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分布式发电的高覆盖率对电力系统设计和运行的影响分析Bartosz Wojszczyk,Omar Al-Juburi,王靖(1埃森哲公司，美国 罗利市 27601；2埃森哲公司，美国 旧金山市 94105；3埃森哲公司，中国 上海市 200020)摘要：文章探讨了电力公用事业大规模实施分布式发电的问题。分布式发电的日益普及将对电力系统的设计、工程实施以及运行的可靠性提出很高的要求。作者考察了分布能源(DER)的大规模应用对电力系统设计、安全运行与绩效的影响，并引用电力示范项目例举说明。同时，论文也展望了未来的电力公用事业发展远景，描述了应用于电力公用事业的分布式发电技术。关键词：分布式能源；分布式发电；电力系统设计和运行0 引言 分布式发电(DG)或分散式发电并不是一个新概念。1882年，托马斯爱迪生建造了他的第一座商用电站“珍珠街”。这个电站为曼哈顿59个用户提供110V直流电。到1887年，爱迪生一共有121个电站为用户提供直流电。这是首次以水和煤为介质运行的电站。用提高发电站和远距离用户负荷之间的电压来降低运行成本与功率损耗使集中供电成为可能。总之，系统性能(系统的稳定性)和设备利用率的有效提高为大规模的电网供电提供了一个了平台。在近年来，分布式发电得到了广泛和快速的发展。分布式发电技术是基于内燃机、微型和小型燃气涡轮机、风力发电机、燃料电池、各种光伏发电、小型水电和地热系统。自由竞争的的电力行业(在一些国家)，传统化石燃料的发电厂在环境治理上的花费往往比较高，国家和地方法规都比较支持“绿色”能源技术的迅速发展，分布式发电在电力系统中和智能电网的实用中发挥越来越重要的作用。大规模实施分布式发电可能导致的结果是，分配/中压网络的发展从“被动”(局限或者有限的自动化水平，监测和控制水平)的系统变为一个积极(全球/集成，自我监测，半自动)响应各种动态因素的电网。这就对操作和管理电网提出了更高的挑战。因此，规划和操作新的系统必须面对更多全球体系的挑战。 本文的主要是对分布式发电的高覆盖率对电力系统设计和运行的影响分析。以下章节描述了现代供电的趋势、分布式发电技术的前景、和分布式发电机组的设计和一些已经建成的分布式发电工程项目。文章探讨了电力公用事业大规模实施分布式发电的问题。分布式发电的日益普及将对电力系统的设计、工程实施以及运行的可靠性提出很高的要求。作者考察了分布能源(DER)的大规模应用对电力系统设计、安全运行与绩效的影响，并引用电力示范项目例举说明。同时，论文也展望了未来的电力公用事业发展远景，描述了应用于电力公用事业的分布式发电技术。1.现代供电的趋势1.1 集中供电与分散供电世界大部分国家都是用集中供电的方式，这些集中发电的电站大部分利用大量的化石燃料的燃烧、水能或核反应堆来进行发电。这些中央电站大多数的装机容量都在300MW和1.7GW之间。这使得集中发电和分布式发电在装机容量和设施上有很大的区别，分布式发电有以下特点：1)分布式发电站安装在不同的位置(接近负荷)，在整个电力系统相对独立。2)分布式发电站相对独立(虽然发展的“虚拟”的发电厂，其中许多分散的分布式发电装置都是一个独立的电源，可能是一个例外定义)。3)机组额定功率有很大范围从几千瓦到几十兆瓦(在不同的国家MW的定义不是是同一个标准，例如美国IEEE1547规定，分布式发电机组额定容量高达10兆瓦无论是单机容量或总容量)。4)被接入不同电网中，接入的电网的电压等级不同，600 V到110 kV不等(取决于地区/国家)。非分布式发电仍然占主导地位是因为，电力生产会受到规模经济、燃料成本和能源利用率、和机组寿命的影响。用增加规模生产来降低生产每兆瓦的成本是合理的；然而，大规模高参数的机组可以利用成熟的技术来提高燃料利用效率。所以，燃料成本和能源利用率仍然是继续建设大型电厂另一个原因。总之，寿命为25到50年的大型发电厂将仍然是主要电力来源，分布式发电的好处包括：提高了效率；提高供电的安全性；改进了需求调节能力；避免产能过剩；能够更好的调峰；降低了电网损耗；网络基础设施初投成本低；保证电能质量；用户用电可靠性提得以提高；使环境污染分散化(在广泛的范围内可以设计替代传统的电力系统)。分布式发电技术可贵之处在于，它能够在花费较小成本条件下，提供可靠性较高的电能。总之，分布式发电可能最终成为一个更理想的电源，是因为它更“接近”用户并且在电能输送上的花费比传统的集中供电更经济。分布式发电的难点是电站的所有权和企业的经营、燃料输送问题(根据分布式发电机组的类型，距离的远近)、和电网的连接问题、调度的局限性(风能和太阳能)等。1.2 “智能电网”的开发近年来，出现的所谓的“智能电网数字化电网未来电网”比较热门。电网的这一市场走向趋势的驱动力是技术的提高和利益相关者的关注。这一市场趋势背后的主要观念是使用监测器(传感器)，数字和完全集成的通信和嵌入式数字处理技术，来增强电力设备和技术，使电网可视化(使设备状态在电网中是可观测的)，可控化(对设备实现基于网络的控制)，自动化(能够自适应和自恢复)，和用户友好化(电站和用户可以互动)。智能电网的概念应该被视为转变经济发展方式的重要、有效途径，发展智能电网为能源资源优化配置创造条件，提供了切实可行的途径。发展智能电网为高新技术发展、科技创新、高端制造创造条件，为公众生产、生活提供更高质量的电能。能够意识到智能电网的优点是非常重要的，它应该是电力工业革命的曙光，而不是工业电力革命的产物。一般来说，这个市场的趋势，需要一种新的方法进行系统设计，达到网络集成设计实施的需求。此外，用于公共事业的高覆盖率分布式发电机组应该制定明确的工程建设标准和操作维护规程。2.分布式发电技术的前景分布式发电系统可以利用任何常规发电的技术，如低/高温燃料电池、柴油发电机、燃气蒸汽联合循环发电机组、水力发电机组、或其他旋转机械、可再生能源技术，包括太阳能发电、光伏发电、太阳能集热器、薄膜、风力发电技术，新兴发电技术(例如潮汐能等)。每一种分布式发电技术都其优点和缺点，在选择过程中必须考虑。3.分布式发电机组与系统连接的要求分布式发电机组与系统连接的设计和工程细节取决于具体的装机容量(千瓦、兆瓦)；然而，整体系统的安装应包括以下几部分：1)分布式发电燃料(或主要能量来源)和发电机组。2)主变压器。3)接地装置(当设计的的系统设备需要时)。4)微机保护继电器：三或单相故障检测和分布式发电机过载保护。速断保护和系统异常检测。电压和电流不平衡检测。不正常的反向功率检测。分布式发电机同步检测。5)断路器或者刀闸。6)计量，控制和数据记录设备。7)调度控制和监视的通信线路。4.高覆盖率的分布式发电对电网的影响 高覆盖率的分布式发电可能影响系统性能。这种影响可以从下面几方面进行分析：1)分布式发电站的设计装机容量和类型：功率变换式，单元阻抗式，继电保护功能，接口变压器，接地，等。2)分布式发电的原动力：风、光伏、冰等。3)分布式发电的运行模式：带基本负荷运行、调峰运行、热电联产、带厂用电运行、根据调度要求运行，等等。4)与其他分布式电站和负荷之间的联系。5)在系统中的位置和网络的特性诸如：电网供电，自动回路供电，径向供电，等。接入点为系统阻抗连接点。电压控制设备的类型、位置和配置。接地设计。保护设备类型、地点和配置。其他。分布式发电对系统的影响还依赖于的分布式发电机组连接到系统中的“覆盖率”水平。有一些因素，在评价分布式发电在系统中覆盖率水平时，有很多因素需要考虑，影响分布式发电覆盖率水平的因素包括：1)分布式发电机组作为母线或者本地高峰负荷连接点电源的比例(因在母线的位置而不同)。2)分布式发电机组作为变电站高峰电源或变电站电源的百分容量。3)分布式发电机组作为连接点的压降容量(因在母线的位置而不同)。4)分布式发电站故障电流占额定故障电流的百分数(在不同场合下)。4.1分布式发电机组对电压的调节如何对电压进行调节，使分布式发电机组出口电压升为特定的电压，是限制了大量(高覆盖率)分布式发电机组连接到电力系统关键因素。 认真调查的电压分布表明，在分布式发电机组接入系统时，在重负载条件下，电压可能会降低到额定电压以下。这是因为相对比较大的分布式发电机组在变电站中降低了抽头变压器(LTC)线路电流值。由于分接开关认为比实际值“小”(代表负载电流小)，它会减少线圈避免“轻负荷，高电压”。这种方法使实际“重载，低电压”的情况更糟糕。按照一般规律，如果分布式发电机组提供小于20%的负载电流，那么分布式发电机组的影响很小并且在大多数情况下可以忽略。然而，如果有功功率(P)流动方向逆转流向变电站时，可变电阻器会工作在反向模式(主要控制)。由于变电站的电压与分布式发电机的电压相比，变电站有更强的电源(可变电阻器不能使它变低)，可变电阻器将增加二次侧的电阻；因此，二次侧的电压会急剧增加。双向电压调节器具有多种协调与分布式发电机操作的控制方式。根据有功功率(P)和无功功率流(Q)定义了双向性。然而，分布式发电的无功功率(Q)在许多国家标准中通常是禁止的。因此，可变变阻器的双向性是集于热电联产模式。4.2分布式发电对电能质量影响通常认为电压和频率是影响分布式发电电能质量的两个标准。根据具体情况，一个分布式电站可以增加或者减少电网中的电压质量。对于负荷而言电能质量是一个日益重要的问题。分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，提高用户用电的可靠性；然而，它也可能产生对电力系统性能产生负面影响(如协调保护)。一个值得注意的问题是，一个单一的大容量分布式发电机组或者若干个小容量分布式发电机组在接入和退出一个“弱”的系统或负荷波动(包括正常和异常)时，可能导致电能质量不合格问题。对某些类型的分布式发电机组，如风力或太阳能，电流的波动是一个最常见的问题，由于不同的风或阳光的条件。其他类型的分布式发电机组，如内燃机或燃气轮机也会由于各种因素导致电能质量波动(例如缸失火和脉动转矩旋转发动机在1800转时会产生15赫兹的脉冲电流)。谐波可能造成一些设备过热或者使变压器、电缆和电机的绝缘降级缩短使用寿命。此外，谐波也可能干扰敷设在系统邻近的一些通信系统。在极端的情况下，他们可以引起谐振过电压、过电流，造成设备故障等，分布式发电技术必须达到预先由标准谐波水平不止影响的水平。 为了减轻谐波对系统的影响可以采取以下措施： 1)使用一个接口变压器与三角绕组或接地绕组减少三次谐波的形成。 2)中性点通过电抗器接地减少三次谐波进入系统。 3)使用特定设计的2 /3绕组发电机。 4)应用滤波器或使用相位取消变压器。 5)对于逆变器：选用特制的动作速度快的逆变器。避免线路逆向供电或开关动作不及时否则可能需要更多的过滤器。 6)将分布式发电机组选为高比例的短路电流等级。对于上述措施的选择，必须在分布式发电机组对电能质量的不影响的情况下，依据分布式发电机组的故障电流占满负荷额定输出电流的比例，通过详细的研究确定。4.3分布式发电对谐波的影响在没有分布式发电机组加入的情况下谐波也可能发生(例如变压器磁化电抗和地下电缆在某个回路形成电容)。然而，分布式发电机组的加入则需考虑诸如：分布式发电机组的额定功率大于负荷的额定功率，在分布式发电机组形成接地故障时会存在较大的电容(30%到400%个不等)。4.4分布式发电机组对系统的冲击保护一些分布式发电机组将会对系统装置产生冲击电流。这种冲击电流将提高系统故障率甚至在某些情况下可能造成故障事态的扩大。如何采取方法对分布式发电机组产生的冲击电流进行保护必须考虑。在没有任何保护的情况下冲击电流的大小和对系统的影响程度取决于：1)分布式发电机组在母线上的功率大小和位置。2)分布式发电机组的类型(变频式发电机，同步发电机，感应电机)和阻抗。3)分布式发电机组的保护设备的设置(如何快速动作)。4)阻抗，保护和配置器。5)分布式发电机组的接地和变压器类型。分布式发电机(燃气轮机，一些微型涡轮机和风力发电机)在它的负荷发生故障产生时，在负荷上产生的故障电流会在瞬时高达4到10倍的额定电流。逆变器会在故障电流电流为1到2倍额定电流是迅速跳闸理想条件下小于0.02秒。一般来说，如果故障电流小于分布式发电机额定电流的5%，它是不会影响到系统或者设备的运行。另外，系统也必须考虑设备的中断能力，例如电路断路器、开关和熔断器必须有足够能力在负荷侧发生故障时及时和分布式发电机断开。5分布式发电示范工程实例5.1实用1：通过改变变压器接线方式来影响同步分布式发电机故障电流据调查，在美国一些农村供电系统中同步分布式发电机母线接地电流为100kVA，500KVA与2MVA。此外，在调查期间，发现主变压器的机侧和负荷侧线圈接线形式(三角形/星形/中性点接地的三角形接线)都被改变了。分布式发电机组产生的故障电流在从1%(一二次侧都为三角接线)到约30%(一次侧为星形接线，二次侧为中性点接地的星形接线)的范围内变动。分布式发电机组与三角接线的变压器串联配置。负荷侧不接地的接线形式增加了故障电压。5.2实用2：农村供电可靠性的强化有计划的独立电源应用在加拿大用分布式发电作为一些农村供电的独立电源，据调查，这项应用在相应的配电变电站只由一个单一的高压(HV)线的农村社区中能够提高供电可靠性。由于环境和天气影响造成线路故障而停电，那些接在只由一个单一的高压线母线上的用户在每年可能经历几次持续几个小时的停电。本地独立电力生产者(IPP)配备了额外的分布式发电机组，它是用来为负载末端的变电站高压线供电或为在维修期间的变电站提供电源。分布式发电机组如果能成功的在停电期间为负荷供电，则独立电力生产者会支付的额外的费用。5.3实用3：分布式发电作为调峰发电的应用这种利用分布式发电机组减小调峰机组的投入的应用方式吸引了那些发展中国家基于一个特定的结构从大公司购买电力。这种电力的成本为发展中国家提供了依据，最大需量(兆瓦)及由于超过额定的最大需求计算能量率(兆瓦小时)。高峰期的电力成本可高达1020倍的正常成本。在这种情况下，发展中国家可以安装调峰机组或在发展中国家用分布式发电机组作为自备电源。调峰机组可以在5到10分钟内根据调度命令完成调峰任务，这种调峰机组在一年中累计运行100到200小时。同时主要电站为了补偿维修成本，在主要电站维修期间由分布式发电机组根据调度要求进行供电，5.4实用4：能量存储应用与间歇性的分布式可再生能源发电的结合中高覆盖率的可再生能源资源(RES)由于主要能量来源的动态性质可引起功率的大幅度波动，如风力发电和太阳能光伏发电。功率