分布式電源及智能用電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

APEC研究報(bào)告分布式電源及智能用電技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展2012年6月13日

研究團(tuán)隊(duì)：孫嘉平、張建華、劉文霞、劉念、曾博、張敏、吳林偉、朱星陽(yáng)、蔣程編寫(xiě)：張建華審核：孫嘉平

目錄第一章分布式電源及智能配用電技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì) 11.1分布式電源和微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 11.2智能配用電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及以后趨勢(shì) 101.3微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)研究?jī)?nèi)容 14第二章分布式電源的工作原理 262.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) 262.2 燃?xì)廨啓C(jī) 362.3 燃料電池 442.4 太陽(yáng)能光伏發(fā)電 492.5 儲(chǔ)能元件 552.6 分布式電源逆變器操縱模型 66第三章智能配用電系統(tǒng)的功能和規(guī)劃 683.1智能配用電系統(tǒng)的差不多概念 683.2智能配用電系統(tǒng)的差不多構(gòu)成及功能 683.3智能配用電系統(tǒng)的集成規(guī)劃 71第四章日本分布式電源和智能配用電技術(shù)的進(jìn)展 774.1 有關(guān)政策和智能配用電技術(shù) 784.2 可再生能源的阻礙及解決方法 814.3 智能電表 824.4 新一代能源 834.5 小結(jié) 84第五章中國(guó)微電網(wǎng)示范園區(qū)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 855.1 微電網(wǎng)示范園區(qū)簡(jiǎn)介 855.2 微電網(wǎng)示范園區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 865.3 微電網(wǎng)示范園區(qū)運(yùn)行仿真分析 87第六章結(jié)論 92

第一章分布式電源及智能配用電技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)1.1分布式電源和微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀歐洲、美國(guó)及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)目前都差不多完成微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究，初步建立了分布式能源和微電網(wǎng)的模型和仿真分析工具，完成了微電網(wǎng)及所構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的操縱和愛(ài)護(hù)策略、通信協(xié)議等，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，解決了微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的運(yùn)行、愛(ài)護(hù)和經(jīng)濟(jì)性分析的差不多理論問(wèn)題。以后的研究目標(biāo)是進(jìn)展高級(jí)操縱策略，整合多個(gè)微電網(wǎng)同智能配電治理系統(tǒng)（DMS）的相互作用，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證操縱策略在實(shí)際微網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的運(yùn)行效果，以及微電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃的阻礙評(píng)估等。目前各國(guó)一些典型微網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)試驗(yàn)工程調(diào)研情況如下。北美的微電網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)研究首先，由美國(guó)可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）最早提出的微電網(wǎng)概念，是所有微電網(wǎng)概念中最具代表性的一個(gè)。美國(guó)CERTS在其微電網(wǎng)概念報(bào)告中，對(duì)微電網(wǎng)的要緊思想以及關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的概述，講明CERTS微電網(wǎng)兩個(gè)要緊部件：靜態(tài)開(kāi)關(guān)和自治微型電源，并系統(tǒng)闡述了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，操縱方式，繼電愛(ài)護(hù)以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等相關(guān)問(wèn)題。目前，美國(guó)CERTS微電網(wǎng)的初步理論和方法已在美國(guó)電力公司沃納特／Walnut微電網(wǎng)測(cè)試基地得到了成功驗(yàn)證。有美國(guó)北部電力系統(tǒng)承接的曼德瑞沃/MadRiver微電網(wǎng)是美國(guó)的第一個(gè)微電網(wǎng)的示范性工程，檢驗(yàn)了微電網(wǎng)的建模和仿真方法、愛(ài)護(hù)和操縱策略以及經(jīng)濟(jì)效益等，并初步探討制定關(guān)于微電網(wǎng)的治理?xiàng)l例和法規(guī)，成為美國(guó)微電網(wǎng)工程的成功范例。同時(shí)美國(guó)能源部（USA.DepartmentofEnergy）在“Grid2030”進(jìn)展戰(zhàn)略中，差不多提出一個(gè)以微電網(wǎng)的形式安放和利用微型分布式發(fā)電系統(tǒng)得時(shí)期性打算，對(duì)今后的微電網(wǎng)的進(jìn)展規(guī)劃進(jìn)行較為詳盡的闡述。此外，加拿大BC和Quebec兩家水電公司差不多開(kāi)始開(kāi)展“微電網(wǎng)”示范性工程的建設(shè)，特不關(guān)于微電網(wǎng)的主動(dòng)孤網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)合理地安置獨(dú)立發(fā)電裝置IPP(IndependentPowerProducer)改善用戶(hù)側(cè)供電可靠性。美國(guó)的微電網(wǎng)由美國(guó)能源部（DOE）和加州能源委員會(huì)（CEC）共同資助，從2003年起開(kāi)始正式研究。美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）是最聞名的微電網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)，在2003年為美國(guó)能源部和加州能源委員會(huì)編寫(xiě)的《微電網(wǎng)概念》白皮書(shū)中最早提出了微電網(wǎng)的概念。那個(gè)概念差不多在威斯康辛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)平臺(tái)中成功得到了檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證概念的預(yù)備性與合理性，CERTS于2006年11月份開(kāi)始進(jìn)行微電網(wǎng)的示范小區(qū)，在美國(guó)電力公司的多蘭技術(shù)中心搭建微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1.1所示。圖1.1多蘭技術(shù)中心微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)布局日本分布式電源和微電網(wǎng)的研究日本依照本國(guó)資源日益缺乏、負(fù)荷需求增長(zhǎng)迅速的進(jìn)展現(xiàn)狀，開(kāi)展了微電網(wǎng)的研究。目前，日本已在國(guó)內(nèi)建立了多個(gè)微電網(wǎng)工程。近年來(lái)，可再生能源和新能源一直是日本電力行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一，為此，新能源與工業(yè)技術(shù)進(jìn)展組織（NEDO）大力支持一系列微電網(wǎng)示范性工程，并鼓舞可再生和分布式發(fā)電技術(shù)在微電網(wǎng)的應(yīng)用。日本在微電網(wǎng)的網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及微電網(wǎng)集成操縱、熱電冷綜合利用等方面開(kāi)展的一系列研究，為分布式發(fā)電系統(tǒng)及基于可再生電源的大規(guī)模獨(dú)立系統(tǒng)的應(yīng)用提供了較為寬敞的進(jìn)展空間。NEDO在2003年啟動(dòng)了含可再生能源的地區(qū)配電網(wǎng)項(xiàng)目，并分不在青森縣、愛(ài)知縣和京都縣建立了3個(gè)微電網(wǎng)示范小區(qū)。位于青森縣八戶(hù)市的示范小區(qū)如圖1.2所示。那個(gè)工程全部采納可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能）供給電能和熱能。該工程電源包括生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)3×170kW，鉛酸蓄電池組2×50kW，光伏發(fā)電80kW，風(fēng)力發(fā)電20kW，共710kW。負(fù)荷包括：市政廳360kW，4所中小學(xué)205kW，八戶(hù)供水治理局38kW，共603kW。整個(gè)微電網(wǎng)通過(guò)公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)（PCC）與外部大電網(wǎng)連接。在9個(gè)月的運(yùn)行期間，由于建立微電網(wǎng)使可再生能源利用系數(shù)增加，系統(tǒng)從大電網(wǎng)的購(gòu)電量減少，CO2排放也大幅度降低。在為期1周的獨(dú)立運(yùn)行期間，系統(tǒng)頻率差不多維持在50±0.5Hz范圍內(nèi)，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖1.2青森縣微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)日本在京都縣建立了京都經(jīng)濟(jì)能源工程，于2005年12月開(kāi)始運(yùn)行。那個(gè)系統(tǒng)的電源包括：光伏發(fā)電50kW，風(fēng)力發(fā)電50kW，生物發(fā)電5×80kW，一個(gè)250kW的熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCs）和一個(gè)100kW的蓄電池組。能量操縱中心通過(guò)電信網(wǎng)絡(luò)與分布式電源進(jìn)行通信，從而操縱能量平衡的供需要求。一旦出現(xiàn)能量的不平衡，能夠在5分鐘內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且打算以后要進(jìn)一步縮短時(shí)刻。在仙臺(tái)，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）也建立了一個(gè)電能質(zhì)量可靠性服務(wù)的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)，已在2006年完成。那個(gè)工程旨在研究多個(gè)電能質(zhì)量的可靠性能夠同時(shí)滿(mǎn)足一系列用戶(hù)的需求。除此之外，私人企業(yè)和部門(mén)也展開(kāi)了微電網(wǎng)的研究。例如清水公司與東京大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)的操縱系統(tǒng)，差不多在東京的研究中心建立試驗(yàn)工程。在日本，微電網(wǎng)的技術(shù)體系要緊集中在當(dāng)維持傳統(tǒng)電網(wǎng)供電時(shí)如何利用新能源發(fā)電，以及如何提供多重的電能質(zhì)量可靠性。微電網(wǎng)的多領(lǐng)域研究正在檢驗(yàn)微電網(wǎng)技術(shù)的可行性，然而清潔經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益還沒(méi)有被考慮到里面去。微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)。歐盟的微電網(wǎng)研究從電力市場(chǎng)自身需求、電能安全供給以及環(huán)境愛(ài)護(hù)等方面綜合考慮，歐洲在2005年提出“智能電網(wǎng)”（SmartGrid）的目標(biāo)，并在2006年出臺(tái)該打算的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。作為歐洲2020年及后續(xù)的電力進(jìn)展目標(biāo)，該打算指出以后歐洲電網(wǎng)具有靈活、可接入、可靠和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，歐洲提出要充分使用分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能技術(shù)、先進(jìn)電力電子技術(shù)等實(shí)現(xiàn)集中式供電與分布式發(fā)電的高效整合，并積極鼓舞獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商和發(fā)電商參與電力市場(chǎng)交易，快速推進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)展。微電網(wǎng)以其智能型、清潔高效、以及能量的多級(jí)多元化應(yīng)用等特點(diǎn)必將成為歐洲以后電網(wǎng)的進(jìn)展得重要組成部分。目前，歐盟要緊資助和推進(jìn)兩個(gè)微電網(wǎng)項(xiàng)目“Microgrids”和“MoreMicrogrids”，旨在通過(guò)拓展和進(jìn)展微電網(wǎng)的概念增加微型發(fā)電裝置的滲透率，已初步形成微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的運(yùn)行、操縱、愛(ài)護(hù)、安全以及通信等差不多理論，并相繼在希臘、德國(guó)、西班牙建立了不同規(guī)模的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中德國(guó)太陽(yáng)能研究所（ISET）建成的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模最大，容量達(dá)到200kVA，并在事實(shí)上驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)安裝了簡(jiǎn)單的能量治理系統(tǒng)。而以后歐盟研究要緊集中于可再生微型發(fā)電系統(tǒng)的操縱策略和微電網(wǎng)的規(guī)劃、多微電網(wǎng)治理運(yùn)行優(yōu)化工具的研發(fā)，技術(shù)和商業(yè)化規(guī)范的制定，示范性微電網(wǎng)測(cè)試平臺(tái)的推廣，電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的綜合評(píng)估，這些為分布式發(fā)電系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)大規(guī)模并入微電網(wǎng)以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過(guò)渡做好鋪墊。歐盟科技框架（FrameworkProgram,FP）打算是當(dāng)今世界上最大的官方科技打算之一，具有研究水平高、涉及領(lǐng)域廣、投資力度大、參與國(guó)家多等特點(diǎn)。歐盟第五框架打算（1998～2002）資助了微電網(wǎng)的開(kāi)拓性研究，形成了一個(gè)以雅典國(guó)立科技大學(xué)為首，來(lái)自7個(gè)歐盟成員國(guó)的14個(gè)組織的龐大的研究團(tuán)隊(duì)。研究成果包括：（1）完成了分布式能源建模和穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)分析軟件；（2）形成了微電網(wǎng)獨(dú)立和并網(wǎng)運(yùn)行原則、操縱算法、本地黑啟動(dòng)策略；（3）明確了分布式能源接口響應(yīng)及其智能化的必要條件以及可靠性量化的方法；（4）完成了微電網(wǎng)接地和愛(ài)護(hù)方案以及多種功能的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微電網(wǎng)。隨后在歐盟第六框架打算（2002～2006）的資助下，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大，包括Siemens、ABB在內(nèi)的制造商以及部分歐盟成員國(guó)的電力企業(yè)和研究團(tuán)隊(duì)。研究的對(duì)象也進(jìn)展到多個(gè)微電網(wǎng)并列運(yùn)行，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多個(gè)微電網(wǎng)在電力市場(chǎng)環(huán)境下的技術(shù)和商業(yè)接入。與此同時(shí)，歐盟也建立了多個(gè)微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。希臘的CRES公司建立了基斯諾斯島微電網(wǎng)工程，如圖1.3所示。圖1.3基斯諾斯島微電網(wǎng)試驗(yàn)工程該微電網(wǎng)位于愛(ài)琴海南部的基克拉澤斯群島，為12戶(hù)居民供電。電源包括10kW的光伏電池、53kWh的蓄電池組和一個(gè)5kW的柴油機(jī)組。另外約2kW的光伏電池安裝在操縱系統(tǒng)建筑的樓頂上，通過(guò)SMA逆變器和32kWh的蓄電池組為監(jiān)測(cè)和通信提供電源。住宅區(qū)的電力供應(yīng)是通過(guò)3個(gè)并聯(lián)的SMA電池逆變器組形成一個(gè)可靠的單向回路。電池逆變器組能夠工作在頻率下垂模式：當(dāng)蓄電池組處于低電能狀態(tài)下能夠同意信息流向開(kāi)關(guān)負(fù)荷操縱器；當(dāng)蓄電池組處于飽和情況下能夠限制光伏逆變器組的功率輸出。荷蘭的Continuon公司在Bronsbergen的假日公園里建立了一個(gè)微電網(wǎng)工程。那個(gè)地區(qū)有超過(guò)200戶(hù)住處，光伏發(fā)電為315kW。住戶(hù)使用4條約400米的饋線(xiàn)與中/低壓變壓器相連。當(dāng)白天負(fù)荷較低時(shí)，光伏發(fā)出的大部分功率注入中壓網(wǎng)絡(luò)中。在晚間從網(wǎng)絡(luò)輸出以供所需。在光伏發(fā)電時(shí)，饋線(xiàn)末端的高電壓和較大的電壓畸變都差不多被考慮到里面去。另外在微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島的模式下，電能質(zhì)量的改善可通過(guò)電力電子器件和儲(chǔ)能來(lái)解決。德國(guó)的MVVEnergie公司在一個(gè)大約1200戶(hù)居民的生態(tài)區(qū)Mannheim—Wallstadt建立了多個(gè)微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)點(diǎn)。光伏發(fā)電為30kW，打算以后投入更多的分布式電源。該試驗(yàn)的第一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)行用戶(hù)側(cè)負(fù)荷治理。在2006年夏季的2個(gè)月時(shí)刻內(nèi)，超過(guò)20戶(hù)居民和一個(gè)托兒中心加入一個(gè)名為“與陽(yáng)光共浴”的工程中。由于光伏發(fā)電的信息能夠被用戶(hù)們獵取，因此當(dāng)用戶(hù)直接利用光伏電池發(fā)電時(shí)，能夠依照情況轉(zhuǎn)移負(fù)荷。結(jié)果顯示，用戶(hù)都顯著地轉(zhuǎn)移了負(fù)荷：從夜間的高峰時(shí)段轉(zhuǎn)向白天的太陽(yáng)強(qiáng)輻射時(shí)段，從陰天時(shí)段轉(zhuǎn)向晴天時(shí)段。

另外，丹麥的OESTKRAFT公司、意大利的CESI公司、葡萄牙的EDP公司和西班牙的LABEIN公司都在各自國(guó)家建立了微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的研究。這些研究成果差不多成為歐盟“智能電網(wǎng)—?dú)W洲以后電網(wǎng)的展望和戰(zhàn)略”的重要組成部分。智能電網(wǎng)打算在2005年啟動(dòng)，旨在完成對(duì)2020年之后歐洲電網(wǎng)進(jìn)展的展望和戰(zhàn)略部署。作為歐洲以后電網(wǎng)進(jìn)展的綱領(lǐng)性目標(biāo)，智能電網(wǎng)打算中以后電力系統(tǒng)的要緊框架結(jié)構(gòu)是集中式發(fā)電和遠(yuǎn)距離輸電骨干網(wǎng)、地區(qū)輸配電網(wǎng)、以微電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的統(tǒng)一體，能節(jié)約投資、降低能耗、提高能效，提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和供電質(zhì)量，能夠使歐洲電網(wǎng)滿(mǎn)足21世紀(jì)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，滿(mǎn)足社會(huì)、環(huán)境及政治對(duì)能源的需求。中國(guó)的微網(wǎng)研究現(xiàn)狀目前，我國(guó)在微網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)方面的研究還處于起步時(shí)期，在國(guó)家科技部“863打算先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域2007年度專(zhuān)題課題”中差不多包括了微電網(wǎng)技術(shù)。目前清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、天津大學(xué)、河海大學(xué)、東南大學(xué)等單位相繼開(kāi)始了對(duì)微電網(wǎng)的研究。清華大學(xué)與遼寧高科能源集團(tuán)合作，在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先將微電網(wǎng)應(yīng)用到實(shí)際工程中，積存了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和學(xué)術(shù)成果。天津大學(xué)的研究課題“分布式發(fā)電供能系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)研究”獲得了國(guó)家973打算項(xiàng)目的資助；河海大學(xué)與英國(guó)格拉斯哥卡里多尼亞大學(xué)有著緊密的學(xué)術(shù)合作交流，并共同開(kāi)展微電網(wǎng)的研究。同時(shí)與日本廣島大學(xué)合作，在微電網(wǎng)領(lǐng)域共同開(kāi)展了許多研究。國(guó)家高技術(shù)研究進(jìn)展打算（863打算）在2007年設(shè)立了我國(guó)北方和南方兩個(gè)分布式供能及智能配用電系統(tǒng)示范項(xiàng)目：目前國(guó)內(nèi)在建的微網(wǎng)示范系統(tǒng)為南方電網(wǎng)公司在深圳建立的南方冷熱電微網(wǎng)智能配用電示范性工程。該工程是基于3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電三聯(lián)供深圳科技園微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)，另一項(xiàng)是中電投資公司在內(nèi)蒙古呼和浩特市建立的北方冷熱電三聯(lián)供示范性工程，“北方地區(qū)MW級(jí)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集現(xiàn)狀成技術(shù)與示范小區(qū)”；該工程基于2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的冷熱電大盛魁三聯(lián)供微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。由此可見(jiàn)，微網(wǎng)及所構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的特點(diǎn)適合我國(guó)電力進(jìn)展的整體需求與方向，在我國(guó)將會(huì)有寬敞的前景。因此，研究微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行操縱理論是真正使得微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)應(yīng)用與推廣關(guān)鍵技術(shù)難題。1.2智能配用電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及以后趨勢(shì)國(guó)外現(xiàn)狀世界上第一個(gè)全面應(yīng)用“智能電網(wǎng)”的都市是美國(guó)XcelEnergy公司于2008年在科羅拉多州建設(shè)的波爾得市。波爾得市的智能電網(wǎng)是一個(gè)高速、實(shí)時(shí)的雙向通信系統(tǒng)，包括智能變電站和用戶(hù)能量操縱系統(tǒng)以及用于網(wǎng)絡(luò)故障快速診斷和糾錯(cuò)的傳感器；整個(gè)電網(wǎng)建立了新的測(cè)量系統(tǒng)；城內(nèi)全部家庭安裝智能電能表。都市支持分布式清潔能源的接入，用戶(hù)可通過(guò)電表優(yōu)先使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔能源；同時(shí)，變電站通過(guò)升級(jí)后可采集到每家每戶(hù)的用電情況，一旦出現(xiàn)問(wèn)題能夠重新配備電力。此外，西班牙電力公司和當(dāng)?shù)卣谀喜慷际蠵uertoRea合作開(kāi)展了智能都市的試點(diǎn)，啟動(dòng)于2009年4月啟，打算四年內(nèi)完成。它涉及9000個(gè)用戶(hù)，1個(gè)變電站以及5條中壓線(xiàn)路、65個(gè)傳輸線(xiàn)中心，在電網(wǎng)、家庭、計(jì)量體系等多個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行改造。國(guó)外關(guān)于智能配用電系統(tǒng)技術(shù)的探討特不豐富，如基于電力光纖到戶(hù)的“三網(wǎng)融合”技術(shù)的研究、通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的構(gòu)造和運(yùn)營(yíng)模式的討論，配電自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集、通信處理和控管一體化等；此外，國(guó)外企業(yè)也特不注重關(guān)于智能配用電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，如德國(guó)的西門(mén)子公司、法國(guó)施耐德公司、美國(guó)的COOPER公司、摩托羅拉公司、英國(guó)ABB公司、日本東芝公司等，均不同程度地涉及配電自動(dòng)化、智能配用電系統(tǒng)通信技術(shù)等?？偟膩?lái)看，能夠總結(jié)出國(guó)外智能配用電系統(tǒng)進(jìn)展有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一步到位的“智能配用電系統(tǒng)”試點(diǎn)與部分技術(shù)逐一普及相結(jié)合，尤其是對(duì)智能電表的推廣；推進(jìn)微網(wǎng)工程試點(diǎn)工作，并結(jié)合當(dāng)?shù)匦枨罂紤]分布式能源和微網(wǎng)的進(jìn)展；通過(guò)智能電表和相關(guān)電價(jià)政策引導(dǎo)用戶(hù)參與需方響應(yīng)，節(jié)約電能，緩解電網(wǎng)壓力；積極開(kāi)展關(guān)于智能配用電系統(tǒng)前沿技術(shù)的研究和探討等。國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及以后趨勢(shì)目前，智能用電系統(tǒng)在我國(guó)正處于初級(jí)試點(diǎn)建設(shè)時(shí)期。截止到2011年年底，我國(guó)已有數(shù)個(gè)正在建設(shè)中或立即建成投入運(yùn)行的智能配用電園區(qū)。本部分重點(diǎn)選取北京、天津、上海及江西等四個(gè)具有代表性的示范工程以介紹智能配用電園區(qū)在我國(guó)的進(jìn)展現(xiàn)狀。2009年5月，國(guó)網(wǎng)信息通信有限公司分不在北京蓮香園小區(qū)和阜成路95號(hào)院設(shè)立了兩個(gè)智能電網(wǎng)用戶(hù)服務(wù)試點(diǎn)。蓮香園項(xiàng)目智能電網(wǎng)用戶(hù)服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)使用光纖復(fù)合低壓電纜，在電力線(xiàn)入戶(hù)的同時(shí)達(dá)到了光纖入戶(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向?qū)崟r(shí)交互。實(shí)現(xiàn)的要緊功能包括三表（水、電、氣）信息抄收、雙向?qū)崟r(shí)通信、家電治理、響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰要求、提供社區(qū)服務(wù)、安防服務(wù)、實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、信息網(wǎng)和通信網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”。其樓頂還安裝了8塊太陽(yáng)能電池板，不僅可滿(mǎn)足家中的用電需求，如發(fā)電量仍有富余，則可送入電網(wǎng)，賺取發(fā)電上網(wǎng)費(fèi)用。同時(shí)小區(qū)微電網(wǎng)還具備遠(yuǎn)程操縱功能，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程拉合閘操縱，便于中斷與分布式發(fā)電并網(wǎng)，確保檢修安全。在電網(wǎng)有電的情況下，能夠跟蹤電網(wǎng)的頻率、幅值和相位，選擇合適的時(shí)刻并網(wǎng)。2011年9月19日，國(guó)際上目前覆蓋區(qū)域最廣、功能最齊全的智能電網(wǎng)示范區(qū)——中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程成功投運(yùn)，這也是我國(guó)首個(gè)智能電網(wǎng)綜合示范工程。中新天津生態(tài)城智能配用電園區(qū)位于天津?yàn)I海新區(qū)，毗鄰天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、天津港、海濱休閑旅游區(qū)，地處塘沽區(qū)、漢沽區(qū)之間，總面積約31平方千米，規(guī)劃居住人口35萬(wàn)。該示范工程通過(guò)6千瓦的風(fēng)電和30千瓦的光伏、以及60千瓦時(shí)的儲(chǔ)能裝置構(gòu)建成一個(gè)小型微網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度六大環(huán)節(jié)，包括分布式電源接入、儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能電網(wǎng)設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能變電站、配電自動(dòng)化、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和操縱、用電信息采集系統(tǒng)、智能用電小區(qū)/樓宇、電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施、通信信息網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)智能運(yùn)行可視化平臺(tái)及智能供電營(yíng)業(yè)廳12個(gè)子項(xiàng)工程。項(xiàng)目投運(yùn)后能夠滿(mǎn)足區(qū)域內(nèi)可再生能源利用比例不低于20%；智能電能表覆蓋率100%，供電可靠率99.999%的要求，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。此外，當(dāng)前智能電網(wǎng)一些前沿技術(shù)在該項(xiàng)目中得到充分的體現(xiàn)，如全國(guó)首個(gè)融合光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的較為完整的微網(wǎng)系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國(guó)微網(wǎng)分布式電源接入技術(shù)和微網(wǎng)操縱技術(shù)領(lǐng)域的空白，因此具有重要的示范意義。到2020年，生態(tài)城將全部采納清潔能源和綠色建筑，太陽(yáng)能、海水發(fā)電、風(fēng)能在內(nèi)的各種可再生能源的替代電量約占整個(gè)生態(tài)城用電量24.62%；同時(shí)，中新生態(tài)城智能電網(wǎng)選擇鋰離子電池為要緊儲(chǔ)能裝置，建設(shè)集中儲(chǔ)能站，有效地保證風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電的輸出，同時(shí)“削峰填谷”地提高利用能源效率；為配合生態(tài)城綠色交通規(guī)劃，至2015年生態(tài)城內(nèi)將建設(shè)3座大型充電站，3座中型充電站和300座交流充電樁。按照生態(tài)城的規(guī)劃方案，智能用電小區(qū)將實(shí)現(xiàn)水、氣、電“三表結(jié)合”和有線(xiàn)、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)、電力網(wǎng)的“四網(wǎng)融合”此外，上海世博園是另一個(gè)具有代表性的智能配用電園區(qū)示范工程，也是我國(guó)首個(gè)真正意義上的智能電網(wǎng)示范園區(qū)。該工程包括新能源接入、儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能變電站、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、故障搶修治理系統(tǒng)、電能質(zhì)量檢測(cè)、用電信息采集系統(tǒng)、智能樓宇/小區(qū)以及電動(dòng)汽車(chē)充放電站等9個(gè)示范工程，此外還包括智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、信息平臺(tái)、智能輸電以及可視化展示等4個(gè)演示工程。該工程的特色之處在于：首先，建成了新能源接入綜合系統(tǒng)，覆蓋上海各風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)充放電站和部分資源綜合利用（熱電冷三聯(lián)供）機(jī)組，實(shí)現(xiàn)多種能源形式最優(yōu)互補(bǔ)，提高了資源綜合利用效率；此外，全面實(shí)現(xiàn)了配電自動(dòng)化，使配電網(wǎng)具備自愈功能；最后，該工程還建成了具有雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式（V2G）功能的原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度和營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)的集成，以及車(chē)載電池組與電網(wǎng)的雙向能量交換，展示了電動(dòng)汽車(chē)作為移動(dòng)儲(chǔ)能裝置的寬敞應(yīng)用前景。除上述差不多建成投運(yùn)的智能配用電園區(qū)外，國(guó)家電網(wǎng)公司的另一個(gè)有重要意義的智能電網(wǎng)綜合集成技術(shù)研究與示范項(xiàng)目江西共青城智能電網(wǎng)綜合示范工程正在建設(shè)中。試點(diǎn)區(qū)域面積約6.5平方公里，項(xiàng)目一期投資為1.01億元，實(shí)施期限為2012年1月到2014年12月。該工程項(xiàng)目的鮮亮特點(diǎn)是將國(guó)家電網(wǎng)公司差不多試點(diǎn)成功的智能電網(wǎng)技術(shù)集成到同一平臺(tái)展示和應(yīng)用，向系統(tǒng)化、有用化邁進(jìn)了一步。項(xiàng)目的另一個(gè)特點(diǎn)是引入了國(guó)際合作。結(jié)合了中芬數(shù)字生態(tài)城和中日智能社區(qū)，在微網(wǎng)、工廠及樓宇能效治理等方面開(kāi)展國(guó)際合作。該項(xiàng)目擬建設(shè)清潔能源接入與儲(chǔ)能系統(tǒng)、配電自動(dòng)化、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電信息采集、智能小區(qū)、電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施、互動(dòng)化營(yíng)業(yè)廳、應(yīng)急指揮中心、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及通信信息網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)可視化平臺(tái)等10個(gè)子項(xiàng)。建成后可集中展示智能電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的先進(jìn)特性。通過(guò)將先進(jìn)的智能電網(wǎng)技術(shù)嵌入都市，帶給人們?nèi)碌牡吞忌罘绞?，?duì)其他都市和地區(qū)的復(fù)制、推廣，具有顯著的示范效應(yīng)。1.3微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)研究?jī)?nèi)容微電網(wǎng)的運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)有與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。并網(wǎng)模式是指正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)向電網(wǎng)供出多余的電能或是由電網(wǎng)補(bǔ)充自身發(fā)電量的不足。通過(guò)微電網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證：合理的操縱策略下，微電網(wǎng)能夠并網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行狀態(tài)的平滑過(guò)渡和轉(zhuǎn)換。孤島運(yùn)行是指當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或是電能質(zhì)量不滿(mǎn)足要求時(shí)，微電網(wǎng)能夠與主網(wǎng)斷開(kāi)形成孤島模式，由DGS向微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷供電。正由于微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行，才為系統(tǒng)提供了更高的可靠性和供電的不可間斷性。通過(guò)PSCAD/EMDTD或是Matlab/PowerSimulik等軟件建立起微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)模型，針對(duì)電磁暫態(tài)特性以及主動(dòng)（intentional）與被動(dòng)（unintentional）隔離情況下的孤網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行可行性研究，結(jié)果表明基于電力電子接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能元件能夠確保微電網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化的平滑性，減少孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)暫態(tài)阻礙并保證功角穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量。微網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的操縱微電網(wǎng)相對(duì)主網(wǎng)可作為一個(gè)模塊化的可控單元，對(duì)內(nèi)部能夠提供滿(mǎn)足負(fù)荷用戶(hù)需求的電能，實(shí)現(xiàn)這些功能必須具有良好的微電網(wǎng)操縱和治理，要緊操縱設(shè)備有分布式發(fā)電系統(tǒng)操縱器，可控負(fù)荷治理器，中央能量治理系統(tǒng)，繼電愛(ài)護(hù)裝置。微電網(wǎng)在運(yùn)行操縱應(yīng)該做到能夠基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事件做出快速獨(dú)立的響應(yīng)，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)電壓跌落、故障、停電等，微型分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該利用本地信息自動(dòng)有效地轉(zhuǎn)換到獨(dú)立運(yùn)行方式，不再同意傳統(tǒng)方式的統(tǒng)一調(diào)度。一般來(lái)講，微電網(wǎng)操縱的要緊目標(biāo)是：1）調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)的饋線(xiàn)潮流，對(duì)無(wú)功和有功進(jìn)行獨(dú)立解耦操縱2）能夠調(diào)節(jié)每個(gè)微型電源接口處的電壓，保證電壓的穩(wěn)定性3）孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，確保每個(gè)微型電源能快速響應(yīng)分擔(dān)用戶(hù)負(fù)荷4）依照故障情況或是系統(tǒng)需要，平滑自主地實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)分離、并列或是兩者的過(guò)渡轉(zhuǎn)化運(yùn)行。目前，要緊的微電網(wǎng)操縱方法：1）基于電力電子技術(shù)的即插即用（PlugandPlay）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PointtoPoint）的操縱：該方法依照微電網(wǎng)操縱目標(biāo)，靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的下垂特性曲線(xiàn)（DroopCharacter）作為微型電源的操縱方式，利用頻率有功下垂曲線(xiàn)將系統(tǒng)不平衡的功率動(dòng)態(tài)分配給各機(jī)組來(lái)承擔(dān)，保證孤網(wǎng)下微電網(wǎng)內(nèi)電力供需平衡和頻率的統(tǒng)一，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。然而目前，該方法還沒(méi)有考慮到系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問(wèn)題，即傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻問(wèn)題。因此，當(dāng)微電網(wǎng)遭受到嚴(yán)峻的破壞或是干擾時(shí)，系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)難保證頻率質(zhì)量。另外，該方法是針對(duì)電力電子技術(shù)的微型分布式發(fā)電系統(tǒng)操縱，沒(méi)有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)如小型燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)與微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)操縱。2）基于功率治理系統(tǒng)的操縱：該方法采納不同的操縱模塊對(duì)有功、無(wú)功分不進(jìn)行操縱，較好地滿(mǎn)足了微電網(wǎng)P/Q，V/f等多種操縱方式的要求，尤其是在調(diào)節(jié)功率平衡時(shí)，加入了頻率恢復(fù)算法，能夠?qū)ｉT(mén)好地滿(mǎn)足頻率質(zhì)量的要求。另外，針對(duì)微電網(wǎng)中對(duì)無(wú)功的不同需求，功率治理系統(tǒng)采納了多種操縱方法并加入無(wú)功補(bǔ)償器，進(jìn)而提高操縱的靈活性并提高了操縱性能。但該方法尚未考慮含有勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的常規(guī)發(fā)電機(jī)與含電力電子接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)操縱。3）基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)操縱：該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)操縱系統(tǒng)。代理的自治性、響應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點(diǎn)正好滿(mǎn)足微電網(wǎng)分散操縱的需要，提供了一個(gè)能夠嵌入各種操縱且無(wú)需治理者經(jīng)常參與的系統(tǒng)。以典型的AEN（AutonomousElectricityNetworks）的三級(jí)操縱結(jié)構(gòu)為例，一級(jí)保證微電網(wǎng)可靠性運(yùn)行，從而滿(mǎn)足供需平衡，二級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化電能質(zhì)量并減少電壓、頻率波動(dòng)，三級(jí)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化即邊際成本等值優(yōu)化。然而，目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于對(duì)微電網(wǎng)中頻率、電壓等進(jìn)行操縱的層面。要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的操縱中發(fā)揮更大的作用，還需大量的工作研究工作。美國(guó)通用電氣公司（GE）在美國(guó)能源部的資助下建立了微電網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。這項(xiàng)工程旨在開(kāi)發(fā)和檢驗(yàn)微電網(wǎng)的能量操縱治理系統(tǒng)框架，為微電網(wǎng)更廣泛的應(yīng)用提供統(tǒng)一的操縱、愛(ài)護(hù)和能量治理標(biāo)準(zhǔn)，如圖1.4所示。目前這項(xiàng)工程差不多進(jìn)行到了第二時(shí)期。同時(shí)美國(guó)也積極對(duì)微電網(wǎng)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)展研究，在軍事基地內(nèi)建立能量保證工程（EnergySuretyProject），以提高國(guó)防工程的供電可靠性。圖1.4GE微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)的能量操縱治理框架美國(guó)能源部將微電網(wǎng)視為以后電力系統(tǒng)的三大基礎(chǔ)技術(shù)之一，并列入美國(guó)“Grid2030—電力下一個(gè)百年的國(guó)家展望”打算中。該打算于2003年7月提出，是美國(guó)電力改革的綱領(lǐng)性文件，要緊對(duì)美國(guó)以后電力系統(tǒng)進(jìn)行展望，并確定各項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)工作的時(shí)期性目標(biāo)。微電網(wǎng)將是美國(guó)以后進(jìn)展的目標(biāo)。以后微網(wǎng)及智能配用電操縱系統(tǒng)的研究方向應(yīng)集中于如下幾個(gè)方面：1）不同種微型分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和操縱，包括間歇式和可控式以及常規(guī)模式和基于變流器模式；2）微電網(wǎng)在獨(dú)立運(yùn)行模式與并網(wǎng)運(yùn)行模式下，智能型頻率、電壓操縱策略的可行性研究。3）微電網(wǎng)的分散操縱方法以及多分散操縱器的協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，要求每個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)依照自己局部的相關(guān)信息進(jìn)行獨(dú)立的電壓調(diào)節(jié)和頻率操縱，并按照特定的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化多個(gè)分散操縱器的性能，使得系統(tǒng)的總體性能得到最優(yōu)，并滿(mǎn)足各種運(yùn)行環(huán)境下對(duì)電壓和頻率操縱的要求。微電網(wǎng)的繼電愛(ài)護(hù)微電網(wǎng)的愛(ài)護(hù)與傳統(tǒng)愛(ài)護(hù)方式有著全然上的不同：1）潮流的雙向流通2）微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行兩種情況下，由于饋線(xiàn)分布著多個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)，短路電流大小有專(zhuān)門(mén)大不同。因此，如何在兩種運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部故障做出響應(yīng)以及在并網(wǎng)情況下快速感知主網(wǎng)的故障，同時(shí)保證愛(ài)護(hù)的選擇性、快速型、可靠性與靈敏性，這是微電網(wǎng)愛(ài)護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。在孤網(wǎng)情況下，微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源所能提供的故障電流大小僅為正常電流的兩倍或更小，傳統(tǒng)的電流愛(ài)護(hù)裝置已不能做出正常響應(yīng)或是需要幾十秒才能做出反應(yīng)，這差不多無(wú)法滿(mǎn)足微電網(wǎng)愛(ài)護(hù)的要求，因此需要采納更為先進(jìn)的故障診斷方式。目前，針對(duì)單相接地故障與線(xiàn)間故障，有專(zhuān)家提出了對(duì)稱(chēng)電流重量檢測(cè)的愛(ài)護(hù)策略。該方法能夠以超過(guò)一定閥值的零序電流重量和負(fù)序電流重量作為主愛(ài)護(hù)的啟動(dòng)值，將傳統(tǒng)過(guò)電流愛(ài)護(hù)相結(jié)合取得良好的效果。關(guān)于微電網(wǎng)主動(dòng)孤網(wǎng)的情況，文獻(xiàn)提出了利用三相電壓源變流器進(jìn)行主動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)電壓源的電流操縱器的d軸，或是q軸對(duì)系統(tǒng)注入一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)d軸注入信號(hào)能調(diào)節(jié)電壓的幅值，然而這種方法會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成頻率偏移。發(fā)電機(jī)和負(fù)荷類(lèi)型容量關(guān)于愛(ài)護(hù)的深刻阻礙、各種類(lèi)型分布式發(fā)電系統(tǒng)（傳統(tǒng)小型發(fā)電機(jī)與基于換流器的微型電源）、儲(chǔ)能元件對(duì)愛(ài)護(hù)的阻礙以及微電網(wǎng)在兩種不同運(yùn)行方式和不同拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)下關(guān)于愛(ài)護(hù)的阻礙等問(wèn)題均是以后微電網(wǎng)愛(ài)護(hù)策略中值得研究的問(wèn)題。微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性是微電網(wǎng)技術(shù)的推廣和進(jìn)展的重要依據(jù)。在經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方面，微電網(wǎng)能夠在調(diào)度原則、電能交易、資源優(yōu)化配置方面參考大電網(wǎng)運(yùn)行的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。更重要的是，微電網(wǎng)本身具有專(zhuān)門(mén)多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)比如針對(duì)網(wǎng)內(nèi)不同用戶(hù)要求，提供不同水平的電能質(zhì)量和可靠性服務(wù)，向外饋送電能甚至提供黑啟動(dòng)能力等輔助服務(wù)等。從目前的研究來(lái)看，微電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要緊體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：1）微電網(wǎng)本身的投資及運(yùn)行的優(yōu)化微電網(wǎng)優(yōu)化能夠從微電網(wǎng)的能量治理系統(tǒng)完成。能量治理系統(tǒng)使用當(dāng)?shù)匦畔?lái)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐臒?、電、冷的需求、電能質(zhì)量的要求、主網(wǎng)的專(zhuān)門(mén)要求、需求側(cè)治理要求等，從而決定微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的配置運(yùn)行以及配網(wǎng)所需提供的電能總量。2）微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估和量化微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估和量化是微電網(wǎng)投資及運(yùn)行運(yùn)化的直接表現(xiàn)方式和衡量手段。目前，尚未有效方法將微電網(wǎng)對(duì)用戶(hù)、電力部門(mén)以及社會(huì)效益全面量化。隨著微電網(wǎng)研究的不斷深入進(jìn)展，微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)量化的不確定性將成為重要的研究課題；3）微電網(wǎng)新的經(jīng)濟(jì)特性微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化問(wèn)題和傳統(tǒng)電網(wǎng)有著專(zhuān)門(mén)大的不同，微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電單元，電力電子操縱設(shè)備，儲(chǔ)能元件改變了配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及潮流特性，致使微電網(wǎng)規(guī)劃不僅要滿(mǎn)足電網(wǎng)規(guī)劃的要求，還要考慮到微電網(wǎng)自身的一些新特性。高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)是智能配用電園區(qū)的重要組成部分，它以靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，支持靈活自適應(yīng)的故障處理和自愈，可滿(mǎn)足高滲透率的分布式電源和儲(chǔ)能元件接入的要求，及用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求。高級(jí)配電自動(dòng)化則是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵性支撐技術(shù)。高級(jí)配電自動(dòng)化包括運(yùn)行自動(dòng)化及治理自動(dòng)化。前者包括配電運(yùn)行監(jiān)視與操縱、自動(dòng)故障隔離與配電網(wǎng)自愈等內(nèi)容，是本地自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與成熟應(yīng)用分析軟件的有效結(jié)合；后者包括設(shè)備治理、停電治理等。高級(jí)配電自動(dòng)化需要要緊依托于以下兩個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展：1）基于SOA的智能配電網(wǎng)體系架構(gòu)建設(shè)智能配電網(wǎng)集合了眾多先進(jìn)技術(shù)與先進(jìn)設(shè)備。在運(yùn)行過(guò)程中，不同種類(lèi)的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件相互交錯(cuò)，使治理者不得不面臨復(fù)雜的操作環(huán)境。因此，十分必要建立具有公共屬性的編程接口和互操作協(xié)議。SOA憑借其松耦合特性，使電網(wǎng)企業(yè)能夠按照模塊化的方式添加新服務(wù)或更新現(xiàn)有服務(wù)，以滿(mǎn)足新的業(yè)務(wù)需要，進(jìn)而為電網(wǎng)企業(yè)構(gòu)建智能配電網(wǎng)統(tǒng)一平臺(tái)提供了更加靈活的方式，從而真正消除了信息孤島，實(shí)現(xiàn)了信息共享。2）企業(yè)集成總線(xiàn)設(shè)計(jì)針對(duì)上述復(fù)雜的多源信息集成，假如用傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，必須開(kāi)發(fā)多個(gè)接口，如此不僅使系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，而且系統(tǒng)維護(hù)也會(huì)相當(dāng)困難。因此，有必要提出一種全方位解決方案，即企業(yè)集成總線(xiàn)（ESB）。ESB提供給用戶(hù)集中的信息治理及獵取能力，同時(shí)也使用戶(hù)能夠從多數(shù)據(jù)源獵取實(shí)時(shí)信息，為數(shù)據(jù)治理和內(nèi)容公布提供全面的解決方案，其核心功能包括：從異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成多種格式的信息，包括數(shù)據(jù)庫(kù)記錄、分散的應(yīng)用系統(tǒng)、字處理文檔等；集中治理、加工信息，通過(guò)單個(gè)視圖組織信息。使用XML定義關(guān)聯(lián)信息并公布信息給工作人員或應(yīng)用程序；充分利用現(xiàn)有信息基礎(chǔ)，包括已有的數(shù)據(jù)庫(kù)治理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)以及配電自動(dòng)化系統(tǒng)。電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)電動(dòng)汽車(chē)作為智能配用電園區(qū)中的移動(dòng)儲(chǔ)能單元，一方面在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)段由車(chē)載電池向電網(wǎng)傳輸電能，而在電網(wǎng)低谷時(shí)段由電網(wǎng)為電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池進(jìn)行充電，能夠有效降低電網(wǎng)峰谷差，降低傳統(tǒng)調(diào)峰備用容量，提高電網(wǎng)利用效率。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)還能完成需求響應(yīng)等電網(wǎng)輔助服務(wù)，進(jìn)一步提高電網(wǎng)配電效率。另一方面，電動(dòng)汽車(chē)還能夠有助于配電網(wǎng)吸納波動(dòng)性的可再生能源分布式電源的發(fā)電容量。同時(shí)，通過(guò)低谷時(shí)段較低電價(jià)充電以及高峰時(shí)段較高電價(jià)放電獵取直接的經(jīng)濟(jì)效益。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要借助于電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)備及治理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制。電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)備及治理系統(tǒng)的要緊功能是為電能互動(dòng)及信息互動(dòng)提供實(shí)時(shí)的信息交換平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)控車(chē)輛能量狀態(tài)、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)電價(jià)及輔助服務(wù)計(jì)費(fèi)信息等，為電能依照電網(wǎng)或者電動(dòng)汽車(chē)的需要合理優(yōu)化雙向流淌提供信息支持。由于電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的分散性，由智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)直接與電動(dòng)汽車(chē)通信并操縱其充放電的操作難以直接實(shí)現(xiàn)，因此需要在智能電網(wǎng)雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)與電動(dòng)汽車(chē)之間建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充放電治理系統(tǒng)作為紐帶，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)間的實(shí)時(shí)信息交換，依照雙方需求合理操縱電動(dòng)汽車(chē)的充放電操作。從硬件角度來(lái)看，需要并行研究交流及直流充放電樁。前者要緊用于為智能配用電園區(qū)內(nèi)帶有車(chē)載充放電機(jī)的小型電動(dòng)乘用車(chē)進(jìn)行充電服務(wù)，后者則要緊針對(duì)環(huán)衛(wèi)、公交等社會(huì)公共服務(wù)用車(chē)提供服務(wù)。充放電樁需要具有智能充放電操縱功能，能夠與充放電治理系統(tǒng)及電動(dòng)汽車(chē)通信，實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能狀態(tài)，智能地操縱電動(dòng)車(chē)的充放電操作。從軟件角度來(lái)看，需要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)充放電治理系統(tǒng)，一方面能夠通過(guò)充放電設(shè)備與電動(dòng)汽車(chē)通信；另一方面與智能電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)通信，綜合電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，依照雙方需求合理操縱電動(dòng)汽車(chē)的充放電操作。該系統(tǒng)能夠負(fù)責(zé)同一停車(chē)區(qū)域的交流充放電樁的統(tǒng)一調(diào)度治理，也能夠負(fù)責(zé)一個(gè)集中充放電站內(nèi)的直流充放電機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度治理。用電信息采集技術(shù)及高級(jí)量測(cè)體系“互動(dòng)性”是智能配用電園區(qū)的最大特征，因此用電信息采集及高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)配用電智能化的關(guān)鍵性技術(shù)。用電信息采集系統(tǒng)是高級(jí)量測(cè)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)，而高級(jí)量測(cè)體系又是用電信息采集系統(tǒng)的拓展。兩者聯(lián)系緊密，相輔相成。用電信息采集系統(tǒng)是指對(duì)電力用戶(hù)的用電信息進(jìn)行采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的自動(dòng)采集、計(jì)量異常監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電分析及治理等功能。用電信息采集系統(tǒng)要緊面向電力用戶(hù)、電網(wǎng)關(guān)口等，實(shí)現(xiàn)購(gòu)電、供電及售電3個(gè)環(huán)節(jié)信息的實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)和分析，達(dá)到購(gòu)、供、售電環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，是智能用電治理、服務(wù)的技術(shù)支持系統(tǒng)，為治理信息系統(tǒng)提供及時(shí)、完整、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)用電數(shù)據(jù)。用電信息采集系統(tǒng)從架構(gòu)層面看要緊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、自動(dòng)抄表治理、費(fèi)控治理、有序用電治理、異常用電分析、線(xiàn)/變孫分析、安全防護(hù)等功能，覆蓋智能電能表、采集終端、主站軟件、安全加密、本地及遠(yuǎn)程通信等多項(xiàng)核心技術(shù)。高級(jí)量測(cè)體系（AMI）是用來(lái)測(cè)量、收集、儲(chǔ)存、分析用戶(hù)用電信息的完整網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，要緊包括智能電能表、通信網(wǎng)絡(luò)以及量測(cè)數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)等。AMI是在雙向計(jì)量、雙向?qū)崟r(shí)通信、需求響應(yīng)以及用戶(hù)用電信息采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用智能電能表等，定時(shí)或即時(shí)取得用戶(hù)的多種量測(cè)信息（如電壓、電流等），支持用戶(hù)分布式電源與電動(dòng)汽車(chē)接入和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)與電力用戶(hù)的雙向互動(dòng)。高級(jí)量測(cè)體系由智能裝置、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)治理應(yīng)用軟件及相關(guān)系統(tǒng)組成，在智能電網(wǎng)和電力用戶(hù)間建立通信網(wǎng)絡(luò)，集成電網(wǎng)企業(yè)和第三方的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能電能表和智能交互終端是AMI的基礎(chǔ)單元，發(fā)揮著不可或缺的作用，其要緊功能如下：分時(shí)段雙向計(jì)量電量、電流、電壓、功率及其方向等信息；實(shí)現(xiàn)靈活可靠地雙向通信，支持與電網(wǎng)企業(yè)實(shí)時(shí)通信，支持智能電器的接入與操縱；實(shí)現(xiàn)欠費(fèi)、功率越限、緊急狀態(tài)的遠(yuǎn)方斷電等功能；定時(shí)或呼喚抄表功能，支持用于光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)充放電機(jī)分布式電源設(shè)備等計(jì)量信息的抄收；異常用電事件的記錄和報(bào)告，包括數(shù)據(jù)篡改、異動(dòng)及未授權(quán)訪問(wèn)的預(yù)警及上報(bào)等；監(jiān)視操縱機(jī)優(yōu)化治理功能，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)分布式電源實(shí)時(shí)監(jiān)視操縱，電動(dòng)車(chē)用電治理以及微電網(wǎng)優(yōu)化用電治理等。

第二章分布式電源的工作原理雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的差不多原理雙饋異步發(fā)電機(jī)能夠看作是一個(gè)具有打開(kāi)的繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子接有外加電壓源的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)，外加電壓源通過(guò)變頻器引入，變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子回路電流實(shí)現(xiàn)頻率、幅值和相位的調(diào)節(jié)，起到勵(lì)磁電源的作用。雙饋發(fā)電機(jī)除通過(guò)定子向電網(wǎng)饋入功率之外，還通過(guò)部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，并能夠通過(guò)變頻器的操縱對(duì)整個(gè)雙饋電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率分不進(jìn)行操縱。雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度nr、轉(zhuǎn)子外加勵(lì)磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相關(guān)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度ne與定子同步磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度ns之間的關(guān)系為（2-1）當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率即可保證發(fā)電機(jī)定子端輸出工頻電能，當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)次同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流相序與定子電流相同；當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流相序則與定子電流相反；當(dāng)發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁。采納這種交流勵(lì)磁變速恒頻的雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）同意原動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行，簡(jiǎn)化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時(shí)的機(jī)械應(yīng)力。同時(shí)使機(jī)組操縱更加靈活、方便，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率。（2）調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值和相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功和無(wú)功功率。應(yīng)用矢量操縱可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。正因?yàn)橐陨蟽?yōu)點(diǎn)，使得交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主流發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖2.1所示。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采納三相對(duì)稱(chēng)繞組，通過(guò)交—直—交變頻器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁，勵(lì)磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其中勵(lì)磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。電網(wǎng)側(cè)換流器的要緊任務(wù)是保證電流波形和功率因數(shù)滿(mǎn)足要求以及保證直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的要緊任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及為轉(zhuǎn)子回路提供勵(lì)磁，調(diào)節(jié)定子無(wú)功功率。風(fēng)輪機(jī)采納變槳距操縱，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角為0o，采納最大功率跟蹤策略來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕捉；當(dāng)風(fēng)速增加到大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定功率附近。但由于風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此，變槳距裝置動(dòng)作具有一定的時(shí)延。圖2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及操縱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型空氣動(dòng)力學(xué)模型由風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)能夠得出風(fēng)輪機(jī)的輸出功率為（2-2）其中，為空氣密度，為風(fēng)輪機(jī)葉片的半徑，為葉片的掃略面積，為風(fēng)速，為風(fēng)能利用系數(shù)。為表征風(fēng)輪機(jī)效率的重要參數(shù)，是風(fēng)輪機(jī)葉尖速比和槳葉節(jié)距角的函數(shù)，可表示為。依照貝茨理論，風(fēng)輪機(jī)最大的風(fēng)能利用系數(shù)為0.593。此外，葉尖速比即葉片的葉尖線(xiàn)速度與風(fēng)速之比，可表示為（2-3）其中為葉片旋轉(zhuǎn)的角速度。關(guān)于給定的葉尖速比和葉片槳距角，可用下式計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)：（2-4）其中由上式依照不同的、計(jì)算得到的，也即變槳距風(fēng)輪機(jī)的性能曲線(xiàn)如圖2.2所示。圖2.2變槳距風(fēng)輪機(jī)性能曲線(xiàn)由圖2.2能夠明白，當(dāng)槳距角為恒定值時(shí)，的大小與有關(guān)，且僅有一個(gè)使最大的葉尖速比，稱(chēng)之為最佳葉尖速比，現(xiàn)在的角速度為最佳轉(zhuǎn)速。因此當(dāng)恒定時(shí)，可用任一條曲線(xiàn)描述定槳距風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行特性。在某一固定的風(fēng)速下，隨著風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，葉片旋轉(zhuǎn)的角速度發(fā)生大變化，也會(huì)相應(yīng)地變化，從而使風(fēng)輪機(jī)的輸出機(jī)械功率發(fā)生變化。由式（2-2）和（2-3），能夠得到風(fēng)輪機(jī)輸出功率和風(fēng)輪機(jī)角速度之間的表達(dá)式如下。（2-5）其中要想使風(fēng)輪機(jī)保持最大的功率轉(zhuǎn)換效率，必須保證葉尖速比始終為最佳葉尖速比，因此將隨著風(fēng)速的變化而變化。將不同風(fēng)速時(shí)的最大功率點(diǎn)連接起來(lái)，即可得到風(fēng)輪機(jī)的最佳功率曲線(xiàn)，其功率表達(dá)式為（2-6）槳距角操縱模型槳距操縱系統(tǒng)通過(guò)操縱風(fēng)輪機(jī)槳葉角度改變槳葉相關(guān)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)輪機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能。變槳距操縱在不同的情況下采納不同的策略：（a）當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距角操縱用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組發(fā)出盡可能多的電能。關(guān)于變速風(fēng)電機(jī)組，其功率尋優(yōu)能夠通過(guò)風(fēng)電機(jī)組的變速來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角通常保持在0o附近，由圖2.2能夠看出，當(dāng)為0時(shí)最大。（b）當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角增大，將風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械功率限制在額定功率附近，同時(shí)能夠愛(ài)護(hù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)可不能過(guò)載及幸免風(fēng)電機(jī)組機(jī)械損壞的危險(xiǎn)。雙饋機(jī)的變槳距操縱模型采納所使用的電力系統(tǒng)仿真軟件PSACD中的風(fēng)輪機(jī)操縱模型，其傳遞函數(shù)如圖2.3所示。圖2.3變槳距操縱的傳遞函數(shù)其中，為電機(jī)機(jī)械角速度，當(dāng)發(fā)電機(jī)類(lèi)型是異步機(jī)時(shí)，不需要考慮此變量。為速度參考值，為功率參考值（p.u），為以電機(jī)容量為基準(zhǔn)的輸出功率標(biāo)幺值，為增益，、分不為比例增益和積分增益，為增益乘數(shù)，為葉片操縱器增益積分。此外，MOD2適用于水平軸旋轉(zhuǎn)的3葉片風(fēng)輪，而MOD5適用于水平軸旋轉(zhuǎn)的2葉片風(fēng)輪。輸入信號(hào)為風(fēng)電機(jī)組發(fā)出有功功率的測(cè)量值，與最大功率參考值相比較后得出誤差信號(hào)，輸入PI操縱器，產(chǎn)生槳距角參考值，再與實(shí)際的槳距角比較，槳距角誤差信號(hào)輸入到槳距角操縱系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為簡(jiǎn)化分析和應(yīng)用于矢量操縱變化，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。其坐標(biāo)變換如圖2.4所示。（a）三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系（b）兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖2.4坐標(biāo)變換在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙饋異步發(fā)電機(jī)的方程如下所示。電壓方程：（2-7）其中下標(biāo)為的表示定子量，下標(biāo)為的表示轉(zhuǎn)子量，表示同步角速度。磁鏈方程：（2-8）其中，為定、轉(zhuǎn)子間互感峰值。轉(zhuǎn)矩方程：（2-9）轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：（2-10）其中表示雙饋發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)刻常數(shù)，表示阻尼系數(shù)。通過(guò)以上9個(gè)方程的聯(lián)立求解可精確描述雙饋發(fā)電機(jī)的全部動(dòng)態(tài)行為。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的矢量操縱策略：由于雙饋機(jī)的定子接在頻率恒定的大電網(wǎng)上，定子電阻比電抗小的多，定子電阻上的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定子的端電壓，通常能夠忽略定子繞組電阻。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，忽略定子繞組電阻后，發(fā)電機(jī)的定子磁鏈與定子端電壓矢量之間的相位差正好是90o。若以定子磁鏈定向，取定子磁鏈?zhǔn)噶糠较驗(yàn)橥阶鴺?biāo)系軸，則定子電壓矢量將落在超前軸90o的軸上，如此能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化雙饋機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從而得到矢量操縱所需的操縱方程。（2-14）式（2-14）構(gòu)成了雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器矢量操縱的數(shù)學(xué)模型。由上式可見(jiàn)，當(dāng)定子磁鏈或定子電壓保持恒定時(shí)，定子有功功率與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩重量irq成正比，而定子無(wú)功功率則完全由轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁重量ird決定。轉(zhuǎn)子換流器矢量操縱實(shí)現(xiàn)了定子有功功率和無(wú)功功率操縱的解耦，或者講實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁操縱的解耦，這確實(shí)是轉(zhuǎn)子變流器矢量操縱的目的。操縱量為轉(zhuǎn)子電流時(shí)矢量操縱結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5轉(zhuǎn)子側(cè)換流器矢量操縱結(jié)構(gòu)圖一般操縱策略中，為實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)組的單位功率因數(shù)操縱，設(shè)定定子側(cè)無(wú)功功率的參考值為0。在最大風(fēng)能跟蹤策略實(shí)現(xiàn)中，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速ωr_ref的偏差通過(guò)PI操縱得到轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩重量，其中ωr_ref是依照風(fēng)速與機(jī)組運(yùn)行情況確定的對(duì)應(yīng)最大捕獲風(fēng)能的轉(zhuǎn)速。電網(wǎng)側(cè)換流器的操縱采納基于電網(wǎng)電壓定向的矢量操縱方案，此矢量操縱方案用于電網(wǎng)與電網(wǎng)側(cè)換流器之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率的解耦操縱。圖2.6即為網(wǎng)側(cè)換流器的結(jié)構(gòu)圖。圖2.6網(wǎng)側(cè)換流器電路結(jié)構(gòu)示意圖網(wǎng)側(cè)換流器的矢量操縱結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。網(wǎng)側(cè)換流器矢量操縱用于維持直流母線(xiàn)電壓在一個(gè)恒定值，而與轉(zhuǎn)子功率的方向與大小無(wú)關(guān)，并依照整個(gè)風(fēng)電機(jī)組對(duì)無(wú)功功率的要求對(duì)參考值進(jìn)行操縱。一般操縱策略中，為充分利用變頻器的操縱能力并發(fā)盡可能多的有功功率，通常設(shè)定電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)換流器之間沒(méi)有無(wú)功功率的交換，即網(wǎng)側(cè)換流器保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖2.7網(wǎng)側(cè)換流器矢量操縱結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)（MicroturbineGenerator）是一種新進(jìn)展起來(lái)的小型熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，由燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣機(jī)、燃燒室、回?zé)崞?、發(fā)電機(jī)及電力操縱部分組成，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料。其差不多結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采納徑流式葉輪機(jī)械向心式渦輪機(jī)和離心式壓氣機(jī)，在轉(zhuǎn)子上兩者葉輪為背靠背結(jié)構(gòu)，采納高效板式回?zé)崞?，采納空氣軸承不需要潤(rùn)滑油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)一體設(shè)計(jì)，使整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的尺寸顯著減小，重量減輕，優(yōu)點(diǎn)顯著。微型燃?xì)廨啓C(jī)要緊包括以下四個(gè)部分：1）微型燃?xì)廨啓C(jī)：這種特不小的高速燃?xì)廨啓C(jī)是采納了簡(jiǎn)單的徑向設(shè)計(jì)原理和循環(huán)回?zé)峒夹g(shù)，更加簡(jiǎn)單可靠，維修成本更低，振動(dòng)更小，排放更低，結(jié)構(gòu)更緊湊。它的要緊組成部分為單級(jí)徑向壓縮機(jī)、低排放環(huán)型燃燒器、單級(jí)徑向透平、壓比和空氣軸承或雙潤(rùn)滑油系統(tǒng)軸承。2）高速交流發(fā)電機(jī)：高速發(fā)電機(jī)和微型透平燃機(jī)處于同一根軸上，由于它特不小能夠裝進(jìn)燃機(jī)機(jī)械裝置中，從而組成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的高轉(zhuǎn)速的透平交流發(fā)電機(jī)組。3）高效回流換熱器：高效低成本耐用的熱交換器用來(lái)增加燃?xì)廨啓C(jī)的效率，使其達(dá)到能夠和往復(fù)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的程度，其功能是先預(yù)熱燃燒室需使用的空氣，減少燃料消耗。4）電力變換操縱器：發(fā)電機(jī)輸出的高頻頻率為電能，必須轉(zhuǎn)換成或交流電能。由微型處理機(jī)操縱的電力電子變換裝置可進(jìn)行輸出頻率和電壓的轉(zhuǎn)換，以便提供不同質(zhì)量和特性的電能。電力電子變換裝置可依照負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可依照外部電網(wǎng)負(fù)荷變化運(yùn)行，或可做為獨(dú)立電源系統(tǒng)運(yùn)行微型操縱器還能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程治理、操縱和監(jiān)測(cè)。由于微型燃?xì)廨啓C(jī)有以上顯著特點(diǎn)，微型燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用專(zhuān)門(mén)廣，可用于分布式發(fā)電及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和微型燃?xì)廨啓C(jī)—燃料電池聯(lián)合系統(tǒng)等。因而，先進(jìn)微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的得到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型高速單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)是微型燃?xì)廨啓C(jī)的主流產(chǎn)品，是目前最為常用的小型熱電聯(lián)產(chǎn)的動(dòng)力機(jī)組。當(dāng)微電網(wǎng)中采納單軸高速結(jié)構(gòu)的微型燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、操縱方法等因素對(duì)其動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生一定的阻礙，即能夠按照給定的有功和無(wú)功進(jìn)行操縱，又能夠方便地實(shí)現(xiàn)V/f操縱保證微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率和電壓的穩(wěn)定性。本章將對(duì)高速單軸結(jié)構(gòu)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型、各種運(yùn)行特點(diǎn)以及操縱策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析。單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高的特點(diǎn)。典型的單軸MT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。系統(tǒng)包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電力電子轉(zhuǎn)換裝置、供熱和制冷機(jī)組。燃料操縱系統(tǒng)將燃?xì)廨斔椭寥紵?，并與壓縮機(jī)送至的高壓氣體充分燃燒，形成驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)的高品質(zhì)燃?xì)?。通常燃?xì)鉁u輪旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)50000轉(zhuǎn)/分鐘~120000轉(zhuǎn)/分鐘，需要采納高能永磁材料（如釹鐵硼材料或釤鈷材料）的永磁同步發(fā)電機(jī)，其產(chǎn)生的高頻交流電通過(guò)電力電子變流裝置轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸送到配網(wǎng)中供用戶(hù)使用。微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中發(fā)電部分排出的高溫尾氣能夠用來(lái)預(yù)熱進(jìn)入燃燒室的壓縮空氣，從而減少燃燒過(guò)程中的燃料消耗，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率?；?zé)崞髋懦龅奈矚饽軌蛲ㄟ^(guò)溴化鋰制冷機(jī)或熱交換器滿(mǎn)足冷、熱負(fù)荷的需求。圖2.8微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)微型燃?xì)廨啓C(jī)采納徑流式葉輪機(jī)械或空氣軸承，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)組尺寸小，可產(chǎn)生大量品質(zhì)極佳的余熱煙氣，其溫度在500℃目前，微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)要緊有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，一種為單軸（single-shaft）結(jié)構(gòu)，另一種為分軸（split-shaft）結(jié)構(gòu)。單軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)中燃?xì)鉁u輪與發(fā)電機(jī)同軸，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速專(zhuān)門(mén)高，需采納電力電子器件進(jìn)行整流逆變；分軸結(jié)構(gòu)微型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪與燃?xì)鉁u輪采納不同轉(zhuǎn)軸，通過(guò)變速齒輪與發(fā)電機(jī)相連，由于降低了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此能夠直接并網(wǎng)運(yùn)行。本課題以Rowen所提出的單軸單循環(huán)重負(fù)荷的燃?xì)廨啓C(jī)為差不多模型，從圖2.9中能夠看出該單軸MT模型要緊由溫度操縱系統(tǒng)、速度操縱系統(tǒng)、加速度操縱以及燃料供給系統(tǒng)組成。該模型已接近完善，本文將采納該模型來(lái)表示單軸高速微型徑向透平發(fā)電機(jī)的模型，需要指出的是此模型是基于以下條件建立：1）本模型適用于暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，忽略微型燃?xì)廨啓C(jī)快速的動(dòng)態(tài)變化，比如啟動(dòng)，停機(jī)，內(nèi)部故障等過(guò)程）2）考慮到微型燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)電特性是本文研究的要緊內(nèi)容。而能量回收器僅用于提高熱電效率而對(duì)整體模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)刻沒(méi)有專(zhuān)門(mén)大的阻礙，因此不考慮對(duì)其進(jìn)行建模。另外，除溫度操縱采納有名值，微型燃?xì)廨啓C(jī)的模型及其它操縱模塊均采納是標(biāo)幺值。圖2.9微型燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型1）轉(zhuǎn)速與加速度操縱系統(tǒng)：加速度操縱按照轉(zhuǎn)速調(diào)整變化率調(diào)整燃料基準(zhǔn)，以減少燃?xì)廨啓C(jī)高溫燃?xì)馔ǖ懒慵臒釠_擊。將轉(zhuǎn)速的變化率與給定的轉(zhuǎn)速加速度基準(zhǔn)相比較，假如轉(zhuǎn)速變化率大于給定值，則降低加速度操縱值，反之增加加速度操縱值。即加速度操縱系統(tǒng)的功能是限制轉(zhuǎn)速的變化率過(guò)大，在燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷以及啟動(dòng)過(guò)程中，加速度操縱系統(tǒng)都將參與操縱。微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)分為有差和無(wú)差兩種方式。這兩種方式分不為了適應(yīng)不同的負(fù)荷特性而設(shè)計(jì)的。在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)并入微電網(wǎng)時(shí)，操縱系統(tǒng)應(yīng)采納有差調(diào)節(jié)方式，以便滿(mǎn)足跟蹤負(fù)荷變化的需要，保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)是1個(gè)比例調(diào)節(jié)器，在部分負(fù)荷的情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)要緊速度操縱方式為斜率操縱即有差調(diào)節(jié)，是以轉(zhuǎn)子速度與預(yù)先設(shè)定參考值間的差值作為輸入信號(hào)，以速度偏差比例值作為輸出信號(hào)。在實(shí)際的設(shè)備中，由于存在一些時(shí)刻常數(shù)，因此調(diào)節(jié)器實(shí)際是一個(gè)比例—慣性環(huán)節(jié)，如圖2.10所示：圖2.10速度操縱模型在實(shí)際的并網(wǎng)運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)是調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的最差不多的方式。通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)（圖2.10），調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的偏差，從而改變輸出燃料基準(zhǔn)值，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整負(fù)荷的目的。另外，加速度操縱系統(tǒng)是為了限制高速運(yùn)行的微型燃?xì)廨啓C(jī)在某些專(zhuān)門(mén)情況下，如啟動(dòng)環(huán)節(jié)或突然甩負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)子的角加速度不超過(guò)其給定值，減少熱部件的熱沖擊時(shí)起作用，以保證機(jī)組的安全。2）溫度操縱系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉輪和葉片在高溫、高速下工作，材料的強(qiáng)度隨著溫度的上升顯著下降，必須使透平進(jìn)氣溫度限制在一定范圍內(nèi)。從各國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的事故來(lái)看，有專(zhuān)門(mén)多是由于超溫引起的，因此溫度操縱是燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)的要緊特點(diǎn)之一。溫度操縱是通過(guò)操縱燃料流量來(lái)反映燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口溫度，由于溫度的變化劇烈，透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟入y于測(cè)量與操縱。但燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度則相對(duì)來(lái)講測(cè)量比較容易，同時(shí)與透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟瘸杀壤?，因此一般?yīng)用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度來(lái)間接反映透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟取Ｓ捎谕钙脚艢鉁囟容^低、溫度場(chǎng)均勻，一般在透平出口布置一定數(shù)量的熱電偶，取平均值測(cè)得透平排氣溫度，通過(guò)透平排氣溫度來(lái)操縱透平進(jìn)氣溫度。溫度操縱的要緊功能是：1）在燃?xì)鉁囟瘸^(guò)同意值時(shí)，發(fā)出信號(hào)去減少燃料量，使燃?xì)鉁囟炔怀^(guò)同意值。2）在啟動(dòng)時(shí)把溫度限制在一定溫度以下，暖機(jī)結(jié)束時(shí)以一定的溫度改變量升溫。3）在尖峰運(yùn)行或超載運(yùn)行時(shí)能夠提高溫度的限制值。4）和超溫愛(ài)護(hù)一起，在各通道所測(cè)溫度值的差額超過(guò)某一定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。溫度操縱系統(tǒng)的要緊作用是限制透平進(jìn)口溫度，使之保持在一定的溫度之下，以免對(duì)透平的進(jìn)口葉片產(chǎn)生損害。由于進(jìn)口溫度Tin過(guò)高，測(cè)量難度大，因此選用排氣溫度Tx進(jìn)行測(cè)量，因此，溫度操縱系統(tǒng)并不是直接對(duì)Tin進(jìn)行操縱，而是對(duì)Tx進(jìn)行操縱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Tin進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖2.11所示，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。輸入信號(hào)是熱電偶測(cè)量到的排氣溫度信號(hào)Tx，然后與額定的排氣溫度Tref進(jìn)行比較，輸出溫度操縱信號(hào)到小值選擇器。只要Tx和Tref之間存在偏差，溫度操縱器就會(huì)不斷地積分，使燃料基準(zhǔn)值降低，直到Tx低于Tref為止。在正常運(yùn)行時(shí)，微型燃?xì)廨啓C(jī)也是通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)操縱透平入口溫度不超過(guò)其最大設(shè)計(jì)值Tmax。圖2.11溫度操縱模型5）燃燒供給系統(tǒng)和燃燒室由上面的轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)，溫度操縱系統(tǒng)，以及加速度操縱系統(tǒng)均產(chǎn)生一個(gè)燃料基準(zhǔn)，這三個(gè)燃料基準(zhǔn)命令通過(guò)最小值選擇器進(jìn)行選擇后，最小的燃料基準(zhǔn)命令進(jìn)入燃料供給系統(tǒng)。由于燃料泵的轉(zhuǎn)速、燃料壓力均與轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，因此限幅后的值乘以實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，就得到實(shí)際燃料量信號(hào)。與汽輪機(jī)不同，微型燃?xì)廨啓C(jī)需要較大比例的燃料流量來(lái)維持自持、空載工況下的正常運(yùn)行，那個(gè)地點(diǎn)取K6=0.23。另外，微型燃?xì)廨啓C(jī)是通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)操縱轉(zhuǎn)速的，通過(guò)速比閥，燃料操縱閥的串聯(lián)操縱，達(dá)到準(zhǔn)確操縱燃料質(zhì)量流量的目的。關(guān)于燃料量來(lái)講，燃燒室只是一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，如圖2.12所示：圖2.12燃料操縱模型6）壓縮機(jī)—透平系統(tǒng)壓縮機(jī)—透平機(jī)是微型燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成，本質(zhì)是線(xiàn)性非動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子時(shí)刻常數(shù)除外）。圖2.13壓縮機(jī)—透平機(jī)操縱模型如圖2.13所示，單軸燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)矩和排氣溫度是與燃料流量，透平機(jī)的轉(zhuǎn)速線(xiàn)性相關(guān)，其關(guān)系表達(dá)式分不為：轉(zhuǎn)矩=KHHV·（Wf-0.23）+0.5·（1-N）（Nm）排氣溫度=TR-700·（1-Wf）+550·（1-N）（℃）（2-26）式中，KHHV與燃燒室中氣流熱焓值或是熱力值相關(guān)的系數(shù)，取值為1.3，TR是排氣溫度基準(zhǔn)，取值為950℃，為燃機(jī)轉(zhuǎn)速，Wf為燃料量信號(hào)。需要明確的是：轉(zhuǎn)矩方程在100﹪負(fù)荷的情況下差不多上是精確的，在其它情況下會(huì)存在小于5﹪的誤差，排氣溫度方程相對(duì)不是專(zhuān)門(mén)精確，但由于溫度操縱只在溫度參考值附近有作用，因此可忽略其阻礙。燃料電池化學(xué)電源俗稱(chēng)電池，是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過(guò)連續(xù)供給燃料能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。燃料電池的工作原理與一般電池相同，也有電解質(zhì)、電極和正負(fù)極連接端子等結(jié)構(gòu)，也是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。一般電池中，用來(lái)提供化學(xué)能的物質(zhì)在使用一段時(shí)刻后，需再次充電才能接著使用，否則需換新；而在燃料電池中只要向電極供給“燃料”和氧化劑，就可連續(xù)不斷地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它像一個(gè)發(fā)電機(jī)，一面不斷加入燃料，一面不停發(fā)電。燃料電池發(fā)電是清潔的發(fā)電方式之一。人們把它稱(chēng)之為繼水電、火電和核電之后的第4種持續(xù)發(fā)電方式。燃料電池發(fā)電由于熱效率比其它火力發(fā)電方式高、無(wú)任何污染、燃料來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，在以后的幾十年中將會(huì)得到較大的進(jìn)展。燃料電池工作原理燃料電池是一種將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電設(shè)備，其化學(xué)反應(yīng)物由外部隨時(shí)供給（燃料和氧化物），可連續(xù)輸出電能。燃料電池發(fā)電時(shí)，電池的電解質(zhì)（酸、堿、固體氧化物等）將電極隔開(kāi)，由電池外部將反應(yīng)物（燃料、氧化劑）分不供給電池的陽(yáng)極和陰極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（燃料的氧化過(guò)程），通過(guò)電解質(zhì)傳送帶電離子，產(chǎn)生電位差，引起電子在外電路流淌，形成低壓直流電，同時(shí)還產(chǎn)生水和二氧化碳。若連續(xù)供給燃料，電池就可連續(xù)發(fā)電。燃料電池工作原理示于圖2.14。圖2.14燃料電池工作原理圖燃料經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)使化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程與電解水產(chǎn)生氫和氧的反應(yīng)過(guò)程相反。以磷酸型電池為例，其反應(yīng)式為:燃料極（陰極）（3-27）空氣級(jí)（陽(yáng)極）（3-28）綜合反應(yīng)（3-29）由上面反應(yīng)式可看出，其反應(yīng)與燃燒的反應(yīng)式相同，只是燃燒時(shí)放出熱量。燃料電池的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)有：1）能量轉(zhuǎn)換效率高由于燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)組那樣通過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可幸免轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失，從而達(dá)到較高的發(fā)電效率。其理論效率可達(dá)90%以上，供電可靠，噪音小，電能質(zhì)量高，自動(dòng)化程度高。容量在250kW~5MW的燃料電池發(fā)電效率與先進(jìn)火電機(jī)組的300~500MW的效率相當(dāng)。因此燃料電池是分布式電源的極佳選擇。2）無(wú)污染燃料電池在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)是水，采取嚴(yán)格的脫硫和分離二氧化碳（）措施，幾乎沒(méi)有硫氧化合物和氮氧化合物排放，二氧化碳排放量也極低，且沒(méi)有噪聲污染。3）用水少、占地小、建設(shè)周期短燃料電池本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，是模塊化組裝，占地專(zhuān)門(mén)少（如2.85MW碳酸鹽電池占地僅420），且安裝、調(diào)試、運(yùn)行、操作都簡(jiǎn)便，建設(shè)工期短，易于檢修，維護(hù)和擴(kuò)建增容方便。4）燃料多樣化燃料電池所用燃料專(zhuān)門(mén)廣泛，它的燃料要緊是氫。除氫之外，凡是含氫量高又易分解的物質(zhì)都可使用，如天然氣、煤化氣、石油、甲醇、乙醇、甲烷等均可。而氧可直接取自空氣。5）承受負(fù)荷變化能力強(qiáng)燃料電池有極強(qiáng)的適應(yīng)負(fù)荷變化能力，其變化范圍在25％到100％，且電池效率不受阻礙。燃料電池的缺點(diǎn)在于造價(jià)較高。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池發(fā)電裝置是綜合能量轉(zhuǎn)換裝置，反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的直流電也可用換流器轉(zhuǎn)換成交流電，產(chǎn)生的熱量可回收外供。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由以下幾部分組成：l）燃料供給轉(zhuǎn)換裝置，即給煤機(jī)和煤氣發(fā)生器；2）空氣供給裝置，即空氣壓縮機(jī)和過(guò)濾器；3）電池本體，即電極、電解質(zhì)和外電路；4）余熱回收裝置，即余熱鍋爐。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如圖2.15所示。圖2.15燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池可獨(dú)立運(yùn)行，也可與燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)聯(lián)合運(yùn)行;可建在負(fù)荷中心或用戶(hù)附近，實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，也可設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)或與電網(wǎng)相連。實(shí)行燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)聯(lián)合發(fā)電，可提高燃料利用率和電廠綜合效率（達(dá)60%—80%），增加電廠可靠性，降低電能成本。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓方程式如下：（3-30）式中：N——串聯(lián)燃料電池個(gè)數(shù)；——單個(gè)電池標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)；T——溫度；——相應(yīng)氣體的摩爾濃度,最后一項(xiàng)為由于系統(tǒng)緣故的電勢(shì)損失。燃料電池輸出的電能為直流,與配電網(wǎng)連接時(shí)需要通過(guò)逆變器操縱并轉(zhuǎn)化為交流。由圖2.16能夠得到燃料電池輸入電網(wǎng)的有功及無(wú)功功率：（3-31）其中X是連接燃料電池與電網(wǎng)的線(xiàn)路阻抗，是配網(wǎng)側(cè)電壓。通過(guò)逆變器操縱參量m，來(lái)操縱有功無(wú)功的輸出，這與常規(guī)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)功率的原理類(lèi)似，因此在潮流計(jì)算中燃料電池能夠當(dāng)作PV節(jié)點(diǎn)來(lái)處理。但逆變器的無(wú)功輸出是有上限的，當(dāng)處理過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)功越限，則轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)來(lái)處理。圖2.16燃料電池接入電網(wǎng)等效圖太陽(yáng)能光伏發(fā)電概述從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽(yáng)能無(wú)疑是符合可持續(xù)進(jìn)展戰(zhàn)略的理想綠色能源。全球能源專(zhuān)家們認(rèn)定，太陽(yáng)能將成為本世紀(jì)最重要的能源之一。太陽(yáng)能光伏發(fā)電有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種工作方式，而并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的趨勢(shì)，是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電時(shí)期，成為電力工業(yè)組成部分之一的重大技術(shù)步驟。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和操縱器三部分組成。逆變器將光伏電池所產(chǎn)生的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，操縱器操縱光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、操縱逆變器并網(wǎng)的功率和電流的波形，從而使向電網(wǎng)輸送的功率與光伏陣列模塊所發(fā)的最大電能功率相平衡。光伏電池的工作原理光伏電池是以半導(dǎo)體P-N結(jié)上同意太陽(yáng)光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。其工作原理是當(dāng)太陽(yáng)光照耀到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到太陽(yáng)光子的沖擊，通過(guò)光輻射獵取到超過(guò)禁帶寬Eg的能量，脫離共價(jià)健的約束從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出專(zhuān)門(mén)多處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對(duì)。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過(guò)程對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于光伏電池能量自動(dòng)損耗部分。一般希望有更多的光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)動(dòng)到P-N結(jié)區(qū)，通過(guò)P-N結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對(duì)方區(qū)域，對(duì)外形成與P-N結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當(dāng)把眾多如此小的太陽(yáng)能光伏電池單元通過(guò)串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會(huì)在太陽(yáng)能的作用下輸出功率足夠大的電能。圖2.17顯示當(dāng)太陽(yáng)光子沖擊P-N結(jié)時(shí)，光生電能形成過(guò)程。圖2.17光伏電池受光照形成電能示意圖如上所述，正是由于靠近P-N結(jié)的光生少數(shù)載流子，在P-N結(jié)的漂移作用下，N區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P區(qū)；P區(qū)的空穴留在P區(qū)，電子流向N區(qū)，構(gòu)成光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)電壓為（3-32）其中、分不電子和空穴密度，為光生少數(shù)載流子密度，為玻爾茲曼常數(shù)（），為電子電荷（），T為絕對(duì)溫度。從價(jià)帶最上層到導(dǎo)帶最下層間的能量差為禁帶寬度，其幅值用Eg表示，單位為eV。不同材料的禁帶寬度各不相同（）。它決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性能，也是衡量光伏電池的一個(gè)重要的物理量。禁帶寬度受材料、溫度、半導(dǎo)體摻雜量和P-N結(jié)結(jié)構(gòu)阻礙，其經(jīng)驗(yàn)公式如下：（3-33）表3.1各半導(dǎo)體材料的禁帶寬度參數(shù)其中為絕對(duì)溫度0K時(shí)的禁帶寬度，常數(shù)如表3.1所示。鍺（Ge）硅（Si）鎵砷（GaAs）硒銦銅（CIS）碲化鎘（CdTe）0.741.171.52--0.480.470.54--235636204--0.671.111.401.011.44太陽(yáng)光子的入射能量為：（3-34）其中為普朗克常數(shù)（，f為入射光子頻率，c為光速（，為波長(zhǎng)（80％的太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍大約在400nm到1500nm之間）。因此一般太陽(yáng)光子能帶寬度在0.83eV~3.10eV之間。只有當(dāng)入射光子能量大于電子脫離P-N共價(jià)鍵束縛的能量時(shí)，才能激發(fā)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶。而當(dāng)光子能量小于電子脫離P-N共價(jià)鍵束縛的能量是，則不能激出電子一空穴對(duì)，只能使光伏電池自身加熱。太陽(yáng)能光伏電池的數(shù)學(xué)模型當(dāng)光照恒定時(shí)，由于光生電流不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此在等效電路中能夠看作是一個(gè)恒流源。光伏電池的兩端接入負(fù)載R后，光生電流流過(guò)負(fù)載，從而在負(fù)載的兩端建立起端電壓V。負(fù)載端電壓反作用于光伏電池的P-N結(jié)上，產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流。此外，由于太陽(yáng)能光伏電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率，當(dāng)工作電流流過(guò)板子時(shí)必定會(huì)引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，故引入串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻越大，線(xiàn)路損失越大，光伏電池輸出效率越低。在實(shí)際的太陽(yáng)能光伏電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在歐至幾歐之間。另外，由于制造工藝的因素，光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕，從而會(huì)形成漏電而導(dǎo)致本來(lái)要流過(guò)負(fù)載的光生電流短路掉，因此引入一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)等效。相關(guān)于串聯(lián)電阻來(lái)講，并聯(lián)電阻比較大，一般在1以上。太陽(yáng)能光伏電池的等效電路如圖2.18所示。圖2.18太陽(yáng)能光伏電池等效電路由太陽(yáng)能光伏電池等