分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應用研究綜述

1、...分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應用研究綜述梁有偉，胡志堅，陳允平梁有偉，胡志堅，陳允平（武漢大學電氣工程學院，湖北?。ㄎ錆h大學電氣工程學院，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)境兼容等特點與大電網日益聯合運行，給現代電力系統(tǒng)運行與控制帶來巨大的變化。它既可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求，如削峰；又可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無可比擬的可靠性和和經濟性。因此，研究分布式發(fā)電具有重要的理論

2、意義和重大的應用價值。文章簡要介紹了新型分布式發(fā)電技術，綜述了分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)的應用研究現狀，并探討了分布式發(fā)電的未來研究方向。關鍵詞關鍵詞：分布式發(fā)電；配電網；穩(wěn)定控制；繼電保護；電能質量；電力市場；隨機最優(yōu)控制；電力系統(tǒng)1引言引言配電網中，城市居民和商業(yè)用戶、農村和半城鎮(zhèn)區(qū)域的負荷具有很大的隨機波動性。家用空調隨氣溫變化的無規(guī)律啟停，降水降雪和大風的無常發(fā)生，以及其他不確定因素所引起的負荷變化給配電網的規(guī)劃、設計和運行帶來了巨大

3、的難題和挑戰(zhàn)。集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網互聯的電力系統(tǒng)自身也存在著一些弊端。為解決此類問題而大力改造和新建配電網絡在技術、資金和效益上都是不可取的。因此，歐美的電力專家提出了投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容的分布式發(fā)電與大電網聯合運行的方式，從而提高了電力系統(tǒng)運行的靈活性、可靠性和安全性。2分布式發(fā)電技術分布式發(fā)電技術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或分

4、布在負荷附近的發(fā)電設施，經濟、高效、可靠地發(fā)電[1]。分布式電源（DistributedGeneratingSource，DGS）包括功率較小內燃機（InternalCombustionEngines）、微型燃氣輪機（Microturbines）、燃料電池（FuelCell）、可再生能源如太陽能發(fā)電的光伏電池（PhotovoltaicCell）和風力發(fā)電等。2.22.2微型燃氣輪機技術微型燃氣輪機技術[23][23]微型燃氣輪機是以天然

5、氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機。其發(fā)電效率可達30%，如實行熱電聯產，效率可提高到75%。微型燃氣輪機的特點是體積小、質量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電電源。2.32.3燃料電池技術燃料電池技術[47][47]燃料電池的工作原理是富含氫的燃料（如天然氣、甲醇）與空氣中的氧氣結合生成水，氫氧離子的定向移動在外電路形成電流，類似于電解水的逆過程。它并不燃燒燃料，而是通過電化學的過

6、程將燃料的化學能轉化為電能。通常，燃料電池發(fā)電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應堆部分、電力電子換流控制部分。目前已研究開發(fā)了五種燃料電池：聚合電解質膜電池（PEM）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體電解質燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC），其中PAFC是目前技術成熟且已商業(yè)化的燃料電池。燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點：①其副產品是熱水和少量的二氧化碳，通過熱電聯產或聯合循環(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?、清潔無污染、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。2.42.4光伏電池技術光伏電池技術[89][89]光伏電池是將可再生的太陽能轉化成電能的一種發(fā)電裝置。國外開發(fā)的屋頂式光伏電池發(fā)電技術已得到廣泛的關注。德國最著名的2000戶屋頂工程（2000RoofProject），超過2000戶家庭安裝了屋頂式光伏發(fā)電裝置，平均每個分布式發(fā)電單元發(fā)電量達3

8、kW。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術條件的限制，如投資成本高、系統(tǒng)運行的隨機性等。但由于它利用的是可再生的太陽能，因此其前景依然被看好。...中對保護定值的影響。仿真結果表明，DGS的聯網影響了故障切除時間，SG的臨界切除時間雖然大于IG的，但兩者的臨界切除時間低于配電網沒有DGS時的故障切除時間。文[24]詳細討論了保險絲–保險絲、保險絲–自動重合閘、繼電器–繼電器三類保護裝置的配合問題，配合的協調性取決于DGS的容量及其位置的分布

9、。DGS與主電網的失步（LossofMain，LOM）會導致DGS過負荷，頻率和輸出電壓下降，嚴重影響了電能質量。文[2526]在比較幾種失步檢測技術方案優(yōu)缺點的基礎上，提出了以微處理器為基礎，通過測量DGS的輸出功率的監(jiān)測電能質量的方法。文[27]設計了一種基于頻率變化率的數字式DGS繼電保護裝置，通過改善靈敏度和時間響應特性，實現DGS與主電網的失步保護。這種基于數字的綜合保護包，能智能地組織、協調內部各種邏輯組件的功能，實現過低電

10、壓保護、過低頻保護、中性點電壓偏移保護以及識別DGS是否處于孤島（Isl）狀態(tài)。DGS失去接地（LossOfEarth）保護是配電網一個潛在的危險，文[28]介紹了一種檢測DGS接地的新技術，它利用發(fā)電機的寄生阻抗來判斷DGS是否接地。該技術為運行時未正確接地的DGS提供了可靠、靈敏、快速的保護。3.33.3電能質量分析電能質量分析DGS聯網運行可能引起系統(tǒng)電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變等電能質量問題。在電能質量的標準上，文[29]提

11、出了一套適合于大型重要的電力用戶（包括DGS）的電能指標，它不是基于用戶數量的大小，而是綜合考慮系統(tǒng)峰荷特性和用戶消費電力的斷續(xù)頻率（InterruptFrequency）。文[30]分析了由電網的故障水平、XR的比值、發(fā)電機的類型及原動機的不同而導致的穩(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]分析和研究了風電場并網運行時，風電場風速擾動、風電場容量、電網RX的比值特性以及并網點短路容量等因素對電能質量的影響。3

12、.43.4運行與控制運行與控制文[32]討論了小規(guī)模電力網絡的分散控制系統(tǒng)的分析與設計。借助于單信道分析與設計（IndividualChannelAnalysisDesign，ICAD），以四臺發(fā)電機并聯運行的一小規(guī)模電力網絡的控制系統(tǒng)為算例，分析了小信號動態(tài)特性和控制系統(tǒng)的工作性能。這為分布式發(fā)電聯網運行的控制系統(tǒng)提供了理論基礎。文[33]分析了DGS的三種勵磁控制器：①電壓跟蹤模式，滯后的功率因數為系統(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)電機和穩(wěn)定性條件限制了其應用；③電壓支持模式，對于改善電網的電壓特性具有巨大的潛力。文[34]介紹了用于DGS的三相脈沖寬度調制（PWM）逆變器的電流控制器。仿真結果表明，利用迭代學習控制（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電網損耗

14、分析電網損耗分析電網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，也必然影響電網絡的損耗。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容量與負荷量的相對大小以及網絡的拓撲結構等因素。文[35]提出的兩種網損分配方案（LossAllocationSchemes）臨界損耗系數法（MarginalLossCoefficient）和直接損耗系數法（DirectLossCoefficient），彌補了傳統(tǒng)置換法（Sub

15、stitutionMethod）的不足。對于DG在MV級電網資源優(yōu)化配置的問題，文[36]采用遺傳算法分別解決了系統(tǒng)網損最小、電網改造升級投資最少和發(fā)電機耗費（燃料、維修等）最省的問題。3.63.6其他方面其他方面其他方面包括分布式發(fā)電機組之間分布互聯模型的分析方法與規(guī)則的探討[3738]，含有DGS的配電網的規(guī)劃與設計[3940]、動態(tài)仿真[41]、潮流的配置模型[42]，分布式發(fā)電的市場體系、相應的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范[4346]。