（电力系统及其自动化专业论文）考虑分布式发电的配电网络扩展规划研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho ud i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o nb a s e do od i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n n a i d e ：z h uw e i s u p e r v i s o r ：g a os h a h u n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y r e c e n t l yv a r i o u sk i n d so f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nf d g ) a r eb e c o m i n ga v a i l a b l ea n di ti se x p e c t e dt h a ti s w i l lg r o wi nt h ef u t u r ey e a r s d gi n c l u d e st h ea p p l i c a t i o no f s m a l lg e n e r a t o r s ，s c a n e r e dt h r o u g h o u tap o w e r s y s t e m ，t op r o v i d et h ee l e c t r i cp o w e rn e e d e db ye l e c t r i c a lc u s t o m e r s i to f t e no f f e r sav a l u a b l ea l t e r n a t i v et o 打a d i t i o n a ls o u l e so f e l e c h i cp o w e tf o ri n d u s t r i a l c o m m e r c i a la n dr e s i d e n t i a la p p l i c a t i o n s t h ef o r e s e e a b l e l a r g el k q eo fd gi nt h ef u t u r er e q u i r e st od i s t r i b u t i o ns y s t e me n g i n o e ：r st 0p r o p e r l yt a k ei n t oa e o a n ti t s i m p a c ti nt h es y s t e mp l a n n i n g p o w e rs y s t e mp l a r m i n gi n v o l v e si d e n t i f i c a t i o no ft h eb e s te q u i p m e n t , a l o n g r i mi t sl o c a t i o n s ，m a r i n e ro fi n t e r c o n n e c t i o nt ot h es y s t e m ，a n ds c h e d u l eo fd e p l o y m e n t ；s i n c ec o s ti sa l l i m p o r t a n ta t t r i b u t ei np o w e rp l a n n i n g , a l m o s ti n v a r i a b l yo u eo ft h ep l a n n e r ) $ c h i e fg o a l si st om i n i m i z e o v e r a l lc o s t i tw i l lg i v et h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e i ns u c hc a s e sd gi na d d i t i o nt ot h e a d v a n t a g eo fr e d u c i n gp o w e rl o s s e s ，c a nb eav a l u a b l eo p t i o nf o r 鲥du p g r a d e w h e nd i s t r i b u t i o ns y s t e m p l a r m i n ga n dd gi m p a c ta g ec o n s i d e r e d t h eg r e a t e s ta t t e n t i o ns h o u l db ep a i di nt h es i t t i n ga n ds i z i n go f d g u n i t sb e c a u s et h e i ri n s t a l l a t i o ni nn o no p t i m a ll o c a t i o n sc a l lr e s u l tb o t hi na ni n c r e a s i n go f p o w e rl o s s e sa n d i nar e d u c i n go f r e l i a b i l i t yl e v e l s s ot h es i t ea n ds i z eo f d gh a v eag r e a ti m p a c to nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k i tt a k e sw i n dg e n e r a t i o n 褥d gt oj o i ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a n dt w om e t h o d sf o rt h es i 钍i n ga n ds i z i n g o fd gi 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 gmd e v e l o p e dt oo p t i m i z et h es i t ea n ds i z eo fi x w i t ht h e g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n dp 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 f i t h m ( p s o ) b e c a u s ew i n de n e r g ys y s t e mi s p r o b a b i l i s t i co u t p u tp o w e rr e l i e d0 nn a t u r a lc o n d i l i o n s o n em e t h o dt a k e sr a n d o mp r o g r a m m i n gt oo p t i m i z e t h es i t ea n ds i z e i te s t a b l i s h e sw i n de n e r g ys y s t e mm o d e la n da p p l i e st h i sm o d e li n t op r o b a b i l i s t i cp o w e r f l o wc a l c u l a t i o n u s i n gt h o s ed a t a ，t h ep r o b a b i l i s t i cd e n s i t yf u n c t i o no f n o d ev o l t a g ec a l lg e t ，w h i c hw i l lb e u s e da sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s a n di tr e d u c e sp o w e r 】o 辎u n d e rac e r t a i nc o n d i t i o nw h i c hc a nb ec o l l c d g e n e r a lp o w e rf l o ww i t ht h ef r o n tc o n s t r a i n t s t h i sm o d e lw i l lg i v eu ss o m eo p t i m a lg r i da r c h i t e c t u r e a n o t h e rm e t h o da p p l i e di st h a te s t a b l i s h i n gt h eb e s td i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns i t t i n ga n ds i z i n go nt h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c o n s i d e r i n gt e c h n i c a lc o n s t r a i n t s ，l i k ef e e d e rc a p a c i t yl i m i t s ，f e e d e rv o l t a g ep r o f i l ei n t h en e t w o r kn o d e s i nt h ep a p e r , t h ep o w e rp r o d u c t i o no f w i n dt u r b i n e sm 呵s ) d e p e n d sm a i n l yo i lt h ew i n d s p e e dr a n d o mb e h a v i o ri nt h ea r e aw h e r e 呵sa r ei n s t a l l e d u n d e rt h i s w ec a nu t i l i z eg a t og e ts o m e o p t i m a lr e s u l t s i tt a k e sg aa n dp s o w h i c hi sa ne f f i c i e n tt o o lt os o l v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m sa st h em a i n a l g o r i t h m g aa n dp s oc a ng e n e r a l l yf i n dac o r r e c ts o l u t i o ni nav a r i e t yo f p r o b l e m s a tl a s t t w om e t h o d s a l lg e tr e s u l t s ，a n di tw i l lg i v eac o m p a r i s o n k c y w o r d s ：w i n 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 ko p t i m i z a t i o n ；d e t e r m i n i s t i cl o a df l o w ；p r o b a b i l i t yl o a d f l o w ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；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 ；r a n d o mp r o g r a m m i n g i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅。可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 导师签名：苫出日期： 一骅 第章绪论 1 1 i k l 言 第一章绪论 随着世界经济的发展，各国对能源的需求日益增多。基于不可再生能源的日益减少为了实现可 持续发展的能源战略各国积极开发并推进可再生能源的利用。冈此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越来越受到重视。 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 式发电正运步渗入电力系统，成为2 1 世纪电力工业的一个发展方向。 分布式发电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 特定片 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 的重要意义主要有以下几个方面1 l 口1 ： 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j j 效率f 达7 0 。一9 0 ) 。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r 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，故可少有害 物的排放总革，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 减少了高压输电线的电磁污染，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) 、新能源( 氢) 和可再 生能源( 风能和太阳能等) 并同时为h j 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。 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。 因此，凭借其就地发电服务用户、清洁环保等诸多优点，作为可再生能源发电的技术形式，分 布式发电将会成为人类社会可持续发展的主要动力源。 东南大学硕士学位论文 随着分布式发电规模的进一步扩大，特别是分布式电源容餐在电网中比例的增加，分布式电源 并网运行所带来的问题逐渐暴露出来。分布式电源并网会对原有电力系统产生如下的一些影响3 j 1 4 】： 1 ) 分布式电源并网会改变系统原有的潮流和网损的分布，对电网的规划提出了新的要求； 2 ) 分布式电源并网会影响系统各节点的电压 3 ) 分布式电源并网会影响系统的电能质量 4 ) 电力系统凋度部门需要研究能够考虑分布式电源特点的发电和运行计划方法，需要重新评估 系统的发电可靠性； 5 ) 分布式电源并网会影响系统的稳定性 6 ) 分布式电源并网会影响继电保护及安全自动装置的动作行为，有可能造成保护装置的不正确 动作。 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喇 输送一定量的电能，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，从砺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 源接入配电网络中进行合理的规划就显得尤为重要。 1 2 国内外发展动态 配电网规划是所在供电区域国民经济和社会笈展的重要组成部分，同时也是电力企业自身长远 发展规划的重要基础之一。配电网规划的目标就是能够使电网发展。能适应满足并适度超前于供电 区域内的经济发展要求，并能发挥其对于电网建设，运行和供电保障的先导和决定作用。 配电网规划即是采用科学的方法确定何时何地在规划区内新建或改建何种电力设施，力求在规 划期末使配电网络达到一个比较理想的结构。理想的网架结构应该满足以下基本要求“1 ： 1 ) 尽量满足用户的用电要求。配电比例适当，容量充裕，在各种运行方式下，都能尽量满足国 民经济备部门及人民生活不断增长的用电需求。电力工业的发展速度，应超前于其他部门的发展速 度，起到先行作用。应竭力避免由于缺电而使工业企业不能充分发挥其生产能力的情况。 2 ) 保证用户供电的可靠性。电力系统中发生事故是导致供电中断的主要原因，但要杜绝事故的 产生是非常困难的。对于供电中断将会造成重大损失的受荷及重要供电地区，需设置两个或以上独 立的供电电源。电源问应能自动或手动切换，以便在任电源发生故障时，使这类用户的供电不致 中断。 3 ) 保证良好的电能质量。电压支持点多，能在正常及事故情况下保证电网的安全及电能质量。 4 ) 保证系统运行的灵活性。电网结构应能适台多种可能的运行方式，包括正常及事故情况下 2 第一章绪论 高峰及低谷负荷时的运行方式：有大水电站或水电比重大的系统应分别考虑丰、平、枯水时的运行方 式。在变动运行方式或检修时，应保证操作安全、简便，对通信线路影响小等。 5 ) 保证系统运行的经济性。配电网直接与用户相连。供电半径大，供电范围广，连接用户多， 负荷波动与变化频繁，加上由于主客观原因造成不明线损，使配电网线损量占整个电力系统线损比 重很大因此，加强配电网的经济运行，降低配电网的线损，对提高整个电力系统的经济性有特别重 要的意义。 配电网规划是在保证配网呈辐射状、满足电压降落要求和变压器容量等的前提下，确定使配网 某一指标最佳的配网运行方式。在未有分布式电源加入的配电网规划中，选择目标函数与约束条件， 采_ j 何种方法可达到最优的电力系统优化结果，国内外学者已经进行大量研究。文献【6 】提出了以配 电网可靠性最高、网络损耗最低为目标函数，以配电网的运行满足电力连续供应为约束，提出了基于 排序选择、对违反约束个体进行直接比较的改进自适应遗传算法，对配电两的可靠性按照深度优先 搜索最小路进行计算，对系统的网络损耗按照牛顿地夫逊法进行计算。文献f 7 】对遗传模拟退火算法 中的交义、变异操作进行了改进，并实施了最优保留策略，形成了改进遗传模拟退火算法。以网损最 小为目标函数，以配电网电压降的限制、线路电流量的限制等为约束条件，建立了配电网络重构优化 模型。在考虑配电网自身特点的基础上，利用改进遗传模拟退火算法求解。文献1 8 】提出一种基于遗 传算法手u 启发式算法的方法来解决多目标配电网重构问题。应用模糊数学中隶属函数对多目标分别 进行建模，并评估重构效果。利用同胚图将重构求解空间分解为若干个子空间。所提方法结合了遗 传算法全局搜索能力和启发式算法高技的子空间求解能力。 1 2 i 含分布式电源的配电网规划研究现状 含分布式电源的配电网规划主要是要处理好风力电源的位置安放和容量的问题。将分布式电源 接入后国内外一些学者已经对此做出了研究。 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较少。文献【9 】提出了一种在配电网规划中 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和容量。对遗传过程中生成的 每个分布式电源伉置和容量方案个体，运用基于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性评估以衡量个体方案的优劣。文献【2 j 系统地分析了分布式电源接入配 电网后在规划和运行方面可能带来的影响；对配电网规划中常用的数学模型和优化算法进行分类和 比较，总结并评价了各种模型和求解方法的优缺点和适用范围，对分布式电源的规划进行分类，重 点对含分布式电源的配电网扩展规划进行研究，提出相应的模型，并设计解决分布式电源位置和容 量问题的优化算法。 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f l o 】在给定分布式电 源容量情况下，采用解析法研究各辐射线路上分布式电源的最优安装位置。该模型假定符台沿馈线 按一定的分布，但实际配电网中负荷分布往往是随机的。文献【1 1 】讨论了现有网络负荷及负荷点个数 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。文献【1 2 】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，具有定的局 限性。文献1 3 】提出了一种新的基于遗传算法和决策理论的晟优算法多阶段用于包含分布源的中压网 络规划。 在将分布式电源接入的配电网规划中，一个重点是怎么样处理接入的分布式电源节点。一般文 东南大学硕士学位论文 章将分布式电源节点当作p q 节点来处理，本文中对于风力电源节点加入后进行潮流计算中，考虑 其随机性将采用随机潮流方法。能更好的反应电能质量。 1 2 2 含分布式电源的确定性潮流 含分布式电源的配电网规划需要进行禽分布式电源的电力系统潮流计算。而含有风力电源的电 力系统潮流计算主要有确定性潮流算法和概率潮流两种。在确定性潮流中，发电机组一般可以取为 p q 节点、p v 节点和平衡节点。而分布式电源具有特殊性，能否看作这三种节点到现在没有充分的 研究，这与分布式电源的运行方式和控制特性有关。 确定性潮流算法，是在基本的电力系统潮流计算方法的基础上，增加风力发电机组的迭代过程。 确定性潮流算法中假定风速是已知的，根据风力发电机组的风速功率曲线得到风力电源输出的有 功功率，而对无功功率的不同处理方法形成了各种不同的潮流计算方法。目前含风力电源的电力系 统确定性潮流计算有以下3 种常见方法： 1 ) p q 简化模型潮流计算； 2 ) 基于风力发电机组简化等值电路的p - q 迭代模型潮流计算 3 ) 基于异步电动机简化等值电路的r x 迭代模犁潮流计算。 文献f 1 4 】考虑到特殊负荷、环保和经济等方面的要求，认为d o 运行在额定工况附近，在潮流 计算中将其作为p o 节点处理。文献【1 5 1 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【1 6 】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漉箝点处理，但该文没 有对具体形式的d g 展开说明。 1 2 3 含分布式电源的随机潮流 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，采用确定性潮流算法不仅计算 蕈大，而且很难反映全面的情况，随机潮流可以有效的解决上述问题，它运片 了概率统计方法处理 系统运行中的随机变化因素，给出系统运行电压、支路潮流等概率分布情况，可以更深刻揭示系统 运行状况。 文献1 7 】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阡f 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 e 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。文献 1 8 1 总结以前备种含风力电源的电力系统潮流计算方法的基础上，提出改进犁随机潮流算法。即，在计 算系统的基准运行点时，针对不同型式的风电机组，引入其内部等值电路迭代计算，使计算出的基 准运行状态量更加准确从而提高随机潮流计算结果的准确性。对不同型式的风力电源的算倒分析 表明，该改进型随机潮流算法具有一定的实际意义。 1 2 4 加入分布式电源后配电网规划所采用的方法 配电网规划中网架规划的目的在于根据投资及运行等费用最小的原则，确定扩建线路的类型、 时间及地点，保证可靠地将电能由电源中心送到负荷中心，并且出入线及沿途环境都可以接受。这 是一个系统优化的问题”1 。 4 第一章绪论 该问题具有下列特点： 1 ) 离散性。线路是按整数的回路架设的，所以规划决策的取值必须是离散的、或整数的。 2 ) 动态性。网架规划不仅要满足规划年限内的经济、技术性能指标要求，而且要考虑到网络今 后的发展以及今后网络性能指标的实现问题。 3 ) 非线性。线路电气参数与线路功率及网损等费用的关系是非线性的。 4 ) 不确定性。负荷预计、设备有效度及水力条件等均存在显著的不确定性。 网架优化是一个多目标、多阶段、包括大量不确定因素的离散、非线性受约束的混合整数规划 问题。从优化求解算法上看，传统的运筹学方法，如线性规划法、整数规划法、混合整数规划法、 动态规划法等虽原理严格；但在解决电网规划问题时经常遇到搜索方向错误、迭代发散等阀题，因 此许多人工智能的理论和方法应用在配电网规划中。文献【2 l 】讲解了许多方法，如人工神经网络( a n n ， a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、模拟退火方法( s a ，s i m u l a t e dn e t w o r k ) ，粒子群算法、蚂蚁算法( a n t a 1 2 0 f f t h i n ) 、遗传算法( g a ，g e n e t i ca l g o r i t h m ) 等。 分布式电源加入配电网后，因分布式电源节点所处理的方法不同可采用不同的方法。本文主 要采用遗传算法为主要算法。遗传算法是目前电网规划中，“为使用的一种现代启发式寻优方法。它 通过编码将规划方案转变为一组组染色体，并列出一组待选方案作为初始可行解，以适应函数的优 劣来控制搜索方向，通过遗传、交叉、变异等逐步完成进化，最终逐步收敛到最优解。同传统算法 相比，遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、随机操作等特点，对数据的要求低，不受搜索空问的 限制性约束，不要求连续性、导数存在、单峰等假设，可以考虑多种目标函数和约束条件。 将遗传算法和其他智能算法相结合可得到较好的效果。文献【9 1 将遗传算法和模拟退火方法结合 应用在加入风力电源的配网规划中。文献【2 2 睬用遗传算法和h e r e f o r d 支路算法相结合来进行分布式 电源规划。本文在确定性潮流下以遗传算法为主，在随机潮流_ 卜将随机规划与遗传算法相结合来处 理风力电源的接入规划。 在确定性潮流下采用的配电网规划模犁为基本模型，随机潮流下采用的配屯网规划模型为随机 规划模型。这两种模型对风电源节点处理不同，但在本文中均采用改进遗传算法与粒子群算法结合 来实现。文献【2 3 】介绍了非线性规划中的随机规划的基本模型和处理方法。 1 3 本文主要研究内容 1 ) 第二章介绍了分布式发屯的基本种类，主要介绍了风力发电及太刚能发电，其次对分布式电 源的并网影响及处理以及井网分布式电源的能量可信度和容量可信度进行介绍。 2 ) 第三章首先介绍了配电网规划的基本内容，包括配电网规划特点、数学模型、配电网规划步 骤等，主要介绍加入分布式电源后的配电网规划采用的水平年常规模型和随机规划模型，并提出了 加入分布式电源的确定性潮流模型和随机规划模型。模型中分布式电源接入后进行计算，阻平均风 速下确定的年费用最小目标进行优化，并以电压越限作为约柬。 3 ) 第四章首先对分布式发电中的风力发电进行说明，介绍了因处理不同的确定性潮流计算及随 机潮流计算，介绍风力电源接入后按确定性潮流计算，将风力节点当作p q 节点，随机潮流主要引 5 东南大学硕士学位论文 入半不变量法及g r a m - - c h a l i e r 级数的方法处理随机变量。这两种模型均采用改进遗传粒子群混合算 法进行优化，最后对采用的改进遗传算法中的改进型编码、交叉、变异以及粒子群加入提高搜索效 率的方法进行介绍。 4 ) 第五章主要介绍了将遗传算法和粒子群算法混合使用解决第三章中确定性潮流模型及随机规 划模型的算例说明。 6 第二章分布式发电及对配电两影响 2 1 引言 第二章分布式发电及对配电网影响 分布式发电一般采用可再生能源，与存在于自然界中的其他一次能源如煤、石油、天然气等不 同，不会随着其本身的转化和人类的利用而日趋减少。世界各国都在开辟通向持久能源的道路，影 响他们决策的主要囡素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠。可再生能源技术在这些 方面都有较大优势。它对环境的影响最小，可替代部分常规能源，增加能源供应的安全性和可靠性； 它要求较大的设备投资，创造了更多的就业机会，有助于经济增长。 分布式发电主要有风力发电、太阳能发电、地热发电、生物质能发电、小水电等。其中风力发 电与太阳能发电最具有代表性，应用也较多。 本章将首先介绍分布式发电的种类和利用现状等，主要对风力发电和太阳能发电进行介绍。接 着介绍并网运行的分布式发电系统，以风力发电来说明并网运行对系统的影响，重点说明分布式发 电接入后对电压和损耗影响。最后介绍下分布式电源的并网处理。 2 2 可再生能源利用现状 近年来发达国家和一些发展中国家十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用，采取立法 和各种政策措施支持可再生能源的技术开发市场开拓和推广应用，使近年来可再生能源得到快速发 展产业化水平逐步提高在能源构成中的比重越来越大。 可再生能源的利用情况如下： 1 ) 太阳能利用。太阳能利用包括光伏发电、太阳热发电，以及太阳能热水器、太阳房等热利用 方式。目前，太阳能热水器已经实现大规模的商业化利用。到2 0 0 4 年，全世界太阳能热水器的保有 量超过1 亿多平方米，其中中国占4 0 以上，欧洲美国和印度共计占4 0 左右，其余地区约占1 0 。 近年来，太阳能光伏发电的发展十分迅速，2 0 0 2 年全世界光伏电池产量超过5 0 万千瓦，累计装机 容量超过2 4 0 万千瓦，其中约7 0 在欧洲、日本和美国。太阳热发电也在探索之中，全球己建成太 阳热发电装置1 0 余座，总装机容量约5 0 万千瓦，大部分在美国。 2 ) 风力发电：由于煤、石油、天然气等矿物燃料资源的储存量正在日趋减少，风能在未来的能 源建设中将发挥重要的作用。利用风能可以节约化石燃料，同时可以减少环境污染。但风能具有随 机性，利用风能必须考虑储能或与其他能源相互配台，才能获得稳定的能源供应，这就增加了技术 上的复杂性。另一方面，风能的能量密度低，空气的密度仅为水的1 8 0 0 ，因此风能利川装置的体积 大、耗用的材料多、投资也高，这也是风能利用必须克服的制约因素。2 t 世纪风能利用的主要领域 是风力发电。 3 ) 生物质能。生物质能是人类利用历史最悠久的能源，传统的直接燃烧热利用仍是目前最主要 7 东南大学硕士学位论文 的方式，全世界每年利用量约1 3 亿吨标准煤。但生物质能的发展方向是优质化、清洁化利用( 生物 质能发电和液体燃料等) ，目前发电利用约5 0 0 0 万千瓦( 主要集中在北欧和美国) ，年生产液体燃料 约2 0 0 0 万吨油当量( 主要在巴西和美国以及德国) ，在欧洲、中国和印度，还有大量工业规模的沼 气工程和农民户用沼气池。利用生物质制墩液体燃料是可再生能源的重要发展方向，v a t , 米、木薯、 甘蔗、甜高粱等为原料制取的乙醇和生物柴油，可作为交通替代燃料。 4 ) 地热利用。地热利用分为高温资源发电和中低温资源热利用两种方式。1 9 7 3 年石油危机之后， 地热发电发展很快，全球地热装机容量从1 9 7 0 年的6 8 万千瓦迅速增加到1 9 8 0 年的2 5 0 万千瓦。 晟近1 0 年来发展速度较慢，目前总装机容量约1 0 0 0 万千瓦。此外，中低温地热资源在洗浴、保健、 采暖和集中供应热水以及地源热泵、水游热泵供热( 制冷) 方面发展迅速，平均年增长率约1 2 。 5 ) 小水电。除了常规的大型水电站，一般作为新能源对待的小水电资源也得到了比较广泛的开 发利用。发达国家的大水电资源几乎都已经开发利用，近年来集中在小水电资源的开发利用。目前 全世界每年新增小水电装机容量3 0 0 多万千瓦，其中中国占5 0 9 6 左右。 此外。还有一定数量的潮汐发电、波浪发电和洋流发电等海洋能的开发利用，形成规模的主要 是潮汐发电，约3 0 万千瓦，其中法国占8 0 ，为2 4 万千瓦。 同时欧洲的丹麦、德国、西班牙等国和美国都建立起了定规模的可再生能源设备制造业和相 关的服务业。我国目前在加紧发展可再生能源设备制造业，为可再生能源产业化打下坚实的基础。 在可再生能源的利用发电中，太阳能发电和风能发电应用较多，也具有代表性，在本节中将对 这两种形式进行介绍。 2 2 1 常见的光伏发电系统 2 2 1 1 独立光伏系统 完全依靠太阳电池供电的光伏系统，系统中太刚电池方阵受光照时发出的电力是唯一的能量来 源。 最简单的独立光伏系统是直联系统，发出的直流电力直接供给负载使用，中间没有储能设备， 负载只在有光照时才能工作。这种系统有太阳能水泵、太r 1 能风帽等。太阳能水泵具有工作可靠、 使用寿命长、不需要延伸电网、不污染环境、搬迁方便等优点，而且越是于早，太阳光越强，太阳 能水泵抽水越多，是无电缺水地区理想的抽水工具。通常也可用水箱来代替价格较高、维护复杂的 蓄电池作为储能设备。 一般情况下，由于太阳电池方阵只有在受光照时才能发电，通常与负载的工作要求不相符合， 所以必须配备储能装置，虽常用的储能装置是蓄电池。为了防j t 蓄电池过充或过放电，还要配置控 制器。此外，由于太阳电池是半导体p - n 结器件，需要安装防反充二极管以避免在晚上或阴雨天太 阳电池不发电时，蓄电池通过矿n 结放电。所以为直流负载供电的独立光伏系统主要由太阳电池方 阵、防反充二极管、蓄电池组、控制器等部件组成。为交流负载供电的独立光伏系统除了以上部 件外，还要配备将直流电变换成交流电的逆变器。 独立光伏系统可以应用在离网住宅供电中。 8 第二章分布式发电及对配电嗣影响 全球还有将近2 0 亿人口没有用上电，其中相当部分处在经济不发达的边远地区，很难依靠延伸 常规电网来解决用电问题。而这些地区往往太阳能资源十分丰富，应用太阳能发电大有可为。据统 计，我国到2 0 0 5 年末还有大约1 2 0 0 万人口没有用上电，计划在2 0 1 5 年前要全部解决用电问题，其 中预计需要利用太阳能发电来解决5 8 0 万人口的用电，至少需要太阳电池组件3 0 0 m w 。 这类光伏系统的形式主要有独立光伏电站和户用光伏电源系统等。前者是以小型电站为主，通 常是为乡镇、学校、医院等提供电力。我国在“九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站 4 0 余座、装机总容量6 0 多k w 。后者主要满足农村家庭照明和收看电视的需要，功率一股为1 0 1 0 0 w 。近年来，累计已推广约5 5 8 万台套，总容量1 1 3 2 m w 。截止2 0 0 5 年底，我国的光伏系统累计安 装容量已达到了7 0 m w 。 2 2 1 2 并网光伏系统 太阳电池方阵发出的直流电力经过逆变器变换成交流电，并且与电网并联。这类光伏系统发展 很快，在2 0 世纪末，并网光伏系统的用量就超过了独立光伏系统。 并网光伏系统可分为两大类 1 ) 光伏电站 在光照丰富地区，建造大型光伏电站，所发出的电力，全部输人电网。由于是集中管理，可以 应用先进的技术，如为了提高太阳电池方阵的发电量，有些光伏电站利用计算机控制，采用全方位 跟踪装置等。 由于德国实施了高价收购光伏上网电力的激励政策。近年来积极发展大型光伏电站，到2 0 0 7 年 5 月为止，全球已建成最大的l o 座容量超过5 m w 的光伏电站中，德国就占了6 座；前5 0 座容萤在2 姗以上的光伏电站中德国占了3 1 座，其余是西班牙1 0 座，美国3 座，日本3 座，意大利、荷兰和 葡萄牙各有1 座。 目前世界最大的光伏系统容量为1 2 h o ，安装在德国，总共安装1 4 0 8 个) 叹轴跟踪器，每个跟踪 器上安装的光伏容鼍为8k w ，一共应用了2 8 0 0 0 块太阳电池组件和1 5 0 0 个s o i a n 逆变器。每年可 发电1 4 0 0 0 m y h ，减少二氧化碳排放量7 7 0 0 t 。 2 0 0 7 年2 月德国j u w is o l a rg m b h 公司宣布，开始在莱比锡以东的地区利用原来的空军用基地， 兴建世界上规模最大的光伏电站，总容量为4 0 m w 。该电站长度大约2 k m ，宽度约1 l ( n i ，占地相当于2 0 0 个英式足球场。全部采用薄膜太阳电池组件，共计5 5 万块，组件面积大约4 0 万平方米，由f i r s ts o l a r 公司提供。预计在2 0 0 9 年完成。系统造价为3 2 5 0 欧元k w ，要比市价低2 0 - 4 0 。总投资大约1 3 亿欧元。完成后每年能旋电4 千万k w h ，可供超过i 万户家庭使用。 我国深圳于2 0 0 4 年8 月建成了l m l 】光伏电站。 2 ) 户用并网光伏系统 这是专门供给家庭片j 电需要的光伏系统，通常与电网并联，光伏方阵发出的电力供家用电器使 用，如有多余，可以输人电网。在晚上或阴雨天，光伏方阵发出的电力不足，则由电网向家用电器 供应部分或全部电力，如图2 - 1 所示。这类光伏系统有很多优点，是未来分布式发电模式的重要组 成部分，具有广阔的发展前景。 9 东南大学硕上学位论文 图2 - 1 户用并网光伏系统 1 9 9 0 年德国首先开始实施“一千个太阳能屋顶”计划，在居民住宅屋顶上安装光伏系统，计 划结束时完成了2 5 0 0 套，平均容量为3 k w 。 1 9 9 7 年美国和欧盟先后宣布开展“百万太阳能屋顶” 以后，户用光伏系统得到了迅速的发展。德国在1 9 9 9 年开始实施“十万太阳能屋顶”计划，单是在 2 0 0 3 年就安装了1 2 0m w ，2 0 0 4 年起实施新的激励政策，很快在全国掀起了安装应用光伏系统的热潮， 安装的户用光伏系统比前一年增加了2 倍，达到了3 6 0m w 。日本很早就开始推广户用光伏系统，1 9 9 4 年开始实施“七万屋顶”计划，最初对安装的用户补贴总价的一半，市场发展起来后补贴逐渐减少， 到2 0 0 3 年只有补助1 0 。尽管补助减少了，安装量却仍不断增加，到2 0 0 3 年已接近1 7 万户，累计 安装容量超过6 2 0 姗。我国近年来也己开始进行试点和示范。 2 2 2 风力发电 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如机械能、电能、热能等，以实现 提水灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。风能又是一种过程性能源，与煤、石油、天然气等近代 广为开发利用的能源不同，不能直接储存起来，只有转化成其他形式的可以储存的能量才能储存。 风能在2 0 世纪7 0 年代中叶以后又重新受到重视和开发利片j ，因此风能与太阳能、地热能、海洋能、 生物质能等一起被称为新能源。 风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。在这个过程中 风力机捕获风能的过程起到了至关重要的作用，它直接决定了风电机组的输出功率。 风具有能量，但自然界中的风能不便于利用。为了把风能转变成所需要的机械能、电能、热能 等其他形式的能量，人们发明了多种风能转换装置。这就是风力机。风力机形式各异，但它们的工 作原理是相同的，即利用风轮从风中吸收能量，然后再转变成其他形式的能量。 风力发电自2 0 世纪7 0 年代以来逐渐从孤立使用的小型风力发电机发展为联网使用的大型风力 发电机组，世界各地建成了许多可大规模生产电力的风力电源。到2 0 0 2 ，年全球风力发电装机容量 已达3 2 0 0 万千瓦。最近5 年来平均年增长速度超过3 0 。风力发电是未来可再生能源发展的重点领 域。 德国、西班牙、英国近年来的风电事业在政府的积极支持和有力推动”f 发展迅猛，风电的装机 容量和发电量在全球已名列前茅。政府制定各种有效的鼓励政策引导投资多元化，除了电力公司外， 他企业和私人也都踊跃投资风电，这些国家的风电出现一派欣欣向荣的景象，时也增进了全民的环 保意识。三个国家对风电的发展充满信心，规划到2 0 1 0 年风电的发电量占总发电量的1 0 l a j = ，成 1 0 第二章分布式发电及对配电刚蟛喃 为能源可持续发展的一个重要组成部分。 1 ) 德国风电发展迅速 德国是近几年世界上风电发展最快的国家之一，2 0 0 2 年风力发电总装机容量已达到1 2 0 0 0 肼， 占世界风机总装机容簧3 1 9 0 0 m w 的3 7 ，6 ，占欧洲风机总装机容量2 3 4 5 0 m w 的5 1 2 ，仅2 0 0 2 年 年就创造了新装风电3 2 4 7 n 的世界新记录。政府计划在全德的发电总量中，风力发电量所占的比例 将从2 0 0 2 年的4 7 增加到2 0 1 0 年的1 0 3 0 、到2 0 3 0 年达2 5 ，并计划在2 0 1 0 年前发展1 5 0 0 0 m w 的海上风力电源。 2 ) 西班牙跳跃式发展风电 近几年来，两班牙的风力发电呈现了跳跃式的发展，1 9 9 7 年西班牙的风电装机容量仅为4 5 0 i w ， 而到2 0 0 2 年己跳跃到4 8 3 0 m w ，超过了日本和美国，跃居世界第2 位，2 0