（电力系统及其自动化专业论文）计及低碳效益的分布式发电优化配置研究.pdf

a l l o c a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nc o n s i d e r i n gl o w c a r b o n e f f e c t b y d e n g j i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o ur e n j u n a p r i l 2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 厂月7 。ge l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：沙7 t 年j 月堙e t 日期：年月 日 摘要 分布式发电( d g ) 具有减轻环境污染、降低终端用户费用、降低线路损耗、 改善电能质量和提高供电可靠性等特点，其将在新一轮电力技术提升和市场改革 中扮演重要角色。同时，分布式发电的接入必然会对系统的运行和控制及规划带 来一定程度的影响。因此，保证系统安全、环保、可靠、经济运行是分布式发电 并网的前提条件，而这恰恰与分布式电源的接入位置和容量密切相关。在当前国 际和国内实施建设智能电网的发展战略中，分布式发电的友好接入则是智能电网 中的一个重要方向，发展智能电网必须要重视分布式发电优化配置的研究。 论文首先介绍了分布式发电的背景和意义、国内外研究现状及其发展前景。 在分析分布式电源的分类方式及其与地区电网互联的方式的基础上，讨论了分布 式发电接入后对系统运行和控制方面可能带来的影响；通过分析电力系统各个环 节的低碳效益，总结出各自实现低碳电力的关键技术和措施。比较传统电源规划 和计及低碳效益的电源规划的差别，将低碳要素加入传统电源规划模式中得出计 及低碳效益的电源规划模式。 针对配电网分布式发电( d g ) 优化配置问题，推导出发电侧低碳费用的计算 公式，提出了低碳费用、电压安全、有功网损这三个评估配电网效益的指标，在 此基础上建立分布式发电多目标优化配置模型，应用最大满意度法将多目标规划 转化成单目标规划问题，并用模拟植物生长算法对上述模型进行求解。低碳效益 指标的加入改变了传统的分布式发电优化配置模型，使分布式发电的节能减排优 势最大化。 结合i e e e 3 0 节点系统进行了仿真。仿真结果表明，通过本文提出的方法所 获得的分布式发电优化配置方案，可以得到最优的电源位置和容量。通过与单目 标优化结果对比，此模型能够更加全面地评估分布式发电( d g ) 的优势，改变传 统电源规划中只考虑经济效益的单一模式，有效减少二氧化碳的排放，提高系统 的电压水平，降低系统有功网损。 关键词：分布式发电；低碳效益；多目标优化；最大满意度法；模拟植物生长算 法 _ 。1 。一 a b s t r a c t t h em u t u a l c o m b i n a t i o na n dc o m p l e m e n to fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o na n dl a r g e p o w e rg r i di sr e c o g n i z e da st h em a i na p p r o a c ht os a v ei n v e s t m e n t ，r e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o na n di m p r o v et h es a f e t ya n df l e x i b i l i t yo f t h es y s t e m ，w h i c hw i l lp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v e m e n to fp o w e rt e c h n o l o g ya n dr e f o r mo f m a r k e ti nan e w r o u n d a tt h es a m et i m e ，n e t w o r k c o n n e c t e dd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nb r i n g sg r e a t i m p a c t so nv o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，n e t w o r kl o s s e s ，s y s t e mp r o t e c t i o na n dr e l i a b i l i t yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r e f o r e ，e n s u r i n g t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s a f e t y ， r e l i a b i l i t y ，e c o n o m yo ft h es y s t e m i st h ep r e c o n d i t i o nf o rn e t w o r k - c o n n e c t e d d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，i ti sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h el o c a t i o na n dt h ec a p a c i t yo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n c u r r e n t l y ，m a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n sp u t f o r w a r dt h e d e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fs m a r tg r i d a ni m p o r t a n tf e a t u r eo fs m a r tg r i di s t h a ti th a s g o o dc o m p a t i b i l i t yf o r d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s o ，t h er e s e a r c ho nt h eo p t i m a l a l l o c a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nm u s tb ep a i dg r e a ta t t e n t i o ni nd e v e l o p i n gs m a r t g r i d a tf i r s t ，r e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm e a n i n go fd i s t r i b u t i o ng e n e r a t i o n ，r e s e a r c h s t a t u sa th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d b a s e do na n a l y s i so fc l a s s i f i c a t i o no f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o na n di t sn e t w o r k c o n n e c t e dt e c h n o l o g y ；a n dt h ei n f l u e n c e so f t h eo p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e ma r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i l l o wc a r b o nf o ra l l a s p e c t so fp o w e rs y s t e mi sa n a l y z e di n d e t a i l ，a n dk e yt e c h n o l o g ya c h i e v e dl o w c a r b o ni np o w e rs y s t e mi s s u m m a r i z e d b a s e do na n a l y s i so fd e f i c i e n c yo n t r a d i t i o n a lr e s o u r c ep l a n n i n g ，ar e s o u r c ep l a n n i n gp a t t e r nc o n s i d e r i n gl o w c a r b o nf o r d gi sp r o p o s e d t oc a r r yo u to p t i m a la l l o c a t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， t h r e ei n d e x e sa r ei n t r o d u c e dt oe v a l u a t ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) p r o f i t s ，n a m e l y l o w c a r b o ne x p e n s ei n d e x ，v o l t a g es e c u r i t yi n d e xa n da c t i v ep o w e rl o s si n d e x ，a n d o nt h i sb a s i s ad i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nm u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n m o d e li s e s t a b l i s h e d ，t h em u l t i o b je c t i v ep r o g r a m i st u r n e di n t oas i n g l eo b je c t i v ep r o g r a mb y t h em a x i m u ms a t i s f a c t i o nm e t h o d a na r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta l g o r i t h mn a m e l yt h e p l a n tg r o w t h s i m u l a t i o na l g o r i t h m ( p g s a ) w a se m p l o y e dt o s o l v et h eo p t i m a l p l a n n i n go fd g t h ep r o p o s e dm e t h o di ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gt h ei e e e3 0n o d e s d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa n e f f e c t i v em e t h o df o rm u l t i - o b je c t i v eo p t i m a la l l o c a t i o n i td e m o n s t r a t e st h a tt h e m e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rw i l ld e d u c et h el o s sa n dt h el o w - c a r b o n ，a n da l s o i m p r o v et h ev o l t a g es e c u r i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k c o m p a r i n gt h es i n g l eo b j e c t i v e p l a n n i n g ，t h i sm o d e lc a nm o r ec o m p r e h e n s i v e l ya s s e s st h ea d v a n t a g e so fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ；c h a n g et h et r a d i t i o n a lm o d ew h i c hju s tc o n s i d e r se c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；l o w c a r b o n e f f e c t ；m u l t i o b j e c t i v e a l l o c a t i o n ；p l a n tg r o w t hs i m u l a t i o na l g o r i t h m i i i 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 背景和意义1 1 1 1 研究分布式发电的背景1 1 1 2 发展分布式发电的意义2 1 2 分布式发电配置及其研究现状3 1 2 1 分布式发电配置3 1 2 2 分布式发电配置研究现状5 1 3 论文的主要工作与结构安排6 第二章分布式发电及其对配网系统的影响 2 1 分布式发电的定义及分类8 2 1 1 分布式发电的定义8 2 1 2 分布式发电的分类8 2 2 分布式发电并网研究1 0 2 2 1 分布式发电并网技术1 0 2 2 2 分布式发电并网技术的发展方向1 1 2 3 分布式发电对配电网的影响一1 1 2 3 本章小结一1 4 第三章电力系统低碳分析 3 1 电力系统低碳效益分析1 5 3 1 1 能源测1 5 3 1 2 发电侧1 6 3 1 3 输配电侧1 6 3 1 4 用户侧1 6 3 2 计及低碳效益的电源规划模式1 7 3 3 本章小结l8 第四章分布式发电优化配置指标 4 1 常用分布式发电优化配置指标1 9 4 1 1 经济效益指标1 9 4 1 2 环境效益指标2 0 4 1 3 电压指标2 2 4 2 本文采用的分布式发电优化配置指标2 4 4 2 1 低碳费用指标2 4 4 2 2 电压安全指标一2 5 4 2 3 有功网损指标2 5 4 3 本章小结2 5 第五章计及低碳效益的分布式发电优化配置研究 5 1 多目标优化配置模型2 6 5 1 1 目标函数2 6 5 1 2 约束条件2 6 5 1 3 模型特点2 7 5 2 目标函数归一协调2 7 5 2 1 最大满意度法2 7 5 2 2 目标函数归一协调2 9 5 3 模拟植物生长算法3 1 5 3 1 模拟植物生长算法概述3 l 5 3 2 模拟植物的生长演绎方式3 l 5 3 3 模拟植物向光性的概率生长模型3 2 5 3 3 模拟植物生长算法步骤3 3 5 4 模拟植物生长算法求解d g 规划3 3 5 5 本章小结3 4 第六章算例仿真及结果分析 6 1 配电网原始数据及计算参数3 5 6 2 结果分析3 7 6 2 1 单目标优化结果一3 7 6 2 2 多目标优化结果3 7 6 3 本章小结3 9 结论与展望4 0 参考文献4 2 致谢4 6 附录a 攻读学位期间发表的论文目录4 7 附录b 攻读硕士学位期间参加的相关课题4 8 第一章绪论 1 1 背景和意义 1 1 1 分布式发电的发展背景 由于地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的日益关注，全球范围内正在 进行一场深刻的电力市场化改革。降低电力生产和供应成本、实现资源的优化配 置、在电力工业中引进竞争机制使得在电力系统研究领域中形成了一个新的研究 热点一分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 。分布式发电( d g ) 是指将发电系 统以小规模( 发电功率在数千瓦至5 0 m w 的小型模块) 、分散式的方式布置在用户 附近，可独立输出电能的系统，由于其具有减轻环境污染、降低终端用户费用、 降低线路损耗、改善电能质量和提高供电可靠性等特点，近年来受到了全世界的 关注。同时，d g 与大电网联合运行的方式，可提高电力系统运行的灵活性、可 控性和经济性。 当前全世界供电系统是以“大机组、大电网、高电压 为主要模式的集中式 单一供电系统，全世界9 0 的电力负荷都由这种模式的电网供电，但是现在社会 对节能环保、电能质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于其自身缺陷已经 不能满足这种要求。2 0 0 8 年，中国南方地区遭受严重冰冻灾害，电网的安全运行 遭受极大破坏，我们不得不反思这种大电网集中供电方式的弊端： ( 1 ) 大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响， 严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃。 ( 2 ) 地球一次能源的日渐衰竭，传统发电方式不能顺应环境保护、节能减排 和可持续性发展的要求。 ( 3 ) 大电网集中供电方式对于偏远地区的负荷，显得“力不从心 。 ( 4 ) 不能及时有效跟踪负荷变化，为调峰建造的发输电设施利用率较低，导 致电网的负荷率逐年下降。 由上可知，现有的电力系统是“脆弱”和“迟钝 的，而且采取集中式电力 系统为主要的供电方式，会导致大量能源损失，各国电力系统利用效率不及3 3 ， 许多发展中国家还不到3 0 。所以，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，得到了越来越多的关注，已经成为了一个研究的热点。 另一方面，在全球范围内正在进行的电力市场化改革又使得独立发电运营成 为可能，并有机会进入原本被电力系统垄断的发电侧电力市场，参与电力市场竞 争，在市场经济体制下，以国家建设投资能源基础设施的垄断主体局面将被打破。 以建设速度快、投资规模小为特点的分布式发电技术为众多投资者提供了投资和 获利空间，也增加了电力能源设施建设的投资渠道。d g 与大电网相联，用户对 大型发电厂和输电的依赖将减少，同时对电力系统的结构、投资、运行、可靠性 等将产生一系列的影响，因此研究d g 技术及其在电力系统的应用受到了越来越 多的关注【2 1 。 1 1 2 发展分布式发电的意义 2 0 0 0 年以来，我国电力建设投资保持快速增长，不仅一批高参数、大容量机 组投产，新能源发电技术也得到逐步推广。“十一五期间，我国能源供应保障 能力明显增强，新增电力装机4 3 亿千瓦，全国总装机达到9 5 亿千瓦，居世界第 二位。其中，火电占7 4 6 ：水电占2 2 5l ；核电占1 0 3 8 ；风电占1 8 4 5 ；生 物质等其他发电形式占0 0 1 。具体的电力装机容量结构如图1 1 所示【，】。 才吨2 2 图1 12 0 1 0 年我国电力装机容量结构 通过电源建设，用电紧张的现象虽然得到一定缓解，能源结构和生产布局明 显优化，但煤电的比重依然过大，大量的化石能源消耗对环境的破坏依然严重。 “十二五规划 中国家能源战略计划明确指出我国将加速调整电源结构，风电、 光伏等新能源分布式发电比例将大幅度增加。总体来说，分布式电源( 包括储能) 大量接入电网，是顺应环境保护、节能减排和可持续性发展的重要趋势。发展分 布式发电的重要意义体现在以下方面： ( 1 ) 环保性：根据京都议定书，当前国际社会温室气体减排协议的有效 期为2 0 12 年，作为最大的c 0 2 排放国之一，中国必将在“后京都时代面临巨大 的节能减排压力。其中，电力行业作为国民经济中最大的c 0 2 排放部门，占总排 放量的3 8 7 6 t , q ，电力将成为节能减排的主力。由于分布式发电通常采用天然气、 氢气、太阳能、风能等清洁可再生能源，利用先进的能源转换技术，能有效减少 c 0 2 、c o 、硫化物和氮化物等有害气体的排放，减轻对环境的破坏，拥有较高 的发电效率，是解决空气污染的一个重要解决方案。此外，大量的就近供电减少 了大容量长距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线电磁污染，也 减少了高压输电线征地面积。 ( 2 ) 经济性：分布式发电可观的经济性体现在两个方面：一方面，传统电力 生产中，一次能源转化成电力的过程会产生大量的热量( 约占燃料能量的2 3 ) ， 2 并且大电网供电模式下能量形式单一，而分布式发电可以用发电的余热来制热、 制冷，因此能实现能量的梯级利用，其能源有效利用率高达9 0 ；另一方面，传 统大电网中，电源与负荷之间的距离较远，通常都要通过远距离高压输电输送给 用户，而我国大电网网损高达6 5 - - 7 5 ，分布式电源则靠近负荷，从而可以 大幅度降低网损，延缓电网的扩张。 ( 3 ) 可靠性：尽管建设大型电厂的趋势有增无减，但是发电量的增长远低于 用电负荷的增长速度，用电缺口仍然较大，在这时，传统大电网的急速膨胀威胁 到供电的安全与稳定。分布式电源具备开停机方便、操作简单、负荷调节灵活等 优点，可以“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”，因此，分布式发电与大电网配合可大 大提高了供电可靠性。在电网崩溃和意外灾害( 如暴风雪、地震、战争) 情况下分 布式电源可断开并网，继续以“孤岛 形式供电，保障重要的集会或场所的供电 安全。 ( 4 ) 调峰性：分布式发电启停快速，自动化水平高，与大电网配合时具有优 良的调峰性能。夏季和冬季通常是负荷的高峰期，如采用以天然气为燃料的燃气 轮机等冷、热、电三联供电系统，不但可解决夏冬季的供冷和供热的需要，发挥 天然气与电力互补的作用，同时也提供了一部分电力，降低电力峰荷，起到电力 调峰的作用。对于电力用户来说，可以根据电价的时间分布选择供电方式，降低 总体电力费用。 ( 5 ) 市场性：随着分布式发电的逐步并网，大型中心发电厂作为电网惟一供 电方的模式被打破，供电方将呈现出多元化的局面。这一局面的出现必将在供电 方中引入竞争机制，促进能源供应多元化发展，由此电价将进一步合理化，电能 质量、供电可靠性和供电服务质量得到提高，其直接受益的将是用户。总之，整 个电力市场的竞争将更加激烈。所以，分布式发电对传统电力公司来说既是机遇 也是挑战。 总体来说，分布式发电技术是集中供电模式之外的重要补充，将成为我国未 来能源领域的一个重要发展方向。储能技术的发展为分布式发电注入了新的活 力，是分布式发电在技术上向前迈进了一大步。随着分布式发电技术的不断提高 和分布式发电的成本不断下降，分布式电源的应用范围也将不断扩大。因此，分 布式发电系统具有广阔的应用市场，它将是2 1 世纪电力企业发展的主要方向。可 以相信，分布式发电技术将用户带了一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。 1 2 分布式发电配置及其研究现状 1 2 1 分布式发电配置 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 ，d g ) 是相对于传统的大容量集中式发电 3 厂而言的一种分散、非集中式的发电方式，目前，国际上对于分布式发电的定义 并没有统一和规范，但基本的概念是一致的。一般是指将发电系统以小规模( 一 般低于3 0 m w ) 、分散式的方式布置，在用户现场或靠近用电现场所能够高效、 经济、可靠地输出电能的系统i s 】，如：光伏电池、风力发电机、燃料电池、小型 燃气轮机或他们的混合装置等。分布式发电具有以下特点- l 、接近终端用户；2 、 运行在3 8 0 v 和l0 k v 或稍高的配电电压等级上；3 、发电容量相对较小；4 、采用 清洁或可再生能源( 天然气、生物质能、太阳能、微燃机、小型水力发电、小型 风力发电、沼气等) ；5 、可采用热电联产的方式i s 】。 分布式发电优化配置是指在考虑一次能源和地域条件的约束和国家相关的 电力能源政策的基础上，根据规划期间网络中负荷预测的结果和现有网络的状 况，确定分布式发电的配置地址和配置容量，使得分布式发电的接入既不会降低 电网运行的安全性和稳定性，同时又能使得规划追求的目标效益最大化。 电源规划问题是非常复杂的大规模的优化组合问题，分布式发电被接入配电 网后，原有配电网变成了同时有负荷和电源的系统，与传统的没有电源的配电网 形成了鲜明的反差。由于分布式发电多采用可再生能源诸如太阳能、风能等，受 自然气候和地域条件制约，具有随机性、间歇性强等特点，d g 与传统集中大电 网供电方式形成互补的同时，必然也给配电网规划中的负荷预测、电源优化配置 等带来了更大的不确定性。传统的电源规划模型和求解方法已十分成熟，但却不 能很好解决分布式电源规划问题，因为分布式电源规划问题有很多不同特点，主 要体现在以下几个方面【，】： ( 1 ) 与传统电源相比，部分可再生能源( 风能、水能、太阳能) 随机性、间歇 性强将影响系统的可靠性，增加系统备用容量，常规机组的启停次数增加，从而 使得系统降额运行的时间增多。此外，d g 的输出随气候等自然条件波动，给 电网的调频调峰带来不便。所以，在规划中，规划人员需要充分考虑各种不确定 性，建立有效的模型进行分析计算，使得结果更加符合真实情况1 8 1 。 ( 2 ) 分布式发电的并网会对配电网的经济效益、潮流分布、电压稳定性、继 电保护等产生影响，在选址定容时，要充分评估这种影响的好坏及程度【，】。 ( 3 ) 传统配电网规划只考虑配电公司的经济利益，而在电力市场的环境下， 配电公司、发电商甚至终端用户都可以投资安装分布式发电，利益方趋向多元化， 实际情况和利益主体方不同，目标函数随之不同1 1 0 1 。 ( 4 ) d g 通常采用可再生能源发电，所以输出功率可控性很差，不能灵活实 时的控制输出功率。同时，由于大型d g 的并网可能会影响电能质量、静态稳定 和暂态稳定，引起电压波动谐波污染、及闪变。因此，在规划中需要考虑d g 的 最大穿透功率【】。 ( 5 ) 分布式发电并入配电网后，系统的节点数增加，未知变量的增加使得传 4 统配电网规划模型的求解难度也增加。分布式发电配置分为两类：一类是并网的 分布式电源与常规电源一起进行优化配置：一类是单纯的分布式电源布点配置。 前者以电网规划为出发点，后者以电源规划为出发点。本文重点讨论分布式发电 在配电网中的优化配置【1 2 】。 在已有的电网的基础上进行分布式电源配置，通常分为两步：第一步是根据 国家的相关能源政策和自然资源的分布确定d g 的类型、数目和位置，这一步中， 目的是确定d g 的类型和组成，再进行选择定容，这个过程仅仅考虑环境上的限制； 第二步是结合分布式电源并网后的实际情况，在第一步的基础上，重新进行分布 式电源的选址定容。同时，随着发电侧市场竞争的日益加剧，不同类型的发电设 备进入电力市场，所以在规划中，规划者必须考虑各种d g 的运行特性、故障特 性、电气特性、经济性和环保性，对分布式发电配置分别进行经济分析和工程分 析。其次，还要考虑相关电力职能部门或监管单位已经对部分可再生能源发电的 政策倾斜和资金补贴，如电价补贴、优先上网等等。因此，整个分布式发电配置 过程由工程分析、经济分析、财政分析三方面组成【1 3 l 。 1 2 2 分布式发电配置研究现状 分布式发电配置作为当前研究热点，国内外学者针对d g 并网后产生的影响 进行了评估分析，以求d g 优化配置的目标值最大化1 1 4 - 【l 钉，d g 安装位置和额定容 量的确定是电源规划阶段的重要课题。研究表明：d g 不同的安装位置和容量。 将会直接影响到配电网的电压分布、短路电流的大小、电压稳定性、系统继电保 护等。通过有效的优化配置方法确定合理的配置是本文研究的核心目的。 国内外学者对d g 优化配置问题的研究大多从模型和方法两个角度出发。规 划者根据规划目标和实际约束进行数学建模，例如，文献 1 6 】建立了链式配电网 络、恒功率静态负荷模型和分布式电源的功率模型，提出一种图解与遗传算法相 结合的计算方法；文献【l7 】研究了多负荷水平下计及节能调度的配电网分布式电 源( d g ) 优化配置问题，建立了2 层规划数学模型，使d g 并网运行价值最大化；文 献【1 8 】对分布式发电的可行接入位置以及注入容量限制进行了理论探讨；文献【1 9 】 和文献【2 0 】均以最小化网损为目标函数并以此进行优化配置；文献 2 l 】考虑短路 电流的约束，从经济性和安全性两个角度出发，建立多目标优化配置模型；文献 【2 2 】以最大化有功输出为目标函数，将线路的热稳定极限加入约束中，利用线性 规划求解模型。 针对分布式发电优化配置问题，国内外文献中出现不同的优化方法。从采用 角度，可归纳为以下几类：1 、解析方法，文献 2 3 】则提出了一种优化d g 安装位 置和容量的新方法，提出一个改善配电网电压分布的指标，求出该指标对节点有 功和无功的灵敏度，通过该灵敏度确定d g 的最优安装位置。2 、启发式方法，在 5 确定d g 最优安装位置时，通常都会受到网损、电压和环境等客观因素的制约。如， 文献 2 4 1 通过计算微增率确定分布式发电的安装位置，在确定容量时，充分考虑 环境因素，使得结果有利于环境保护；文献 2 5 1 通过计算不同分布式电源配置方 案的年发电费用、用户停电损失、环保成本，建立了综合经济性、可靠性、环保 性评估的分布式电源优化配置模型。3 、随机优化方法，遗传算法、蚁群算法和 粒子群算法等大量智能算法的应用使得分布式优化配置结果更加合理更加精确， 文献 2 6 】采用遗传算法对配电网d g 优化配置进行了改进；文献 2 7 1 采用t a b u 搜索 算法求解此问题；文献 2 8 1 在满足d g 容量最大限制的基础下，以损耗最小为目标 函数，采用蚁群算法求解最优d g 配置位置和容量。 目前，对于分布式发电优化配置研究已比较充分，但是该方面研究仍存在一 些不足之处，特别对于配置中不确定性因素处理研究较少。传统的配电网电源规 划方法通常会选择其中某个预想环境，利用该环境下已确定的参数，求得基于该 环境约束的、相对目标函数最大的确定性方案。这一类方法适应面不广，和实际 情况有所偏差。同时，规划模型中对环境因素的考虑不足，没有将低碳效益作为 重要指标进行优化，因此，在对接入配电网的d g 进行优化配置时必须考虑以下 特点：( 1 ) 负荷预测值、部分利用可再生能源发电的d g 的输出功率、电价等不确 定因素。( 2 ) 分布式发电接入配电网对环境以及低碳效益的影响。( 3 ) 多目标优化 时，各个目标之间的权衡和协调。( 4 ) 根据不同分布式发电，采用不同方法使得 其优势得到最大化。 1 3 论文的主要工作与结构安排 本文在介绍分布式发电及其相关问题基础上，对电力系统各个环节进行低碳 分析，针对配电网分布式电源( d g ) 优化配置问题，提出了低碳费用、电压安全、 有功网损这三个评估配电网效益的重要指标，在此基础上建立分布式发电多目标 优化模型，应用最大满意度法将多目标规划转化成单目标规划问题，并用模拟植 物生长算法对上述模型进行求解。主要研究内容包括： ( 1 ) 首先介绍了分布式发电的背景及意义、国内外研究的现状和将来的发展 前景，接着介绍了分布式发电的分类方式并详细探讨分布式发电对配电网的影 响。 ( 2 ) 针对能源侧、发电侧、输配电侧、用户侧四个环节的低碳效益进行详细 分析，总结出各自实现低碳电力的关键技术和措施。比较传统电源规划和计及低 碳效益的电源规划的差别，将低碳要素加入传统电源规划模型中得出计及低碳效 益的电源规划模式。 ( 3 ) 从经济、环境、电压稳定三个方面出发，分别对常用的分布式发电优化 配置指标进行分析和总结，推导相关计算公式，同时，提出本文采用的评估分布 6 式发电优化配置的三大指标，分别是低碳费用、电压安全、有功网损。 ( 4 ) 建立了以低碳费用和电压安全及有功网损为多目标的d g 优化配置模型， 通过最大满意度法将多目标规划模型转换成一个单目标规划模型，求解目标函数 时，应用模拟植物生长算法，重点讨论了算法的原理及优化过程，并结合本章的 优化配置模型提出了具体的操作方法，最后确定了求解函数的仿真步骤和流程 图。 ( 5 ) 结合i e e e 3 0 节点配电网系统，用本文提出的方法进行计算仿真。并通过 仿真结果验证了本文的优化模型和算法的可行性和优势性。 7 第二章分布式发电及其对配网系统的影响 2 1 分布式发电的定义及分类 2 1 1 分布式发电的定义 分布式发电与传统集中式发电的主要区别体现其规模较小且靠近用户，通常 可以直接向其周围附近的负荷供电，根据需要向配电网输送电能。对于分布式发 电，目前国际上并没有统一规范化的定义【2 9 l 。 ( 1 ) 美国能源部的定义是：分布式电源( d i s t r i b u t e dr e s o u r c e ) 与能量管理系统 和储能装置相联，通常位于用户附近，用来改善电力系统运行情况的小型的、模 块化的、可以独立工作的技术。 ( 2 ) 国际大电网委员会( c i g r e ) 的定义是，中央调度型的或非经规划的电力生 产方式，一般与配电网连接，发电规模在数千瓦至5 0 m w 之间。 ( 3 ) 加利福尼亚能源委员会( c e c ) 认为：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 ) 是 在配电网范围内，分布在用户处或其附近的、独立或并联的，能为用户和公共事 业单位提供电力的发电机组。 ( 4 ) 美国能源市场研究所的定义是：位于用户附近的发电设施、能量储存和 能量管理以及热电联产技术，利用联网优势为供需双方利益服务的发电技术。 结合各种定义及我国的实际情况，从一般意义上讲，分布式发电指的是为了 满足一些特殊或固定用户的需求，提高原配电网运行的经济性和稳定性而安装在 用户处或其附近的清洁环保的、小型模块式的发电机组，功率为数千瓦至5 0 m w 不等。分布式发电坐落在用户附近可以提高负荷的供电可靠性及电能质量，显然 我国的“小机组 、“小火电 和“小热电 同样属于分布式发电的范畴，但由 于其环境性能和技术经济性能较低将被逐渐淘汰。 2 1 2 分布式发电的分类 分布式发电按照其容量大小分为三类：小型( 1m w ) 。同时，按照其用途分为民用( 2 0 k w l o o k w ) 、商业用 ( 1 0 0 k w l o m w ) 和工业用( 1 0 m w 5 0 m w ) 三种。 在不同的研究领域，分布式发电有不同的分类方式。按照使用的一次能源的 种类可分为化石能源、可再生能源；根据循环方式不同可分为燃气轮机发电，柴 油机发电或蒸汽轮机发电；根据用户需求不同又可分为供电方式、热电联产方式 ( c h p ) 及冷热电联产方式( c c h p ) 。 根据分布式发电并网技术的类型可以分为机电式( 直接与系统连接) 、逆变 8 式( 通过逆变器与系统相连) 的分布式发电系统。 根据分布式发电技术分类主要有：微型燃气轮机、光伏发电、风力发电、小 型水力发电、生物质能发电、燃料电池、潮汐能发电、地热发电等各种电能储存 技术。本文将分布式发电及其技术特点总结为以下两表： 表2 - 1 分布式发电分类 表2 - 2 分布式发电技术特点及应用情况 9 2 2 分布式发电并网研究 在偏远或特殊地区，分布式发电作为唯一的电源向用户供电，所以选择分布 式电源的用户希望能使用分布式发电也可以由传统当地电网供电、或由它们两者 同时供电、或把其中一个作为备用电源；作为电网公司，可以通过对分布式发电 的远方监控和调度以保证系统运行的可靠性和安全性。而保持分布式电源和系统 之间的联系是实现以上功能的前提条件，即通过并网技术实现分布式发电和系统 电网之间的转换，实现相应的控制、监视、保护等功能。当分布式发电与电网并 联运行时，由分布式发电组成的电源( 一般约为几十m w 以上) 通常与较高电压等 级的电网( 1 级配电网) 联接，如3 5 k v 及以上，这一点与传统集中式发电类似。 2 2 1 分布式发电并网技术 根据分布式发电技术的不同，通常d g 并网的接口一般有3 种形式：同步发电 机、异步发电机、d c a c 或a c a c 变换器。每种形式d g 的常规容量范围及其并 网形式如表2 3 所示。 表2 - 3 分布式发电容量及其入网方式 其中，采用同步发电机作为接口的分布式发电又分为两种【，o 】：励磁电压可调 型和励磁电压恒定型。励磁电压可调型的d g 可以视为p v 节点，在潮流计算中， 处理方法与传统常规方法一致。而励磁电压恒定型d g 不具有电压调节的能力， 因此在潮流计