分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述

1、...分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述梁有偉，胡志堅(jiān)，陳允平梁有偉，胡志堅(jiān)，陳允平（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北?。ㄎ錆h大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北省武漢市武漢市430072430072）摘要：分布式發(fā)電以其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)與大電網(wǎng)日益聯(lián)合運(yùn)行，給現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制帶來(lái)巨大的變化。它既可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)和用戶(hù)的特定要求，如削峰；又可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無(wú)可比擬的可靠性和和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究分布式發(fā)電具有重要的理論

2、意義和重大的應(yīng)用價(jià)值。文章簡(jiǎn)要介紹了新型分布式發(fā)電技術(shù)，綜述了分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并探討了分布式發(fā)電的未來(lái)研究方向。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；穩(wěn)定控制；繼電保護(hù)；電能質(zhì)量；電力市場(chǎng)；隨機(jī)最優(yōu)控制；電力系統(tǒng)1引言引言配電網(wǎng)中，城市居民和商業(yè)用戶(hù)、農(nóng)村和半城鎮(zhèn)區(qū)域的負(fù)荷具有很大的隨機(jī)波動(dòng)性。家用空調(diào)隨氣溫變化的無(wú)規(guī)律啟停，降水降雪和大風(fēng)的無(wú)常發(fā)生，以及其他不確定因素所引起的負(fù)荷變化給配電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來(lái)了巨大

3、的難題和挑戰(zhàn)。集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)自身也存在著一些弊端。為解決此類(lèi)問(wèn)題而大力改造和新建配電網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)、資金和效益上都是不可取的。因此，歐美的電力專(zhuān)家提出了投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容的分布式發(fā)電與大電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的方式，從而提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、可靠性和安全性。2分布式發(fā)電技術(shù)分布式發(fā)電技術(shù)2.12.1分布式電源分布式電源分布式發(fā)電（DistributedGeneration，DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分

4、布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電[1]。分布式電源（DistributedGeneratingSource，DGS）包括功率較小內(nèi)燃機(jī)（InternalCombustionEngines）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（Microturbines）、燃料電池（FuelCell）、可再生能源如太陽(yáng)能發(fā)電的光伏電池（PhotovoltaicCell）和風(fēng)力發(fā)電等。2.22.2微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[23][23]微型燃?xì)廨啓C(jī)是以天然

5、氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機(jī)。其發(fā)電效率可達(dá)30%，如實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電電源。2.32.3燃料電池技術(shù)燃料電池技術(shù)[47][47]燃料電池的工作原理是富含氫的燃料（如天然氣、甲醇）與空氣中的氧氣結(jié)合生成水，氫氧離子的定向移動(dòng)在外電路形成電流，類(lèi)似于電解水的逆過(guò)程。它并不燃燒燃料，而是通過(guò)電化學(xué)的過(guò)

6、程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。通常，燃料電池發(fā)電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應(yīng)堆部分、電力電子換流控制部分。目前已研究開(kāi)發(fā)了五種燃料電池：聚合電解質(zhì)膜電池（PEM）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC），其中PAFC是目前技術(shù)成熟且已商業(yè)化的燃料電池。燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點(diǎn)：①其副產(chǎn)品是熱水和少量的二氧化碳，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃

7、料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率的2倍；②排廢量?。◣缀鯙榱悖⑶鍧崯o(wú)污染、噪音低；③安裝周期短、安裝位置靈活，可以省去配電系統(tǒng)的建設(shè)。2.42.4光伏電池技術(shù)光伏電池技術(shù)[89][89]光伏電池是將可再生的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電裝置。國(guó)外開(kāi)發(fā)的屋頂式光伏電池發(fā)電技術(shù)已得到廣泛的關(guān)注。德國(guó)最著名的2000戶(hù)屋頂工程（2000RoofProject），超過(guò)2000戶(hù)家庭安裝了屋頂式光伏發(fā)電裝置，平均每個(gè)分布式發(fā)電單元發(fā)電量達(dá)3

8、kW。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術(shù)條件的限制，如投資成本高、系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性等。但由于它利用的是可再生的太陽(yáng)能，因此其前景依然被看好。...中對(duì)保護(hù)定值的影響。仿真結(jié)果表明，DGS的聯(lián)網(wǎng)影響了故障切除時(shí)間，SG的臨界切除時(shí)間雖然大于IG的，但兩者的臨界切除時(shí)間低于配電網(wǎng)沒(méi)有DGS時(shí)的故障切除時(shí)間。文[24]詳細(xì)討論了保險(xiǎn)絲–保險(xiǎn)絲、保險(xiǎn)絲–自動(dòng)重合閘、繼電器–繼電器三類(lèi)保護(hù)裝置的配合問(wèn)題，配合的協(xié)調(diào)性取決于DGS的容量及其位置的分布

9、。DGS與主電網(wǎng)的失步（LossofMain，LOM）會(huì)導(dǎo)致DGS過(guò)負(fù)荷，頻率和輸出電壓下降，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量。文[2526]在比較幾種失步檢測(cè)技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了以微處理器為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量DGS的輸出功率的監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的方法。文[27]設(shè)計(jì)了一種基于頻率變化率的數(shù)字式DGS繼電保護(hù)裝置，通過(guò)改善靈敏度和時(shí)間響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)DGS與主電網(wǎng)的失步保護(hù)。這種基于數(shù)字的綜合保護(hù)包，能智能地組織、協(xié)調(diào)內(nèi)部各種邏輯組件的功能，實(shí)現(xiàn)過(guò)低電

10、壓保護(hù)、過(guò)低頻保護(hù)、中性點(diǎn)電壓偏移保護(hù)以及識(shí)別DGS是否處于孤島（Isl）狀態(tài)。DGS失去接地（LossOfEarth）保護(hù)是配電網(wǎng)一個(gè)潛在的危險(xiǎn)，文[28]介紹了一種檢測(cè)DGS接地的新技術(shù)，它利用發(fā)電機(jī)的寄生阻抗來(lái)判斷DGS是否接地。該技術(shù)為運(yùn)行時(shí)未正確接地的DGS提供了可靠、靈敏、快速的保護(hù)。3.33.3電能質(zhì)量分析電能質(zhì)量分析DGS聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行可能引起系統(tǒng)電壓和頻率的偏差、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題。在電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)上，文[29]提

11、出了一套適合于大型重要的電力用戶(hù)（包括DGS）的電能指標(biāo)，它不是基于用戶(hù)數(shù)量的大小，而是綜合考慮系統(tǒng)峰荷特性和用戶(hù)消費(fèi)電力的斷續(xù)頻率（InterruptFrequency）。文[30]分析了由電網(wǎng)的故障水平、XR的比值、發(fā)電機(jī)的類(lèi)型及原動(dòng)機(jī)的不同而導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)電壓偏移、暫態(tài)電壓閃變、電壓波形畸變、相電壓不平衡。文[31]分析和研究了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速擾動(dòng)、風(fēng)電場(chǎng)容量、電網(wǎng)RX的比值特性以及并網(wǎng)點(diǎn)短路容量等因素對(duì)電能質(zhì)量的影響。3

12、.43.4運(yùn)行與控制運(yùn)行與控制文[32]討論了小規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)的分散控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。借助于單信道分析與設(shè)計(jì)（IndividualChannelAnalysisDesign，ICAD），以四臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的一小規(guī)模電力網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)為算例，分析了小信號(hào)動(dòng)態(tài)特性和控制系統(tǒng)的工作性能。這為分布式發(fā)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。文[33]分析了DGS的三種勵(lì)磁控制器：①電壓跟蹤模式，滯后的功率因數(shù)為系統(tǒng)提供了較好的電壓特性，但反映電

13、壓降落不夠靈敏；②電壓控制模式，發(fā)電機(jī)和穩(wěn)定性條件限制了其應(yīng)用；③電壓支持模式，對(duì)于改善電網(wǎng)的電壓特性具有巨大的潛力。文[34]介紹了用于DGS的三相脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器的電流控制器。仿真結(jié)果表明，利用迭代學(xué)習(xí)控制（IterativeLearningControl，ILC）的循環(huán)反饋，可有效地消除采用次振蕩（Suboscillation）PWM方法在空載條件下所引起的電流波形畸變以及穩(wěn)態(tài)電流幅值和相位的誤差。3.53.5電網(wǎng)損耗

14、分析電網(wǎng)損耗分析電網(wǎng)的損耗主要取決于系統(tǒng)的潮流，DGS影響系統(tǒng)的潮流分布，也必然影響電網(wǎng)絡(luò)的損耗。分布式發(fā)電可能增大也可能減小系統(tǒng)損耗，取決于DGS的位置、DGS容量與負(fù)荷量的相對(duì)大小以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素。文[35]提出的兩種網(wǎng)損分配方案（LossAllocationSchemes）臨界損耗系數(shù)法（MarginalLossCoefficient）和直接損耗系數(shù)法（DirectLossCoefficient），彌補(bǔ)了傳統(tǒng)置換法（Sub

15、stitutionMethod）的不足。對(duì)于DG在MV級(jí)電網(wǎng)資源優(yōu)化配置的問(wèn)題，文[36]采用遺傳算法分別解決了系統(tǒng)網(wǎng)損最小、電網(wǎng)改造升級(jí)投資最少和發(fā)電機(jī)耗費(fèi)（燃料、維修等）最省的問(wèn)題。3.63.6其他方面其他方面其他方面包括分布式發(fā)電機(jī)組之間分布互聯(lián)模型的分析方法與規(guī)則的探討[3738]，含有DGS的配電網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[3940]、動(dòng)態(tài)仿真[41]、潮流的配置模型[42]，分布式發(fā)電的市場(chǎng)體系、相應(yīng)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范[4346]。