分布式發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)研究綜述法曉（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，143085210509）ABSTRACT: Distributed generationinvestment,flexible generating method,and environmentalcompatibilityand large power gridincreasingly join to, have brought about great changes inmodern power system operation and control.It can not onlymeet the specificrequirementso and users,such aspeak;alsocanreliability status ofdistributed generationinthe research of power system,and discussesthe futureresearch directionof distributed generationKEY WORDS: Distributed generation;distribution network;stability control;relay protection; power quality;power market;stochastic optimal control;power system摘要分布式發(fā)電以其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等特點(diǎn)與大電網(wǎng)日益聯(lián)合運(yùn)行， 給現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制帶來巨大的變化。它既可以滿足電力系統(tǒng)和用戶的特定要求，如削峰；又可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無可比擬的可靠性和和經(jīng)濟(jì)性。因此，研究分布式發(fā)電具有重要的理論意義和重大的應(yīng)用價(jià)值。文章簡(jiǎn)要介紹了新型分布式發(fā)電技術(shù)，綜述了分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀， 并探討了分布式發(fā)電的未來研究方向關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電；配電網(wǎng)；穩(wěn)定控制；繼電保護(hù)；電能 質(zhì)量；電力市場(chǎng)；隨機(jī)最優(yōu)控制；電力系統(tǒng)1 引言20實(shí)際80年代末，美國(guó)以及歐洲紛紛開始分布式發(fā)電，全球供電模式開始由集中供電轉(zhuǎn)向分布式供電，根據(jù)國(guó)際供電會(huì)議組織（CIRED）于1999年發(fā)布的分布式發(fā)電調(diào)研報(bào)告，當(dāng)時(shí)丹麥，荷蘭兩分布式發(fā)電裝機(jī)容量占到了總裝機(jī)容量的28%，波蘭，比利時(shí)，英國(guó)，西班牙等國(guó)分布式發(fā)電的比重都在8%以上。2000年全球新增的裝機(jī)容量中，分布式發(fā)電的比例占到了10%以上；分布式發(fā)電具有投資少，占地少，建設(shè)周期短，環(huán)保，節(jié)能等特點(diǎn)，對(duì)于高峰期電力負(fù)荷比集中供電更加經(jīng)濟(jì)，有效，分布式供電可作為我國(guó)集中式供電的有益補(bǔ)充，作為備用電源分布式發(fā)電可為高峰負(fù)荷提供電力。提高供電的可靠性，為本地節(jié)省建設(shè)投資，促進(jìn)電力能源可持續(xù)發(fā)展。分布式發(fā)電的應(yīng)用與能源，技術(shù)發(fā)展，環(huán)保和電力市場(chǎng)放開等都有關(guān)系，其并網(wǎng)應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析，控制與保護(hù)影響深遠(yuǎn)，進(jìn)一步可能引發(fā)電力市場(chǎng)電價(jià)及用戶側(cè)管理方面的變革。本文在簡(jiǎn)要介紹分布式發(fā)電電源及其并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，主要介紹分布式電源的特點(diǎn)，最新的發(fā)展成果及研究成果。 含分布式電源的系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)及其最優(yōu)化，含分布式電源的系統(tǒng)分析，運(yùn)行與控制，緊急控制與繼電保護(hù)等方面。2 分布式發(fā)電技術(shù)2.1 分布式電源分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電 分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內(nèi)燃機(jī)（Internal Combustion Engines） 、微型燃?xì)廨啓C(jī)（ Micro-turbines） 、燃料電池（Fuel Cell） 、可再生能源如太陽能發(fā)電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風(fēng)力發(fā)電等22 微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù) 微型燃?xì)廨啓C(jī)是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機(jī)。其發(fā)電效率可達(dá) 30%，如實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到 75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電電源。23 燃料電池技術(shù)燃料電池的工作原理是富含氫的燃料（如天然氣、甲醇）與空氣中的氧氣結(jié)合生成水，氫氧離子的定向移動(dòng)在外電路形成電流，類似于電解水的逆過程。它并不燃燒燃料，而是通過電化學(xué)的過程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。通常，燃料電池發(fā)電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應(yīng)堆部分、電力電子換流控制部分。目前已研究開發(fā)了五種燃料電池：聚合電解質(zhì)膜電池（PEM） 、堿性燃料電池（AFC） 、磷酸型燃料電池（PAFC） 、固體電解質(zhì)燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC） ，其中 PAFC 是目前技術(shù)成熟且已商業(yè)化的燃料電池。燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點(diǎn)：其副產(chǎn)品是熱水和少量的二氧化碳，通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率的 2倍；排廢量小（幾乎為零） 、清潔無污染、噪音低；安裝周期短、安裝位置靈活，可以省去配電系統(tǒng)的建設(shè)。2.4 光伏電池技術(shù)光伏電池是將可再生的太陽能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電裝置。國(guó)外開發(fā)的屋頂式光伏電池發(fā)電技術(shù)已得到廣泛的關(guān)注。德國(guó)最著名的 2000 戶屋頂工程 （2000 Roof Project） ， 超過 2000 戶家庭安裝了屋頂式光伏發(fā)電裝置，平均每個(gè)分布式發(fā)電單元發(fā)電量達(dá) 3kW。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術(shù)條件的限制， 如投資成本高、 系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性等。但由于它利用的是可再生的太陽能，因此其前景依然被看好。2.5 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換角度分成兩部分：風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)速作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯(lián)軸器再與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián)，從而發(fā)電運(yùn)行。它最有希望的應(yīng)用前景是用于無電網(wǎng)的地區(qū)，為邊遠(yuǎn)的農(nóng)村、牧區(qū)和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸接近清潔煤發(fā)電。3 分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀3.1穩(wěn)定性分析 總結(jié)了 DGS 影響配電網(wǎng)電壓控制的幾點(diǎn)因素：現(xiàn)有的自動(dòng)電壓控制器（Automatic Voltage Control，AVC）通過控制無源配電網(wǎng)（幾乎沒有發(fā)電機(jī)存在）電壓幅值的大小而工作的；DGS 位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，遠(yuǎn)離主變電站，在主變電站實(shí)現(xiàn)電壓控制較困難；如變電站到發(fā)電機(jī)之間的線路阻抗大、負(fù)荷密度低，電壓控制甚至不能實(shí)現(xiàn)；如果接于饋電線的 DGS 容量額定值大于饋電回路的總負(fù)荷量，通過降壓變壓器的潮流將反向，致使變壓器低壓側(cè)成為電源；DGS 的類型（同步機(jī)、異步機(jī)）及運(yùn)行條件影響電壓控制。通過負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)電壓控制的理論。與現(xiàn)有三種電壓控制方式（即減小線路阻抗、在關(guān)鍵時(shí)刻限制發(fā)電機(jī)出力、 功率因子控制（PFC） ）比較分析發(fā)現(xiàn)，新建立的控制方式經(jīng)濟(jì)性好、靈活性強(qiáng)，能動(dòng)態(tài)跟蹤電壓波動(dòng)。且負(fù)荷控制理論為配電網(wǎng)朝著監(jiān)控智能化、自動(dòng)化、靈活化方向的發(fā)展注入更多的新內(nèi)容。基于分布式發(fā)電穩(wěn)定性建模的研究方法將 DGS 視為備用電源、削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用三個(gè)模塊。在輻射狀電網(wǎng)中，通過機(jī)械或電力電子轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn) DGS 作為備用電源投入， 削峰和電網(wǎng)測(cè)量應(yīng)用模塊則視為“負(fù)”負(fù)荷。在網(wǎng)狀配電網(wǎng)中，為適應(yīng)基于輻射狀網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析算法，將恒壓源代替 DGS，并在機(jī)組的出口處安裝斷路器。以一個(gè) 11kV 的輻射狀配電網(wǎng)為算例， 分別改變 DGS 及故障點(diǎn)位置，仿真計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障（單相接地、兩相短路、兩相短路接地）時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、 定子電流和轉(zhuǎn)子角度 （DGS 的轉(zhuǎn)子相對(duì)于無窮大母線的角度） 。仿真計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，故障點(diǎn)距離 DGS 越遠(yuǎn)、故障臨界切除時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)越穩(wěn)定；在轉(zhuǎn)子角度達(dá)到150后，系統(tǒng)的瞬時(shí)穩(wěn)定性能變差。風(fēng)電場(chǎng)由于其空間的分散性和隨機(jī)性不可調(diào)，并網(wǎng)運(yùn)行方式下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性下降 考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量與配電網(wǎng)短路容量（短路電流有效值與短路處的正常工作電壓的乘積）的比值對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響，該比值較高的電網(wǎng)在有利的運(yùn)行條件下能成功地調(diào)節(jié)電壓，而電壓穩(wěn)定特性可能又是限制該比值繼續(xù)增加的重要因素。介紹風(fēng)電場(chǎng)接入一弱農(nóng)場(chǎng)電網(wǎng)的實(shí)例，指出低短路容量和高 R/X（聯(lián)絡(luò)線阻抗Z=R+jX）比值將使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓發(fā)生較大的變化。指出風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后將影響有載調(diào)壓變壓器的 AVC 的正確動(dòng)作，影響程度主要取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的大小、機(jī)端補(bǔ)償電容器組投切規(guī)則和并網(wǎng)點(diǎn)位置。提出了在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端出口處或風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)處安裝無功補(bǔ)償電容器，不僅有助于 AVC 維持電壓在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，還有助于降低網(wǎng)損。借助于電力系統(tǒng)計(jì)算軟件包（ERACS）進(jìn)行的仿真計(jì)算表明，在保持電壓穩(wěn)定、減少線路能量損耗和改善電網(wǎng)系統(tǒng)頻率特性方面，分布式發(fā)電與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)變壓器的分接頭的方式相比，前者在技術(shù)上更有效、更實(shí)用。3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)后，輻射式的網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐槐椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負(fù)荷。配電網(wǎng)的根本性的變化使得電網(wǎng)各種保護(hù)定值與機(jī)理發(fā)生了深刻變化。提出，故障發(fā)生時(shí)為確保保護(hù)裝置正確動(dòng)作，應(yīng)切斷電網(wǎng)中的 DGS。從而引發(fā)以下問題：過電流故障的切除與 DGS 的切斷在時(shí)限上的配合；自動(dòng)重合閘開斷時(shí)間間隔內(nèi)，確保 DGS 快速切斷；在架空線和地下電纜的混合線路中切斷DGS，變壓器空載運(yùn)行，電纜對(duì)地電容與變壓器側(cè)的線圈發(fā)生鐵磁諧振，產(chǎn)生不規(guī)則的高電壓大電流嚴(yán)重威脅線路的電力器件。借助于電磁暫態(tài)計(jì)算程序 （EMTP） 仿真分析了分布式同步電機(jī)（SG）和感應(yīng)電機(jī)（IG）在配電網(wǎng)中對(duì)保護(hù)定值的影響。仿真結(jié)果表明，DGS的聯(lián)網(wǎng)影響了故障切除時(shí)間，SG 的臨界切除時(shí)間雖然大于 IG 的，但兩者的臨界切除時(shí)間低于配電網(wǎng)沒有 DGS 時(shí)的故障切除時(shí)間。詳細(xì)討論了保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲、保險(xiǎn)絲自動(dòng)重合閘、繼電器繼電器三類保護(hù)裝置的配合問題，配合的協(xié)調(diào)性取決于 DGS 的容量及其位置的分布。DGS 與主電網(wǎng)的失步（Loss of Main，LOM）會(huì)導(dǎo)致 DGS 過負(fù)荷，頻率和輸出電壓下降，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量比較幾種失步檢測(cè)技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了以微處理器為基礎(chǔ)，通過測(cè)量 DGS 的輸出功率的監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的方法。設(shè)計(jì)了一種基于頻率變化率的數(shù)字式DGS 繼電保護(hù)裝置， 通過改善靈敏度和時(shí)間響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn) DGS 與主電網(wǎng)的失步保護(hù)。這種基于數(shù)字的綜合保護(hù)包，能智能地組織、協(xié)調(diào)內(nèi)部各種邏輯組件的功能，實(shí)現(xiàn)過/低電壓保護(hù)、過/低頻保護(hù)、中性點(diǎn)電壓偏移保護(hù)以及識(shí)別 DGS 是否處于孤島（Island）狀態(tài)。DGS 失去接地（Loss Of Earth）保護(hù)是配電網(wǎng)一個(gè)潛在的危險(xiǎn)，介紹了一種檢測(cè) DGS 接地的新技術(shù)，它利用發(fā)電機(jī)的寄生阻抗來判斷 DGS是否接地。該技術(shù)為運(yùn)行時(shí)未正確接地的 DGS 提供了可靠、靈敏、快速的保護(hù)。4 分布式發(fā)電的未來影響 分布式發(fā)電作為國(guó)際上電力系統(tǒng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，其研究的重點(diǎn)集中在分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響。有鑒于此，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)分布式發(fā)電今后的研究方向做了闡述：（1）現(xiàn)有分布發(fā)電技術(shù)的完善和新型技術(shù)的研發(fā)，如開發(fā)新的電解質(zhì)材料和催化劑，提高燃料電池的性能、使用壽命、性能價(jià)格比等。（2）采用新的算法（如遺傳算法等）建立分布式發(fā)電的等值模型，研究分布式發(fā)電的極限功率及其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，研究分布式電源故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響及相應(yīng)的控制策略。（3）通過負(fù)荷灰色預(yù)測(cè)技術(shù)、專家系統(tǒng)預(yù)測(cè)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)及小波分析預(yù)測(cè)技術(shù)建立精確的隨機(jī)性負(fù)荷模型，從而建立分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)。（4）以分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，從隨機(jī)最優(yōu)控制原理出發(fā)，結(jié)合智能控制（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法）及現(xiàn)代控制理論，建立分布式發(fā)電的自動(dòng)發(fā)電的隨機(jī)最優(yōu)控制模型及電壓、頻率隨機(jī)自適應(yīng)控制模型。（5）基于全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、靈活跟蹤和調(diào)度控制。（6）建立新型電力公司與用戶的關(guān)系體系，妥善研究和制定與分布式發(fā)電有關(guān)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范，研究分布式發(fā)電對(duì)電力市場(chǎng)的影響5 結(jié)論本文介紹了分布式發(fā)電技