（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电接入电力系统若干问题的研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ( d g ) h a s b e e n w i d e l y u s e d i n t h e d e r e g u l a t e d e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s f o r i t s i m m e n s e b e n e f i t s . s t u d i e s o f d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n i n e l e c t r i c p o w e r s y s t e m b e c o m e m o r e i m p o rt a n t t o u t i l i z e d g e ffic i e n t a n d r e f i n e p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n . b a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f v a r i o u s ty p e s o f d i s t r i b u t e d g e n e r a t o r s , a s y s t e m a t i c s t u d y o n p l a n n i n g f o r g r i d - c o n n e c t e d d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n s y s t e m, t h e p o t e n t i a l o f d g p r o v i d in g a n c i l l a ry s e r v i c e , t h e b a c k u p g e n e r a t i o n a p p l i c a t i o n , n e g a t i v e i m p a c t s o f d g o n p o w e r s y s t e m a n d i t s c o n t r o l s t r a t e g y i s c a r r i e d o u t i n t h i s d i s s e rt a t i o n . c o n t r i b u t i o n s a r e s u m m a r i z e d a s f o l l o w s , 1 ) f o l l o w i n g t h e t r e n d o f d e v e l o p i n g g r i d - c o n n e c t e d d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n s y s t e m, a n o p t i m a l g e n e r a t i o n e x p a n s i o n p l a n n i n g m o d e l i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . t h e s y s t e m o p t i m a l r e s u l t s a n d o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e s u n d e r v a r i o u s t r a n s m i s s i o n s y s t e m s c e n a r i o s a r e d e t e r m i n e d b y u s i n g h e u r i s t i c m e t h o d . e f f e c t s o f t r a n s m i s s i o n s y s t e m o u t a g e i n d e x e s , r e a l t i m e p r i c e a n d r a n d o m n e s s o f r e n e w a b l e g e n e r a t i o n r e s o u r c e o n t h e s y s t e m d e s i g n a r e d i s c u s s e d . o p t i ma l r e s u l t s a n d h o u r l y s y s t e m o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e s u g g e s t t h e a d v a n t a g e s o f g r i d - c o n n e c t e d d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n s y s t e m . t h e y a l s o p r o v i d e g u i d e f o r e x p a n s i o n p l a n n i n g o f d i s t r i b u t i o n s y s t e m w i t h d g . 2 ) t h e p o t e n t i a l b e n e f i t s o f d g p r o v i d i n g a n c i l l a ry s e r v i c e s a r e d i s c u s s e d . b y i n t r o d u c i n g m i c r o g r i d c o n c e p t , a n o v e l a g c d i s p a t c h m o d e l i n d i s t r i b u t e d s y s t e m i s p r o p o s e d . b y c o m p a r in g t h e o p t i m a l a g c d i s p a t c h r e s u l t s i n t h e t w o c a s e s w i t h a n d w i t h o u t d g s , t h e e c o n o m i c p r o m i n e n c e o f d g t o p r o v i d e a g c s e r v i c e s i s d i s c u s s e d . b y s e l e c t i n g d g s w i t h g o o d r e g u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s , s i m u l a t i o n s t o f r e q u e n c y a n d i n a d v e rt e n t i n t e r c h a n g e a r e p e r f o r m e d . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h e t e c h n i c a l f e a s i b i l i t y o f d g t o p r o v i d e a g c s e r v i c e s t o o . b a s e d o n t h e c o n t r i b u t i o n o f g e n e r a t o r s t o t h e a r e a c o n t r o l e r r o r ( a c e ) , t h e c o s t o f a g c s e r v i c e s i s a l l o c a t e d b y a t r a n s p a r e n t p r o p o rt i o n a l m e t h o d . 3 ) d i s t r i b u t i o n s y s t e m r e l i a b i l i t y b e c o m e s i m p o rt a n t i n e l e c t r i c p o w e r ab s t r a c t m a r k e t . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s d g s a s b a c k u p g e n e r a t o r s i n d i s t r i b u t i o n s y s t e m . t h e o p t i m a l r e s e r v e p r o c u r e m e n t m o d e l a i m s t o b a l a n c e t h e i n t e r r u p t i o n c o s t a n d r e s e r v e p u r c h a s e d c o s t . t h e e ff e c t o f f o r c e d o u t a g e r a t e ( f o r ) o f d i s t r i b u t e d g e n e r a t o r s i s i n c l u d e d i n r e s e r v e p u r c h a s e c o s t , w h i l e t h e i n t e r r u p t i o n c o s t i s c a l c u l a t e d a c c u r a t e l y a c c o r d i n g t o t h e s e c t o r c u s t o m e r d a m a g e f u n c t i o n ( s c d f ) o f d i ff e r e n t t y p e s o f l o a d . c a s e s t u d i e s s h o w t h a t t h e m o d e l i n c r e a s e s t h e e c o n o mi c b e n e f i t s a n d d e c r e a s e s t h e c r o s s o v e r s u b s i d y o f r e s e r v e c a u s e d b y s o m e t r a d i t i o n a l r e s e r v e p r o c u r e m e n t m e t h o d . t h e o p t i m a l r e s u l t s s u g g e s t d g c a n i m p r o v e l o a d a n d s y s t e m r e l i a b i l i t y e ff e c t i v e l y , e s p e c i a l l y f o r t h o s e l o a d s n e a r dgs . 4 ) wi t h t h e n u m b e r s o f w i n d p o w e r g e n e r a t o r s i n c r e a s i n g r a p i d l y , t h e y m a y c a u s e v o l t a g e v a r i a t i o n s d u e t o t h e r a n d o m - l i k e o u t p u t s o f w i n d t u r b i n e s . t o s o l v e t h i s p r o b l e m , w e i n t r o d u c e s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) i n t o d i s t r i b u t i o n s y s t e m s , a n d c o m b i n e t h e r e a c t i v e p o w e r s u p p o r t f r o m d i s t r i b u t e d d i e s e l u n i t s f o r v o l t a g e c o n t r o l . a n o p t i m a l r e a c t i v e p o w e r p l a n n i n g m o d e l i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r . mo n t e - c a r l o s i m u l a t i o n i s u s e d t o s i m u l a t e t h e u n c e r t a i n t y o f w i n d p o w e r g e n e r a t i o n . t h e l o c a t i o n s a n d t h e o u t p u t s o f s v c s a n d d i s t r i b u t e d d i e s e l u n i t s a r e d e t e r m i n e d b y h y b r i d e n c o d i n g g e n e t i c a l g o r i t h m . c a s e s t u d i e s s h o w wp g h a s c h a r a c t e r i s t i c s o f g e n e r a t i n g a c t i v e p o w e r r a n d o m l y a n d a b s o r b i n g r e a c t i v e p o w e r a t t h e s a m e t i m e . b y i n s t a l l i n g e n o u g h c a p a c i t i e s o f s v c , t h e s y s t e m l o s s a n d v o l t a g e d e v i a t i o n c a n b e r e d u c e d s i g n i f i c a n t l y . 5 ) s i n c e t h e m a i n p u r p o s e o f i n s t a l l i n g s v c s i s t o r e g u l a t e t h e v o l t a g e v a r i a t i o n s c a u s e d b y w i n d t u r b i n e s , a s h a p l e y v a l u e c r i t e r i o n b a s e d o n c o o p e r a t i v e t h e o ry i s p r o p o s e d t o a l l o c a t e t h e r e a c t i v e p o w e r s u p p o rt c o s t . t h e a l l o c a t i o n r e s u l t i s e q u i t a n d a c c e p t a b l e t o a l l p a r t i c i p a n t s . i t p r o v i d e s s o m e e c o n o m i c s i g n a l s t o d e c i s i o n - m a k e r s t o d e t e r m i n e t h e a p p r o p r i a t e l o c a t i o n s o f d g s a n d p r o v i d e s a n e w w a y t o a l l o c a t e s o m e g r i d - c o n n e c t e d c o s t c a u s e d b y d g k e y w o r d s . d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n , g r i d - c o n n e c t e d d i s t r i b u t i o n s y s t e m p l a n n i n g , a n c i l l a ry s e r v i c e s , a u t o m a t i c g e n e r a t o r c o n t r o l ( a g c ) , b a c k u p r e s e r v e , r e l i a b i l i ty , r e a c t i v e p o w e r p l a n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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 人己 经发 表 或撰写 过的 研究 成果， 也 不包 含为获 得一 鱼丝人全 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谢意。 学位论文作者签名:签字 日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位论 文作者 完 全了 解 i 丝有关 保留 、使 用学位 论文的 规 定，有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅 和 借阅。 本 人 授 权 c a - k - -t- -.f 以 将学 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、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 签字 日期:年月日 签字日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位 : 通 讯地 址 : 电话 : 邮编 : 绪论 第1 章 绪论 1 . 1 本课题的研究背景 在电力系统引入竞争，建立和发展电力市场己经成为国际电力工业发展 的趋势. 在全球电力市场环境下，发电侧率先打破垄断，引起发电技术变革， 使独立发电 运营商投资新兴经济的分布式发电技术 ( d g ) 成为可能川 ;电 力 市场的建立同样给电力系统运行的经济性和可靠性带来挑战，传统大容量电 力系统暴露出的弊端更加突出: 1 ) 市场环境加大了负荷波动、发电厂投资等因素随机变化程度，而大 型电力系统不能灵活跟踪负荷变化，造成发输电设备投资容量浪 费: 2 ) 集中式大电网结构对偏远地区供电造成输电费用过高; 3 ) 互联大电网系统局部事故容易导致大面积停电，严重威胁了系统安 全稳定性，并由于电力中断造成经济损失。 另一方面， 2 1 世纪的能源问题也是各国关注的重点问题。 有效使用能源， 节约能源，保护环境，实现可持续发展长远战略观念深入人心。各国政府都 积极制定环保和节能政策，大力鼓励发展节能技术和可再生能源发电技术以 解决能源紧缺和环境污染问 题z 1 分布式发电技术正是基于以上原因成为电力系统新的研究热点，并在未 来电力系统中发挥重大作用。但是，d g并不是简单的技术，可以在电力系 统随心所欲的使用，只有在满足一些技术约束条件下，对其接入系统容量合 理规划和设计，通过选择合适的类型在需要的时候和位置正确的应用，才能 发挥其经济作用，环境性能以及使系统获得更好的可靠性。同时，分布式发 电在发挥优势的同时，会给电力系统运行和稳定性带来许多问题和挑战。因 此，针对分布式发电对电力系统负面影响，研究解决问题的方法，为分布式 发电与传统电力系统协调运行，发挥它对系统的补充优势也有重要的理论指 导意义和实际应用价值。 鉴于复合型能源网络是未来电力系统发展趋势，为了有效实现资源互 浙江大学博士学位论文:分布式发电接入电力系统若千问题的研究 补，提高供电可靠性和经济性，本文对联网d g系统建立了规划模型，并对 几种可能的输电网情况系统规划运行结果进行了分析。 d g在辅助服务应用 方面少有研究，通过探讨 d g提供辅助服务的潜力，有利于辅助服务市场发 展，达到更好的经济效益。d g在备用机组、削峰等方面应用广泛，作为大 电网补充，提高系统可靠性是分布式发电在电力系统的主要作用，因此，需 要研究d g备用机组应用，优化备用容量分配以提高电力系统可靠性和经济 性。此外，分布式发电接入系统可能带来电压波动，保护设备误操作等负面 影响， 克服分布式发电引起的问题， 对系统设备改造计划也成为研究的重点。 1 . 2 分布式发电概述 分布式发电是指在用户现场或靠近用电现场由用户自 行配置或独立发 电商投资的较小容量的发电 机组( 典型容量范围在1 5 - 1 0 , 0 0 0 k 叨，用以 满足 特定用户的需要，它既可独立于公共网络直接对用户提供电能，也可接入电 网，与公共电网共同对用户提供电能。 根据美国分布式发电联合会 ( d p c a ) 研究表明分布式能源有潜力占据未来新发电容量的2 0 %，电力研究机构估计 到2 0 1 0 年， d g市场将达到每年2 . 5 - 5 g w的容量份额3 -( 4 。 在全球范围内， 已安装的m v分布式发电装置己经达到3 0 0 万台， 并且以每年超过8 0 0 0 0 mv 的速度递增 5 ) 分布式发电技术包括小型内燃机发电机 ( 含微汽轮机) 、往复式发电机、 斯特林发电机等以传统化石能源为燃料的发电机， 燃料电池和太阳能、 风能、 生物质能等新发电 技术和可再生能源发电技术以 及蓄电 池等储能设备( 6 . 根 据用户需求， d g在电力系统实际应用中可以提供多种服务， 包括备用发电、 肖 1 峰容量、基荷发电或者作为热电联产装置同时满足区域热和电负荷需求。 函待研究的应用主要包括无功支持、电压支持、自动发电控制、黑启动和旋 转备用等辅助服务17 一 181 。 d g是以资源能源最大化，能源利用效率最优化确定方式的新型能源系 统，具有良好的环境效益。其中，可再生能源技术如风力和太阳能发电可以 完全提供绿色电力，而其他发电技术可以减少一种或者多种传统煤燃料发电 带来的废气。以天然气为燃料的d g汽轮机为例，它释放的s 0 2 是许多燃煤 发电厂释放量的1 / 4 ，释放n o x少于 1 / 1 0 0 ，而c 0 2 释放量则低于4 0 %。因 绪论 此这些分布式发电 机组足够清洁以安装在居民或者商业区4 与传统集中式发电比较，尽管集中式发电因为容量大，燃料费用便宜而 具有规模效益。但是，随着分布式发电技术水平不断提高，这种优势在可预 见的未来将逐渐减少，并且对以传统化石燃料为主要燃料的集中式发电机污 染控制费用也极大减少了其相对分布式发电机的经济效益。此外，电力改革 引起电力工业所有参与者，无论是买方，还是卖方对市场力都更加敏感。通 过安装d g可以避免传统集中式发电带来的“ 搁浅费用” 。 将d g引入电力系 统主要应用优势如下6 9 - i 1 1 ) 在偏远地区、负荷突然增长地区，安装d g可以避免大量的输配电 设备扩容费用: 2 ) 通过合理优化分布式电源在电网位置和容量，可以明显降低电网线 路损耗; 3 ) 对于一些对可靠性要求较高的工业和商业用户，一些受到输配电网 络潮流约束的地区，或者对于一些旋转备用边界正在减小，电力短 缺的国家，d g机组可以作为后备机组或者紧急备用机组提高系统 供电可靠性，减少停电损失; 4 ) 发电系统在将燃料能量转化为电能的过程会产生大量热能，常规发 电厂经常废弃了这些热能。分布式发电通过建立热电联产装置，可 在居民区或商业区发挥供电供热双重作用，提高燃料利用效率并减 少污染; 5 ) 在峰值负荷或者峰值电价时，允许用户自 行安装的d g机组卖电给 电网公司，可以发挥削峰和抑制电价作用，具有较好的经济效益， 并为用户安装d g提供了经济动机; 6 ) 应用可再生能源或燃料电池等无污染或少污染的d g技术，满足了 世界环保用电，节能及可持续发展要求; 7 ) d g容量小，体积小的特征使其安装便捷，投资时间短，降低了安 装费用和投资风险。 但是， d g引 入系统的主 要缺点是 4 2 - 3 , 1 ) 由于 d g安装在负荷中心，远离发电控制中心，为了保证 d g高效 可靠运行，必须增加大量分散控制设备，这样往往比安装输配电设 浙江大学博士学位论文:分布式发电接入电 力系统若千问 题的 研究 备更复杂并增加了它的服务费用; 对于应用燃料的分布式发电机，可能造成大量的燃料运输费用; 一些新兴的d g技术如微汽轮机缺乏实际运行性能数据，投资者对 它的运行可靠性、安全性缺乏了解而持谨慎态度，它们的推广应用 仍然具有一定风险: 联网费用计算、收取标准难以制定。d g接入系统可能会带来备用 等辅助服务需求，它自由接入或者退出网络特点使配电公司对 d g 投资商收费比传统发电机复杂，而且联网收费设置太高容易导致 d g和t b . 建立分散控制中心，研究成批控制技术，研究分布式发电模型和 负荷预测模型，对分布式发电系统的可调度性、可靠性进行模拟 研究; c .对分布式电源应用及其并网后对电能质量、电压稳定性、故障电 流变化、系统安全稳定性等方面进行研究: d . 通过优化研究确定分布式能量系统的 “ 岛”运行方案; e .根据用户要求建立按需供电的多品质供电系统。 在美国国内到 2 0 2 0年，由于新的能源需求与老电厂的退役，估计要增 加 1 .7xlo lz k w h 电， 几乎是近2 。 年增量的2 倍。 为 满足市场需要， 下一 个 1 0 年之后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5 、 1 护一6 xl护w. 为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的 计划， 包括燃料电池、 分布式发电涡轮技术、 燃料电池和涡轮的混合装置等。 此外， 美国是全球发展新型能源系统的先锋， 1 9 78年开始提倡发展小型热电 绪论 联产，目前除了继续坚持发展小型热电联产之外，正在走向高效利用能源的 小型冷热电联产。美国能源部己经提出了小型冷热电联产规划。根据这项规 划，2 0 0 5 年要建立2 0 0 个示范点;2 0 1 0 年2 0 %的新建商用、写字楼类建筑 物使用小型冷热电联产; 2 0 2 0 年5 0 %新建商用、 写字楼类建筑采用小型冷热 电联产。 可以预料， 在不久以后， 分布式发电技术将在美国得到相当的发展。 3 )中国 在中国，分布式发电尚处于起步阶段，但发展很快。小水电和风力发电 资源丰富，已经得到广泛的应用。到2 0 0 2 年底，小水电装机容量达到3 1 0 4 万k w。截至到2 0 0 3 年底，全国风能资源丰富的1 4 个省 ( 自 治区)己 建成 风电 场4 0 座， 累 计运行风力发电 机组1 0 4 2 台， 总容量达5 6 7 .0 2 m w 1 1 。 其 他类型发电技术中国也在积极的研究或商业示范运行。此外，我国十分重视 热电联产的发展，到2 0 0 4 年全国单机 6 0 0 0 千瓦及以上热电联产机组容量达 4 8 1 3万千瓦，占 全国发电机组总容量的 1 2 .2 6 %，在全国总供热量中， 热电 联产供的蒸汽量占8 1 . 9 6 %，热水量占2 6 . 7 2 % 1 1 a 近年来，中国政府大力支持发展可再生能源技术，提出了到 2 0 2 0年中 国可再生能源的发展目 标、战略布局、 建设重点和保障措施。 到2 0 2 0 年， 水 电总装机容量将达到 2 . 9 亿千瓦，开发程度达到 7 0 %左右，生物质发电达到 2 0 0 0 万千瓦，风电 达到3 0 0 0万千瓦、太阳能发电达到2 0 0 万千瓦，力争使 可再生能 源发电 装机在总电 力装机容量的比 例达到3 0 % 以 上1 2 0 1 中国政府历来鼓励发展热电联产.我国在 “ 一五”计划期间就支持建设 了一批大型区域性热电厂。国家计委、国家经贸委、电力部、建设部于1 9 9 8 年颁布了 关于发展热电联产的若干规定 。 在国家政策扶持下， 热电冷三联 产技术将成为未来能源领域的一个重要发展方向，将大量用在中国大部分地 区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂。 预计到2 0 1 0 年工业领域的热 电联产总装机容量可达到5 千万k w，到2 0 2 0 年可达到1 亿k w( 2 1 1 f2 2 1 . 1 . 4 分布式发电对电力系统主要影响 随着分布式发电技术水平不断提高和成本的降低 力系统安装比例逐年增加，给电力系统规划、运行、 题。它对电力系统影响主要包括以下儿方面。 ，使分布式发电机在电 保护等方面带来很多问 浙江大学博士学位论文:分布式发电 接入电力系统若干问题的研究 1 . 4 . 1 d g对电力系统规划影响 大量d g在电网随机投入和退出运行加大了电力系统负荷预测的不确定 性，使配电系统规划者难于准确预测负荷增长情况:配电网规划是动态规划 问题，其动态属性同其维数密切相关，配电网本身节点数非常多，系统增加 的大量分布式发电机节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方 案更加困难。因此，系统运行规划者必须准确评估这些影响，寻求精确的负 荷预测方法和合适的优化方法，并给出d g最优位置和容量以保证含d g的 配电系统运行安全性和经济性。 针对含多种类型d g混合联网供电系统，如何根据各类型能源分布特征 建立模型，如何在配电网中确定合理的电源结构，协调有效利用各种类型电 源成为迫切需要解决的问题。国家能源政策、能源规划也直接影响了电力系 统规划决策过程2 3 1 1 . 4 . 2 d g对系统潮流、电能质量影响 d g出现改变了配电系统单向潮流结构，使潮流大小和方向无法预测。 根据 d g安装位置不同，馈线段的潮流可能增加也可能减少。当馈线上 d g 输出功率大于负荷需求时，会造成馈线的某些段或者全部潮流完全反向。潮 流的改变导致原有电压调整设备如有载调压变压器失去了正常调节作用。 另外，d g安装随机性、大量风力发电等可再生能源发电功率随机变化、 分布式发电机启停均会引起电压波动、电压闪变以及频率波动等电能质量问 题;不同类型d g( 基于逆变器的d g和传统旋转型的d g ) 、不同的d g联 网方式可造成不同程度谐波畸变，以及 d g在某些情况下会造成系统电压升 高或者降低的现象2 3 1 2 4 1 1 . 4 . 3 d g对系统运行可靠安全性影响 d g接入系统可能会影响系统的运行可靠性和安全性。对于典型放射状 配电系统，d g 出现改变了电网结构，改变了短路电流大小和持续时间，导 致按原有网络设计的保护装置误动作，破坏保护设备间的协调运行，妨碍了 自 动重合闸动作。特别是当短路电流大于原有系统断路器中断容量时将导致 绪论 设备损坏。 当d g并网运行时，应该提供有效的接地，以防止单相接地短路时非故 障相出现过电压;当包含 d g电网与主网分离后，d g仍然向所在独立电网 供电，这就是孤岛的形成。无意形成的孤岛会对系统稳定性、维修人员造成 危害，还可能引起谐振过电压，损坏用户设备。 此外，一些研究表明，当系统受到干扰时，大量 d g渗入系统和某些类 型d g技术以及电力电子设备将增大转子转速偏差， 导致振荡持续时间延长， 影响系统暂态稳定，威胁系统安全运行 2 4 - 2 6 1 . 5 分 布 式 发 电 接 入 电 力 系 统 主 要 研 究 问 题 d g在电力系统的大量渗透，对传统电力系统产生重要影响，进一步需 要 深 入 研 究 的 问 题 包 括 2 6 -3 6 1 ) d g出现对传统配电网规划的影响，含 d g的配电网规划，多种类 型d g混合联网供电系统各组件建模、控制以及最优供电组合和系 统运行性能; 2 ) d g对电力系统运行影响:包括电能质量，电压调节，潮流及系统 运行稳定性等影响及其控制策略; 3 ) 不同组合d g投入对故障电流的影响和贡献;多电源点对保护装置 影响，配电网络与d g自 动重合闸协调，含d g的系统保护设计问 题; 4 ) 各种d g稳态、暂态、动态分析模型，多个逆变器的稳定性及其控 制问题; 5 ) d g对系统可靠性影响的建模， 经济可靠性指标下的备用获取方法; 6 ) 考虑设备热稳定极限、电压调整、保护配合下或者基于暂态稳定分 析的d g最大准入功率计算问题; 7 ) d g并网性能、兼容性等技术经济评价; 8 ) 反 “ 孤岛”有效策略和算法; 9 ) 在辅助服务方面应用潜力研究;包括 a g c服务，备用机组，黑启 动机组等应用技术和经济性能分析; 浙江大学博士学位论文:分布式发电接入电力系统若干问题的研究 1 0 )大量d g引入电力系统引起公共费用分摊: 包括d g联网费用， d g 引起的设备改造费用等辅助服务费用; 1 1 )市场环境下市场规则和国家政策对d g发展的影响。 1 . 6 本文主要工作 电力市场环境下，d g发展迅速，复合能源网络成为未来电力系统发展 趋势。因此，对分布式发电接入系统规划和运行相关问题的研究，有利于真 正发挥分布式发电联网优势，在发挥d g巨大作用的同时避免d g给电力系 统运行带来的负面影响。本论文对联网分布式发电系统规划、辅助服务和可 靠性应用潜力、d g对系统运行影响及解决方案等热点和难点问题作了系统 研究。主要工作如下: 1 ) 全面概述了不同类型分布式发电技术特点，包括其原理、系统构造、 大小、安装/ 维护费用、电能效率、可靠性水平等，为在不同应用领域选择合 适的发电机类型提供了理论依据。 2 )针对联网分布式发电系统非线性整数规划模型，通过应用启发式算 法， 求解得到了不同输电网情况下联合系统供电方案， 并分析了其运行性能. 输电网状况包括如下几种典型情况:电价固定且输电网正常运行;考虑输电 系统停运状态;电力市场环境的实时电价状况。针对后两种随机情况，应用 mo n t e - c a r l 。 仿真方法得到了系统停运指标和实时电价数据， 重点分析了这些 随机事件对系统设计包括分布式发电的选型和各类型d g最优投入容量等规 划结果影响; 根据研究系统8 7 6 0 小时负荷数据， 分析了不同输电网情况下系 统全年运行性能，并讨论了风力发电风速随机性对系统规划影响。 3 )引入 “ 微型电网”概念，以机会成本和a g c调节成本最小为目 标函 数，在配电系统范围内建立了含分布式发电系统 a g c调度模型。根据序列 优化思想和a g c调度模型，分别得到d g参与a g c服务前后优化结果，并 对两种情况下系统频率偏差，非计划交换电量进行仿真，分别对阶跃负荷和 连续负荷下系统控制性能进行了 评价， 其中采用了n e r c的c p s 标准评估了 系统长期控制性能。进一步，基于不同 类型机组对区域控制偏差 ( a c e )的 贡献系数，提出了简单直观的比 例分摊法分摊a g c辅助服务费用。 4 )电力市场环境下，为了满足系统可靠性要求， 引入d g作为配电系统 绪论 故障下备用机组，探讨了计及 d g随机停运和可中断负荷影响的购买费用最 小的备用获取优化模型。针对枚举法得到的各种故障事件，根据优化模型得 到了系统最优 d g备用容量，分析了不同负荷类型等因素对 d g容量配置影 响。算例结果体现了模型的经济性，论证了d g作为后备机组提高系统可靠 性的影响。 5 ) 为了克服风力发电等发电随机性带来的电能质量问题， 提出引入 s v c 和柴油发电机作为快速无功补偿设备，确立了系统总能耗和无功设备安装费 用最小的优化模型。 以典型犯节点系统为算例， 应用蒙特卡罗仿真方法得到 了不同风力发电状态。 在此基础上，采用混合编码遗传算法获取了最优s v c 安 装位置 及s v c 和 柴 油 发电 机 最 优无功出 力. 进 一步 应 用基 于 合 柞 博弈 论的 s h a p l e y 值分摊方法对s v c安装费用在不同风力发电机组间进行了 分摊。 浙江大学博士学位论文:分布式发电 接入电 力系统若干问 题的 研究 第2 章 分布式发电技术 2 . 1 引言 目前，世界电力系统处于传统大型互联电力系统向分布式发电与电网结合供 电的过渡阶段。分布式发电并不是新概念，人类最早利用能源的方式就是 “ 分布 式” 小型、接近负荷侧的能源供给方式。随着电力和能源改革逐步深入，尤 其是零售市场的解除管制，分布式发电技术成为电力市场条件下新的供电选择。 全面了解不同类型分布式发电技术特点，包括成熟技术和正在发展的新技术，便 于选择适当类型于电力系统不同应用，以实现分布式发电与现有电力系统的经济 规划和协调运行。 分布式发电技术在不同研究领域有不同的分类方式.一般可以根据d g的技 术类型，所使用的一次能源及和与电力系统的接口 技术进行分类。本章按照技术 类型对基于传统能源和可再生能源的不同类型分布式发电技术特点做了详细介 绍，包括原理、技术构造、安装/ 维护费用、运行性能和可靠性水平等。主要应用 类型技术特点见附录 1 . 2 . 2 往复式发电 机 该技术以传统化学燃料柴油、天然气为主要燃料，是目前应用最广泛的传统 分布式发电方式，具有安装费用低、机械效率高、开停机简单方便等优点。其中 以柴油为燃料的发电机大量用在紧急和备用功率上，由于这种方式会造成对环境 的影响， 应用逐渐受到政府限制， 以天然气为燃料的发电机由于近年来性能提高， 污染小的优势应用比例有所增加，它们输出功率主要在0 . 5 k w _ 6 . 5 m w范围内. 2 . 2 . 1 基本原理和技术构造 往复式发电机是常见的内燃机。它利用燃料在汽缸内部燃烧将热能转化为机 械能带动发电机出力，包括引进新鲜空气、喷入燃料、压缩、燃烧做功、废气排 出汽缸的循环过程，如图2 . 1 所示。按照点火方式不同，往复式发电机分为点燃 式和压嫩式，前者通过电火花燃烧气缸内燃料，后者则通过压缩活塞使气缸内燃 分布式发电技术 料和其他混合物温度上升自 发燃烧。两种方法都广泛使用，各有利弊。前者主要 适合汽油、易燃型燃料，后者则适用于柴油或燃料油。燃烧产生的机械能均通过 机轴带动发电机转子以同一速率转动，因此，绝大部分往复式发电机都是恒速交 流发电机3 1 输入空气， 邀料 图2 . 1往复式发电机循环做功过程 f i g . 2 . 1 b a s i c s o f r e c i p r o c a t i n g p i s t o n e n g i n e 2 . 2 . 2 费用和性能 一般而言，往复式发电机安装费用低，并且易于维护，维修费用较低。对于 同一功率输出， 相对压燃式发电机， 点燃式发电机组件要求多、 质量大、费用高， 但是燃料价格费用低。往复式发电机对燃料没有要求，任何可燃烧东西均可作为 燃料，包括纯氢气、丙烷、甲烷、天然气、煤、石油、柴油等。供电可靠性较高、 寿命长、发电效率可达到3 0 % - 4 0 %. 2 . 2 . 3 污染和控制策略 尽管柴油发电机组费用低，但是它会释放出大量氮化物和一氧化碳，严重污 染环境。因此，为了环保，各国政府己经制定相关政策限制它的应用在允许污染 排放量水平内。柴油机生产商也致力于发展控制污染策略，比如现在用的电喷技 术，可以精确的控制燃烧过程，将污染控制到很小甚至到几乎无污染状态。相对 于柴油发电机，天然气发电机则排放较少的n o x 和微粒物。 浙江大学博士学位论文:分布式发电接入电 力系统若干问 题的 研究 2 . 2 . 4 主要应用 柴油发电机由于造价低、可靠性高、输出容量较小等特点，大量用在重要负 荷如工业、商业区作为紧急备用。天然气发电机虽然成本高于柴油机，但由于污 染小、天然气价格较稳定、燃料供应充足、可靠性较高、响应速度快等优点，加 上其热电联产装置效率达到9 0 %以上，它的应用份额逐步增加，可以作为连续供 电和削峰机组，以及应用在热电联产装置中。 2 . 3 斯特林发电 机 往复式发电机属于内燃机，斯特林发电机则属于外燃机，燃料燃烧方式是在 发电机外部燃烧。它是在 1 8 1 6年为苏格兰的r . 斯特林所发明，故又称斯特林发 电机，是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发电机.它的主要容量范围为 i k w 一2 5 k w . 2 . 3 . 1 基本原理和技术构造 斯特林发电机燃料通过在发热容器外面的燃烧室燃烧，推动活塞压缩工质做 功的闭式循环往复活塞式热力发电机.热力学循环由两个定温过程和两个定容过 程组成，实际系统中采用回热技术，使其理论热效率可以达到卡诺理想循环的热 效率。当使用氢气作为工质，工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速 加热并且膨胀做功， 燃料则在气缸外的燃烧室内连续燃烧， 通过加热器传给工质， 工质不直接参与燃烧。 因此， 它对燃料没有要求， 能选择任何一种或者高温资源。 结构见图2 .2 14 1 0 少产 / / / z厂 f产 / 才 / 尸 尹产 图2 . 2斯特林发电机结构 f i g . 2 .2 b a s i c s o f s t i r l i n g e x t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e 分布式发电技术 2 . 3 . 2 费用和性能 斯特林发电技术相比内燃机技术，避免了传统内燃机震爆做功问题，实现了 低噪音运行。它的结构比内燃机少5 0 %的零件，尤其对于低于1 0 0 w的机组体积 小且效率较高;燃料在气缸外部燃烧的特点使该技术对燃料没有要求，从经济性 考虑，可选择费用较低的燃料。此外斯特林发电机还具有高可靠性、免维护、设 计寿命高达5 0 , 0 0 0 小时的 优点。