第六章分布式发电(李)

1、 分布式发电及其电力电子技术吴为麟 教授 06.11.20主要内容 能源的发展 分布式发电简要介绍 分布式发电用电力电子技术 分布式发电对电网的影响能源的发展人类的文明、人类的发展是以工具为标志的，和能源深深联系在一起的。能源的发展 能源与人类文明石器时代 农耕时代 工业时代 信息时代石器的出现，提高了原始人类狩猎的效率铁器的出现，提高了农业耕种效率动力机的出现，将人类带入的工业文明今天，以因特网为标志的信息时代到来，它将如何提高我们生产率的效率？信息时代与能源将有何种关联？将为我们的能源行业带来什么样的变化？它将如何改变我们未来的生活？ 能源的发展 第一代能源系统现有的能源系统主要是以化石燃

2、料构成的，核心是煤、石油和少量的天然气、以及核能。相对孤立的能源利用方式构成了第一代能源系统，这个系统不仅能源转换效率低下，效能单一，而且资源、环境和资金代价巨大，此外还带来了能源安全、环境污染和生态失衡、能源成本不断攀升等一系列严重的问题。能源的发展 第二代能源系统 与第一代能源系统相比，其差异体现在： 一次能源的形态转变 二次能源转换技术的发展 技术的交差整合 能源的发展 一次能源的形态转变 固体、液体 气体及可再生能源煤炭、石油天然气、风能、太阳能能源的发展 二次能源转换技术的发展第二代能源的另一技术基石是小型、微型气体能源转换装置的技术进步，它所包含了一系列能源装置：小型燃气轮机、微型

3、燃气轮机、燃气内燃机、燃气外燃机和燃料电池等技术的进步和日臻完善。能源的发展 技术的交差整合 由于信息技术的发展，人们已经逐步走出了行业壁垒和单一产品或单一技术的制约，它带来了各种技术的交差。比如： 燃气轮机（微燃机）-热泵联合循环 燃气轮机-太阳能辅助循环 太阳能（风能）-燃料电池联合循环 信息与智能化控制技术与能源装置的技术交差能源的发展以冷热电联产为代表的分布式发电系统最具有代表性，可以把热力、电力、制冷、燃气、环境、交通多系统进行优化和整合。能源的发展信息时代的到来，将不可避免的为能源行业带来一次革命。可再生能源及分布式发电技术为能源企业提供新的商机，为产业人员和研究人员提供了新的工作

4、平台，势必将重新确定我们每一个人和企业的价值。分布式发电简要介绍分布式发电简要介绍什么是分布式发电？为什么要发展分布式发电？有哪些较为成熟的分布式发电技术？什么是分布式发电分布式发电（分散电源）-分布安置在需求侧的能源梯级利用，以及资源综合利用和可再生能源设施。什么是分布式发电更为具体的描述-分布式发电不仅仅是指：燃气轮机、燃气内燃机、微行燃气轮机、斯特林外燃机、余热制冷机组等设备；也不仅包括：太阳能、太阳热、风电、小水电、微型抽水蓄能电站、燃料电池等绿色能源设备；同时，也含概了传统方式的燃煤热电和资源综合利用的小火电设施，小型微型蒸汽轮机、热气机、压差发电机、柴油机等非常广泛应用的能源转换设

5、备。为什么要发展分布式发电1 充分利用气体能源、清洁能源及可再生能源，减少环保压力。2 我国能源进一步紧张，现在全国大面积的缺电，分布式发电可以快速投入运行，缓解能源紧张。为什么要发展分布式发电3 可以提高电能质量、供电可靠性。4 大电网没有到达的地方，架设高压输电线需要高费用（如材料费、人力费、土地费）、在这种情况下由大电网远距离供电，不如用小机组供电经济便宜。5 再生能源法2006年1月1日正式生效。较为成熟的分布式发电技术1 燃气轮机交流发电机发出的电能经过二极管整流器整流后被送到直流电容上，然后经过直流交流（dc/ac）逆变器产生与大电网匹配的电压，同时要将频率调整到系统频率。较为成熟

6、的分布式发电技术燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。组成：1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；2、压气机（空气压缩机）；3、燃烧室。 较为成熟的分布式发电技术 轻型燃气轮机较为成熟的分布式发电技术 重型燃气轮机1. 连接发电机 2. 进气道主轴固定支架 3. 轴颈轴承 4. 压气机叶片 5. 压气机模块 6. 燃气轮机固定支架 7. 叶轮 8. 叶轮贯穿螺栓 9. 进气道定位 10. 水平缸封 11. 燃烧室防护罩 逆流燃烧室 燃料注入系统 燃烧室（火焰筒） 燃烧室冷却部件 喷嘴构造 一级涡轮固定构造 动力涡轮构造 排气扩散构造

7、12. 排气烟气探测器较为成熟的分布式发电技术2 风轮发电机图（a）描绘的是一个鼠笼型异步发电机系统，首先经过二极管整流器的整流，然后经过逆变器逆变，再与交流电网相连。较为成熟的分布式发电技术（b）图中，机械频率与转子转差频率之和等于电网的频率，转换器的额定功率决定于所选择的速度范围。当异步发电机运行在额定同步速之上时，转换系统可以实现功率逆向流动。较为成熟的分布式发电技术3 燃料电池燃料电池产生的直流电压经过一个直流交流（dc/ac）的逆变器进行转换，转变为交流电压。 较为成熟的分布式发电技术燃料电池是一个电化学系统。它将化学能直接转化为电能且废物排放量很低。组成：空气氧气电极（负极）燃料电

8、极（正极）电解液较为成熟的分布式发电技术4 光伏电池光伏电池系统进行能量转换的通用方法是：使用直流交流（dc/ac）逆变器，将存储在光电池中的直流能量转换为与大电网同步的交流电压。较为成熟的分布式发电技术以上几种发电类型中，电能的传送都是采用直流输电的形式，但是大电网以及人们生活、生产需要的是稳定频率的交流电，所以由电力电子设备组成的整流、逆变电路及其它电力电子接口设备在分布式发电系统的能量转换和传递中起到极其关键的作用 。分布式发电用电力电子技术分布式发电用电力电子技术1 在能量转换中的应用 系统的能量的传输、能量的存储过程中，不可缺少的装置是双向逆变装置。其核心技术为电力电子技术，开发研制

9、超大规模功率管是分布式发电急切要解决的问题。下面给出两个实例的示意图，双向变流装置是系统的关键。分布式发电用电力电子技术燃气轮机分布式发电系统图高速永磁发电机高速永磁发电机双向变流器双向变流器DC/AC逆变器逆变器蓄电池组蓄电池组双向变流器双向变流器燃气轮机及系燃气轮机及系统控制电源统控制电源输出恒频恒压输出恒频恒压交流电交流电高频高频交流电交流电燃烧室燃烧室微燃叶轮微燃叶轮燃料燃料空气空气排气排气分布式发电用电力电子技术微型燃气轮机高速永磁发电机电气控制系统结构示意图去用户变压器机组控制系统磁悬浮轴承控制器DCAC单元AC DC单元 充电单元 辅助充电接口变频启动单元高速永磁发电机恒频恒压输

10、出单元滤波器燃料系统箱体冷却风扇分布式发电用电力电子技术2 在改善电能质量方面的应用未来是一个数字化的社会，电力用户对电能质量的要求越来越高，保证为用户提供高质量的电能是任何一个电力公司生存的前提。分布式发电用电力电子技术常见的电能质量问题：谐波、瞬态、电压凹陷和扰动。分布式发电不可避免的要解决好这个问题。改善电能质量主要依靠电力电子装置。分布式发电用电力电子技术美国电能研究协会（EPRI）为了寻找改善分布式系统性能的先进技术，现已做了大量深入的研究。这种CUSTOM POWER的技术将现代电力电子控制器、分布自动化以及完整的通讯结合在一起，为用户终端提供高质量的电能。分布式发电用电力电子技术

11、近年来，一些用于快速控制的设备陆续被研制出来，主要包括：固态断路器（SSB）；静态无功补偿器（STATCOM）；动态电压恢复（DVR）。这些设备都属于现代电力电子控制器。分布式发电用电力电子技术分布式系统中用电力电子设备来控制电能质量现在应用的很保守，主要是因为成本太高，因此尽快开发出经济性的电力电子装置将对分布式这种新型发电方式的普及有极大的推动作用。分布式发电用电力电子技术3 在能量存储方面的应用电能是不停的流动、不方便储存、又不能在使用前进行质量检验的特殊商品。分布式发电用电力电子技术4 在其它方面的应用电力电子技术在平衡系统负荷以及系统故障保护等方面也具有广泛的应用。分布式发电对电网的

12、影响分布式发电对电网的影响 为什么要联网？缓解电力紧缺状况、提高供电可靠性、改善电能质量分布式发电对电网的影响 联网将会对电网带来哪些影响？调压，电压闪变（机组启动引起），谐波，孤立电网，接地兼容，过流保护，容量限制，可靠性问题分布式发电对电网的影响1 分散电源改变电网短路电流分布，增加短路电流，影响保护运行分布式发电对电网的影响2 负荷侧分散电源可能使得配电线路电压调节困难当负荷 处于高峰期时，A点的电压可能低于允许值，这时应该抬高变压器的分接头，以提高A的电压至允许值。但由于B接有分布式电源，使得B点在高峰时，电压正好处于合理值内，若抬高了母线的电压，则B点的电压必将越上限。若负荷处于低谷

13、时，将出现于上面相反的情况。分布式发电对电网的影响3 分散电源可能降低电压水平分布式发电对电网的影响4 解列后孤立小电网会造成人身安全问题，非同期重合分布式发电对电网的影响5 对经济效益的影响 如果出现短时间的尖峰价格，分布式发电可以帮助抑制风险 恰当应用，可以节省投资分布式发电对电网的影响6 可以减少线路的损耗电力系统的电压是实行分层分区、就地平衡的原则，从而维持电压在允许的范围之内，同时减少线路的无功流动，降低线损。而分布式电源实行有功就地平衡，减少线路的有功流动，从而减少线损，提高输、配电的效率，同时提高电力系统的稳定裕度。分布式发电对电网的影响7 对供电可靠性的影响电网用户可以按类别分

14、为民用、工业、商用等几大类。这几类用户对电能质量的要求各不相同，停电对他们的经济损失有很大的差异。即使同一类的用户由于用电设备，用电偏爱，使他们对电力质量的要求差异很大。分布式发电有可能增加可靠性，也可能减少可靠性。分布式发电对电网的影响8 产生谐波 分布式机组的感抗极易与电力输电线路造成谐振，产生高电压。 城市配电网的电缆化，由于电缆的容抗大于架空线路，使得串联谐振更容易发生。 分布式机组有很多必须经过换流器，变压器才能和电网相连接，这就大大增加的电网的谐波源，污染电能质量。分布式发电对电网的影响因此，在设计并投入运行分布式电源时，需要解决以下问题： 充分利用现有网络，定量分析分布式电源给网络带来的影响。 在保证安全稳定前提下尽可能多地接入分布式电源。 开发先进接口硬件装置。 改变网络的结构和设备。电网侧研究分布式发电的内容简单的总结 对终端用户，分布式电源提供了一种有前景的选择。 对电网公司，分布式电源减少了供电量，同时还带来运行困难。但也可以带来相当经济收益。 对发电公司，分布式发电带来了发展机遇。 对国家，分布式发电带来技术创新与提升国力的良机。 对学术界，分散电源也带来一系列挑战。 分布式发电技术是伴随着第二代能源系统的发展及气体和可再生能源的逐步应用而发展起来的，是21世纪的新兴课题之一。参考文献 R.C. Dugan, T.E. McDermott,