分布式发电技术及其并网问题研究综述

现　代　电　力

ModernElectricPowerVol124　No13

June2007

文章编号:100722322(2007)0320053205　　　　　文献标识码:A　　　　中图分类号:TM711

分布式发电技术及其并网问题研究综述

崔金兰,刘天琪

(四川大学电气信息学院,四川成都　610065)

DistributedGenerationandItsGridInterconnectionIssue

CuiJinlan,LiuTianqi

(SchoolofElectricalEngineeringandInformation,SichuanUniversity,Chengdu　610065,China)

摘　要:分布式发电因其投资省、发电方式灵活、与环境兼容等特点,日益普遍地与大电网联合运行,给现代电力系统运行与控制带来巨大的变化。大力发展分布式发电技术将是电力系统未来发展的必然趋势。因此,研究分布式发电具有重要的理论意义和重大的应用价值。概述了国内外分布式发电的发展现状及应用前景,简要介绍了分布式发电的概念及几种新型分布式发电技术,分析了分布式发电并网系统及分布式发电并网对电力系统规划、电能质量、继电保护、可靠性等方面的影响,最后对分布式发电的未来研究方向和需要进一步研究的问题作了展望。关键词:分布式发电;电力系统;配电网;并网;综述

Abstract:Thedistributedgeneration(DG)possessesthefollowingadvantages:savinginvestment,flexibilityandcompatibility.ThejointoperationofDGwithpowergridbringstremendousvariationincontrolandoperationformodernpowersystem.Thecurrentsituationsofdistributedgenerationathomeandoverseasarereviewed.ConceptsofDGandsomenewtypesofDGareintroduced.TheeffectsofDGgridinterconnectionsystemonpowersystemareana2lyzed,suchaspowersystemplanning,powerquality,pro2tectionandthereliability.ThedevelopmenttrendofDGstudyandsomefutureproblemsarediscussed.

调整过程中已经把DG技术放在了相当重要的位置

上。分布式发电具有节能、环保、投资少、占地小的特点,更重要的是分布式电源应对高峰期电力负荷比集中供电更加经济、有效,是集中供电有益的补充。目前,随着我国燃料结构的变化、高峰期电力负荷越来越大,有必要加快发展分布式电源,优化供电模式1保障供电安全。另外从可持续发展和降低环境污染观点看,分布式发电技术也是我国的必然选择。

目前,大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式,是21世纪电力工业的发展方向[1]。

近年来,对新型分布式发电技术的研究取得了突破性的进展,分布式发电有望在电能生产中占有越来越大的比重,并对电力系统产生重大的影响。日本的经验是分布式电源的发电量在用户总用电量的25%～33%之间[2],美国电力科学研究院(EPRI)研究表明,到2010年,全球25%的电能由小于2MW的DG装置提供,并且DG所占市场份额将达到20%[3]。

Keywords:distributedgeneration(DG);powersystem;distributednetworks;gridinterconnection

1　分布式发电技术

DG是指某些靠近用户侧安装的中小型发电装

0　引　言

从20世纪80年代末开始,世界电力工业已出现了一个由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡的趋势。近年来分布式发电技术

以其独有的环保性、经济性引起人们越来越多的关注。英国、美国、日本等发达国家在进行能源结构

基金项目:自然科技基金资助项目(50577044)

置,它既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能,也可将其接入配电网络,与公共电网一起共同为用户提供电能[4]。111　几种分布式发电技术常见的分布式发电技术主要有几种:以燃气轮机、内燃机和微燃机(这些装置以天然气为常用燃料)等为基本核心的发电系统;燃料电池发电系统;太阳能光伏电池发电系统;风力发电系统;生物质

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能发电系统。另外,迅速发展的储能技术也将在分布式发电中起重要的作用[2]。目前,飞轮储能、高密度电容储能以及超导储能技术都已取得了长足的进步。

112　分布式发电的优点

分布式发电由于其在效率、能源多样化、环保、节能等多方面的优越性,再加上电力市场化的快速发展,使这种发电技术获得广泛的关注,并在

某些方面获得较大进展(燃气轮机,微燃机发电等),其应用范围也相当广泛,可用于医院、疗养院、学校等企事业单位及住宅小区等。

①环保性　分布式电源以天然气、轻油、可再生能源等清洁能源为燃料,具有良好的环保性能。一般来说,与常规的燃煤火电机组相比,以天然气为燃料的分布式电源排放的SO和固体废弃物几乎为零,CO排放减少50%以上,NO减少80%[2]。另外,大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线建设,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,减少了线路下树木的砍伐,有利于环保。②可靠性　分布式电源多采用性能先进的中小型、微型机组,开停机方便,操作简单,负荷调节灵活,且各电站相互独立,便于用户自行控制,不会发生大规模的供电事故。1986年5月20日,英格兰某地区的6条400kV线路因雷击而断开,由于在5min内在负荷区投入1GW的燃气轮机发电容量,从而防止了一次重大电压失稳事故的发生[5]。2003年美加大停电时,那些拥有分布式能源系统的企业机构,依靠分布式电源形成的“孤岛”得到了基本的电力供应,保证了正常运行和生活需要[6]。

③灵活性　分布式电源投资小、占地少,建设周期短,有利于在较短时间内解决电力短缺问题。另外,分布式电源能够同时提供热、电、冷三种能源,并且可以根据用户的特定要求,提供不同温度等级的热量和冷气。

2　分布式发电并网问题

近年来,随着DG技术性能不断得到改善,成本进一步降低,DG在经济、运行以及环境性能上的技术优势逐步提高,使得其在电力系统中所占的比重逐步增长。DG与常规电力系统并网运行的趋

势越来越明显。DG的并网会产生两个方面的问

题:一是并网系统本身的结构和性能;另一个就是DG并网后对电力系统运行、控制、保护等各方面产生的影响。211　分布式发电并网系统[7]

DG与电力系统之间存在以下4种关系:①DG独立运行向附近用户供电的方式;②DG独立运行但DG与当地电网之间有自动转换装置;③DG与系统并联运行但DG对当地电网无输出;④DG与系统并联运行且向当地电网输出电能。

DG的实际用途不同要求有不同复杂程度的并网系统。DG的并网系统包括两方面含义:①在DG和电网之间建立起物理联系的设备,即硬件。②DG与外界形成电气联系的手段。同时,依托于硬件的这些电气联系方式还可以实现DG单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能[7]。

实际应用中每个DG的并网系统并不一定包含所有的组件,其具体选择受市场需求、技术特性以及相关规范和标准的驱动。并网系统的性能、兼容性和规范将在一定程度上最终决定DG对电力市场的长期渗透能力。可以根据DG的特性和所要实现的功能把并网系统分为如下几种[7]:

①逆变器型并网系统,如用于燃料电池、光伏系统和微透平机组等发出直流或高频交流电的DG。

②具有同步功能的并网系统、用于与地区电网并联运行的DG。当DG担任削峰、基本电源、联合发电或作为紧急和备用电源时采用此种并网系统。

③包含远方调度模块的并网系统,电力系统可以根据需要实现对DG的启停进行实时远方调度,这时并网系统还需附加测量、监视和控制设备。

短期内并网系统将会存在两个不同的市场:一个是定型的、即插即用的适用于居民和小型商业的机组,另一个是面向大型的特定场所的分布式电源。尽管存在着市场上的分类,并网技术不同体系以及不同制造商生产的组件应具有良好的兼容性。为了规范这些要求和影响,就必须制定得到各方认可的关于并网系统的统一规范和标准。这些规范和标准将对DG并网设备的制造、安装和运行都有相应的要求。目前,世界上有许多国家的组织都在制定关于DG的并网标准,如IEEE的P1547等[8,9]。212　DG并网对电力系统影响

随着DG应用的日益广泛,它们在电力系统的渗透率也越来越高。DG与电力系统并网运行将使

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得配电系统从放射状无源网络变为分布有中小型电源的有源网络,配电系统的控制和管理将变得更加复杂,会有一系列的问题产生。21211　电力系统负荷预测、规划问题

DG的出现会使电力系统负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性[11]。由于DG的分散性,使得准确预测负荷的增长情况更加困难,从而影响后续规划。另外规划时最优化工具必须能够准确评估DG对所在电网的影响,给出DG的最优位置和规模,使得DG在电网中的逐步渗透过程不会破坏电网运行的安全性和经济性。其次,配电网规划中若出现许多发电机节点,使得在所有可能的网络结构中寻找到最优的网络布置方案(即可以使建造成本、维护成本和电能损耗最小的方案)更加困难[8]。

文献[11]介绍了一种可在中低电压等级配电网中确定DG最优位置的算法。该算法考虑了馈线容量极限、馈线电压形态及三相短路电流等技术约束,建立了以网络扩建及网损费用最少的目标函数,采用基因算法对DG的安装位置及容量大小进行寻优。文献[12]研究了放射状链式配电网络在并入一定容量分布式电源后各负荷节点电压幅值的变化,然后推广到一般性连续解析形式,继而对电压分布的特点、分布式发电的可行接入位置以及注入容量限制进行了理论探讨。研究表明从稳态电压角度,分布式电源接入馈线的位置和具体注入容量的大小有较严格的理论依据。

文献[13]以网损最小为目标函数,利用tabu搜索算法计算出DG在配电网中的最优位置,并举例计算出当DG位置最优时配电网的损耗,计算结果表明,该法比较有效,可以应用于现实的DG规划问题。

上述文献探讨了包含DG的配电网规划,侧重于研究DG的接入位置和容量对电力系统的影响,但在DG对系统可靠性影响方面缺乏较深入的研究。此外DG机组类型及所采用一次能源的多样化,使得如何在配电网中确定合理的电源结构,如何协调和有效地利用各种类型的电源就成为新出现的而且迫切需要解决的问题。因此DG的广泛应用,使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到DG有关的电力系统规划中,并影响规划的决策过程。21212　系统潮流、电能质量和运行可靠性问题

DG的出现,改变了配电系统潮流的单向模式并使得潮流无法预测,这种非常规的潮流模式会产

生多方面的影响:潮流的改变使得电压调整很难维持,还会导致配电网的电压调整设备,如有载调压变压器、开关电容器组出现异常响应,而且如果从DG流向变电所的潮流足够大时DG附近的设备可能会过负荷,从而影响系统供电可靠性[8,16]。

DG对电力系统的可靠性影响是多方面的,既有积极的一面,也有消极的一面。DG并网后还会对电网提供给其他用户的电能质量产生潜在的影响。这些电能质量问题可以概括为电压调整、电压闪变、电压不平衡、谐波畸变和直流注入等几方面[8]。

文献[15]介绍了DG与电网互联的3种常见接口形式,对异步发电机、无励磁调节能力的同步发电机和燃料电池等几种典型DG的运行方式和控制特性进行了研究,建立了各自在潮流计算中所需的数学模型,并在此基础上提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法,该方法适合包含各种不同DG形式的多电源配电系统。将提出的方法用于90节点配电系统进行测试,测试结果表明该方法是可行的。

文献[16]分析了由电网的故障水平、X/R的比值、发电机的类型及原动机的不同而导致的稳态电压偏移、暂态电压闪变、电压波形畸变、相电压不平衡。21213　短路电流、继电保护问题

在很多情况下DG接入配电网侧装有逆功率继电器,正常运行时不会向电网注入功率,但当配电系统发生故障时,短路瞬间会有DG的电流注入电网,增加了配电网开关的短路电流水平,可能使配电网的开关短路电流超标。因此,大功率DG接入电网时,必须事先进行电网分析和计算,以确定DG对配电网短路电流水平的影响程度[17]。

DG接入配电网后,辐射式的网络将变为一遍布电源与用户互联的网络,潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的根本性的变化使得电网各种保护定值与机理发生了深刻变化[18]。馈电线潮流的不确定性,将会给电力系统继电保护装置和动作整定带来一定的难度。传统的保护系统是在假定配电网是在放射状的基础上设计的,随着DG在配电网的渗透,保护系统的设计基础就发生了改变。所以,随着DG应用的日益广泛,有必要调整配电网的保护系统,研究DG的接入容量、位置对配电网保护配合的影响。

配电网中大量的继电保护装置早已存在,不可能为了新增的DG而做大量改动,DG必须与之配

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合并适应它。随着大量DG参与电网供电,DG装置的频繁投切和线路潮流方向的频繁改变,如何对现有配电网继电保护系统进行整定和协调,也是一个非常重要的研究课题。21214　其他问题

配电网中的最优安装位置、安装容量,以保证系统

的经济性和安全性综合最优。

③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。研究分布式能源电力系统的随机潮流模型与算法,研究随机发电功率与常规发电功率的协调控制方法,寻找系统的最佳运行点。

④研究各种联合运行情况下DG对电网稳定性和可靠性的影响及相应的控制策略;研究改进和提高系统承受随机电能能力的方法;研究能量存储系统在DG中的应用,即如何提高系统的储能容量及保证储能系统能够安全及时的吸收和释放电能,以保证系统的安全稳定性和经济性。

⑤针对不同的连接方式,开展对DG中电力电子接口的模块化研究,以适应不同功率、电压等级的分布式发电系统,在实践和探索中形成变流器的拓扑结构和控制策略;探索研究电力电子接口电路给分布式发电提供辅助性的服务,如无功功率的补偿、电压频率的限制、控制潮流等。

⑥针对DG的运行具有很强独立性和随机性的特点,研究建立对DG实现全面监测、控制和调度的新型SCADA体系,研究含有分布式能源的新型电力系统控制中心。

⑦研究建立新型电力公司与用户的关系体系,妥善研究和制定与DG有关的法律、法规和行业规范,研究分布式发电对电力市场的影响。

参

考

文献

①铁磁谐振问题(Ferro2resonance)

当DG通过变压器、电缆线路、开关等与配电网相连时候,一旦配电网发生故障而系统侧开关断开时,DG侧开关也会断开,假如此时DG变压器未接负荷,变压器的电抗与电缆的大电容可能发生铁磁谐振而造成过电压,还可能引起大的电磁力,使变压器发出噪声或者使变压器损坏[17,19]。

②配电系统的实时监视、控制和调节问题[17,20]DG接入前,配电系统的实时监视、控制和调

度是由供电部门统一来执行的,DG的接入使得原先的无源放射状电网发生根本性变化,信息采集、开关操作、能源调度等过程变得复杂化。需要增加哪些信息,这些信息是作为监视信息还是控制信息,由谁来执行等问题均需要根据并网规程重新予以审定,并根据最终的并网协议确定。

③DG并网对新型电力电子设备的需求随着DG的逐步发展及其实用化,对各种控制装置、界面装置提出了新的需求。而这些装置之间及这些装置与传统电网控制装置、整定装置间的协调问题也将是今后的一个重要研究课题。

④分布式发电机组之间分布互联模型的分析方法与规则的探讨[21,22],动态仿真[23]、潮流的配置模型

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,分布式发电的市场体系、相应的法律、

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3　结　论

分布式发电是21世纪电力行业最主要的发展方向,是一种新型的很有发展前途的发电和能源综合利用方式。DG作为当今国际上电力系统的前沿研究领域,其研究的侧重点集中在DG对现有电力系统的影响及交互作用机理。今后涉及到的主要研究方向有:

①根据不同类型DG的特点,研究DG高度渗透系统的建模方法,建立含有随机能量预测的概率模型、电网发电量预测模型、系统的可靠性及经济性评估模型。

②采用新的算法研究如何确定不同类型DG在

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MAR/APR,

收稿日期:2006208220作者简介:

),女,硕士研究生,研究方向为电力系统崔金兰(1981—

稳定与控制,分布式发电;

),女,博士,教授,IEEE会员,研究方向刘天琪(1962—

[19]RogerC.Dugan,ThomasE.Mcdermott.IEEEin2dustryapplicationsmagazine[M].2002:19

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为电力系统稳定与控制,高压直流输电和调度自动化。

(责任编辑:张一工)