（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电并网运行优化配置方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 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 ) 与电力系统相联引起了人们 的广泛关注，它能够提供多种供电电源，作为电力系统的有效补充，提高供电 可靠性，还能降低环境污染。其除了具有调节潮流分布等常规作用外，还可以 被用来治理电压暂降和降低线损等。针对分布式发电引入配电网后最佳安装位 置与容量计算的问题，本文基于链式配电网络、恒功率静态负荷模型和分布式 电源的功率模型，并考虑d g 对降低线损和调节电压的作用，提出了一种图解 与遗传算法相结合的计算方法；并通过电能质量调节装置与分布式电源协调配 置，改善配电网中的电能质量。最后通过典型的仿真算例，充分证明了所提方 法的正确性和可行性。 关键词：电力系统，分布式发电，并网运行，优化配置，电能质量 a b s t r a c t t h ei n t e g r 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 n t ol a 唱e s c a l ep o w e rs y s t e m si sa l l a t t r a c t i v ep r o p o s i t i o ni nt e n n so fd i v e r s i t yo fe n e r g ys u p p l y ；h i g h e rr e l i a b i l i t y ；a n d r e d u c e dp o l l u t i o ni m p a c t s d i s t r i b u t e dg e n e m t i o nc a nb ea p p l i e di nam 锄e rt h a ti t n o to n l yp l a y st h ec o n v e n t i o n a lr o l eo fr c g i i l a t i n gp o w e rf l o w b u ta l s oc 锄a v o i d v o l t a g es a ga n dr e d u c el i n el o s s i nl i g h to ft h ec a l c u l a t i o n so ft h eo p t i m u m i n s t a l l a t i o ns i t i n ga n ds i z i n g ，ac a l c u l a t i o nm e m o dc o m b i n i n gm e 铲a p h 趾dg e n e t i c a l g o r i t t u nw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h ec h a i nd i s t r i b u t i o nn e t w o f k ，觚d a d o p t e dt h es t a t i cl o a dm o d e lw i t hc o n s t a n tp o w e r 觚dt h ed i s t r i b u t e ds o u r c em o d e l t h r o u g ho p t i m a la l l o c a t i o nb e t w e 吼p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e ra n dd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ， t h ep o w e rq u a l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a si m p r 0 v e d t 如i c a l s i m u l a t i o ns a m p l e sd e m o n s t r a t e dt h ec o l l r e c t n e s sa n da v a i l a b i l i t yo ft h em e m o d p f o p o s e d l i a nc h a o ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ip e n g k e yw o r d s ： p o w e rs y s t e m ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，g r i dc o n n e c t e d ，o p t i m a i a l l o c a t i o n ，p o w e rq u a l i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式发电并网运行优化配 置方法的研究，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： 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：趣。超导师签 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 世界范围内经济的蓬勃发展，使得国际、国内电力需求持续增长。然而电力的 增长也带来了负面效应地球能源日渐枯竭、地区性和全球性环境恶化问题。这 使得在电力系统研究领域中形成了一个新的研究热点一一分布式电源( d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，d g ) 分布式能源( d i s t 舶u t e dr e s o u r c e s ，d r ) f l - 3 】。分布式电源凭借其就地 发电服务用户、清洁环保等诸多优点，将会拥有越来越大的市场份额。由欧美电力 专家首先提出的投资省、发电方式灵活、与环境兼容的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。 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配 的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。但它也存在一些弊端，主要 有【2 】： 1 ) 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电； 2 ) 不能灵活跟踪负荷的变化。如夏季空调负荷的激增会导致电力供应短时不 足，而为这种短时的峰荷建造发输电设施是得不偿失的，因为其利用率极低。随着 负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发输电设施的利用率都有下降 的趋势； 3 ) 大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电；而电力系统 越庞大，事故( 如雷击) 发生的概率越高。因此可以说，现有的电力系统是既“笨拙 又“脆弱 的。 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，由国家垄断的能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。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，也增加了能源设施建设的投资渠道【4 】。 我国广大地区蕴含丰富的可再生能源( 如风能、太阳能等) ；具备发展d g 技术 的客观条件。因此，大力发展该项技术对保证国家能源供应、促进经济快速发展具 有重要意义。 d g 同配电网并网运行，能够充分发挥d g 机组的优势，提高能源利用率，减 少污染物的排放，降低配电网网损，提高供电可靠性。我国d g 的开发利用正处于 华北电力人学硕士学位论文 快速发展的阶段，风能、太阳能、地热能等的利用已经为部分地区的电力供应问题 提供了解决方案。 同时，d g 并网运行对配电网也会产生一些不利的影响，当d g 机组并网后， 将直接影响输配电网络对一般用户的供电质量。由于在局部多出了一个电源会造成 电压被抬高，有可能超出规定的正常范围，而对于使用感应发电机的风电厂等工业 用户，由于其运行要吸收无功功率，可能会造成线路无功损耗加大，从而使线路电 压下降。 了解d g 对配电网的影响，有利于我们充分发挥其优势，研究不利影响产生的 原因及其解决措施，对于d g 的进一步发展和应用有很大的意义。 1 2d g 的研究现状 1 2 1 国外研究动态 英国的电力市场已经逐渐放开，许多分布式电源政策着眼与环保，给予了分布 式发电很大的发展空间。多年来，英国政府一直试图通过能源效率最佳方案( e e b p p ) 促进d g 的发展。英国在过去2 0 年中，已超过1 0 0 0 个d g 系统被安装，遍布英国 的各大饭店、休闲中心、医院、综合性大学和学院、园艺、机场、公共建筑、商业 建筑、购物商城及其它相应场所。 在美国，应急用电是分布式电源的一个主要应用方面。建在工业及商业点的柴 油应急发电机组的发电容量超过1 0 0 g w 。仅加州的备用机组就提供了3 2 g w 的电 力，占该州高峰用电需求的6 以上。但相对低的电价和较高的天然气价格限制了 分布式电源的发展。但现在美国能源部( u s d o e ) 的d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e s 计 划是带领全国共同努力发展下一代洁净、高效、可靠、用户能够买的起的d g 系统。 具体的操作方式是与能源设备的制造商、能源服务者、能源项目的开发者、州政府 和联邦机构、公众利益组织、用户进行合作、研究、开发一系列先进的、能够进行 就地生产的、小规模、模块化设计的发电、储能技术，用于工业、商业和民用方面， 这些技术包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术和 能量储存技术，同时也进行先进的材料、电力电子、复合系统以及通讯、控制系统 等方面技术的开发。 风力发电是可再生能源中发展最快，最具有规模和发展前景的一种发电方式。 在德国，丹麦和西班牙等风电大国的实践证明，风力发电是可以可靠地提供一个地 区或者国家电力供应并占较高的比例。德国是世界第一风电大国，德国2 0 0 1 年风 力发电量占3 5 ，预测几年后到5 。德国2 0 0 2 年风电新装机容量高大3 2 4 7 m w 为世界之最，其全国风电总容量达1 1 9 6 8 m w 。根据德国政府的计划，到2 0 3 0 年， 2 华北电力大学硕士学位论文 风能在德国电力供应中的比例要达到2 5 。 日本政府对电力零售商规定了利用新能源的强制性规定目标，生产新能源的电 力公司建立电子帐目记录“新能源电力可应用量 ，此可应用量可进行交易。2 0 0 1 年财政年度，电力公司购买了1 2 4 g 吼的太阳能电量和3 8 4 g 啪的风电【5 1 。 1 2 2 国内发展现状 我国电力体制的改革，政府职能与企业职能的分离，发电与输配电网彻底分离， 发电侧竞争市场机制的建立，为d g 系统的发展奠定了坚实的基础。当前，对d g 系统的研究在国内已开始启动，并且已经在北京、上海、广东等地兴建基于冷、热、 电联产的分布式电源系统【6 】，例如上海黄浦中心医院、上海浦东机场、北京燃气集 团指挥调度中心c c h p 项目和广东地区分布式发电三联供项目等。在西部和沿海也 兴建了基于可再生能源( 太阳能、风能等) 的d g 。 热电联产和可再生能源具有极大的应用潜力，在有力政策的帮助下，分布式电 源在未来十年里将会拥有更广阔的市场。 目前国内在d g 方面的研究相对较少，且大多集中在电源本身，如怎样构造高 效率的风机，提高风机运行的稳定性，改进太阳能的利用方式，提高利用效率等， 而在d g 对电力系统规划、运行等方面的影响的研究大多集中在定性分析的层面上。 国外电网相对已经发展得比较完善，电网比较强大，承受冲击的能力较强，d g 的 接入对主网运行的影响尚不够大。而我国电网，网架结构还很弱，d g 的接入对主 网的运行有很大的影响。因此，国外在d g 的研究成果尚无法直接应用于我国，其 分析结果与在我国电网情况下是否一致还有待比较，解决方法在我国电网情况下能 否适用也需要进一步研究，这是在我国大规模发展d g 技术需要解决的重要问题。 1 3 现今存在的问题 合理分配分布式电源有利于电网电压质量的提高。此外，还可以提高电网的稳 定极限，提高线路的输电能力，但其在应用过程中面临的许多问题目前并没有得到 很好的解决： 1 ) d g 并网的接入位置如何最优； 2 ld g 并网对系统潮流的影响； 3 ) d g 并网后对电能质量的影响； 所以，探讨d g 并网对网络的冲击，并确定对其约束可以更好的在保证系统稳 定运行的前提下，加快分布式电源的发展。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文在分析了分布式发电技术的基础上，系统的分析了d g 对配电网的影响， 通过建模和仿真，完成了分布式发电并网优化配置方法的研究，其中包括： 1 ) 总结了国内外有关d g 的相关概念，并从一次能源、接口技术和大小等方面 对目前出现的d g 技术做了分类，并详细归纳了目前多种具有发展潜力的d g 技术， 并从不同角度分析d g 对电力系统的影响。 2 ) 归纳了配电网的概念、分类和接线方式，建立了配电网络模型，包括电压等 级、接线方式、运行方式，建立了有功、无功形式的d g 模型，并通过上述模型提 出了d g 引入配电网后最优位置与容量的算法图解算法，通过仿真实验，验证 了这种算法的正确性。 3 ) 研究了配电网的电能质量以及电能质量调节装置的工作原理，针对d g 引入 配电网后的电压分布特点，提出了将电能质量调节装置引入到配电网中与d g 配合 调节电压，给出了d g 与电能质量调节装置优化配置策略方法，仿真结果表明该方 法计算简便、效果显著。 4 ) 对风电场在电力系统调度中的作用进行了研究，并分析了其优化配置方法。 提出采用其他发电设备与风电场互补的方法，使风电场在电力系统调度中起积极作 用。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 分布式发电的定义 第二章分布式发电技术 对于分布式发电，一直以来对它的称呼都不一样。国外常用的称呼有： d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( 分布式发电) ，d e c e n t f a l i z e dg e n e r a t i o n ( 分布式产能) ， d i s t r i b u t e dp o w e r ( 分布式电力) ，d i s t 衲u t e de n e r g yr e s o u r c e s ( 分布式能源) 等等。与 此相应，国内的称呼也不一致，如分布式电源，分布式发电系统，分布式发电等。 本文采用分布式发电d g ( d i s t r i b u t e dg e i l e r a t i o n ) 的说法，并不表示对其他说法 的否定。本文旨在比较和分析不同机构、不同学者给出的不同定义，主要是对分布 式电源有一个概念上的认识【7 1 。 1 ) 美国能源部给出的定义是：与能量管理系统和储能系统相联，改善电力传输 系统的运行情况的小型的、模块化的不论它是否能与电网相联的生产电能的技术。 2 ) 加利福尼亚能源委员会( c e c ) 给出的定义是：在配电网范围内分布在用户处或 其附近的、并联或独立的，能使用户和公共事业单位获益的发电机组。 3 ) e p r i 和i e e e 的定义分别是：要求需求侧管理的，小型( 5 0 m w ) 的电能生产 或存储技术，不与大型电网相联的电能生产技术。 4 ) 美国先进能源市场研究中心给出的定义是：包含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 系统。 从不同机构、学者给出的分布式电源的定义可以看出，分布式电源系统的研究 还处在初级阶段，分布式电源的基本术语、基本概念是不统一的。经过分析，对d g 的定义有各自的侧重点和出发点，各定义之间是既相近又有区别： 1 ) d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t e dp o w c r ，d e c e n t r a l i z e dg e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t e d p o w c rg e n e r a t i o n 基本上是等同的，是指可以安装在用户附近并为其供电的小型发电 技术或装置。d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e ，d i s t r i b u t e dr e s o u r c e 和d i s t r i b u t e de n e r g y 的定义基本相同，是从电网运行、能源管理角度给出的，与d i s t “b u t e dg e n e r a t i o n 的定义的区别主要在于是否涉及到能源管理和能源储存技术。 2 ) 综合这些分布式电源的定义，可以看出，分布式电源的定义是从分布式电源 所包含的技术，所处位置，与电网的关系，应用目的，容量大小等方面进行定义的。 3 ) 在技术方面，有些定义认为分布式电源只是发电技术，而有些定义除了包括 发电技术外还包括能量储存、能源管理、需求侧管理等技术，如电力研究所( e p r i ) 5 华北电力大学硕十学位论文 给出的d i s t r i b u t e dr e s o u r c e s ( d r ) 定义，电力电子工程协会( i e e e ) 给出的d i s t r i b u t e d r e s o u r c e s ( d r ) 定义，美国能源市场研究中心给出的d i s t r i b u t e de n e r g y ( d e ) 定义。 4 ) 在分布式发电的容量方面，有的定义用的是“小的”词，有的定义给出了 确切的容量限值，但限值不统一，有的是5 0 m w ，有的是3 0 m w ，有的是1 0 m w 。 然而由于容量限值的不统一，使人们无法确切判定哪些发电设备属于分布式电源， 哪些不属于分布式电源。应该指出的是，以发电装置容量的大小来界定分布式发电 是不科学的。随着技术的日益更新，在不久的将来，d g 的容量逐渐增大，占电网 中电源的比例也会更加可观。 综合各种定义及我国的具体情况，一般我们所说的分布式发电，指的是为了满 足二些特殊用户的需求：支持已有的配电网的经济运行而设计和安装的在用户处或 其附近的模块式的、清洁环保的小型发电机组，一般为几兆瓦到几十兆瓦。它们或 坐落在用户附近使得负荷的供电可靠性及电能质量都得到增强，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：一般它们的投入与切除以及发电量的大小 均不受大电网调度的控制，能够经济、高效、可靠地发电。 2 2 分布式发电的分类 从不同的研究方向，d g 有不同的分类方式。一般可以根据d g 的技术类型、 所用的一次能源及电力系统的接口技术进行分类【8 】，如表2 1 所示。 1 ) 根据d g 的技术类型 根据d g 通常所使用的技术可分为：柴油机组发电、水力发电、风力发电、光 伏发电、太阳热发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的能源有化石燃 料、可再生能源及电能的储存( e l e c t r i cs t o r a g e ) 。 2 ) 与电力系统的接口技术 若d g 与电力系统相联，则可以根据d g 并网技术的类型分类，即直接与系统 连接( 机电式) 和通过逆变器与系统相联两大类。若d g 是旋转式发电机直接发出工 频交流电则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电、太阳热发 电等；而逆变器型d g 通常指的是将直流电逆变上网的d g ( 如风力发电、光伏发电、 燃料电池及各种电能储存技术) 和发出高频交流电的d g ( 微透平机组) 。 3 ) 根据大小 虽然按照大小来界定分布式发电系统是不科学的，但在d g 的实际应用中，考 虑到d g 大小对其在电力系统中应用有直接影响，因此按其大小分为小型 ( 1 m w ) 。表2 1 其中木表示存在该种规模的 分布式发电。 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 分布式发电分类 2 3 分布式发电简介 2 3 1 风力发电技术 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。它的输出 功率由风能决定。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【9 1 1 】。 风力发电的原理是：天然风吹转叶片，带动发电机转子旋转而发电。风力发电 机的风轮机多采用水平轴、三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长。功 率调节是风轮机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式： 一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。大部分风力发电机都有对准风向机 构，自动使风轮机处于迎风状态。随着技术的发展，已出现了浓缩风能型风力发电 机迎风及限速自动控制系统等新型风力发电机系统。 按照风轮发电机转速是否恒定，风力发电可分为定转速运行与可变速运行两种 方式；按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷 双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。 早期的风力发电机大多采用附带增速装置的异步发电机。异步发电机结构简 7 华北电力大学硕士学位论文 单，发出的工频交流电可直接使用或经变压器输入电网。多数情况下，异步风力发 电机定速旋转，绕线式异步电机可通过在转子接入可变电阻实现低频励磁来调节转 矩大小，也可以变速运行。因为要从电网获得励磁电流，所以异步风力发电一般不 能脱离电网单独运行，除非用某种方式获得励磁。同步风力发电机不需要增速传动 结构，整体结构简单。随着电力电子变流技术的进步，先进的同步风力发电常采用 交一直一交的接入方式，即先把发出的交流变成直流，然后再逆变成工频交流接入 用户或电网。这种发电方式的优点是，发电机转速不必与电网频率要求的转速同步。 由于其输入功率存在固有的不平衡性，风力发电在一定程度上可起到蓄能作用，一 般风力发电机输出的交流电经过整流后向蓄电池组充电，然后通过逆变器连入电 网。 风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。 独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用。这种方式可 供电网达不到的边远农村、牧区、海岛等地区使用，一般单机容量数百到数千瓦。 并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发 电场，发出的电能全部经变压器送至电网，这是目前风力发电的主要方式。风力同 其它发电方式互补运行，如风力一柴油机组互补发电方式，风力一太阳能光伏发电 方式，风力一燃料电池发电方式等，这种方式不仅可弥补风速变化所带来的发电量 突然变化的影响，保证一年四季均衡供电，而且可延长蓄电池寿命，同时还可以使 离网型小型用户发电系统的发电成本降低，自然资源得到充分利用。 2 3 2 光伏发电技术 众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭。据测算，1 年内到达地球表面的太阳 能总量是目前世界已探明储量能源的l 万多倍。我国年均日照长，辐射总量大，属 于太阳能资源较为丰富的国家之一，全国国土面积三分之二以上的地区每年日照时 数大于2 0 0 0 小时，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发 电量的总和。因此开发利用太阳能是大有前途的【1 2 。1 4 1 。 太阳能光伏电池p v ( p h o t o v o l t a i cc e l l ) 发电技术是利用半导体材料的光电效应 直接将太阳能转化为电能。白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。采用 光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维 护简单等优点，但是光伏电池的转换效率低。目前应用的光伏电池是一种半导体器 件( 如单晶硅、多晶硅) ，受到太阳光照时发生光伏效应，将太阳光能转变成直流电 能。在使用时将光伏电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组成方阵。光伏 电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响，不能调度，而且系统的频率 和电压对其基本上没有影响。 8 华北电力大学硕士学位论文 国际上利用太阳能光伏发电主要有以下3 种类型： 1 ) 独立光伏发电系统 仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，从电力系统来说，千瓦级以上的独 立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。这也是我国目前主要的光伏发电应用 市场，且每年以2 0 的速度增长。主要市场包括农村独立光伏电站、家用光伏电源、 光伏水泵，工业领域的光缆通讯、微波通讯、卫星电视接收站、边防哨所电源、公 路信号电源、航标及灯塔电源，以及太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能汽车、太 阳能半导体冷藏箱、太阳帽、太阳能充电器、太阳能计算器等。 2 ) 并网光伏发电系统 光伏发电系统的主流发展趋势是并网光伏发电系统。该系统在国外已步入大规 模发电阶段，是当今国际上光伏发电的发展潮流，但在我国仍处于酝酿试验阶段。 太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变器变换成交流，再同电网的交流电合起 来使用，这种形式的光伏系统就是并网光伏系统。由于该系统所发电直接进入电网， 省掉了储能的蓄电池组，因而可使其成本下降1 8 左右。 3 ) 屋顶发电【1 5 - 1 7 】 光伏发电系统与建筑物相结合，构成了屋顶光伏发电系统。对于家庭、小的商 业楼可用p v 一蓄电池一永磁电机组成系统( 1 k w 1 5 k w ) ；大商业楼和小工业用户可 用p v d c a c 逆变器驱动三相感应电机系统( 1 5 k w 5 0 k w ) 。所发电力既可供建 筑物使用，也可并入电网。在美国、日本和澳大利亚的一些地区，已经有由屋顶式 光伏电池发电设备联成的p v 系统与当地电网相联，白天发电的盈余倒送电网，晚 间用户从电网取电，在供电企业和用户间形成了一种新型的关系。这种屋顶光伏发 电系统通过巧妙设计可达到降低建筑造价及光伏发电系统造价的目的。 其中并网光伏发电系统是光伏发电系统的主流趋势。并网光伏发电系统可分为 住宅用并网光伏发电系统和集中式并网光伏发电系统两大类。前者特点是光伏发电 系统发的电能直接分配给用户负载，多余或不足的电力通过连接网来调节；目前住 宅用光伏系统在国外已得到大力推广，而集中式并网光伏系统应用尚在发展。两者 在系统结构上差别不大。 光伏并网系统主要由太阳能电池方阵和并网逆变器组成。并网逆变器是并网光 伏系统的中心。逆变器把太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网相同的电压和 频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。 逆变器有以下几个作用【1 8 】：在输出电压和电流随太阳能电池温度以及太阳辐 照度而变化时，总是输出太阳能电池的最大功率；输出已抑制谐波的电流，以免 把不良运行波及到电网；倒流输出剩余电力时，自动调整电压，把用户的电压维 9 华北电力火学硕士学位论文 持在规定范围。当并网逆变器与电网连接时，它始终在功率因数等于1 的条件下运 行，电流和电压几乎同相，仅提供有功功率。 2 3 3 微型燃气轮机 微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) 是一类新近发展起来的小型热力发动机，以天然气、 甲烷、汽油、柴油为燃料，满负荷运行时效率可达到3 0 ，实行热电联产，效率可 提高到7 5 。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行 维护简单。其单机功率范围为2 5 3 0 0k w ，基本技术特征是采用径流式叶轮机械( 向 心式透平和离心式压气机) 以及回热循环。据专家认为，微型燃气轮机发电技术有 可能掀起“电源小型分散化 的技术革新热潮，从而成为二十一世纪能源技术的主 流【1 9 1 。 先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排 放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式电源外， 还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等功能，是提供清洁、可 靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还 是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输( 混合动 力汽车) 以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注， 因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。 目前美国和日本都有多家企业在积极开发制造相应的设备。在美国，卡普斯顿 公司已经制造出6 5 千瓦级微型燃气轮机发电装置，发电效率达到2 6 ，年产量1 万台；霍尼威尔公司开发成功了7 5 千瓦级的发电设备，发电效率为2 8 5 。日本 的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯 等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。为促进该技术的 发展，日本通产省已计划在明年春减小对小型自用发电业的限制【2 们。 2 3 4 燃料电池技术 威廉格鲁夫( w g r o v e ) 于1 8 3 9 年发明了燃料电池以来，它的开发使用至今已逾 1 5 0 年了。燃料电池的首次实质性的应用始于2 0 世纪6 0 年代美国太空总署( n a s a ) 的阿波罗太空飞行计划。当时美国通用电气公司为阿波罗太空飞船设计了称之为 g e m i n i 的燃料电池动力系统，它采用海绵状的薄膜聚合物作为电池的电解液。这种 燃料电池具有非常理想的功率比，但价格十分昂贵。燃料电池发电不同于传统的火 力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类 的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能 发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合 l o 华北电力大学硕士学位论文 物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的 转化效率仍能达到8 4 。 目前燃料电池发电的初期投资成本和运行费用还比较高，不足以与传统发电方 式竞争。尽管如此，试验项目还是获得了燃料电池公司、电力公司和政府的广泛参 与和支持。燃料电池的魅力在于其极具潜在价值的优点：效率高且不受负荷变化的 影响，当负荷变化在2 5 1 0 0 围内时，电池效率不受影响，而且跟踪负荷变化的 速度很快，这使得燃料电池不仅适合大规模发电，也适合小规模分布式发电，清洁 无污染、安装周期短、安装位置灵活，可省去配电系统的建设【2 1 之3 1 。 2 3 5 其他分布式发电技术。 2 3 5 1 生物质能发电 生物质能发电：生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可 以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。 近年来中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、 有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生 物质能发电行业应运而生。 世界生物质发电起源于2 0 世纪7 0 年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹 麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1 9 9 0 年以来， 生物质发电在欧美许多国家开始大发展。 中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆6 亿多 吨，其中可以作为能源使用的约4 亿吨，全国林木总生物量约1 9 0 亿吨，可获得量为 9 亿吨，可作为能源利用的总量约为3 亿吨。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。 为推动生物质发电技术的发展，2 0 0 3 年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东 单县和江苏如东三个秸秆发电示范项目，颁布了可再生能源法，并实施了生物 质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅速发 展【2 4 2 6 1 。 最近几年来，国家电网公司、五大发电集团、南方电网公司等大型国有、民营 以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。截至2 0 0 7 年底，国家 和各省发改委已核准项目8 7 个，总装机规模2 2 0 万千瓦。全国已建成投产的生物质 直燃发电项目超过15 个，在建项目3 0 多个。可以看出，中国生物质发电产业的发展 正在渐入佳境。 2 3 5 2 地热发电 地热发电：就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的 11 华北电力大学硕士学位论文 过程。 目前，国内可以独立建造3 0 m w 以上规模的地热电站，单机可以达到1 0 m w ， 截止到2 0 0 7 年我国地热发电装机容量为3 2 m w 。根据可利用地热资源的特点以及采 用技术方案的不同，地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热 岩四种发电方式【2 。 地热蒸汽发电：把干蒸汽从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所 含的固体杂质，然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空( 或送热用户) 。这是 最简单的发电方式，大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利 用于工农业生产和生活用水。 地下热水发电：将地热井口来的地热水，先送到闪蒸器中进行降压闪蒸( 或称 扩容) 使其产生部分蒸汽，再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合 式凝汽器内冷凝成水，送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下， 或引入作为第二级低压闪蒸分离器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨 胀做功。 联合循环：把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，这种地热发电系统一 个最大的优点就是适用于大于1 5 0 的高温地热流体发电，经过一次发电后的流体， 在不低于1 2 0 的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，充分利用了地热 流体的热能，既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用， 大大节约了资源。该机组目前已经在一些国家安装运行，经济和环境效益都很好。 地下热岩：与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热干 岩过程法将不受地理限制，可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压 人地下4 到6 k m 深处，在此处岩石层的温度大约2 0 0 度左右。水在高温岩石层被加热 后通过管道加压被提取到地面并输入个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将热 能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环使用。 2 4 分布式发电对电力系统的影响 随着d g 应用的日益广泛，它们在电力系统的渗透率也越来越高。若d g 与电 力系统并网运行，将会有一系列的问题产生，主要包括以下几个方面：电力系统负 荷预测、系统规划、系统潮流、电能质量、系统故障和保护装置等【2 8 枷】。 2 4 1 分布式发电对电力系统负荷预测、规划和运行的影响 d g 的出现会使电力系统负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性。 由于大量的用户会安装d g 为其提供电能，使得配电网规划人员更加难于准确预测 1 2 华北电力大学硕士学位论文 负荷的增长情况，从而影响后续规划。另外，规划时最优化工具必须能够准确评估 d g 对所在电网的影响，给出d g 的最优位置和规模，使得d g 在电网的逐步渗透 过程中不会破坏电网运行的安全性和经济性。其次，配电网规划中若出现许多发电 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。 此外，d g 机组类型及所采用一次能源的多样化，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种类型的电源就成为新出现的而且迫切需要解 决的问题。 2 4 2 分布式发电对系统潮流、电能质量和运行可靠性的影响 d g 的出现，改变了配电系统潮流的单向模式并使得潮流无法预测，同时还会产 生一系列的电能质量问题，影响系统运行的可靠性。没有d g 时，馈线潮流总是单向 的，并且随着距变电站距离的增加有功潮流单调减少。但是馈线上安装了d g 之后， 从根本上改变了系统潮流的模式并使得潮流无法预测。d g 并网后，当允许d g 向电 网输出电能时，根据d g 和负荷的空间关系，馈线沿线的潮流可能是增加的也可能是 减少的。当馈线上的d g 输出电能大于当前的负荷时，馈线的某些部分甚至是全部潮 流完全可能是反向的。这种非常规的潮流模式会产生多方面的影响，如潮流的改变 使得电压调整很难维持，还会导致配电网的电压调整设备( 如阶跃电压调整器、有 载调压变压器、开关电容器组) 出现异常响应；而且如果从d g 流向变电所的潮流足 够大时，d g 附近的设备可能会过负荷，从而影响系统供电可靠性 d g 并网后还会对电网提供给其他用户的电能质量产生潜在的影响。由于d g 是 由用户来控制的，因此将根据其自身的需要起动和停运d g ，这可能使配电网的电压 常常发生波动。d g 的频繁起动会使配电线路上的负荷潮流变化大，从而加大电压调 整的难度，调节不好会使电压超标。未来的d g 可能大量采用电力电子型电源，电压 的调节和控制方式与常规方式会有很大不同，需要相应的控制策略和手段与其配 合。当d g 切换成孤岛方式运行时，如无储能元件或其能量太小，就易使用户负荷发 生电压闪变。此外，电力电子型的分布式电源易产生谐波，造成谐波污染。而且不 同类型的d g 所产生的影响也会存在差别。 d g 对电力系统的可靠性影响是多方面的，既有积极的一面，也有消极的一面， 因此必须对d g 在电网中逐步渗透对可靠性的影响进行全面研究和分析，以确保d g 可以在不降低系统可靠性和安全性的前提下经济运行。 2 4 3 分布式发电对电力系统故障和保护产生的影响 d g 的存在对电力系统的故障行为和保护功能都会产生一定的影响，主要有以下 1 3 华北电力大学硕士学位论文 几个方面： 1 ) d g 的出现会改变故障电流大小、持续时间及其方向；d g 本身的故障行为也 会对系统运行和保护产生影响。d g 机组对故障电流的影响可能会影响配电网的可靠 性和安全性。单个小型d g 所贡献的短路电流并不大，然而，许多小型d g 的综合贡 献或大型d g 机组可能会改变短路电流水平。使其足够导致过电流保护配合失误、过 大的故障电流、妨碍熔断器运行及故障检测。 2 ) 当包含d g 的电网与主电网分离后，d g 仍继续向所在的独立电网输电，这就 是所谓的孤岛。无意中形成的孤岛，可能会对系统、用户设备、维修职员等造成危 害，而且低劣的电能质量会损害孤岛中的负荷。 3 ) 馈线潮流的不确定性，将会对电力系统继电保护设置和动作整定带来一定的 难度。传统的保护系统是在假定配电系统都是放射状的基础上设计的。而随着d g 在配电网的渗透，保护系统的设计基础就发生了改变。 2 5 本章小结 本章首先对分布式发电的概念进行了归纳，然后对各种分布式电源从所使用的 一次能源、输出、并网技术、大小等方面进行分类，最后详细归纳了现在较为热门 的几类分布式发电技术，主要包括风力发电技术、太阳能光伏系统、微型燃气轮机、 燃料电池和其他分布式发电系统，分别阐述了它们的工作原理、运行方式以及应用 特点等。之后讨论了分布式发电与电力系统并网运行，将会产生的问题与其对电力 系统的影响。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章分布式电源并网运行优化配置算法研究 3 1 配电网及模型的建立 3 i1 1 配电网简介 ( 一) 配电网概念及分类 电力系统，是指由发电机、变压器、电力线路、用户等在电气上相互连接所组 成的有机整体。电力网，是指由各种电压等级的输、配电线路以及由它们所联系起 来的各类变电所所组成的网络。由电源向电力负荷中心输送电能的线路称为输电线 路，包含输电线路的电力网称为输电网；而主要担负分配电能任务的线路称为配电 线路，包含配电线路的电力网称为配电网【3 。配电网按电压等级可分为高压配电网 ( 3 5 1 1 0 k v ) 、中压配电网( 6 l o k v ) 和低压配电网( 2 2 0 一3 8 0 v ) ；按供电区的功能可分 为城市配电网、农村配电网和工厂配电网。 ( 二) 配电网的接线方式【3 2 】 配电网的一次接线可采用放射式接线、树干式接线及环网式接线方式，其形式 主要取决于对供电可靠性的要求。 放射式接线： 1 ) 单回路放射线式接线。这种接线方式的优点是线路铺设简单，操作维护方便， 缺点是可靠性较低，某段线路故障时，该段线路上的设备都要停电，影响面较大。 2 ) 有公共备用干线的放射式接线。除了具备单回路放射式接线的优点，还能保 证在电源发生故障时对负荷供电，因而一般可供二级负荷，若备用电源可靠也可供 给一级负荷。 树干式接线： 1 ) 单回路树干式接线。从总降压变电所引出干线，所有的负荷都从该干线接出 的分支线直接得到供电。由于总的引出线少，可以减少设备的数量及投资，线路架 设简单。其缺点是供电可靠性较差，且当干线故障，全干线上的负荷全部停电，一 般用于对三级负荷供电。 2 ) 双回路树干式接线。双回路树干式接线可分为单侧供电双回路树干式和双侧 供电双回路树干式两种。双回路树干式供电的可靠性比单回路树干式供电的可靠性 要高，但投资增加，接线方式更复杂些。对于双侧供电双回路树干式，由于多增加 组电源，供电可靠性更高，可以满足负荷的要求。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 环网供电方式 在集中接线方式里，环网供电方式可靠性最高。它可以工作在开环或闭环的状态， 不论哪一段出现故障，都可以保证非故障段不停电而继续运行，但接线方式、保护 装置及整定配合比较复杂。 具体采用哪种接线方式必须根据实际情况来确定。长期以来，我国的配电网接 线形式大多数采用以架空线路为主的放射式供电方式，这种方式一旦某线段故障， 影响面较大，且这种网络结构的应变能力差，不适合自动化发展的要求。现在不少 地方已逐步改为电缆线路与环网的供电方式，这种方式可以提供实现配网自动化的 条件，提高供电可靠性。 ( 三) d g 引入后的配电网 上一章已经叙述，d g 并网对配电网有很大影响，包括电压水平、线损、故障 水平