（电力系统及其自动化专业论文）分布式电源及其对配电网影响的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p r o s p e c tt h en e wt e c h n o l o g i e so fe l e c t r i cp o w e ri nt h e2 1s tc e n t u r y , as t r i k i n g t r e n di st h ee m e r g e n c eo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s w i t ht h er a p i dg r o w t ho fe l e c t r i c i t y d e m a n d ，a sw e l la st h ei n c r e a s i n ge m p h a s i so ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dn e w e n e r g yp r o b l e m s ，t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o r si si n c r e a s i n g l yc o n c e r n e db ya l lc o u n t r i e s ， i tw i l lb e c o m eai m p o r t a n tg e n e r a t i o nf o r mo ft h ew o r l d w h e nd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sc o n n e c tt ot h eg r i d ，t h e ym a yc a u s ei n f l u e n c e so n t h ev o l t a g e ，p o w e rq u a l i t y ，s y s t e mp r o t e c t i o n ，r e l i a b i l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t 1 1 i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ei n f l u e n c eo np o w e rq u a l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k w h i c hc a u s e db yd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s a n dt a k et h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a st h em a i no b j e c to fs t u d y , w i t hm a t l a bf o rt h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，e s t a b l i s ht w o k i n d so fs i m u l a t i o nm o d e l so fc o n s t a n ta s y n c h r o n o u sa n dv a r i a b l ed o u b l e f e dw i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，r e s e a r c ht ot h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e mc a u s e db yt h e m a t t h es a m et i m e ，t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dt h a tu s i n gd i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ( d - s t a t c o m ) t oi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k w h i c hc o n t m n sac o n s t a n ta s y n c h r o n o u sw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n dw i m m a t l a bt oe s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e lo fd - s t a t c o mt ov a l i d a t ei t sv a l i d i t y t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw ec a nc o n c l u d et h a tt h ec o n s t a n ta s y n c h r o n o u sw i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i l lh a v eag r e a t e rn e g a t i v ei m p a c to nv o l t a g eq u a l i t yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t hw i n ds p e e dd i s t u r b a n c eo rs y s t e mf a i l u r e s a f t e ru s i n g d - s t a t c o m ，t h eq u a l i t yp r o b l e mi ss o l v e da n dt h es y s t e ms t a b i l i t yi si m p r o v e d b e c a u s et h ev a r i a b l ed o u b l e f e dw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mh a si t so w n v o l t a g e c o n t r o ls y a t e m ，i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ei m p a c to nv o l t a g eq u a l i t y b u ti tu s e st h e c o n v e a e r w h i c hw o u l dr e s u l ti nh a r m o n i cp o l l u t i o n s ow em u s ti n s t a l lf i l t e rt ot h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hh a sd o u b l e f e dw i n df a r mi no r d e rt om e e tt h en a t i o n a l h a r m o n i cs t a n d a r d s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s ；p o w e rq u a l i t y ；w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ； m a t l a b ；d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌态堂或其他教育 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( 手写) ：墨碜若签字日期：乒口刁年胗月；7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、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。本人授权直昌盔堂可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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 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( 手写) ： 景哮苦 签字，日期：) a 。l i 年j 月c ) 日 新瑚：修幼 签字吼7 引瑚叩日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 集中发电、远距离输电和大电网互联是当今世界电力系统的主要特征。近 些年由于公众对输电线路可能会产生的电磁影响的忧虑，开辟新的线路走廊变 得越来越困难。于是，直接安置在用户近旁的分布式发电装置便成为一种替代 方案。分布式电源与大电网配合可以大大地提高供电可靠性，在电网崩溃和意 外灾害的情况下，分布式电源仍可以维持重要用户的供电。2 0 0 8 年初我国南方 冰灾以及之后的汶川大地震期间，我国电网都发生了大面积的停电事故，之后 人们认识到，如果能有与电网配合的分布式电源在运转，供电可靠性将会大大 地提高，一些灾难性后果是可以避免的。同时，分布式电源与大电网系统相结 合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法，例如，对偏 远地区供电采用集中式大电网结构这样会造成输电费用过高，并且有些特殊地 区都无法铺设电网因此，将分布式电源和大电网相结合的供电方式有较大的推 广价值。 此外，能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。目前世界能源是以煤 炭、石油、天然气等化石能源为主体结构的，而这些能源是不可再生的资源， 大量耗用终将会枯竭，并且在生产和消费过程中有大量污染物排放，破坏生态 和环境。近些年，我们的生存环境正在不断的恶化，现有能源生产对环境的影 响作用日益受人们的重视。为了保护人类赖以生存的地球的生态环境，必须采 取措施减少化石能源的耗用，大力开发利用清洁、干净的新能源和可再生能源。 目前，分布式电源研究的热点之一就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；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。随着技术的发展、公共环境政策和电力 市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。 近年来我国社会发展的目标已经发生了重要变化，建设资源节约、环境友 好、可持续发展的社会成为全国上下的共识。国家已将“分布式供能技术列 入2 0 0 6 - 2 0 2 0 年中长期科学和技术发展规划纲要。因此，电力建设也正在积极 第一章绪论 适应国家的整体发展目标，转变电网发展方式、加快电网结构调整，建设大电 网中既有大容量，又有小容量，既可联网运行，又可解列微网运行构架，即形 成大电网与微电网并存、互补的格局。同时，通过发展分布式电源、微电网系 统技术，牵引自主创新技术研究，包括太阳能、风能、地热能、生物质能利用 技术，微燃气轮机、燃料电池、光伏电池以及超级电容、飞轮、蓄电池等先进 储能技术，从而促进我国产业结构调整，打造以自主创新技术为依托的民族能 源工2 。 1 2 分布式电源在国内外的研究现状 1 2 1 国外的研究现状 就全世界来看，能源利用率越高、环境保护越好的国家，对于发展分布式 电源技术的推广应用就越热衷，支持政策也越明确。分布式发电技术在国外发 达国家己得到较大程度上的应用。在美国、欧洲国家，他们的工业发达，用电 负荷大，分布式电源的发展相对中国来说较早一些。 1 2 1 1 美国 美国把发电技术作为维系现代化生活和现代工业文明的基础。美国在2 0 世 纪8 0 年代曾经是世界风电和太阳能发电大国，但是在8 0 年代后期，随着石油 价格的下滑，其风电发展势头锐减。近年来，随着对气候变化问题的重视和对 保障能源安全的理解，以风电和太阳能发电为代表的分布式发电技术的发展重 新抬头。 自2 0 0 0 年以来，美国政府开始关注可再生能源的发展，联邦政府共计拨款 1 2 0 亿美元，支持新能源技术的研究开发，并且取得了令世界瞩目的成果：一是 生物液体燃料发展迅速，自2 0 0 0 年的1 6 亿加仑( 1 加仑等于3 7 9 升) 增加到 2 0 0 8 年的6 4 亿加仑；二是重新成为世界风电大国，2 0 0 1 年至2 0 0 7 年，美国的 风电增加了3 0 0 ，2 0 0 7 年一年新增风电装机容量5 2 0 万千瓦，居世界之首，累 计装机容量达到1 6 8 2 万千瓦，2 0 0 8 年底，美国风电装机总容量已达2 5 1 7 万千 瓦，新增风电装机容量达8 3 5 8 万千瓦，位列全球第一。2 0 0 9 年，美国恢复和 再投资法案计划在2 0 1 2 年前将风力发电量提高一倍，从2 0 0 8 年的5 3 0 亿千瓦 2 第一章绪论 小时增至2 0 1 2 年的2 0 1 0 亿千瓦小时；2 0 3 0 年前将美国风力发电能力增长6 7 ， 地热发电能力增长1 6 ，生物质能源发电能力增长1 8 ；鼓励小型风力涡轮发 电的商业性发电，于2 0 1 6 年前，使其发电能力增长5 倍，使风力总装机发电能 力达到1 2 0 兆瓦。此外，法案使太阳能商业发电总装机能力增至1 2 1 兆瓦，年 增长率为1 5 。 美国能源部和e p r i ( 美国电力研究所) 提出了所谓“能源试验场 的设想， 借助于互联网把场里的分布式电源有机地联接起来。表1 1 就是几座按照这种设 想建立的“试验场”，其中与加利福尼亚州阿巴因大学相邻的一座研究场，在8 0 万立方米区域里有4 3 座建筑物，全部由微型燃气轮机、太阳能电池、燃气型燃 料电池组成的分布式电源群提供能源。通过互联网可以提高分布式电源的管理 水平和效率，如果再结合利用电力通讯新技术的供需管理，适应于电力调峰， 还能进一步提高资源的利用效犁。 表1 1 美国采用分布式电源的能源试验场 场名 地区 用途概况 占地面积8 0 万m 3 ，太 大学研究场加利福尼亚州阿巴因市研究，设备开发 阳能发电天然气发电 贮能装置 占地面积7 7 万m 3 ，太 普利桑多市阳能发电l 煤气发电贮 能源试验场 加利福尼亚州普利桑多市技术开发，设备制造 能装置，有线通讯光 纤通讯无线通讯网 西部普尔门 伊利诺伊州西喀哥市商业中心和办公楼 确保可靠性，降低环境 商业试验场负荷 1 2 1 2 欧洲 目前，欧洲各国在发展清洁能源方面不遗余力。他们试图通过各种途径， 有效解决全球能源价格不断上涨给各国政府带来的巨大压力。 丹麦在新能源的开发和利用中首推风能，在其制订的最新能源计划中，明 确提出到2 0 3 0 年能源构成将是风能占5 0 ，太阳能1 5 ，生物能和其它可再生 能源3 5 。其中风能在2 0 2 5 年还将占到电力供应总量的7 5 。近年来丹麦风能 发展的一个重要趋势是向海上发展，截至2 0 0 7 年丹麦海上风力发电场已达1 1 个。除了大力推广风能，丹麦政府也在不断探索更多样化、更加有效的新能源 发展模式。其中秸秆发电、建立中心沼气厂、通过生物发酵提取乙醇、利用城 市垃圾提取氢气和甲烷，利用海浪发电等都在丹麦得到了不同程度的应用。 3 第一章绪论 瑞典把“节约能源和替代能源的可持续发展作为基本国策，同时把替代能 源的可持续发展作为其能源政策的重心。在这一政策指导下，瑞典政府大力推进 新能源的开发和利用。其中最突出的成就便是充分利用“沼气”，实现节能减排。 在2 0 0 6 年之前的1 0 年间，瑞典已经成功地把地热和废热作为供暖的全部能源。 芬兰目前可再生能源已经占芬兰整体能源利用的2 5 ，是欧盟可再生能源 利用率最高的国家之一。芬兰是一个能源小国，无煤无油无天然气，但其工业 的基础产业木材加工业、化工业和造纸业则是耗能大户。为解决这一矛盾， 芬兰充分利用国内丰富的森林资源，走出了一条生物能源利用的成功之路。生 物能源主要指植物的废弃物，如木屑、树皮和森林落叶等，可以用来发电和释 热。生物能源既是可再生能源，又是无污染或低污染的绿色能源。芬兰生物燃 料的主体为森林废弃物、人造能源林，以及木材造纸加工业的副产品和残余废 物。另一类生物燃料则包括泥煤和一些非食用生物等。如今芬兰已经建立起了 配套完善的生物能源商业链。全国大约有4 0 0 个大中型能源工厂使用生物燃料 发电供热，取得了良好的经济效益和社会效益。 冰岛利用地热不再依赖石油。据勘探，冰岛全国共有8 0 0 多处热田，是世 界上热田最多的国家之一。冰岛政府提供的数据显示，到2 0 0 5 年时地热已保证 了冰岛5 5 的能源供应。地热最大的用途是保障了几乎全国的供暖和热水需求。 迄今为止冰岛地热发电的潜力只开发了- d , 部分，主要电力供应仍来自水力发 电，因此利用地热资源的上升空间还很大。 挪威是一个河流众多、雨量充沛的国家，拥有丰富的水利资源，其水电开 发较早，至今已有1 0 0 年的历史，水电技术十分先进。挪威的可再生能源利用 比例较高，占能源总消耗的近6 0 ；其中9 9 为水电的电能占5 0 、生物能占 6 ；石油和煤等不可再生能源分别占3 6 和7 ；天然气蕴藏量虽高，但使用 量不到3 。挪威是在世界上第一个把风能和氢气结合起来发电的国家。2 0 0 4 年 挪威在西海岸修建了尤兹拉风力发电场，该发电场把平时风力发电产生的剩余 电力用于分解海水，通过水分子电解产生氢气后，将其储存在一个大的容器里， 再注入到常规的氢发生器或注入到燃料储存室里，一旦由于没有风或风力过大 风车不能转动时，人们就可以用储存的氢获取所需的电力。 1 2 1 3 日本 日本是岛国，资源、能源匮乏，传统能源几乎全部需要进口。这一特殊的 能源结构劣势促使其不断调整并优化能源消费结构，寻求能源多样化，加强对 4 第一章绪论 太阳能、地热能、氢能、合成天然气在内的新能源的研究和开发。日本的新 日光计划( 1 9 9 4 2 0 3 0 ) ，计划到2 0 1 0 年可再生能源供应量和常规能源的节能 量要占能源供应总量的1 0 ，2 0 3 0 年分别达到3 4 。目前，日本风力发电量居 世界第三位。太阳能发电在日本的新能源利用中也占有重要的地位。日本还在 大力研究分散型电源系统的区域性应用、分散型电源与i t 结合的网络化应用， 典型实例如表1 2 所示。 表1 2 日本分散型电源应用实例 类型概况实施主体技术形式主要功能 燃料电池灾难紧急电源 东京都未来能源 东京都 太阳能发电 普及能源情报 设想 风力发电提高事业经济 循环型经济产业省的规北九州以外的9 个废弃物处理燃气废物利用再循环 环境都市划项目地区炉技术开发 国土交通省的生大宫市以外的1 8 个 自然能源和城市创造地区共生式 能源的灵活应用模型，灵活使用 态城市项目城市 系统自然能源 分散型燃机能源 1 4 0 k w 生物能源发电京都府八木町 管理 废物利用 废弃物大牟市电源开发公r d f 发电 发电等 资源再循环利用废弃物处理发电 司川崎重工高效垃圾发电 i t 、c a d 、焚烧灰重复利用 垃圾焚烧炉涉谷区茬原制作所 机组 城市垃圾焚烧 资料来源：何季民分布式电源技术展望【j 】东方电气论坛，2 0 0 3 ，1 7 ( 1 ) ：9 1 4 1 2 2 国内的研究现状 我国分布式能源系统的应用刚刚起步，国内的一些科研单位、高校、供电 部门等正在开展这方面的研究，有些已有工程及产品，如中科院在西藏建立了 多座小型太阳能光伏发电系统( 总量达4 2 0 千瓦) 。另外，还开始了分布式能源的 模型研究、分布式能源并网系统研究、储能产品的开发等。但由于我国目前尚 无有关分布式能源的法规和并网运行规程，再加上资源、电价、可用设备、经 济、技术和电力市场化等方面的制约，因而分布式能源的进展并不理想。但目 前我国北京、上海、广州已有一批以油、气为燃料的分布式热、电、冷工程投 入运行，取得明显的经济效益、环保效益和社会效益。表1 3 表1 5 主要列出 了上海、北京和广州的以天然气或沼气为燃料、采用燃气轮机、内燃机和微燃 机为主设备的分布式发电工程。一些太阳能光伏发电工程未列入。 5 第一章绪论 表1 3 上海分布式三联供系统的发展情况 序号项目地点 设备情况 l 台l 0 0 0 k w s o l a r 土星2 0 柴油燃气轮机 l 上海黄浦中心医院 l 台3 5 t h 余热蒸汽锅炉 i 台4 0 0 0 k w s o l a r 天然气燃气轮机 2 上海浦东机场 l 台5 t h 余热蒸汽锅炉 l 台4 0 0 k w 坚泰燃气内燃气机 3 上海闵行医院 l 台3 5 0 k g h 余热蒸汽锅炉 l 台6 0 k w c a p s t o n e 燃气微燃机 4 上海理工大学 l 台1 5 万人卡余热直燃机 2 台往复式内燃机h i w 2 6 0 型1 6 8 k w 5 上海舒雅健康休闲中心 和余热锅炉2 台供6 5 热水 6 上海锦虎电子配件有限公司 2 + 1 0 0 0 k w 燃气机 表1 4 北京市分布式三联供系统的发展情况 序号项目地点 设备情况 l 台4 8 0 k w + l 台7 2 5 k w 燃气内燃机 l 北京市燃气集团监控中心 l 台b z i 0 0 型+ 1 台b z 2 0 0 型余热直燃机 l 台8 0 k w 宝曼燃气微燃机 2 北京次渠站综合楼 l 台2 0 万大卡余热直燃机 1 台1 2 0 0 k w s o i a r 燃气轮机 3 软件广场 l 台2 5 0 万大卡余热直燃机 2 台4 0 0 0 k w s o l a r 人马4 0 燃气轮机 4 北京国际贸易中心三期工程 2 台2 0 硼再燃余热锅炉 2 台4 0 0 0 k w s o l a r 人马4 0 燃气轮机 5 国际商城 2 台2 0 t h 再燃余热锅炉 北京高碑店污水处理厂沼气热 一期：4 台6 g t l b 型沼气内燃机5 1 3 k w 6 电站二期：3 台j m s 3 1 6 g s b 、l 沼气内燃机7 1 0 k w 7 北京首都机场扩建2 台1 2 0 0 0 k w 燃气轮机 由小型燃气轮机、双效燃气型溴化锂吸收式制冷 热泵机组、低温余热锅炉、吸收式除湿装置和压 8 北京奥运能源展示中心 缩式制冷热泵机组组成了燃气轮机吸收机的分 布式冷热电联产系统 表1 5 广东分布式三联供系统的发展情况 序号项目地点设备情况 l l 台1 0 2 k w 柴油内燃机 1 广东东莞鞋厂 l l 台o 5 饥蒸汽锅炉 1 台7 2 5 k w 重油内燃机 2 广东铝业集团 l 台b z 2 0 0 型余热直燃机 3 广州人学城2 台5 0 m w 燃气轮机满足大学城8 1 用电 上深圳龙岗区燃机改造热电 2 5 0 0 0 k w 燃机电站改造热电联产，对外供热制 4 联产冷，提高经济效益 6 第一豪绪论 1 3 我国推广分布式电源存在的制约性因素 目前，主要有以下的问题： ( 1 ) 分布式能源技术装备的建造和运行成本较高。 ( 2 ) 系统集成的能力不足。 分布式能源系统需要多个环节协调运作，如智能设备、控制设备、人机对 话设备等的协调，又如智能电网和分布式供电系统的配套建设。可以说，我国 系统集成方面的能力明显不足。 ( 3 ) 新老系统的磨合问题。 分布式能源系统在和传统的集中供电系统接轨过程中，会对集中供电系统 产生较大冲击。我们必须妥菩解决捏合两者过程中产生的技术问题，如市场交 易问题、调度通信问题等。此外，分布式能源系统会使集中供电系统的电力特 性遭到破坏，如继电保护装置、负荷曲线等技术层面的问题。 ( 4 ) 体制性障碍。 目前，我国的集中供电系统由电网公司实行垄断经营，分布式供电系统的 出现将瓜分这块市场蛋糕。分布式能源系统建的越多，就意味着原有的能源市 场被分割的次数越多。对集中供电系统的代言方来讲，为了维护既得利益，会 对分布式供电系统的建立产生体制性障碍。此外，我国目前关于分布式能源系 统的制度建设仍不完善，也成为我国推广分布式能源系统的制约性因素之一。 1 4 本论文的主要工作 分布式电源的并网运行将对传统的电力系统带来较大的影响，它会对配电 网的电压、电能质量、系统保护、可靠性等产生一定的影响。本文主要针对分 布式电源并网运行对配电网电能质量的影响作分析研究，并且以风力发电系统 作为主要研究对象，以m a t l a b s i n m u l i n k 为仿真平台，建立恒速异步以及变 速双馈两种风力发电系统的仿真模型，对它们并入配电网运行引起的电能质量 问题进行仿真分析。同时本文提出将配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 引入 到含有恒速异步风力发电系统的配电网中，用以改善风电场引起的电能质量问 题。 7 第章绪论 论文的主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 对分布式电源的发展背景、国内外的研究现状及其定义作系统的研究， 并且对现在比较热门的四种分布式电源作了介绍。同时又对分布式电源的并网 形式以及分布式电源对配电网运行及规划的影响作了分析。 ( 2 ) 分析了分布式电源引起配电网谐波以及电压闪变的作用机理，其中主 要分析了引起风力发电、太阳能光伏发电及燃气轮机发电功率波动的原因。 ( 3 ) 分别确定了风速、风力机、异步发电机、双馈异步发电机及控制部分 的数学模型。在这基础上利用m a t l a b s i n m u l i n k 仿真工具建立含有风电场的 配电网系统模型，在风速扰动和系统故障的情况下，对恒速异步风力发电系统 和变速双馈风力发电系统并网运行时系统状态量变化进行仿真分析，并比较分 析仿真结果，得出相应的结论。 ( 4 ) 建立适用于谐波分析的变速双馈风力发电系统模型，并利用快速傅里 叶变换( f f t ) 对其并入配电网运行时( 加装滤波器前后) 系统电压、电流的瞬 时值进行谐波分析。 ( 5 ) 最后提出将配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) 引入到含有恒速异 步风力发电系统的配电网中，用以改善风电场引起的电能质量问题。文中分析 了d s t a t c o m 的工作原理、主电路形式及其控制方式，并且利用m a t l a b 建 立了基于电流间接控制方式的d s t a t c o m 仿真模型，通过仿真分析验证该模 型建立的正确性及其改善风电场引起的电能质量问题的有效性。 8 第二章分布式电源及其对配电网的影响 第二章分布式电源及其对配电网的影响 2 1 分布式电源 2 1 1 分布式电源的定义 目前，分布式电源的定义还尚未得到统一【2 】，一般认为，分布式电源指的是 直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电， 以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。发电规模一般不大，大 约在几千瓦至几十兆k t 3 1 。 2 1 2 几种主要分布式电源的简介 2 1 2 1 微型燃气轮机 微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发电机，其单机功率范围为 2 5 - - - 3 0 0 k 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。其工作原理为：从离心式压气机出来的高压空气先在回热器内 由涡轮排气预热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧，高温燃气送入向心式涡 轮做功，直接带动高速发电机( 转速在5 0 0 0 0 - - 1 2 0 0 0 0 r r a i n 之间) 发电【4 1 。图 2 1 为其原理框图。 图2 1 微型燃气轮机原理图 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 式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提 9 第二章分布式电源及其对配电网的影响 供清洁、可靠、高质量、多用选、小型分布式发电及热电聪供的最佳方式，无 论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用口】。 2 12 2 风力发电 风力发电机一般有风轮、发电机、调向器( 尾翼) 、塔架、瑕速安全机构和 储能装置等构件组成1 6 j ，其结构如图22 所示。风力发电的原理比较简单。风轮 在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，然后发电机在风 轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机 械能。一般风力发电机的风轮由2 个或3 个叶片构成；在风力发电机中，已采 用的发电机有3 种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机；风力 发电机中调向器的功能是使风力筮电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限 度地获取风能。一般风力友电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的， 尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板；限速安全机构是用来保证风力发电机运行安 全的，限速安全机构的设置可咀使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内 保持基本不变；塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采 用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力发电机的输出功率与风速的大小有关。 由丁自然界的m 速是极不稳定的，所以风力发电机的输出功率也极不稳定。 翻2 2 风力发电系统结构图 风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行以及与其它发电方式互补 第二章分布式电源及其对配电网的影响 运行【_ 7 1 。独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供用户使用，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、风力一太阳能光伏发电，风力一燃料电池发电等，这种方式可以 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。 2 1 2 3 太阳能光伏发电 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，叉称光伏电池。太阳能电池 发电的原理是光生伏打效应。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能， 产生光生电子空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离， 电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。 若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从 而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能【8 j 。 通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电 系统“又称太阳能光伏发电系统。地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要 可分为离网运行和联网运行两大类。离网太阳能光伏发电系统主要应用于远离 公共电网的无电地区和一些特殊处所。联网太阳能光伏发电系统是太阳能光伏 发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重要方向，是 当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 联网太阳能光伏系统可分为集中式大型联网光伏系统( 简称大型联网光伏 电站) 和分散式小型联网光伏系统( 简称住宅联网光伏系统) 两大类型。大型 联网光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上，由电网同意调配向 用户供电。建设这种大型联网光伏电站，投资巨大，建设期长，需要复杂的控 制和配电设备，并要占用大片土地，同时其发电成本目前比市电贵数倍，因而 发展不快。而住宅联网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶联网光伏系统， 由于具有许多优越性，建设容易，投资不大，许多国家又相继出台了一系列激 励政策，因而在各发达国家备受青睐，发展迅速，成为主流。在这里就主要简 单介绍一下典型的住宅联网光伏系统( 见图2 3 ) 。 住宅联网光伏系统的主要特点，是所发的电能直接分配到住宅( 用户) 的 用电负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。根据联网光伏系统是否 允许通过供电区变压器向主电网馈电，可分为可逆流与不可逆流联网光伏发电 1 1 第二章分布式电源及其对配电网的影响 系统( 见图2 4 ) 。住宅系统由于受天气和季节的制约，而用电又有时间的区分， 为保证电力平衡，一般均设计成可逆流系统。 图2 3 典型住宅联网光伏系统示意图 1 一接线箱；2 一联网逆变器：3 一配电箱； 卜电表( 向电网输出) ；卜电表( 从电网引入) 电网 ( a ) 可逆流系统 电网 ( b ) 不可逆流系统 图2 4 逆流和不可逆流联网光伏发电系统 2 1 2 4 燃料电池 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的 电化学装置【9 】。燃料电池的工作方式不同于常规的化学电源。它的燃料和氧化剂 1 2 第二章分布式电源及其对配电网的影响 分储于电池外的容器中，当电池工作时，燃料和氧化剂被不断的送入电池的两 极，同时反应产物和余热被排出。燃料电池本身只决定电池输出功率的大小， 电池的储能总量决定于燃料和氧化剂的供应量。燃料电池发电厂是由许许多多 单个的燃料电池( 称为单电池) 经过串并联合理组合而成的发电堆。这种组合 的规模决定了电厂的发电容量。 按燃料电池使用的电解质的种类不同可分为五类【1 0 l ，即碱性燃料电池 ( a l k a l i n ef u e lc e l l ，简称a f c ) 、磷酸燃料电池( p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l ，简 称p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，简称m c f c ) 、固 体氧化物燃料电池( s o l i dp o l y m e rf u e lc e l l ，简称s o f c ) 、质子交换膜燃料电池 ( i o ne x c h a n g em e m b r a n e ，简称p e m f c ) 。图2 5 给出了这五种燃料电池的工作 原理及电池内部的荷电粒子导电机制。它们的主要性能如表2 1 所示。 图2 5 五种燃料电池的工作原理及其内部荷电粒子导电机制图 1 3 第二章分布式电源及其对配电网的影响 表2 1 各种燃料电池的主要性能 a f cp a f c m c f cs o f cp e m f c 电解质 k o h h 3 p 0 4l i 2 c 0 3 k 2 c 0 3z r 0 2 ( + y 2 0 3 )磺酸盐聚合物 荷电载体o h h +c o ：一0 2 一h + 工作温度( ) 5 0 - 2 0 01 8 0 2 0 0 6 5 05 0 0 一1 0 0 05 0 - 1 0 0 燃料种类汁 效率 5 5 - 6 04 0 - 5 0 6 0 6 0 4 0 - 5 0 注：一氢气；一天然气；一液化石油气；一甲醇 2 1 3 分布式电源的并网形式 分析分布式电源的并网形式是研究分布式电源并网运行对配电网影响的基 础。分布式电源与电网的连接方式有两种，即直接与电网连接和通过电力电子 装置与电网连接。在上节中介绍的几种主要的分布式电源中，风力发电( 大部 分) 是直接与电网连接的；微型燃气轮机、太阳能光伏发电、燃料电池及小部 分的风力发电都是通过电力电子装置与电网连接。 2 1 3 1 直接与电网连接 目前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 简单，发出的工频交流电可直接使用或经变压器输入电网。图2 6 所示为异步发 电机t 型等值电路图。 。j ，一s b 了 图2 6 异步发电机t 型等值电路图 图中，r j 、恐分别为定子电阻和归算到定子侧的转子电阻；、局分别为 定子电抗和归算到定子侧的转子电抗；为激磁电抗；u 为异步电动机机端电 压。 由于很大，异步发电机模型可以将其移到外面得到r 型等值电路，如图 2 7 所示。 1 4 第二章分布式电源及其对配电网的影响 ，一s 心了 图2 7 异步发电机r 型等值电路图 一般来说，像地热能发电和海洋能发电采用的都是同步发电机。无励磁调 节的隐极同步发电机空载时的等效电路如图2 8 所示。 x d e d g 图2 8 隐极同步发电机等效电路 考虑隐极机有下式成立： ：掣j i n 8 ( 2 1 ) a d = 等c o s 弘笔 ， 式中，、分别为分布式电源的有功输出和无功输出；为分布式 电源机组的空载电势。由于无励磁调节系统，所以为常数；以为分布式电 源机组的同步电抗；u 为机端电压；万为功角。 2 1 3 2 通过电力电子装置与电网连接 太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池、储能系统、微型燃气轮机等分布 式电源都可通过电力电子装置并网。其中太阳能光伏发电、燃料电池、和储能 系统发出的是直流电，需要通过电压源逆变器与电网连接；微型燃气轮机发出 的是高频交流电，需要通过a c d c a c 或a c a c 变频后并网；一些先进的同步 风力发电常采用交一直一交的接入方式，可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【l l 】。 第二章分布式电源及其对配电网的影响 通过逆变器并网的分布式电源的并网原理图如图2 9 所示。图中，负载接在 公用电网上，分布式电源并网系统并联在电网和负载之间，l 为交流侧滤波电感， c 为直流侧电容。将图2 9 简化，可得图2 1 0 。 如图2 1 0 所示，设分布式电源输出电压为儿配电网电压为e ，输出有功功 率和无功功率分别为p 、q ，x 为变压器等值电抗，功率角为万，则有： 尸：警枷 ( 2 3 ) 9 = 丁v e c o s 6 一i e 2 ( 2 4 ) 图2 9 分布式电源通过逆变器并网原理图 p + j qx v 娟 i 一 。一 一 v 认厂一 占 图2 1 0 分布式电源通过逆变器并网简化图 1 6 第二章分布式电源及其对配电网的影响 2 2 分布式电源对配电网的影响 近些年，分布式电源的应用越来越广泛，将分布式电源引入集成到现有的 配电网系统中，是分布式电源的发展趋势，但是把大量的分布式电源引入配电 网会对配电网的结构和运行产生很大的影响【1 2 】。主要包括以下几个方面： 2 2 1 分布式电源对配电网运行的影响 2 2 1 1 对电压的影响 ( 1 ) 对稳态电压分布的影响【1 3 。1 4 l 。传统配电网一般呈辐射状，稳态运行情 况下，电压沿馈线的潮流方向逐渐降低。接入分布式电源后，在稳态情况下( 假 设负荷恒定不变) ，由于馈线上的传输功率减少以及分布式电源输出的无功支 持，使得沿馈线的各负荷节点处的电压有所提高。而电压被抬高多少与接入的 分布式电源的位置及总容量的大小有判1 5 】。 ( 2 ) 对系统电压波动的影响。传统配电网中，系统电压波动主要是由有功、 无功负荷随时间变化所引起的，并且沿线路末端方向，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，会影响系统电压的波动，使其增大或减小， 这主要通过2 种方式：1 ) 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相应增加( 或减小) ，此时分布式电源将抑 制系统电压的波动；2 ) 分布式电源不与当地的负荷协调运行，如利用自然资源 发电的分布式电源，由于其输出量受自然资源( 如风速、太阳光辐射强度等) 影响很大，一般很难控制，所以这类分布式电源很难与当地的负荷协调运行， 此时分布式电源将可能增大系统电压的波动。 2 2 1 2 对电能质量的影响 分布式电源对电能质量的影响要一分为二的来看0 6 1 ： ( 1 ) 正面影响。分布式供电采用了分散、就地的供电方式，可以提高供电 可靠性，从而提高供电质量：分布式电源能够及时快速的提供电能，当电网关 联负载较大时，分布式电源在相关控制策略下在尽可能短的时间内投入使用， 使系统尽可能的减少故障，从而提高整个电网系统的稳定性。 ( 2 ) 负面影响。主要表现在以下两个方面l l7 j ： 1 7 第二章分布式电源及其对配电网的影响 1 ) 电压闪变。分布式电源在下列情况下可能直接或间接引起电压闪变：分 布式电源的启动和停运与自然条件、用户需求、政策法规、电力市场等很多因 素有关，它们的不规则启停导致其输出功率波动，从而造成配电网的电压闪变； 分布式电源输出功率的突然变化，导致分布式电源和反馈环节的电压控制设备 相互影响，直接或间接引起电压闪变；分布式电源与配电网负荷的不协调运行， 也会引起电压的闪变1 1 3 j 。 2 ) 谐波【1 9 2 0 l 。分布式电源并网导致大量的电力电子装置应用到系统中，这 些电力电子器件担负着能量的传递和负荷的投切等重要功能，对其进行操作会 引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染。此外，通过电力电 子装置接入配电网的分布式电源的电压调节和控制方式与常规方式有很大不 同，其开关器件频繁的开通和关断易产生开关频率附近的谐波分量，对电网造 成谐波污染。 2 2 1 3 对系统保护的影响 由于传统辐射状配电网的潮流是从电源到用户单向流动的，且考虑到配电 网上大多数的故障是瞬时的，所以传统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。传统 的配电系统保护根据“仅断开故障支路，对瞬时故障进行重合闸 的原则，使 自动重合闸装置与各侧支路上的熔断器相互协调，且每个熔断器又分别与其直 接相连的上一级和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， 但是这种保护不具有方向性。引入分布式电源后，配电网成为一个多电源系统， 这要求其保护设备应具有方向性，但熔断器和传统的自动重合闸装置并不具备 方向性，而用诸如继电器那样的方向性敏感元件替换配电网中所有的熔断器和 自动重合闸装置，在经济上又是不可行的，因此，接入分布式电源后如何依然 能够保持保护装置原有的协调性，以及配电网可以容纳多少分布式电源而不会 影响原有保护设备