分布式发电与微电网.docx
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分布式发电与微电网
分布式发电与微电网
一、分布式发电
分布式发电技术是充分开发和利用可再生能源的理想发生，它具有投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点，可以对未来大电网提供有力补充和有效支撑，是未来电力系统的重要发展趋势之一。
（一）分布式发电的基本概念
分布式发电目前尚未有统一定义，一般认为，分布式发电（DistributedGeneration,DG）指为满足终端用户的特殊要求、接在用户侧附近大的小型发电系统。
分布式电源（DistributedResource,DG）指分布式发电与储能装置（EnergyStorage，ES）的联合系统（DR=DG+ES）。
它们规模一般不大，通常为几十千瓦至几十兆瓦，所用的能源包括天然气（含煤气层、沼气）、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等洁净能源或可再生能源；而储能装置主要为蓄电池，还可能采用超级电容、飞轮储能等。
此外，为了提高能源的利用效率，同时降低成本往往采用冷、热、电联供（CombinedCooling、HeatandPower,CCHP）的方式或热电联产（CombinedHeatandPower,CHP或Co-generation）的方式。
因此，国内外也常常将冷、热、电等各种能源一起供应的系统称为分布式能源（DistributedEnergyResource,DER）系统，而将包含分布式能源在内是电力系统称为分布式能源电力系统。
由于能够大幅提高能源利用效率、节能、多样化地利用各种清洁和可再生能源。
未来分布式能源系统是应用将会越来越广泛。
分布式发电直接接入配电系统（380V或10kV配电系统，一般低于66kV电压等级）并网运行较为多见，但也有直接向负荷供电而不与电力系统相联，形成独立供电系统（Stand-aloneSystem），或形成所谓的孤岛运行方式（IslandingOperationMode）。
采用并网方式运行，一般不需要储能系统，但采取独立（无电网孤岛）运行方式时，为保持小型供电系统的频率和电压稳定，储能系统往往是必不可少的。
由于这种发电技术正处于发展过程，因此在概念和名称术语是叙述和采用上尚未完全统一。
CIGRE欧洲工作组WG37-33将分布式电源定义为：
不受供电调度部门的控制、与77kV以下电压等级电网联网、容量在100MW以下的发电系统。
英国则采用“嵌入式发电”（EmbeddedGeneration）的术语，但文献中较少使用。
此外，有的国外文献和教科书将容量更小、分布更为分散的（如小型用户屋顶光伏发电及小型户用燃料电池发电等）称为分散发电（DispersedGeneration）。
本节所采用的DG和DR的术语，与
IEEE1547-2003《分布式电源与电力系统互联》中的定义相同。
目前，分布式发电的概念常常与可再生能源发电和热电联产的概念发生混淆，有些大型的风力发电和太阳能发电（光伏或光热发电）直接接入输电电压等级的电网，则称为可再生能源发电而不称为分布式发电；有些大型热电联产机组，无论其为燃煤或燃气机组，他们直接接入高压电网，进行统一调度，属于集中式发电，而不属于分布式发电。
当分布式电源接入电网并网运行时，在某些情况下可能对配电网产生一定的影响，对需要高可靠性和高电能质量的配电网来说，分布式发电的接入必须慎重。
因此需要对分布式发电接入配电网并网运行时可能存在的问题，对配电网的当前运行和未来发展可能产生正面或负面影响进行深入的研究，并采取适当的措施，以促进分布式发电的健康地发展。
（二）发展分布式发电的意义
发展分布式发电系统的必要性和重要意义主要在于其经济性、环保性和节能效益，以及能够提高供电安全可靠性及解决边远地区用电等。
1.经济性
有些分布式电源，如以天然气或沼气为燃料的内燃机等，发电后工质的余热可用来制热、制冷，实现能源的阶梯利用，从而提高利用效率（可达60%~90%）。
此外，由于分布式发电的装置容量一般较小，其一次性投资的成本费用较低，建设周期短，投资风险小，投资回报率高。
靠近用户侧安装能够实现就近供电、供热，因此可以降低网损（包括输电和配电网的网损以及热网的损耗）。
2.环保效益
采用天然气作燃料或以氢能、太阳能、风能为能源，可减少有害物（NOx、SOx、CO2等）的排放总量，减轻环保压力。
大量的就近供电减少了大容量、远距离、高电压输电线的建设，也减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐。
3.能源利用的多样性
由于分布式发电可利用多种能源，如洁净能源（天然气）、新能源（氢）和可再生恩能够圆（生物质能、风能和太阳能等），并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，对节约能源具有重要意义。
4.调峰作用
夏季和冬季往往是电力负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬、夏的供热和供冷的需要，同时能够提供电力，降低电力峰荷，起到调峰的作用。
5.安全性和可靠性
当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计是分布式发电系统仍能保持正常运行。
虽然有些分布式发电系统由于燃料供应问题（可能因泵站停电而使天然气供应中断）或辅机的供电问题，在大电网故障时也会暂时停止运行，但由于其系统比较简单，易于再启动，有利于电力系统在大面积停电后的黑启动，因此可提高供电的安全性和可靠性。
6.边远地区的供电
许多边远及农村、海岛地区远离大电网，难以从大电网直接向其供电，采用光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统是一种优选的方法
（三）分布式发电技术
1.燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术
燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术是以天然气、煤气层或沼气等为常用燃料，以燃气轮机（GasTurbine或CombustionTurbine）、内燃机（GasEngine或InternalCombustionReciprocatingEngines）和微燃机（Micro-Turbine）等为发电动力的发电系统。
（1）燃气轮机。
燃气轮机由压缩机、燃烧室和涡轮电机组成。
它可以利用天然气、高炉煤气、煤层气等作为燃料。
燃气轮机将燃料燃烧时释放出来是热量转换为旋转的动能，再转化为电能输出以供应用。
燃气轮机有轻型燃气轮机和重型燃气轮机两种类型。
轻型燃气轮机为航空发动机的转型，有点事装机快、体积小、启动快、快速反应性能好、简单循环效率高，适合在电网中调峰、调节或应急备用。
重型燃气轮机为工业型燃机，优点是运行可靠、排烟温度高、联合循环效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。
燃气轮机技术十分成熟，其性能也在逐步改进、完善。
一般大容量的燃气轮机（如30MW以上）的效率较高，即使无回热利用，效率也可达40%。
特别是燃气-蒸汽联合循环发电技术更为完善，目前已有燃气、蒸汽集于一体的单轴机组，装置净效率可提高到58%~60%。
这种联合循环式燃气余热的蒸汽轮机具有凝气器、真空泵、冷却水系统等，使结构趋于复杂，因此容量小于10MW的燃气轮机往往不采用燃气—蒸汽联合循环的发电方式。
燃气轮机发电的优点是：
每兆瓦的输出成本较低，效率高，单机容量大，安装迅速（只需几个月时间），排放污染小，启动快，运行成本低，寿命较长。
目前，
以天然气为燃料的燃气轮机应用极其广泛。
（2）内燃机。
内燃机的工作原理是将燃料与压缩空气混合，点火燃烧，使其推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。
由于较低的初期投资，在容量低于5MW的发电系统，柴油发电机占据了主导地位。
然而随着对排放的要求越来越痒，天然气内燃机市场占有量不断提升，其性能也在逐步提高。
是效率方面，在相同跑量和转速是条件下，柴油发电机有较高的压缩比，因而具有更高的发电效率。
天然气内燃机发电机组最瞬时负荷的反应能力较差，却能较好地对恒定负荷供电。
柴油发电机由于其较高的功率密度，在同样的输出功率下，比天然气内燃机发电机体积更小；对于相同的输出功率，柴油发电机比天然气内燃机发电机更经济。
然而，由于按产生相同热量比较，天然气较柴油更便宜，因此对于恒定大负荷系统，包括初期投资和运行费用在内，使用天然气发电机可能会更经济。
尽管天然气内燃机发电机的效率没有柴油机发电机高，但在热电联供系统中却有更高的效率，各种燃料类型的内燃机发电效率在34%~41%之间、热效率在40%~50%之间，因此总效率可以达到90%，而柴油发电机只有85%。
在分布式发电系统中，内燃机发电技术是较为成熟是一种。
它的优点包括初期投资较低，效率较高，适合间歇性操作，且对于热电联供系统有较高的排气温度等。
另外，内燃机的后期维护费用也相对低廉。
往复式发电技术在低于5MW的分布式发电系统中很有发展前景，其在分布式发电系统中的安装成本大约是集中式发电的一半。
除了较低的初期成本和较低的生命周期运营费用外，还具有更高的运行适应性。
目前，内燃机发电技术广泛应用在燃气、电力、供水、制造、医院、教育以及通信等行业。
（3）微燃机。
微燃机是指发电功率在几百千瓦以内（通常为100~200kW以下），以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的小功率燃气轮机。
燃气轮机与燃气轮机的区别主要为：
1）微燃机输出功率较小，其轴净输出功率比一半低于200kW.
2）微燃机使用单级压气机和单级径流涡轮。
3）微燃机的压比是3:
1~4:
1，而不是燃气轮机的13:
1~15:
1.
4）微燃机转子与发电机转子同轴，且尺寸较小。
微燃机发电系统有燃烧系统、涡轮发电系统和电力电子控制系统组成。
助燃用的洁
净空气通过高压空气压缩机加压同时加热到高温高压，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后的高温高压气体到涡轮机中膨胀做功，驱动发电机，发电机随转轴以很高的速度（5万~10万r/min）旋转，从而产生高频交流电，再利用电力电子装置，将高频交流电通过整流uqi转换为直流电，经逆变器将直流电转换为工频交流电。
微燃机技术主要包括高转速的涡轮转子、高效紧凑是回热器、五液体润滑油的空气润滑轴承、微型无绕线的磁性材料发电机转子、低污染燃烧技术、高温高强去材料及可变频交直流转换的发电控制技术等。
微燃机可长时间工作，且仅需要很少的维护量，可满足用户基本负荷的需求，也可作为备用调峰以及用于废热发电装置。
另外，微燃机体积小、重量轻、结构简单、安装方便、发电效率高、燃料适应性强、燃料消耗率低噪声低、振动销、环保性好、使用灵活、启动快、运行维护简单。
基本上这些优势，微燃机正得到越来越读哟的应用，特别适合用于微电网中。
2.光伏（Photo-Voltaic，PV）发电技术
（1）光伏发电技术是一种将太阳光辐射能通过光伏效应、经光伏电池直接转换为电能的发电技术，它向符合直接提供直流电或经逆变器将直流电转变成交流电供人们使用。
光伏发电系统除了其核心部件光伏电池、电池组件、光伏阵列外，往往还有能量变换、控制与保护以及能量储存等环节。
光伏发电技术经过多年发展，目前已获得很大进展，并在多方面获得应用。
目前用于发电系统的光伏发电技术大多为小规模、分散式独立发电系统或中小规模并网式光伏发电系统，基本上均属于分布式发电的范畴。
光伏发电系统的建设成本至今仍然很高，发电效率也有待提高，目前商业化单晶硅和多晶硅的电池效率为13%~17%（薄膜型光伏电池的效率为7%~10%），影响了光伏发电技术的规模应用。
但由于光伏发电是在白天发电，它所发出的电力与负荷的最大电力需要有很好的相关性，因此今后必将获得大量应用。
（2）单个光伏电池的输出电流、电压和功率只有几安、几伏和几瓦，即使组装组件，将电池串联、并联起来、输出功率也不大。
使用时往往将多个组件组合在一起，形成所谓的模块化光伏电池阵列。
光伏发电具有不需燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、维护费用低、由模块组成、可根据需要构成及扩大规模等突出优点，其应用范围十分广泛，如可用于太空航空器、通信系统、微波中继站、光伏水泵、边远地区的无电缺电区以及城市屋顶光伏发
电等。
光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、储能元件（蓄电池等）、直流-交流逆变器、配电设备和电缆等组成，如下图所示。
光伏阵列控制器直流-交流逆变器交流负荷直流负荷储能元件（蓄电池）
光伏发电系统示意图
一般可将光伏发电系统分为小规模分散式独立供电系统和中小规模并网发电系统，以及与小风电和柴油发电机等构成混合供电系统。
对于并网系统可不用蓄电池等储能元件，但独立供电系统储能元件是不可缺少的，因此光伏发电系统各部分的作用和功能对不同系统而言并不完全相同。
3.燃料电池（FuelCell）发电技术
燃料电池主要包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、融入碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。
燃料电池的分类及特性参见下表：
燃料电池的分类及特性
电池类型
碱性
燃料电池
质子交换膜
燃料电池
磷酸
燃料电池
熔融碳酸盐
燃料电池
固体氧化物
燃料电池
英文名及简称
AlkalineFuel
（Cell）
AFC
ProtonExchangeMembraneFuelCell
（PEM）
PhosphoricAcidFuelCell
（PAFC）
MoltenCarbonateFuelCell
（MCFC）
SolidOxideFuelCell
（SOFC）
电解质
KOH
质子交换膜PEM
磷酸
Li2CO3-K2CO3
YSZ
（氧化锆等）
电解质形态
液体
固体
液体
液体
固体
燃料气体
H2
H2
H2、天然气
H2、天然气、煤气
H2、天然气、煤气
工作温度（℃）
50~200
60~80
150~220
650
900~1050
应用场合
空间技术、机动车辆
机动车辆，电站，便携式电源
机动车，轻便电源，发电
发电
发电
燃料电池在技术上在技术上尚未完全过关，电池寿命有限，材料价格也较贵。
尽管国外已有各种类型和容量的商品化燃料电池可供选择，但目前在国内基本上处于实验室阶段，尚无大规模的国产商业化产品可用。
燃料电池发电技术在电动汽车等领域中有所应用，其基本流程如下图。
这种静止型
发电技术的发电效率与容量大小几乎无关，因此在小规模分布式发电的应用中有一定的优势，是一种很有前途的未来型发电技术。
天然气、城市煤气、甲醇等重整系统燃料电池电堆直流/交流交换负荷2H直流交换2CO2O/空气2
燃料电池发电的基本流程
4.生物质（Biomass）发电技术
生物质发电系统是以生物质为能源的发电工程总称，包括沼气发电、薪柴发电、农作物秸秆发电、工业有机废料和垃圾焚烧发电等，这类发电的规模和特点受生物质能资源的制约。
可用于转化为能源的主要生物质能资源包括薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、酿造废料、生活和工业的有机废水及有机垃圾等。
生物质发电系统装置主要包括：
（1）能源转换装置。
不同生物质发电工程的能源转换装置的不同的，如垃圾焚烧电站的转换装置为焚烧炉，沼气发电站的转换装置为沼气池或发酵罐。
（2）原动机。
如垃圾焚烧电站用汽轮机，沼气电站用内燃机等。
（3）发电机。
（4）其他附属设备。
生物质发电的工艺流程下图如图
生物质生物质能生产装置原动机发电机电能预处理生物质能
生物质发电系统工艺流程图
生物质发电的优点包括：
①生物质是可再生的，因此其能源资源不会枯竭；②粪便、垃圾、有机废弃物对环境是有污染的，大量的农作物秸秆在农田里燃烧会造成大气污染和生产一定的温室效应，如用于发电则可化害为利，变废为保；③由于生物质资源比较分散，不易收集，能源密度低，因此所用发电设备的装机容量一般也较小，比较适合作为小规模的分布式发电体现了发展循环经济和能源综合利用的方针，是能源利用的极好形式，同时也解决了部分电力需求。
5.风力发电技术
我国自20世纪50年代开始风力发电，最初是用于农村和牧区的家庭自用小风力发
电机，之后在新疆、内蒙古、吉林、辽宁等省建立了一些容量在10kW以下的小型风电场，还在西藏、青海等地建立了一些由小型风力发电、光伏发电和柴油机发电共同构成的联合发电系统。
这些小型发电系统往往远离大电力系统而分散的独立小电力系统的形式运行，因此可归入分布式发电的范畴。
在国外，也有在城市郊区建设少量（几台）大单机容量（1MW以上）的风力发电机组，并接入低压配电网，这些风力发电也可归入分布式发电的范畴。
6.分布式储能技术
当分布式发电以独立或孤岛方式运行时，储能系统是必不可少的，因此电能储存技术和设备正越来越多受到人们的关注。
分布式储能技术主要包括蓄电池、飞轮、超级电容器、电动汽车等。
另外，还有利用电加热蓄热砖或蓄热的蓄热储能，以及制冰机冷水储能等。
（四）分布式发电与并网技术
分布式发电接入配电网时，除基本要求外，还需要满足一些其他要求，主要包括对配电网事故情况下的响应要求、电能质量方面的要求、形成孤岛运行方式时的要求、控制和保护方面的要求以及投运试验的要求等。
1.分布式发电接入配电网的基本要求
（1）与配电网并网时，可按系统能接受的恒定功率因素或恒定无功功率输出的方式运行。
分布式发电本身允许采用自动电压调节器，但在运行电压调节时应遵循已有的相关标准和规程，不应造成在公共连接点（PointofCommonCoupling，PCC）处的电压和频率频繁越限，更不应对所联配电网的正常运行造成危害。
一般而言，不应由分布式发电承担PCC处的电压调节，该点的电压调节应由电网企业来负担，除非与电网企业达成专门的协议。
（2）采用同期或准同期装置与配电网并网时，不应造成电压过大的波动。
（3）分布式发电的接地方案及相应的保护应与配电网原有的接地方式相协调。
（4）容量达到一定大小（如几百千伏安至1MVA）的分布式发电，应将其连接处的有功功率、无功功率的输出量和连接状态等方面的信息传给配电网的控制调度中心。
（5）分布式发电应配备继电器，以使其能检测何时应与电力系统解列，并在条件允许时以孤岛方式运行。
（6）与配电网间的隔离装置应该是安全是，以免在设备检修时造成人员伤亡。
2.分布式发电与电能质量
与分布式发电相关的电能质量问题主要考虑以下方面：
（1）供电的暂时中断。
许多情况分布式发电设计成当电网企业供电中断时，它可作为备用发电来向负荷供电，较典型的采用柴油发电机作为备用电源。
但从主供电源向备用电源转移往往不是一种无缝转移，开关切换需要一定的时间，所以可能仍然存在几点时间的中断。
如果正常运行时，分布式发电与电网企业的主供电电源并列运行，情况有可能好一些，但需要哦付出一定的成本费用，并且还要受到容量和运行方式的限制。
如果分布式发电处于热备用状态，且与系统并列运行或同时还带部分负荷，一旦系统出现故障，若分布式发电容量太小，或转移的负荷太大，则可能需要切除部分负荷，也可将负荷分组，在电源转移时仅带少量不可中断的负荷，否则会引起孤立系统电压和频率的下降并越限，无法维持正常运行。
（2）电压调节。
由于分布式发电的发电机具有励磁系统，可在一定程度上调节无功功率，从而具有电压调节能力。
因此，一般认为分布式发电可以提高配电网馈线的电压调节能力，而且调节速度可能比调节变压器分接头或投切电容器快，但实际上并非完全如此。
当分布式发电远离变电站时，对变电站母线电压的调节能力就很弱；有些发电机采用感应电机（如风力发电机），可能还要吸收无功，而不适用于电压调节；逆变器本身不产生无功功率，需要由其他无功功率设备作补偿；电网企业往往不希望分布式发电对公共连接点处的电压进行调节，担心对自己的无功调节设备产生干扰；在多个分布式发电之间有时也会产生调节时的互相干扰；小容量的分布式发电通常也无能力进行电压调节，而往往以恒定功率因数或恒定无功功率的方式运行；大容量的分布式发电虽然可以用来调节公共连接点处的电压，但必须将有关信号和信息传到配电系统的调度中心，以进行调度和控制的协调。
问题是分布式发电的启停往往受用户控制，若要来承担公共连接点处的电影调节任务，一旦停运，公共连接点处的电压调节就有可能成问题。
（3）谐波问题。
采用基于晶闸管和线路换相的逆变器的分布式发电会有谐波问题，但采用基于IGBT和电压源换相其的逆变器越来越多，使谐波问题大大缓解。
采用后者有时在切换过程中会出现某些频率谐振，在电源波形上也会出现高频的杂乱信号，造成时钟走时不准等。
这种情况需要在母线上安装足够容量的电容器，将高频成分滤除。
由于分布式发电的发电机本身有时也会产生3次谐波，如与发电机相连的供电变压器在发电机侧的绕组是星形的，则3次谐波就有可能形成通路。
若该绕组是三角形的，则3次谐波会在绕组中相互抵消。
（4）电压暂降。
电压暂降（VoltageDip或VoltageSag）是最常见的电能质量问题，分布式发电是否有助于减轻电压暂降，取决于其类型、安装位置以及容量大小等。
3.分布式发电并网的控制和保护
当分布式发电与配电网运行时，有时配电网会出现故障，此时为使其与配电网配合良好，除了配电网本身需要配备一定的控制和保护装置外，分布式发电也应配备能检测出配电网中故障并作出反应的装置和保护继电器。
分布式发电系统应配备什么样的保护装置，与容量的大小和系统的复杂程度有关。
但至少应配备有过电压和欠电压继电器，主要检测电网侧扰动，以判断配电系统是否有故障存在。
另外，还需配备高/低频继电器，以检测与电网相连的主断路器是否已跳开，即是否已形成孤岛状态，因为主断路器断开后会产生较大的频率偏移。
过电流继电器的配置取决于不同类型的分布式发电提供故障电流的能力。
有些电力电子型分布式发电在故障时并不能提供较大的短路电流，采用过电流继电器就不合适，对于较大容量的分布式发电和较复杂的系统，处理上述保护装置外，还可配备一些其他继电保护装置，如用于防止发电机因不平衡而损坏的负序电压继电器，防止发电铁磁谐振的瞬时过电压（峰值）继电器，用于检测单相接地故障防止发电机成孤岛运行方式的中性线零序电压继电器，用于控制主断路器闭合的同步继电器。
除了上述主要用于发电机并网的保护装置外，发电机本身也应该安装一些保护装置，如快速检测发电机接地故障的差动接地继电器，以及失磁继电器、逆功率继电器、发电机过电流继电器等。
故障时，分布式发电配备的故障检测继电器在经过一定的时延将其与系统解列。
4.分布式发电并网运行时与电网的相互影响
（1）对电能质量的影响。
1）电压调整。
由于分布式发电是由用户来控制的，因此用户将根据自身需要频繁地启动和停运，这会使配电网的电压常常发生波动。
分布式发电的频繁启动会使配电线路上的潮流变化大，从而加大电压调整的难度，调节的难度，调节不好会使电压超标。
未来的分布式发电可能会大量采用电力电子型设备，电压的调节和控制与常规方式会有
很大不同（有功和无功可分别单独调节，用调节晶闸管触发角的方式来条无功，且调节速度非常快），需要相应的控制策略和手段与其配合。
若分布式电源为采用异步电机的风电机组，由于需要从配电网吸收无功功率，且该无功功率随风的大小和相应的有功功率变动而波动，使电压调节变得困难。
2）电压闪变。
当分布式发电与配电网并网运行时，因由配电网的支撑，一般不易发生电压闪变，但切换成孤岛方式运行时，如无储能元件或储能元件功率密度或能量密度太小，就易发生电压。
3）电压不平衡。
如电源为电力电子型，则不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压。
4）谐波畸变和直流注入。
店里现在型电源易产生谐波，造成谐波污染。
此外，当分布式发电五隔离变压器而与配电网直接相连，有可能向配电网注入直流，使变压器和电磁元件出现
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