智能电网的研究与探讨.doc

智能电网的研究与探讨.doc

《智能电网的研究与探讨.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电网的研究与探讨.doc（51页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

洛阳理工学院毕业设计（论文）

智能电网的研究与探讨

摘要

以美国和欧盟为代表的不同国家和组织不约而地提出要建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，将智能电网视为未来电网的发展方向，智能电网已成为近年来国内外有关未来电网发展趋势的热门话题。

其中分布式能源作为一种新型能源越来越受到各国的关注，我国也将大力发展分布式能源列入国家发展规划当中。

分布式能源往往由太阳能，风能，生物能等具体能源形式组成。

尤其是风能的大规模应用，越来越大容量的微型电网接入到传统电网当中，由此对传统电网构成的冲击已经成了不容忽视的问题，特别是由于存在诸多电力电子器件且受风能等客观因数的影响，分布式能源并网所带来的冲击越来越收到人们的关注。

本文首先阐述了智能电网的基本概念，分布式能源的概念、特点及并网所带来的冲击。

然后分析了各种能源的并网问题，分析了并网所必须满足的三点条件，针对分布式能源的特点分析了不能通过传统调节原动机有功输出来达到并网条件，文章根据同步电机的四阶基本方程，将频率和相位差反馈到励磁电压，对其进行励磁控制。

采用本文方法，通过励磁控制，能够降低微电网电压，减少负荷消耗功率，提高微网频率。

关键词：

智能电网，分布式发电，并网，机电暂态，励磁调节

THEANALYSISANDDISCUSSIONOFSMARTGRID

ABSTRACT

DifferentcountriesandorganizationssuchasUSandUEputforwardtobuiltaflexiblecleansafeeconomicalpowergridandmakesmartgridthefuturepowergrid’sdirection.Smartgridhasbecomeahottopicofthedevelopmenttrendofpowergridathomeandabroad.Forthetraditionalgrowingshortageoffossilfuels,distributedenergyresourcesasanewtypeofenergyisincreasinglyattachedimportancebymanycountiesintheworld.EvenwiththeeconomiccrisisinUnitedStates,Obamaalsoputalargenumberofgovernmentinvestmentintheresearchofdistributedenergytechnologies.Chinawillvigorouslydevelopthedistributedenergyincludedinthenational"EleventhFive-Year"developmentplan.Distributedenergyresourcesmostlyincludesfuelcellgenerationsystem,solarenergybatterygenerationsystem,windenergygenerationsystemandbiomassenergygenerationsystem.Especiallylarge-scalewindpowerapplicationsisincreasing.Becausetherearemanypowerelectronicdevices,suchaswindpowerandbytheimpactofobjectivefactors,theimpactoftheparallelisreceivedincreasingattention.

Thispaperfirstdescribedtheconceptofdistributedenergy,andthecharacteristicsandtheimpactofparallel.Andthenitanalyzesavarietyofenergyandnetworkproblems,focusingonphotovoltaicsolarenergyandwindpowerandnetworkissues,andtheconnectionoperationofsmallislandedmicros-gridnetworkisstudiedforthedistributedgeneration（DG）unitswithsmallenergysource,suchassynchronousmachinesdrivenbycombustionengines.Basedonthefour-orderbasicequationofthesynchronousmachine,usingPIcontrol,thefrequencyandphasedifferencearefedbacktotheexcitationvoltagetochangethefrequencyandphasebetweenthemicro-distributedgenerationandtheinfinitegrid.

KEYWORDS:

smartgrid,Distributedgeneration,parallel,electricalmachinetransient.model,excitationsimulation.

8

目　录

前　言 1

第1章绪论 3

1.1智能电网基本概念 3

1.2课题研究背景及现状 4

1.3国内外研究现状 5

1.4未来研究方向 7

1.4.1电力电子装置接口 7

1.4.2分布式发电电源位置和容量的确定 7

1.4.3分布式发电与传统电网的结合 8

1.5本文主要工作 8

第2章分布式发电及其对电力系统的影响 9

2.1分布式发电简介 9

2.1.1分布式发电定义 9

2.1.2分布式发电分类 10

2.1.3分布式发电的技术特点 15

2.2分布式发电技术在我国的应用瓶颈和障碍 16

2.3本章小结 18

第3章分布式电源的并网研究 19

3.1光伏发电系统 19

3.1.1光伏发电系统对电网的影响 19

3.1.2光伏发电系统并网控制 20

3.2风力发电系统 22

3.2.1同步风力发电机并网技术 22

3.2.2异步风力发电机并网技术 23

3.3本章小结 24

第4章并网理论前提 25

4.1并网所必须满足的条件 25

4.1.1微电网并网时的电流方向 25

4.1.2稳态时电流方向 26

4.2同步条件 28

4.3本章小结 错误！

未定义书签。

结　论 31

谢辞 32

参考文献 33

外文资料翻译 35

前　言

随着经济的发展和社会的进步，未来的电网必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力供应，能够适应多种能源类型发电方式的需要，能够更加适应高度市场化的电力交易的需要，能够更加适应客户的自主选择需要，进一步提高庞大的电网资产利用效率和效益，提供更加优质的服务。

2009年美国总统奥巴马上任伊始，就提出了以智能电网为核心的美国能源战略。

尽管智能电网的研究与实践尚处于起步阶段，但是建设智能电网已经成为世界电力行业的一种美好愿景。

分布式发电技术作为建设智能电网的重要一环，以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。

基于对分布式能源系统的这些认识，目前许多国家已经制定了宏伟的分布式能源系统研究发展计划，并进行了多方面的相关研究。

英国纽卡斯尔大学正在研发一种综合的分布式能源系统评估软件，这种软件可将理论与工程项目结合在一起，用于微型燃气轮机、燃料电池和燃气内燃机驱动的分布式能源系统的设计、优化及监控。

美国加州大学、ELCOM、SiemensDistributionAutomation等机构，针对分布式能源系统制定了宏伟的研究规划。

澳大利亚的研究机构正在纽卡斯尔建立能源中心，其目的就是提供能源方面最新的研究成果和开发设施，对100多个课题组提供技术支持，展示新能源技术的应用案例。

国内对分布式能源系统的研究还处于初期阶段，分布式能源系统的大规模利用还有很长的路要走。

国内外对独立运行分布式能源系统的研究较多，主要是各种不并网的分布式能源系统的经济评价和评价标准。

目前，我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已逐步进入实质性开发实施阶段，在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术的重要补充，将成为一个重要的发展方向。

首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。

分布式发电具有投资少、占地小、建设周期短、节能、环保等特点，对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、有效，故分布式发电可作为我国集中供电的有益补充。

作为备用电源，分布式发电可作为备用电源为高峰负荷提供电力，提高供电可靠性；可为边远地区用户、商业区和居民供电；可作为本地电源节省输变电的建设成本和投资、改善能源结构、促进电力能源可持续发展。

分布式发电的应用与能源、技术发展、环保和电力市场的放开等都有关系，其并网应用对传统的电力系统分析、控制及保护等的影响深远，进一步可能引发电力市场电价、用户侧管理等方面的变革。

本文概述了智能电网的基本概念，分布式发电的概念，介绍了分布式发电技术的分类、特点、瓶颈和应用现状与情景，然后从电能质量、继电保护、短路电流、可靠性、等各方面阐述了分布式发电对电力系统的影响，以风力发电、光伏电池目前发展比较火热的两种分布式发电形式为重点分析了具体的分布式并网所遇到的问题，分析了微型电网并网所带来的问题，给出了并网所必须满足的三个条件，然后从数学角度直观的角度给出了条件不满足时产生的后果，讲述了分布式电源的传统并网方式，然后简单分析了一些国内外近期的主要研究成果。

在传统的并网基础上，通过数学方程形式直接将电压、频率、相位反馈到励磁电压，使得微型电网的相位和频率达到并网所满足的条件。

第1章绪论

1.1智能电网基本概念

所谓智能电网即以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。

按照我国著名能源问题专家武建东先生的描述，将智能电网称之为智能互动电网或互动电网，“互动电网”是指在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。

智能电网的核心内涵是实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化，简称为“坚强的智能电网”。

智能电网概念提出的时间虽然不长，但人们对这项变革的热情却极为高涨，其根本原因是，智能电网战略不仅为全球能源转型提供了一个重要的契机，更为电力设备行业提供了无限的商机和难得的发展机遇。

智能电网是人类面对电力供需平衡、新能源的接人、电网可靠性以及信息安全挑战的一种必然选择。

它代表了电网将来进化的一种愿景，结合先进的自动化技术、信息技术以及可控电力设备，支持从发电到用电的整个电力供应环节的优化管理，尤其是新能源的接人以及电网的安全运行。

智能电网在电网安全运行、可为用户可靠提供高质量电能前提下，提高能源使用效率，减少对环境影响，同时可以形成新的产业群，促进就业。

分布式发电、微电网是智能电网中配电系统和用电系统的重要组成部分，是推动智能电网发展的重要领域。

近年来，由于分布式能源资源（DER）的数量增加提高，以及与各种资源的通信变得更加普及，配电网作为孤岛或微电网分片运动成为现实。

在智能电网中，DER的驱动力是明显的，即是数值化社会对高可用性和高品质电力的渴望。

本文主要讨论分布式发电、微电网。

1.2课题研究背景及现状

分布式发电（Distributedgeneration，简称DG）是指功率在几十千瓦到几十兆瓦范围内，模块式的分布在负荷附近的清洁环保发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。

分布式发电是区别于传统集中发电、远距离传输、大互联网络的发电形式。

能源是人类生存的基本条件和人类社会发展的原动力，随着人类文明的进步，能源问题成为人们日益关注的焦点问题。

近年来，受一次能源限制，如何保障电力供应的稳定和安全成为亟待解决的大问题。

分布式能源由于具有很多传统电网无法取代的优点逐渐成为未来的发展趋势，尤其是在最近发生的能源故障中，分布式能源显得尤为宝贵。

比如在前年北美大停电事故中，那些拥有分布式能源发电系统的企业、单位和机构能够在一片漆黑中正常运作，尤其是一些医院，保证了正常的运行和生活，减少了经济损失。

再比如同年我国的大雪灾，贵州某些县城沦为孤城，断电断粮，此时分布式能源的重要性是无法估量的。

在我国颁布的“十一五”规划中，能源排在重要位置，全国各地都在制定新能源战略。

以湖南省为例：

湖南作为中部发展较快的省份之一，能源需求随着工业化、城市化、现代化进程的加快而突飞猛进。

由于湖南省电源结构单一，电煤缺口每年都在1000万吨以上，特别是近些年来电煤价格受外部影响日益紧张，发展分布式能源对于提高能源利用效率，改善电网结构，保证电网灵活、安全运行都有着十分重大的意义[1]。

具体而言，发展分布式能源（DistributedGeneration）的重要意义主要在于以下几个方面：

1.经济性

由于DG可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，从而可提高能源的利用效率（达70%-90%）。

由于分布式电源的并网，减少或缓建了大型发电厂和高压输电网，缓建了电网而节约投资。

同时，使得输配电网的潮流减少，相应的降低了网损。

2.环保性

因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；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，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树本的砍伐，有利于环保。

3.能源利用的多样性

分布式发电可利用多种能源，如清洁能源（天然气）、新能源（氢）和可再生能源（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，因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。

4.调峰作用

夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，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，不但可解决冬夏季的供冷与冬季的供热需要，同时也提供了一部分电力，由此可对电网起到削峰填谷作用。

此外，也部分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补作用。

5.安全性和可靠性

当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性。

6.电力市场问题

分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办电，发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制。

7.投资风险小

分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免类似大型发电站建设周期带来的投资风险。

8.解决边远地区的供电问题

我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从大电网向其供电。

采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系统（Stand-alonesystem）不失为一种优选的方法[2]。

1.3国内外研究现状

全球范围内，已经安装的MW级发电装置超过300万台，并且以每年超过80000MW的速度递增。

2010年之前全球累计新增发电容量的25%～30%为分布式发电。

美国是世界上开发新能源和可再生分布式能源发电最多的国家，也是全球绝大多数的商用分布式电源设备的主要提供商。

2004年，美国分布式发电总容量为67GW，约占美国国内总发电量的7%，达世界平均水平。

丹麦是世界上公认的将经济发展、资源消耗和环境保护三方面有机结合的典范，是实现了可持续发展的国家。

丹麦政府规定1MW以上的燃煤燃油供热锅炉强制改造为以天然气或垃圾、生物质能为燃料的分布式能源项目，对此类工程的建设政府给予财政补贴并辅以银行信贷优惠。

如今丹麦已建立了15家大型生物质能直燃发电厂，年消耗农林废物约150万t，提供丹麦全国5%的电力供应。

同时，丹麦还有100多台用于供热的生物质锅炉。

近十几年来，丹麦新建的热点联产项目都是以生物质为燃料，还将过去许多燃煤供热厂改为了燃烧生物质的热点联产项目。

自1990年以来，丹麦的大型发电厂容量没有增加，新增电力主要依靠安装在用户侧的，特别是工业用户和小型区域化的分布式发电和可再生能源项目提供的，热电发电量占总发电量的61.6%。

同时，丹麦也是使用风力发电最早的国家之一，其风力发电技术占世界前列[3]。

在美国、欧洲国家，他们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展相对中国来说较早一些，但发展也属于刚刚起步阶段，理论上比我国相对完善。

国际电气工程学会已经制定了分布式电源接入配电系统的相关准则，即IEEE1547标准，这在国际和国内都有相当的文献可供查阅。

下面主要介绍我国的分布式能源发展情形。

我国是一个能源生产和消费的大国，经济的快速发展导致能源需求的快速增长。

能源已成为对国民经济发展有重大影响的支柱产业。

改革开放以来，中国能源工业工业快速发展，基本满足了国民经济的需要，曾一度出现供大于求的局面。

但是中国毕竟是一个发展中国家，随着工业化和城市化速度的加快，经济发展速度加快，能源需求急速出现，能源供应不足的“瓶颈”问题再次出现，电力、是有、煤炭供应全面紧张，能源问题成为社会各界关注的焦点之一。

分布式能源系统的研究在西方先进国家己经取得了丰硕的成果，研究领域从单独运行的分布式能源系统，到刚兴起不久的分布式能源系统与大电网的联接，已有分布式能源系统运行的丰富经验。

而国内对分布式能源系统的研究还处于初期阶段，分布式能源系统的大规模利用还有很长的路要走。

1.4未来研究方向

1.4.1电力电子装置接口

分布式发电未来研究的重点集中在分布式发电对电力系统的影响，独立发电系统容量不太稳定，电能质量不佳，调节能力有限，投资成本较高，为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已经成了大势所趋。

为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压和电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一直，而且发电系统和电网功率能够双向调节。

这就牵涉到功率因数校正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术，这正式当前各个国家研究的热点，也是我国国内新能源发电技术中最薄弱的环节之一。

目前，国外单向功率变换技术已经基本成熟，三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题，如具有高销量的系统主电路结合设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等。

此外，采用新的算法建立分布式发电的等值模型，研究分布式发电的极限功率及其对电力系统稳定的影响，研究分布式电源故障时对电网暂态的影响及相应的控制策略；结合智能控制（人工神经网、模糊控制、遗传算法）及现代控制理论，建立分布式发电的自动发电的随即最优控制模型及电压、频率随机自适应控制模型；如何实现含有分布式发电的配电网动态监测、灵活跟踪和调度控制都将是电力行业未来研究的方向[4]。

1.4.2分布式发电电源位置和容量的确定

分布式发电电源位置和容量的确定是设计一个分布式发电系统不可缺少的前提条件。

因此，可根据客户端所需要的容量和所处的环境的地理位置，综合考虑各种衡量指标，确定所要采用的发电方式。

发电容量不仅要满足负荷正常运行时所需的能量，并对突发时间要有一定的承受能力，可以采用灰色关联、神经网络、小波分析等技术，建立精确负荷模型进行预测。

分布式发电电源位置不仅要考虑周边的能源、交通运输、地理环境等因数，还要考虑布置合理，使线路损耗尽可能小，从而改善系统的经济型、可靠性和灵活性。

1.4.3分布式发电与传统电网的结合

传统的大电网在一段时间内将和分布式发电模式共存，互为补充。

结合传统电网和分布式发电的优势，将其合理的整合在一起。

集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90%以上的电力负荷供电。

但它也存在一些弊端，主要有：

（1）大电网中局部事故极易扩散，任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网影响较大，导致大面积停电，甚至全网崩溃，而电力系统越庞大，事故发生的概率越高；

（2）大电网极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全；

（3）大电网不能灵活跟踪电力负荷的变化，如夏季空调负荷的激增会导致电力供应短时不足,为了短暂的峰荷建造发电厂及输电设施花费巨大，经济效益非常低，随着负荷峰谷差的不断增大，电网负荷率正逐年下降，发电设施的利用率都有下降的趋势。

因此，我们需要研究大电网系统和分布式发电系统相结合的混合系统，不仅可以节省投资，降低能耗，而且能提高系统安全性和灵活性。

1.5本文主要工作

本文所做的主要工作：

1.概述智能电网和分布式发电的概念，介绍分布式发电技术的分类、特点、瓶颈和应用现状与情景。

然后从电能质量、继电保护、短路电流、可靠性、等各方面阐述分布式发电对电力系统的影响。

2.以目前发展比较火热的两种分布式发电形式风力发电和光伏电池为重点，分析具体的分布式并网所遇到的问题。

3.分析微型电网并网所带来的问题，介绍并网所必须满足的三个条件。

第2章分布式发电及其对电力系统的影响

传统电网主要有发电机、变压器、架空线路、继电保护装置等构成，关于此研究和实际应有国内外已有相当的研究，形成了一套行之有效的方法。

但随着分布式发电系统的接入，分布式发电对传统电力系统的影响越来越明显，越来越受到人们的关注，尤其是越来越多的电力电子器件接入到电网，对电网的影响已经不可忽视。

2.1分布式发电简介

2.1.1分布式发电定义

在国际上，分布式发电也可以称为嵌入式发电（EmbeddedGeneration,EG），它形象地描述了将分布式电源“嵌入”到配电系统之中；同时也可称为分散发电（DispersedGeneration，DG），它强调的是与“集中发电”相区别的发电形式。

至今对DG仍然没有统一的定义，国际大型电力系统委员会（CIGRE）将分布式发电定义为：

非经规划的或中央调度型的电力生产方式，通常与配电网连接，一般发电规模在几十千瓦到几十兆瓦之间。

分布式发电系统可以定义为：

所有不直接与国家电网连接、不由中央配电系统进行配送、不经电网调频的发电系统[5]。

按照这个定义，输电网的主要功能是连接发电厂和配电系统。

从这个意义上说，现在只有高压和超高压线路才被看作输电线，这些线路只与10MW以上电厂连接。

因此目前认为将来只有10MW以上才可以直接参与电力市场（即:

售电）。

因此这样说来，DG应该包含所有发电能力在l0MW以