第六章分布式發(fā)電(李)

1、 分布式發(fā)電及其電力電子技術(shù)吳為麟 教授 06.11.20主要內(nèi)容 能源的發(fā)展 分布式發(fā)電簡(jiǎn)要介紹 分布式發(fā)電用電力電子技術(shù) 分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響能源的發(fā)展人類的文明、人類的發(fā)展是以工具為標(biāo)志的，和能源深深聯(lián)系在一起的。能源的發(fā)展 能源與人類文明石器時(shí)代 農(nóng)耕時(shí)代 工業(yè)時(shí)代 信息時(shí)代石器的出現(xiàn)，提高了原始人類狩獵的效率鐵器的出現(xiàn)，提高了農(nóng)業(yè)耕種效率動(dòng)力機(jī)的出現(xiàn)，將人類帶入的工業(yè)文明今天，以因特網(wǎng)為標(biāo)志的信息時(shí)代到來，它將如何提高我們生產(chǎn)率的效率？信息時(shí)代與能源將有何種關(guān)聯(lián)？將為我們的能源行業(yè)帶來什么樣的變化？它將如何改變我們未來的生活？ 能源的發(fā)展 第一代能源系統(tǒng)現(xiàn)有的能源系統(tǒng)主要是以化石燃

2、料構(gòu)成的，核心是煤、石油和少量的天然氣、以及核能。相對(duì)孤立的能源利用方式構(gòu)成了第一代能源系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)不僅能源轉(zhuǎn)換效率低下，效能單一，而且資源、環(huán)境和資金代價(jià)巨大，此外還帶來了能源安全、環(huán)境污染和生態(tài)失衡、能源成本不斷攀升等一系列嚴(yán)重的問題。能源的發(fā)展 第二代能源系統(tǒng) 與第一代能源系統(tǒng)相比，其差異體現(xiàn)在： 一次能源的形態(tài)轉(zhuǎn)變 二次能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展 技術(shù)的交差整合 能源的發(fā)展 一次能源的形態(tài)轉(zhuǎn)變 固體、液體 氣體及可再生能源煤炭、石油天然氣、風(fēng)能、太陽(yáng)能能源的發(fā)展 二次能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展第二代能源的另一技術(shù)基石是小型、微型氣體能源轉(zhuǎn)換裝置的技術(shù)進(jìn)步，它所包含了一系列能源裝置：小型燃?xì)廨啓C(jī)、微型

3、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)馔馊紮C(jī)和燃料電池等技術(shù)的進(jìn)步和日臻完善。能源的發(fā)展 技術(shù)的交差整合 由于信息技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)逐步走出了行業(yè)壁壘和單一產(chǎn)品或單一技術(shù)的制約，它帶來了各種技術(shù)的交差。比如： 燃?xì)廨啓C(jī)（微燃機(jī)）-熱泵聯(lián)合循環(huán) 燃?xì)廨啓C(jī)-太陽(yáng)能輔助循環(huán) 太陽(yáng)能（風(fēng)能）-燃料電池聯(lián)合循環(huán) 信息與智能化控制技術(shù)與能源裝置的技術(shù)交差能源的發(fā)展以冷熱電聯(lián)產(chǎn)為代表的分布式發(fā)電系統(tǒng)最具有代表性，可以把熱力、電力、制冷、燃?xì)狻h(huán)境、交通多系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和整合。能源的發(fā)展信息時(shí)代的到來，將不可避免的為能源行業(yè)帶來一次革命?？稍偕茉醇胺植际桨l(fā)電技術(shù)為能源企業(yè)提供新的商機(jī)，為產(chǎn)業(yè)人員和研究人員提供了新的工作

4、平臺(tái)，勢(shì)必將重新確定我們每一個(gè)人和企業(yè)的價(jià)值。分布式發(fā)電簡(jiǎn)要介紹分布式發(fā)電簡(jiǎn)要介紹什么是分布式發(fā)電？為什么要發(fā)展分布式發(fā)電？有哪些較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)？什么是分布式發(fā)電分布式發(fā)電（分散電源）-分布安置在需求側(cè)的能源梯級(jí)利用，以及資源綜合利用和可再生能源設(shè)施。什么是分布式發(fā)電更為具體的描述-分布式發(fā)電不僅僅是指：燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、微行燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林外燃機(jī)、余熱制冷機(jī)組等設(shè)備；也不僅包括：太陽(yáng)能、太陽(yáng)熱、風(fēng)電、小水電、微型抽水蓄能電站、燃料電池等綠色能源設(shè)備；同時(shí)，也含概了傳統(tǒng)方式的燃煤熱電和資源綜合利用的小火電設(shè)施，小型微型蒸汽輪機(jī)、熱氣機(jī)、壓差發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)等非常廣泛應(yīng)用的能源轉(zhuǎn)換設(shè)

5、備。為什么要發(fā)展分布式發(fā)電1 充分利用氣體能源、清潔能源及可再生能源，減少環(huán)保壓力。2 我國(guó)能源進(jìn)一步緊張，現(xiàn)在全國(guó)大面積的缺電，分布式發(fā)電可以快速投入運(yùn)行，緩解能源緊張。為什么要發(fā)展分布式發(fā)電3 可以提高電能質(zhì)量、供電可靠性。4 大電網(wǎng)沒有到達(dá)的地方，架設(shè)高壓輸電線需要高費(fèi)用（如材料費(fèi)、人力費(fèi)、土地費(fèi)）、在這種情況下由大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離供電，不如用小機(jī)組供電經(jīng)濟(jì)便宜。5 再生能源法2006年1月1日正式生效。較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)1 燃?xì)廨啓C(jī)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過二極管整流器整流后被送到直流電容上，然后經(jīng)過直流交流（dc/ac）逆變器產(chǎn)生與大電網(wǎng)匹配的電壓，同時(shí)要將頻率調(diào)整到系統(tǒng)頻率。較為成熟

6、的分布式發(fā)電技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)一致，也類似蒸汽輪機(jī)。組成：1、燃?xì)廨啓C(jī)（透平或動(dòng)力渦輪）；2、壓氣機(jī)（空氣壓縮機(jī)）；3、燃燒室。 較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù) 輕型燃?xì)廨啓C(jī)較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù) 重型燃?xì)廨啓C(jī)1. 連接發(fā)電機(jī) 2. 進(jìn)氣道主軸固定支架 3. 軸頸軸承 4. 壓氣機(jī)葉片 5. 壓氣機(jī)模塊 6. 燃?xì)廨啓C(jī)固定支架 7. 葉輪 8. 葉輪貫穿螺栓 9. 進(jìn)氣道定位 10. 水平缸封 11. 燃燒室防護(hù)罩 逆流燃燒室 燃料注入系統(tǒng) 燃燒室（火焰筒） 燃燒室冷卻部件 噴嘴構(gòu)造 一級(jí)渦輪固定構(gòu)造 動(dòng)力渦輪構(gòu)造 排氣擴(kuò)散構(gòu)造

7、12. 排氣煙氣探測(cè)器較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)2 風(fēng)輪發(fā)電機(jī)圖（a）描繪的是一個(gè)鼠籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，首先經(jīng)過二極管整流器的整流，然后經(jīng)過逆變器逆變，再與交流電網(wǎng)相連。較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)（b）圖中，機(jī)械頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率之和等于電網(wǎng)的頻率，轉(zhuǎn)換器的額定功率決定于所選擇的速度范圍。當(dāng)異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定同步速之上時(shí)，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)功率逆向流動(dòng)。較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)3 燃料電池燃料電池產(chǎn)生的直流電壓經(jīng)過一個(gè)直流交流（dc/ac）的逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷骸?較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)燃料電池是一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)。它將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能且廢物排放量很低。組成：空氣氧氣電極（負(fù)極）燃料電

8、極（正極）電解液較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)4 光伏電池光伏電池系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的通用方法是：使用直流交流（dc/ac）逆變器，將存儲(chǔ)在光電池中的直流能量轉(zhuǎn)換為與大電網(wǎng)同步的交流電壓。較為成熟的分布式發(fā)電技術(shù)以上幾種發(fā)電類型中，電能的傳送都是采用直流輸電的形式，但是大電網(wǎng)以及人們生活、生產(chǎn)需要的是穩(wěn)定頻率的交流電，所以由電力電子設(shè)備組成的整流、逆變電路及其它電力電子接口設(shè)備在分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞中起到極其關(guān)鍵的作用 。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)1 在能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用 系統(tǒng)的能量的傳輸、能量的存儲(chǔ)過程中，不可缺少的裝置是雙向逆變裝置。其核心技術(shù)為電力電子技術(shù)，開發(fā)研制

9、超大規(guī)模功率管是分布式發(fā)電急切要解決的問題。下面給出兩個(gè)實(shí)例的示意圖，雙向變流裝置是系統(tǒng)的關(guān)鍵。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)分布式發(fā)電系統(tǒng)圖高速永磁發(fā)電機(jī)高速永磁發(fā)電機(jī)雙向變流器雙向變流器DC/AC逆變器逆變器蓄電池組蓄電池組雙向變流器雙向變流器燃?xì)廨啓C(jī)及系燃?xì)廨啓C(jī)及系統(tǒng)控制電源統(tǒng)控制電源輸出恒頻恒壓輸出恒頻恒壓交流電交流電高頻高頻交流電交流電燃燒室燃燒室微燃葉輪微燃葉輪燃料燃料空氣空氣排氣排氣分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)高速永磁發(fā)電機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖去用戶變壓器機(jī)組控制系統(tǒng)磁懸浮軸承控制器DCAC單元AC DC單元 充電單元 輔助充電接口變頻啟動(dòng)單元高速永磁發(fā)電機(jī)恒頻恒壓輸

10、出單元濾波器燃料系統(tǒng)箱體冷卻風(fēng)扇分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)2 在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用未來是一個(gè)數(shù)字化的社會(huì)，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，保證為用戶提供高質(zhì)量的電能是任何一個(gè)電力公司生存的前提。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)常見的電能質(zhì)量問題：諧波、瞬態(tài)、電壓凹陷和擾動(dòng)。分布式發(fā)電不可避免的要解決好這個(gè)問題。改善電能質(zhì)量主要依靠電力電子裝置。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)美國(guó)電能研究協(xié)會(huì)（EPRI）為了尋找改善分布式系統(tǒng)性能的先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)已做了大量深入的研究。這種CUSTOM POWER的技術(shù)將現(xiàn)代電力電子控制器、分布自動(dòng)化以及完整的通訊結(jié)合在一起，為用戶終端提供高質(zhì)量的電能。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)

11、近年來，一些用于快速控制的設(shè)備陸續(xù)被研制出來，主要包括：固態(tài)斷路器（SSB）；靜態(tài)無功補(bǔ)償器（STATCOM）；動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)（DVR）。這些設(shè)備都屬于現(xiàn)代電力電子控制器。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)分布式系統(tǒng)中用電力電子設(shè)備來控制電能質(zhì)量現(xiàn)在應(yīng)用的很保守，主要是因?yàn)槌杀咎撸虼吮M快開發(fā)出經(jīng)濟(jì)性的電力電子裝置將對(duì)分布式這種新型發(fā)電方式的普及有極大的推動(dòng)作用。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)3 在能量存儲(chǔ)方面的應(yīng)用電能是不停的流動(dòng)、不方便儲(chǔ)存、又不能在使用前進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)的特殊商品。分布式發(fā)電用電力電子技術(shù)4 在其它方面的應(yīng)用電力電子技術(shù)在平衡系統(tǒng)負(fù)荷以及系統(tǒng)故障保護(hù)等方面也具有廣泛的應(yīng)用。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的

12、影響分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響 為什么要聯(lián)網(wǎng)？緩解電力緊缺狀況、提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響 聯(lián)網(wǎng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來哪些影響？調(diào)壓，電壓閃變（機(jī)組啟動(dòng)引起），諧波，孤立電網(wǎng)，接地兼容，過流保護(hù)，容量限制，可靠性問題分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響1 分散電源改變電網(wǎng)短路電流分布，增加短路電流，影響保護(hù)運(yùn)行分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響2 負(fù)荷側(cè)分散電源可能使得配電線路電壓調(diào)節(jié)困難當(dāng)負(fù)荷 處于高峰期時(shí)，A點(diǎn)的電壓可能低于允許值，這時(shí)應(yīng)該抬高變壓器的分接頭，以提高A的電壓至允許值。但由于B接有分布式電源，使得B點(diǎn)在高峰時(shí)，電壓正好處于合理值內(nèi)，若抬高了母線的電壓，則B點(diǎn)的電壓必將越上限。若負(fù)荷處于低谷

13、時(shí)，將出現(xiàn)于上面相反的情況。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響3 分散電源可能降低電壓水平分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響4 解列后孤立小電網(wǎng)會(huì)造成人身安全問題，非同期重合分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響5 對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響 如果出現(xiàn)短時(shí)間的尖峰價(jià)格，分布式發(fā)電可以幫助抑制風(fēng)險(xiǎn) 恰當(dāng)應(yīng)用，可以節(jié)省投資分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響6 可以減少線路的損耗電力系統(tǒng)的電壓是實(shí)行分層分區(qū)、就地平衡的原則，從而維持電壓在允許的范圍之內(nèi)，同時(shí)減少線路的無功流動(dòng)，降低線損。而分布式電源實(shí)行有功就地平衡，減少線路的有功流動(dòng)，從而減少線損，提高輸、配電的效率，同時(shí)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響7 對(duì)供電可靠性的影響電網(wǎng)用戶可以按類別分

14、為民用、工業(yè)、商用等幾大類。這幾類用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求各不相同，停電對(duì)他們的經(jīng)濟(jì)損失有很大的差異。即使同一類的用戶由于用電設(shè)備，用電偏愛，使他們對(duì)電力質(zhì)量的要求差異很大。分布式發(fā)電有可能增加可靠性，也可能減少可靠性。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響8 產(chǎn)生諧波 分布式機(jī)組的感抗極易與電力輸電線路造成諧振，產(chǎn)生高電壓。 城市配電網(wǎng)的電纜化，由于電纜的容抗大于架空線路，使得串聯(lián)諧振更容易發(fā)生。 分布式機(jī)組有很多必須經(jīng)過換流器，變壓器才能和電網(wǎng)相連接，這就大大增加的電網(wǎng)的諧波源，污染電能質(zhì)量。分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響因此，在設(shè)計(jì)并投入運(yùn)行分布式電源時(shí)，需要解決以下問題： 充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，定量分析分布式電源給網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。 在保證安全穩(wěn)定前提下盡可能多地接入分布式電源。 開發(fā)先進(jìn)接口硬件裝置。 改變網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。電網(wǎng)側(cè)研究分布式發(fā)電的內(nèi)容簡(jiǎn)單的總結(jié) 對(duì)終端用戶，分布式電源提供了一種有前景的選擇。 對(duì)電網(wǎng)公司，分布式電源減少了供電量，同時(shí)還帶來運(yùn)行困難。但也可以帶來相當(dāng)經(jīng)濟(jì)收益。 對(duì)發(fā)電公司，分布式發(fā)電帶來了發(fā)展機(jī)遇。 對(duì)國(guó)家，分布式發(fā)電帶來技術(shù)創(chuàng)新與提升國(guó)力的良機(jī)。 對(duì)學(xué)術(shù)界，分散電源也帶來一系列挑戰(zhàn)。 分布式發(fā)電技術(shù)是伴隨著第二代能源系統(tǒng)的發(fā)展及氣體和可再生能源的逐步應(yīng)用而發(fā)展起來的，是21世紀(jì)的新興課題之一。參考文獻(xiàn) R.C. Dugan, T.E. McDermott,