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文檔簡(jiǎn)介
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(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北省 武漢市 430072)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(jīng)濟(jì)性。因此,研究分布式發(fā)電具有重要的理論意義和重大的應(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)電的未來研究方向。 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
2、引言 配電網(wǎng)中,城市居民和商業(yè)用戶、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)隨氣溫變化的無規(guī)律啟停,降水降雪和大風(fēng)的無常發(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)行帶來了巨大的難題和挑戰(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。為解決此類問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)2.1 分布式電源 分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG
3、)是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(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(Distributed Generating Source,DGS)包括功率較小內(nèi)燃機(jī)(Internal Combustion Engines)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(Micro-turbines)、燃料電池(Fuel Cell)、可再生能源如太陽能發(fā)電的光伏電池(Photovoltaic Cell)和風(fēng)力發(fā)電等。2.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)2,3 微型燃?xì)廨啓C(jī)是以天然氣、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
4、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。2.3 燃料電池技術(shù)4-7 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,類似于電解水的逆過程。它并不燃燒燃料,而是通過電化學(xué)的過程將燃料的化學(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
5、料電池。 燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點(diǎn):其副產(chǎn)品是熱水和少量的二氧化碳,通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能,燃料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率的2倍;排廢量小(幾乎為零)、清潔無污染、噪音低;安裝周期短、安裝位置靈活,可以省去配電系統(tǒng)的建設(shè)。2.4 光伏電池技術(shù)8,9 光伏電池是將可再生的太陽能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電裝置。國(guó)外開發(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戶屋頂工程(2000 Roof Project),超過2000戶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)3kW。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
6、機(jī)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。2.5 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)10,11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換角度分成兩部分:風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)速作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng),通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯(lián)軸器再與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián),從而發(fā)電運(yùn)行。它最有希望的應(yīng)用前景是用于無電網(wǎng)的地區(qū),為邊遠(yuǎn)的農(nóng)村、牧區(qū)和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸接近清潔煤發(fā)電。3 分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀3.1 穩(wěn)定性分析 文12總結(jié)了DGS影響配電網(wǎng)電壓控制的幾點(diǎn)因素:現(xiàn)有的自動(dòng)電壓控制器(Automatic Voltage Co
7、ntrol,AVC)通過控制無源配電網(wǎng)(幾乎沒有發(fā)電機(jī)存在)電壓幅值的大小而工作的;DGS位于偏遠(yuǎn)地區(qū),遠(yuǎn)離主變電站,在主變電站實(shí)現(xiàn)電壓控制較困難;如變電站到發(fā)電機(jī)之間的線路阻抗大、負(fù)荷密度低,電壓控制甚至不能實(shí)現(xiàn);如果接于饋電線的DGS容量額定值大于饋電回路的總負(fù)荷量,通過降壓變壓器的潮流將反向,致使變壓器低壓側(cè)成為電源;DGS的類型(同步機(jī)、異步機(jī))及運(yùn)行條件影響電壓控制。 文13提出了通過負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)電壓控制的理論。與現(xiàn)有三種電壓控制方式(即減小線路阻抗、在關(guān)鍵時(shí)刻限制發(fā)電機(jī)出力、功率因子控制(PFC)比較分析發(fā)現(xiàn),新建立的控制方式經(jīng)濟(jì)性好、靈活性強(qiáng),能動(dòng)態(tài)跟蹤電壓波動(dòng)。且負(fù)荷控制理論為
8、配電網(wǎng)朝著監(jiān)控智能化、自動(dòng)化、靈活化方向的發(fā)展注入更多的新內(nèi)容。 文14基于分布式發(fā)電穩(wěn)定性建模的研究方法將DGS視為備用電源、削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用三個(gè)模塊。在輻射狀電網(wǎng)中,通過機(jī)械或電力電子轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)DGS作為備用電源投入,削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用模塊則視為“負(fù)”負(fù)荷。在網(wǎng)狀配電網(wǎng)中,為適應(yīng)基于輻射狀網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析算法,將恒壓源代替DGS,并在機(jī)組的出口處安裝斷路器。 文15以一個(gè)11kV的輻射狀配電網(wǎng)為算例,分別改變DGS及故障點(diǎn)位置,仿真計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障(單相接地、兩相短路、兩相短路接地)時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子角度(DGS的轉(zhuǎn)子相對(duì)于無窮大母線的角度)。仿真計(jì)算結(jié)果表明,發(fā)
9、生不對(duì)稱故障時(shí),故障點(diǎn)距離DGS越遠(yuǎn)、故障臨界切除時(shí)間越長(zhǎng),系統(tǒng)越穩(wěn)定;在轉(zhuǎn)子角度達(dá)到150°后,系統(tǒng)的瞬時(shí)穩(wěn)定性能變差。 風(fēng)電場(chǎng)由于其空間的分散性和隨機(jī)性不可調(diào),并網(wǎng)運(yùn)行方式下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性下降16。文17考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量與配電網(wǎng)短路容量(短路電流有效值與短路處的正常工作電壓的乘積)的比值對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響,該比值較高的電網(wǎng)在有利的運(yùn)行條件下能成功地調(diào)節(jié)電壓,而電壓穩(wěn)定特性可能又是限制該比值繼續(xù)增加的重要因素。文 18介紹了風(fēng)電場(chǎng)接入一弱農(nóng)場(chǎng)電網(wǎng)的實(shí)例,指出低短路容量和高R/X(聯(lián)絡(luò)線阻抗Z=R+jX)比值將使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生較大的變化。文19指出風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行
10、后將影響有載調(diào)壓變壓器的AVC的正確動(dòng)作,影響程度主要取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的大小、機(jī)端補(bǔ)償電容器組投切規(guī)則和并網(wǎng)點(diǎn)位置。文20提出了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口處或風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處安裝無功補(bǔ)償電容器,不僅有助于AVC維持電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi),還有助于降低網(wǎng)損。 文21 借助于電力系統(tǒng)計(jì)算軟件包(ERACS)進(jìn)行的仿真計(jì)算表明,在保持電壓穩(wěn)定、減少線路能量損耗和改善電網(wǎng)系統(tǒng)頻率特性方面,分布式發(fā)電與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)變壓器的分接頭的方式相比,前者在技術(shù)上更有效、更實(shí)用。3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響 分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)后,輻射式的網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐槐椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網(wǎng)絡(luò),潮流也不再單向地從變電站母線流向各負(fù)荷。配電網(wǎng)的根本性的
11、變化使得電網(wǎng)各種保護(hù)定值與機(jī)理發(fā)生了深刻變化。 文22提出,故障發(fā)生時(shí)為確保保護(hù)裝置正確動(dòng)作,應(yīng)切斷電網(wǎng)中的DGS。從而引發(fā)以下問題:過電流故障的切除與DGS的切斷在時(shí)限上的配合;自動(dòng)重合閘開斷時(shí)間間隔內(nèi),確保DGS快速切斷;在架空線和地下電纜的混合線路中切斷DGS,變壓器空載運(yùn)行,電纜對(duì)地電容與變壓器側(cè)的線圈發(fā)生鐵磁諧振,產(chǎn)生不規(guī)則的高電壓大電流嚴(yán)重威脅線路的電力器件。 文23借助于電磁暫態(tài)計(jì)算程序(EMTP)仿真分析了分布式同步電機(jī)(SG)和感應(yīng)電機(jī)(IG)在配電網(wǎng)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
12、電網(wǎng)沒有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、繼電器繼電器三類保護(hù)裝置的配合問題,配合的協(xié)調(diào)性取決于DGS的容量及其位置的分布。 DGS與主電網(wǎng)的失步(Loss of Main,LOM)會(huì)導(dǎo)致DGS過負(fù)荷,頻率和輸出電壓下降,嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量。文25-26 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
13、/低電壓保護(hù)、過/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(Island)狀態(tài)。 DGS失去接地(Loss Of Earth)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)。3.3 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)量問題。在電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)上,文29提出了一套適合于大型重要的電力用戶(包括DGS)的電能指標(biāo),它不是基于用戶數(shù)量的大小,而是綜合考慮系統(tǒng)峰荷特性和用戶消費(fèi)電力的斷續(xù)頻率(Interrupt Freq
14、uency)。文30分析了由電網(wǎng)的故障水平、X/R的比值、發(fā)電機(jī)的類型及原動(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)R/X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。3.4 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)(Individual Channel Analysis and Design,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
15、論基礎(chǔ)。文33分析了DGS的三種勵(lì)磁控制器: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,但反映電壓降落不夠靈敏;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;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(Iterative Learning Control,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。3.5 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
16、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(Loss Allocation Schemes)¾¾臨界損耗系數(shù)法(Marginal Loss Coefficient)和直接損耗系數(shù)法(Direct Loss Coefficient),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)置換法(Substitution Method)的不足。對(duì)于DG在MV級(jí)電網(wǎng)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(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)最省的問題。3.6 其他方
17、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37,38,含有DGS的配電網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)39,40、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43-46。4 分布式發(fā)電的未來研究方向 分布式發(fā)電作為國(guó)際上電力系統(tǒng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域,其研究的重點(diǎn)集中在分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響。有鑒于此,本文從以下幾個(gè)方面對(duì)分布式發(fā)電今后的研究方向做了闡述: (1)現(xiàn)有分布發(fā)電技術(shù)的完善和新型技術(shù)的研發(fā),如開發(fā)新的電解質(zhì)材料和催化劑,提高燃料電池的性能、使用壽命、性能價(jià)格比等。 (2)采用新的算法(如遺傳算法等)建立分布式發(fā)電的等值模型,研究分布式發(fā)
18、電的極限功率及其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響,研究分布式電源故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響及相應(yīng)的控制策略。 (3)通過負(fù)荷灰色預(yù)測(cè)技術(shù)、專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)及小波分析預(yù)測(cè)技術(shù)建立精確的隨機(jī)性負(fù)荷模型,從而建立分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)。 (4)以分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)為基礎(chǔ),從隨機(jī)最優(yōu)控制原理出發(fā),結(jié)合智能控制(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法)及現(xiàn)代控制理論,建立分布式發(fā)電的自動(dòng)發(fā)電的隨機(jī)最優(yōu)控制模型及電壓、頻率隨機(jī)自適應(yīng)控制模型。 (5)基于全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、靈活跟蹤和調(diào)度控
19、制。 (6)建立新型電力公司與用戶的關(guān)系體系,妥善研究和制定與分布式發(fā)電有關(guān)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范,研究分布式發(fā)電對(duì)電力市場(chǎng)的影響。5 結(jié)論 本文介紹了分布式發(fā)電技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究的新進(jìn)展??偟膩砜?,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大、用戶對(duì)電能需求的日益增大,分布式發(fā)電作為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電方式必將在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占有越來越重要的地位??梢灶A(yù)見,分布式發(fā)電將是21世紀(jì)電力工業(yè)發(fā)展的方向。歐美少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)分布式發(fā)電這一前沿課題已展開了深入地研究。而在我國(guó),分布式發(fā)電技術(shù)的研究尚處于起步階段47-50,因此,如何縮短差距、開展課題研發(fā)是值得每一位電力科技工作者認(rèn)真思考的。參考文獻(xiàn)1 Ac
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24、ci-Tech R&D),23(4):32-3411 陳星鶯,劉孟覺,單淵達(dá)(Chen Xingying,Liu Mengjue,Shan Yuanda)超導(dǎo)儲(chǔ)能單元在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用(Application of super conducting magnetic energy storage systemSMES in wind power system of network-forming)J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE),2001,12(21):63-6612 Salman S KThe impact of embedded gene
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