电源所接线路无故障跳闸。 3 分布式电源对重合闸的影响。当分布式电源接入配电线路后，如果线路因故 障跳闸，所形成的孤岛保持了功率和电压在额定值附近运行，分布式电源极有可能 在重合闸动作时没有跳离线路，这将产生两种潜在的威胁。非同期重合闸：由于 电网电源的失去，电力孤岛很难与电网保持完全同步，在电网电源跳开后至重合闸 时的这段时间内，两者之间的相角差可能出现在o 3 6 0 。之间的任何一个位置。在 此电流的作用下，线路保护可能发生误动作，而使重合闸失去了迅速恢复瞬时故障 的能力。 故障点电弧重燃：在失去电网电源后，故障点仍然由分布式电源维持故 障电流。当进行重合闸时，由于电网电源的作用，可能引起故障电流跃变，引起故 障点电弧重燃，导致绝缘击穿，进一步扩大事故。 2 3 3 分布式发电对电能质量的影响 ( 1 ) 对电压波动的影响 在传统配电网中，有功、无功负荷随时间变化会引起系统电压波动。沿线路末 端方向，电压的波动越来越大。如果负荷集中在系统末端附近，电压的波动会更大， 一般尽量避免这种情况的发生。分布式电源接入配电网后，对系统电压波动的影响 主要表现为两种方式1 2 6 j ：分布式电源与当地的负荷协调运行，即当该负荷增加 ( 或减小) 时，分布式电源的输出量增加( 或减小) ，此时分布式电源将抑制系统电压的 波动；分布式电源不能与当地的负荷协调运行。以风力发电为例，由于其有功输 出在很大程度上取决于风速的大小，波动性较大，很难与当地负荷协调运行，此时 将增大系统电压的波动。分布式发电接入系统对系统电压波动的影响属于固有问 华北电力大学硕士学位论文 题，只要该分布式电源处于运行状态，其波动的功率输出就会对电网电压造成影响， 只是影响程度大小不同而已，在某些情况下电压波动已经成为制约分布式电源装机 容量的主要因素。因此，全面系统地对分布式电源接入的电压波动问题进行研究， 就具有了实际意义。 ( 2 ) 谐波问题 分布式电源接入系统后可能引发的另一个问题就是谐波问题。谐波的来源有两 种可能，一是分布式电源本身就是一个谐波源，二是分布式电源中采用的一些电力 电子设备。以风力发电为例，不论何种类型的风电机组，发电机本身产生的谐波是 可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中的电力电子元件。尤其是变速恒频 风电机组，其中的变流嚣始终处于工作状态，谐波电流大小与输出功率基本呈线性 关系，也就是与风速大小有关。在正常状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置 的设计结构及其安装的滤波装置状况，同时与电网的短路容量有关。 2 4 分布式发电对配电网规划提出的瓤要求 分布式电源的出现使得规划人员在配电网规划中有了新的选择。规划人员可以 在电网升级、增建线路和变电所、在合适的位置安装适当容量的分布式电源这三种 可选方案中选择最优的一个，或者是三者的结合。随着分布式发电技术性能的不断 提高和成本的逐年降低，其在电力系统所占的比重逐渐增长。大量分布式电源的接 入将会对配电系统的规划产出很大的影响。主要表现在以下几个方面【2 7 2 8 i 。 ( 1 ) 分布式电源的出现会使电力系统的负荷预测、规划要面对比过去更大的不确 定性。传统的配电网规划是按负荷预测。电源规划网络规划的步骤进行的。进行负 荷预测的时候，不仅要知道负荷总量预测值，还应该清楚负荷分布和增长的规律。 而大量的用户安装分布式电源为其提供电能，必然对整个电力系统的负荷增长模式 产生影响，使得配电网规划人员更加难于准确预测负荷的增长情况，从而对配电网 规划造成影响。 ( 2 ) 配电网规划一般考虑5 2 0 年，在此年限内，通常假定电网负荷逐年增长， 新的中压、低压节点不断出现，需要增建一个或更多的变电所。由于规划问题的动 态属性同其维数密切相联( 通常几千个节点需要同时考虑) ，若再出现许多发电机节 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。 ( 3 ) 对于想在配电网安装分布式电源的用户或独立发电公司，他们与想维持系 统现有的安全和质量水平不变的配电网公司之间存在一定的冲突。因为有大量分步 式电源接人配电系统并网运行，这将对配电网系统结构产生深刻影响，对大型发电 厂和输电的依赖逐步减少，原有的单向电源馈电潮流特性发生了变化，一系列包括 1 2 华北电力大学硕士学位论文 电压调整、无功平衡、继电保护等在内的综合性问题将影响系统的运行。为了维护 电网的安全、稳定的运行，必须使分布式电源能够接受调度。要实现这个目标，就 需要通过电力电子设备对其进行必要的控制和调节，将分布式电源单元集成到现有 的配电系统中，这不但需要改造现有的配电自动化系统，还要由被动到主动( 电压调 整、保护政策、干扰和接口问题) 地管理电网。 ( 4 ) 分布式电源的投入运行，可能降低配电线路的利用率，使配电公司投资线 路的成本不能收回，产生沉没成本。 ( 5 ) 分布式电源的机组类型及所采用能源的多样化，使得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类型的电源成为迫切需要解决的问题。因 此分布式电源的广泛应用，使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到与分布式电 源有关的电力系统规划中，并影响规划的决策过程。 在本课题的研究中考虑了分布式电源不同的接入位置和容量对配电系统网损、 电压和故障电流等的影响。同时，考虑到分布式电源一般都靠近负荷，因此假定其 安装在负荷节点处，并作为一个负的负荷处理。对于分布式电源的接入与配电公司 在安全和电能质量方面要求的矛盾问题，本课题未予以分析，假定通过电力电子设 备对分布式电源进行控制和调节后能够解决这一问题。 华北电力大学硕士学位论文 3 1引言 第三章配电网规划方法研究 配电网规划，是指在分析和研究未来负荷增长情况以及城市配电网现状的基础 上，设计一套系统扩建和改造的计划，在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情 况下，对各种可能的变电站增容方案、接线形式、不同的线路数和不同的导线截面， 以运行经济性为指标，选择最优或次优方案作为规划改造方案，使电力公司及其有 关部门获得最大利益的过程。 配电网规划是一项复杂的系统工程，其复杂性表现在：( 1 ) 电网规模庞大，限制 了所能采用的规划方法；( 2 ) 规划中涉及了许多不确定因素，如工程、投资、环境等。 目前采用的优化方法大多是确定性的，即用精确的数学模型描述配电网规划问题， 结合各类约束条件，在经济上求得最优的规划方案，把配电网规划看作是一个多变 量、多约束、混合整数非线性规划问题进行求解。 本章首先介绍了配电网规划的基本内容，然后重点对配电网规划的数学模型进 行分类，并详细介绍、比较了几种目前常用于配电网规划的优化算法，说明各算法 的优缺点以及适用范围。 3 2 配电网规划的基本内容和步骤 配电网规划研究的内容包括变电站位置和容量规划、网架结构规划、无功规划、 稳定性分析及短路电流分析。其中，无功规划、稳定性分析和短路电流分析这3 个 部分是在网架形成以后进行的。无功规划和稳定性分析主要用于确定线路及变压器 以外的一些补充设备( 如电容器、电抗器、静止补偿器及发电机调节器等) ，同线路 和变压器相比，这些设备的建设费用较少，建设时间也较短；短路电流分析计算一 般作为电网规划方案提出后的校验手段，通常不直接用于方案的确定。因此，目前 有关配电网规划研究通常指变电站位置和容量规划以及网架结构规划研究。 配电网规划按规划期长短可分为短期规划、中期规划和远期规划3 种。短期规 划研究主要用于制定较短水平年( 如5 年) 的网络扩展计划，着重解决当前电网存在 的主要问题，逐步满足负荷发展的需要，提高供电质量和可靠性。远期规划研究一 般针对一个较长水平年( 如2 0 3 0 年) ，它通过对未来各种发展情形的分析，给出根 据环境参数进行技术选择的一般原则，并作出诸如电压等级、输电方式等的初步选 择。中期规划研究介于两者之间，它用于电网1 0 2 0 年发展规划方案的制定，着 重将电网结构及设施有步骤地过渡到规划网络，并对大型项目进行可行性研究，做 1 4 华北电力大学硕士学位论文 好前期工作。在这3 部分中，中期规划研究起着十分重要的作用。一方面，远期规 划研究所作出的技术选择可以通过中期规划网络的实际状态进行修正。另一方面， 它又可以指导短期规划研究，确保短期决策与远期电网发展相一致。 一般来说，配电网规划的具体步骤如下： 1 规划基础资料的收集和整理 基础资料是进行配电网规划的数据依据，在进行配电网规划时首先应该对基础 资料进行收集和整理。不仅要调查收集与电力工业本身有关的资料( 如电力系统现 状、城市电力网现状、农村电力网现状、动力资源分布、能源供应与运输条件、厂 址条件等) ，而且必须收集国民经济各部门生产和基本建设的发展规划及其电力负荷 的增长需要( 城市、地区、县里的国民经济总体发展规划等) 。 配电网规划所需要的基础资料f 2 9 l 可分为三大类：社会资料、负荷资料和电源及 电网资料。社会资料主要包括自然地理与社会经济状况、近期与中长期社会经济发 展规划。其中，自然地理与社会经济状况涵盖的内容有自然地理基本情况、行政区 划情况、经济情况和资源状况。负荷资料主要包括系统现有负荷水平及其特性资料， 规划期确定电力负荷发展水平的资料。电源和电网资料主要包括：规划基准年现 有水电、火电等电源及电网资料，包括发电厂、变电所增容扩容和输电线路升压改 造的意见；规划基准年在建水电、火电等电源资料； 掌握规划期间内电源及电 网发展的资料。 2 配电网运行状况分析 在搜集整理好基础资料后便可对配电网的运行状况进行深入分析。如：对负荷 情况进行分析，包括各变电站主变压器负荷情况、各主干线负载情况、各配电站负 荷与转供能力，各变、配电站的扩容能力和条件等。对网络接线进行分析，包括现 有线路长度对电压质量的影响程度、导线截面积是否限制了负荷的增长、线路的负 荷分配是否合理、各变电站之间是否存在有效的互供关系、是否满足“n 1 ”的要 求、故障情况下的负荷转移和恢复能力【3 0 】等。 通过对配网运行状况的分析、研究，我们能够从整个系统的角度对电网有一个 比较清晰的认识和了解，从而能够更客观地找出、认识并解决问题。如，有些电源 容量的不合理配置，限制了负荷的增长：某些变电站布点不均，影响了负荷的合理 分配；主干线走向不合理，使变电站供电距离增大，甚至出现交叉供电的情况；一 些设备存在老化和事故隐患而可能影响供电可靠性，或某些设备选型不当而限制了 负荷的增长；有些电网接线方式不合理，影响了运行的灵活性和可靠性等等。这样， 通过对配网整体的认识、研究和分析，我们在制定配网总体规划中更具备了科学性、 实用性、合理性，更有利于制定出符合当地实情、局情、网情的配网规划。 3 负荷预测 配电网的负荷预测是配电网规划的基础，为整个规划指明了目标。负荷预测准 1 5 华北电力大学硕士学位论文 确度的高低，将直接影响到规划的效果和可行度。随着电力企业逐步走向电力市场， 市场经济对负荷预测提出了新的要求。电力系统的负荷预测，实际上是电力市场需 求的预测。因此，近年来配电网规划的负荷预测技术越来越收到人们的重视。 关于负荷预测的一般规定：负荷预测是城网规划设计的基础。预测工作应在 经常调查分析的基础上，根据城市建设和各行各业发展的信息，充分研究本地区用 电量和负荷的历史数据及其发展趋势进行测算，为使预测结果有一定的准确性，可 适当参考国内外同类型地区的资料进行校核。负荷预测分近期、中期和远期。近 期还应按年份列数据，中期和远期只列期末数据。由于影响负荷变化因素太多，预 测数据可用高低两个幅值。 为使配网结构的规划设计更为合理，应从用电性质、 地理区域或功能分区、电压等级分层等方面分别进行预测。 4 根据目标函数拟定配电网结构布局方案 在分析和研究未来负荷增长情况以及城市配电网现状的基础上，设计一套系统 扩建和改造的计划，在尽可能满足未来用户容量和电能质量的情况下，对各种可能 的变电站增容方案、接线形式、不同的线路数和不同的导线截面，以运行经济性为 指标，选择最优或次优方案作为规划改造方案，使电力公司及其有关部门获得最大 利益。 3 3 配电网规划的数学模型 3 3 1 经济性模型 经济性模型1 3 1 1 考察网络投资费用、运行费用、设备折旧维修费用和电能损耗费 用等经济性指标，以年投资费用最小或者规划年限内的总费用最小为目标函数。其 中应用最广泛、最为大家所接受的是“水平年电网规划数学模型”。该模型以预测 的某一规划水平年的负荷水平为已知条件，以待选线路为决策变量( 而 0 册，鼍一0 表示线路i 不建，置- 1 则表示要建线路i ) ，以线路建设投资和系统运行费用为目标 函数。根据具体情况，可以增加或者减少一些经济性指标，作为目标函数。 根据约束条件的不同，又可分为直流( d c ) 模型、运输( t r a n s p o r t a t i o n ) 模型、混合 ( h y b r i d ) 模型和分离( d i s j u n c t i v e ) 模型1 3 2 】。 1 、直流潮流模型p 3 1 它要求规划网络完全满足直流潮流约束，包括全网( 现有和待扩建) 各节点功率 守恒( 即满足k c l 方程) 、全网电压满足k v l 方程、各支路潮流限制、各电源出 力满足上下限等。对待选线路而言，只有当其被选中( 对应决策变量而一1 ) 时才满足 k v l 方程；未被选中( 对应决策变量而- 0 ) 时其内潮流应为o 。即待选线路的k v l 约束为非线性。因而该模型是一个约束较完备的混合整数非线性规划模型，是目前 华北电力大学硕七学位论文 应用最广泛的一种模型，但求解有难度。 2 1 运输模型1 3 4 3 5 】 该模型只考虑各节点的功率守恒( k c l ) ，而忽略各支路应满足的电压平衡方程 ( i ( v l j 。由于忽略了非线性约束，该模型变为一个混合整数线性规划模型，相对直 流模型要容易求解。但由于忽略了一些约束，因而求得的最优规划方案无法满足直 流潮流方程，需要在过负荷支路处追加一些线路使网络满足直流潮流约束，而这将 导致投资的增加。 3 1 混合模型1 3 6 】 该模型综合了直流潮流模型和运输模型的特点。对于全网所有节点，均考虑满 足k c l 约束。对于k v l 方程，则只考虑现有线路应满足该约束，待选线路可以忽 略该约束。该模型保留了运输模型的线性特性，也较易于求解。 4 1 分离模型 3 5 】 该模型的特殊之处在于对待选线路的k v l 约束做了一些改进，将原有的k v l 平衡( 即方程右端等于零) 约束改为两个( 分离的) 上下限约束m 。0 一x ；) ( m ；为对应 待选线路i 的惩罚系数) ，避免了直流潮流模型中出现的非线性，而且也全面考虑了 各种约束，具有较好的应用价值。 3 3 2 可靠性模型 “需求侧管理”的兴起，使人们的可靠性观念发生了变化。用户在购买电力的 同时也购买了电力的一个重要品质供电可靠性。由于供电可靠性问题给用户造 成的经济损失必将成为今后制定电价时要考虑的重要因素电网供电总成本不应再 仅包括电网扩展建设的投资成本、运行成本，还应包括由于电网电力供给不足或中断 造成的用户缺电损失，即需求侧的停电损失。因此，可靠性模型将得到越来越广泛的 应用。 在经济性模型中，可靠性指标通常作为约束条件加入优化问题中；而可靠性模 型则将可靠性指标转化为经济性指标加入目标函数中，求得综合成本最低的规划方 案。可靠性模型以成本效益分析为基础，将可靠性指标转化为缺电成本加入目标函 数，即将可靠性成本与缺电成本之和最小作为目标函数，约束条件包括潮流等式约 束、支路输送容量约束、网架限制等等。可靠性成本即电网的投资成本，在计及运 行成本的情况下，也包括运行成本。缺电成本为由于电源容量不足而对用户少供或 限电所造成的经济损失。随着我国电力市场的发