覆盖率分布式发电对电力系统的影响分析.docx

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覆盖率分布式发电对电力系统的影响分析

覆盖率分布式发电对电力系统的影响分析

摘要:

本文探讨了分布式发电对电力系统的设计、工程实施以及运行可靠性的要求,考察了分布能源的大规模应用对电力系统设计、安全运行的影响,并引用实例说明。

同时,本文也展望了未来分布式发电在电力工业中的发展远景。

关键词:

分布式能源分布式发电电力系统影响

HighCoverageofDistributedGenerationPowerSystemAnalysis

Abstract:

Thispaperdiscussesthedesignofdistributedgenerationpowersystemoperationalreliabilityrequirements,andexaminestheimpactoflarge-scaleapplicationofthedistributionofenergyinthepowersystemdesign,safeoperation,andreferenceexamplesillustrate.Meanwhile,thispaperpresentsavisionoffuturedistributedgenerationintheelectricpowerindustrydevelopment.

KeyWords:

DistributedEnergy;DistributedGeneration;ElectricitySystem;Impact

系统性能（系统的稳定性）和设备利用率的有效提高为大规模的电网供电提供了一个了平台。

在近年来,分布式发电得到了广泛和快速的发展。

分布式发电是基于内燃机、微型和小型燃气涡轮机、风力发电机、燃料电池、各种光伏发电、小型水电和地热系统的一种电力新技术[1]。

在全球的许多国家,传统的使用石油、天然气等一次能源的发电厂在环境治理上的花费往往比较高,因此,许多国家和地区均大力支持“绿色”能源技术的发展,从而使得分布式发电在电力系统和智能电网中发挥着越来越重要的作用。

大规模实施分布式发电使得原本处于“被动”位置的中压配电网络朝着一个积极的方向变化为能够响应各种动态因素的“积极”电网,这就对操作和管理电网提出了更高的挑战,因此,规划和操作新的系统必须面对更多全球体系的挑战[2]。

本文主要对分布式发电的高覆盖率对电力系统设计和运行的影响进行了分析,着重探讨了电力公用事业大规模实施分布式发电的问题,分布式发电的日益普及将对电力系统的设计、工程实施以及运行的可靠性提出很高的要求,并引用电力示范项目例举说明。

1现代供电趋势

1.1集中供电与分散供电

世界大部分国家均采用集中供电的方式,这些集中发电的发电站大部分利用一次能源的燃烧、水能或核反应堆来进行发电。

这些中央电站大多数的装机容量都在300MW和1.7GW之间。

这使得集中发电和分布式发电在装机容量和设施上有很大的区别,分布式发电有以下特点[3]:

（1）分布式发电站安装在不同的位置,一般来讲更接近负荷中心,且在整个电力系统相对独立。

（2）机组额定功率一般从几千瓦到几十兆瓦。

（3）被接入不同电网中时,接入电网的电压等级不同,一般为600V到110kV不等。

目前,因为电力生产受到规模经济、燃料成本、能源利用率以及机组寿命的影响,所以,非分布式发电仍然占主导地位。

此外,虽然利用增加生产规模来降低生产每兆瓦发电量的成本是合理的,但是,由于大规模高参数的机组可以利用成熟的技术来提高燃料利用效率,所以,燃料成本和能源利用率仍然是继续建设大型电厂的另一个原因。

总之,寿命为25～50年的大型发电厂将仍然是主要电力来源。

相对于非分布式发电技术而言,分布式发电技术能够提高效率,提高供电安全性,改进需求调节能力,避免产能过剩,而且能够更好的调峰,从而降低电网损耗,保证电能质量,最终提高用户用电可靠性,使环境污染分散化[4]。

分布式发电技术的可贵之处在于能够在花费较小成本条件下,提供较高可靠性的电能质量。

总之,分布式发电可能最终成为一个更理想的电源,是因为它更“接近”用户并且在电能输送上的花费比传统的集中供电更经济。

而分布式发电的难点是电站的所有权和企业的经营、燃料输送问题、电网的连接问题、调度的局限性等。

1.2智能电网开发

近年来,电网的市场走向主要是:

“智能电网——数字化电网——未来电网”[5]。

这一市场走向趋势的驱动力是技术的提高和利益相关者的关注,其趋势背后的主要观念是使用传感器与嵌入式数字处理技术,来增强电力设备和技术,使电网可视化（使设备状态在电网中是可观测的）、可控化（对设备实现基于网络的控制）、自动化（能够自适应和自恢复）以及用户友好化（电站和用户可以互动）。

智能电网概念的提出可以视为转变经济发展方式的有效途径,发展智能电网可以为能源资源优化配置创造条件,提供了切实可行的途径。

发展智能电网可以为高新技术发展、科技创新、高端制造创造条件,为公众生产、生活提供更高质量的电能。

因此,智能电网的提出及其发展是电力工业革命的曙光,而不是工业电力革命的产物[6]。

那么,一般来说,这个市场的趋势,需要一种新的方法进行系统设计,从而达到网络集成设计实施的需求。

此外,用于公共事业的高覆盖率分布式发电机组应该制定明确的工程建设标准和操作维护规程。

2分布式发电技术

2.1分布式发电技术前景

分布式发电系统可以利用任何常规发电的技术,如低/高温燃料电池、柴油发电机、燃气蒸汽联合循环发电机组、水力发电机组、或其他旋转机械、可再生能源技术,包括太阳能发电、光伏发电、太阳能集热器、薄膜、风力发电技术、新兴发电技术等。

每一种分布式发电技术都有其优点和缺点,在选择过程中必须考虑[7]。

2.2分布式发电机组与系统连接的要求

分布式发电机组与系统连接的设计取决于具体的装机容量,然而,系统整体安装应包括以下几部分[8～9]:

（1）分布式发电燃料（或主要能量来源）和发电机组。

（2）主变压器。

（3）接地装置。

（4）微机保护继电器:

①三相或单相故障检测和分布式发电机过载保护;②速断保护和系统异常检测;③电压和电流不平衡检测;④不正常的反向功率检测;⑤分布式发电机同步检测。

（5）断路器或者刀闸。

（6）计量、控制和数据记录设备。

（7）调度控制和监视的通信线路。

3高覆盖率分布式发电对电网的影响

高覆盖率分布式发电可能影响电网系统的性能,这可以从下面几方面进行分析[10～11]:

（1）分布式发电站的设计装机容量和类型,比如功率变换、单元阻抗、继电保护功能、接口变压器、接地等。

（2）分布式发电的原动力:

风、光伏、冰等。

（3）分布式发电的运行模式:

带基本负荷运行、调峰运行、热电联产、带厂用电运行等等。

（4）与其他分布式电站和负荷之间的联系。

（5）在系统中的位置和网络的特性:

诸如电网供电、接入点为系统阻抗连接点、电压控制设备的类型、位置和配置、接地设计、保护设备类型、地点和配置等。

分布式发电对系统的影响还依赖于分布式发电机组连接到系统中的“覆盖率”水平。

在评价分布式发电在系统中的覆盖率水平时,有很多因素需要考虑,那么,影响分布式发电覆盖率水平的因素包括:

（1）分布式发电机组作为母线或者本地高峰负荷连接点电源的比例。

（2）分布式发电机组作为变电站高峰电源或变电站电源的百分容量。

（3）分布式发电机组作为连接点的压降容量。

（4）分布式发电站故障电流占额定故障电流的百分数。

3.1分布式发电机组对电压的调节

如何对电压进行调节,使分布式发电机组出口电压升为特定的电压,是限制高覆盖率分布式发电机组连接到电力系统的关键因素。

电压分布调查表明,分布式发电机组接入系统时,在重负载条件下,电压可能会降低到额定电压以下[12]。

这是因为相对比较大的分布式发电机组在变电站中降低了抽头变压器的线路电流值。

分接开关认为比实际值“小”（代表负载电流小）,它会减少线圈避免“轻负荷,高电压”。

这种方法使得实际“重载、低电压”的情况变得更加糟糕。

按照一般规律,如果分布式发电机组提供小于20%的负载电流,那么分布式发电机组的影响很小并且在大多数情况下可以忽略。

然而,如果有功功率的流动方向是逆转流向变电站,那么,可变电阻器会工作在反向模式（主要控制）。

由于变电站的电压与分布式发电机的电压相比,变电站有更强的电源（可变电阻器不能使它变低）,那么,可变电阻器将增加二次侧的电阻,因此,二次侧的电压会急剧增加。

3.2分布式发电对电能质量影响

电压和频率是影响分布式发电电能质量的两个指标。

一个分布式电站可以增加或者减少电网中的电压质量。

分布式供电方式可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足,提高用户用电的可靠性,然而,它也可能对电力系统的性能产生负面影响。

当一个单一的大容量分布式发电机组或者若干个小容量分布式发电机组在接入和退出一个“弱”系统或负荷波动（包括正常和异常）时,可能导致电能质量不合格。

对某些类型的分布式发电机组,如风力或太阳能,由于不同的风或阳光的条件,电流波动是一个最常见的问题[13]。

其他类型的分布式发电机组,如内燃机或燃气轮机也会由于各种因素导致电能质量波动,比如:

当旋转发动机在1800转时,会产生15Hz的脉冲电流。

此外,谐波可能造成一些设备过热或者使变压器、电缆和电机的绝缘降级缩短使用寿命。

谐波也可能干扰敷设在系统邻近的一些通信系统。

在极端的情况下,可以引起谐振过电压、过电流,造成设备故障等。

为了减轻谐波对系统的影响,可以采取以下措施:

（1）使用一个接口变压器与三角绕组或接地绕组减少三次谐波的形成。

（2）中性点通过电抗器接地,减少三次谐波进入系统。

（3）使用特定设计的2/3绕组发电机。

（4）应用滤波器或使用相位取消变压器。

（5）对于逆变器,可以选用特制的动作速度快的逆变器,避免线路逆向供电或开关动作不及时可能产生的故障状态。

（6）将分布式发电机组选为高比例的短路电流等级。

对于上述措施的选择,必须在分布式发电机组对电能质量不影响的情况下,依据分布式发电机组的故障电流占满负荷额定输出电流的比例,通过详细的研究确定。

3.3分布式发电机组对系统的冲击保护

一些分布式发电机组将会对系统装置产生冲击电流,这种冲击电流将提高系统故障率,甚至在某些情况下可能造成故障事故的扩大,因此,如何采取方法对分布式发电机组产生的冲击电流进行保护必须考虑。

在没有任何保护的情况下,冲击电流大小和对系统的影响程度取决于[14]:

（1）分布式发电机组在母线上的功率大小和位置。

（2）分布式发电机组的类型（变频式发电机、同步发电机、感应电机）和阻抗。

（3）分布式发电机组的保护设备的设置。

（4）阻抗保护和配置器。

（5）分布式发电机组的接地和变压器类型。

分布式发电机在它的负荷发生故障产生时,在负荷上产生的故障电流会在瞬时高达4～10倍的额定电流。

逆变器会在故障电流为1～2倍额定电流时迅速跳闸,理想条件下动作时间小于0.02s。

一般来说,如果故障电流小于分布式发电机额定电流的5%,它是不会影响到系统或者设备的运行。

另外,系统也必须考虑设备的中断能力,例如断路器、开关和熔断器必须有足够能力在负荷侧发生故障时及时与分布式发电机断开。

4分布式发电工程实例

4.1实例1:

通过改变变压器接线方式来影响同步分布式发电机故障电流

据调查,在我国,一些农村供电系统中同步分布式发电机母线接地电流为100kVA,500kVA与2MVA。

此外,主变压器的一次侧和负荷侧线圈接线形式（三角形/星形/中性点接地的三角形接线）都被改变了。

分布式发电机组产生的故障电流在从1%（一、二次侧都为三角接线）到约30%（一次侧为星形接线,二次侧为中性点接地的星形接线）的范围内变动。

当分布式发电机组与三角接线的变压器串联配置时,负荷侧不接地的接线形式增加了故障电压。

4.2实例2:

农村供电可靠性的强化—有计划的应用独立电源

在我国部分地区,用分布式发电作为一些农村供电的独立电源。

由于环境和天气影响造成线路故障而停电,那些接在只由一个单一的高压母线上的用户在每年可能经历几次持续几个小时的停电。

若在本地配备额外的分布式发电机组,那么,它可以为在负载末端的变电站高压线供电或为在维修期间的变电站提供电源。

4.3实例3:

能量存储应用与间歇性的分布式可再生能源发电的结合

中高覆盖率的可再生能源的动态性质可引起功率的大幅度波动。

功率的波动会引起无功功率进入电力系统,特别是在轻负载条件下的母线。

此外,由于间歇性资源的固有特点,这些以可再生能源为能源来源的分布式发电利用率可能非常低,最终电网仍然需要主要的电站来为系统形成备用容量和应急电源。

因此,为了减少可再生能源发电对电力系统的不利影响,适当安装一些达到足够规模的分布式能量存储单元,便可适当的与可再生能源资源进行整合。

5结论

全世界越来越多的电力行业正在寻求提供一种尽可能以用户为中心、竞争、创新、高效、环保、优良的能源服务之路。

分布式发电将成为21世纪电力行业建设与智能电网开发中一个重要的组成部分。

目前,分布式发电的难点是广泛实施分布式发电缺少成熟的技术和财政支持。

此外,尚有一些技术难题阻碍了分布式发电的大规模发展。

因此,分布式发电在计划、设计和操作的过程中,应特别考虑到以下几点:

（1）设计适合高覆盖率分布式发电的变压器和配电变电站。

（2）利用增加设备来减小设备故障率。

（3）母线电压调节和压降设计方法将影响高覆盖率分布式发电的发展。

（4）分布式发电机组对系统的干扰和利用分布式发电提高可靠性的矛盾。

（5）用接地的手段控制分布式发电装置引起的接地故障和过电压。

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