1、分布式發電及其在電力系統中的應用研究綜述 梁有偉，胡志堅，陳允平（武漢大學電氣工程學院，湖北省 武漢市 430072）摘 要：分布式發電以其投資省、發電方式靈活、與環境兼容等特點與大電網日益聯合運行，給現代電力系統運行與控制帶來巨大的變化。它既可以滿足電力系統和用戶的特定要求，如削峰；又可以提供傳統的電力系統無可比擬的可靠性和和經濟性。因此，研究分布式發電具有重要的理論意義和重大的應用價值。文章簡要介紹了新型分布式發電技術，綜述了分布式發電在電力系統的應用研究現狀，并探討了分布式發電的未來研究方向。 關鍵詞：分布式發電；配電網；穩定控制；繼電保護；電能質量；電力市場；隨機最優控制；電力系統1

2、引言 配電網中，城市居民和商業用戶、農村和半城鎮區域的負荷具有很大的隨機波動性。家用空調隨氣溫變化的無規律啟停，降水降雪和大風的無常發生，以及其他不確定因素所引起的負荷變化給配電網的規劃、設計和運行帶來了巨大的難題和挑戰。集中發電、遠距離輸電和大電網互聯的電力系統自身也存在著一些弊端。為解決此類問題而大力改造和新建配電網絡在技術、資金和效益上都是不可取的。因此，歐美的電力專家提出了投資省、發電方式靈活、與環境兼容的分布式發電與大電網聯合運行的方式，從而提高了電力系統運行的靈活性、可靠性和安全性。2 分布式發電技術2.1 分布式電源 分布式發電（Distributed Generation，DG

3、）是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的發電設施，經濟、高效、可靠地發電1。 分布式電源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率較小內燃機（Internal Combustion Engines）、微型燃氣輪機（Micro-turbines）、燃料電池（Fuel Cell）、可再生能源如太陽能發電的光伏電池（Photovoltaic Cell）和風力發電等。2.2 微型燃氣輪機技術2,3 微型燃氣輪機是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機。其發電效率可達30%，如實行熱電聯產，效率可提高到75%。微型燃氣輪機的特點是體積小、質量輕、發電效率高、污

4、染小、運行維護簡單。它是目前最成熟、最具有商業競爭力的分布式發電電源。2.3 燃料電池技術4-7 燃料電池的工作原理是富含氫的燃料（如天然氣、甲醇）與空氣中的氧氣結合生成水，氫氧離子的定向移動在外電路形成電流，類似于電解水的逆過程。它并不燃燒燃料，而是通過電化學的過程將燃料的化學能轉化為電能。通常，燃料電池發電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應堆部分、電力電子換流控制部分。 目前已研究開發了五種燃料電池：聚合電解質膜電池（PEM）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體電解質燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（SOFC），其中PAFC是目前技術成熟且已商業化的燃

5、料電池。 燃料電池具有巨大的潛在優點：其副產品是熱水和少量的二氧化碳，通過熱電聯產或聯合循環綜合利用熱能，燃料電池的發電效率幾乎是傳統發電廠發電效率的2倍；排廢量?。◣缀鯙榱悖⑶鍧崯o污染、噪音低；安裝周期短、安裝位置靈活，可以省去配電系統的建設。2.4 光伏電池技術8,9 光伏電池是將可再生的太陽能轉化成電能的一種發電裝置。國外開發的屋頂式光伏電池發電技術已得到廣泛的關注。德國最著名的2000戶屋頂工程（2000 Roof Project），超過2000戶家庭安裝了屋頂式光伏發電裝置，平均每個分布式發電單元發電量達3kW。雖然光伏電池與常規發電相比有技術條件的限制，如投資成本高、系統運行的隨

6、機性等。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 風力發電技術10,11 風力發電機組從能量轉換角度分成兩部分：風力機和發電機。風速作用在風力機的葉片上產生轉矩，該轉矩驅動輪轂轉動，通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯軸器再與異步發電機轉子相聯，從而發電運行。它最有希望的應用前景是用于無電網的地區，為邊遠的農村、牧區和海島居民提供生活和生產所需的電力。風力發電技術在新能源領域已經比較成熟，經濟指標逐漸接近清潔煤發電。3 分布式發電在電力系統的應用研究現狀3.1 穩定性分析 文12總結了DGS影響配電網電壓控制的幾點因素：現有的自動電壓控制器（Automatic Voltage Co

7、ntrol，AVC）通過控制無源配電網（幾乎沒有發電機存在）電壓幅值的大小而工作的；DGS位于偏遠地區，遠離主變電站，在主變電站實現電壓控制較困難；如變電站到發電機之間的線路阻抗大、負荷密度低，電壓控制甚至不能實現；如果接于饋電線的DGS容量額定值大于饋電回路的總負荷量，通過降壓變壓器的潮流將反向，致使變壓器低壓側成為電源；DGS的類型（同步機、異步機）及運行條件影響電壓控制。 文13提出了通過負荷控制實現電壓控制的理論。與現有三種電壓控制方式（即減小線路阻抗、在關鍵時刻限制發電機出力、功率因子控制（PFC）比較分析發現，新建立的控制方式經濟性好、靈活性強，能動態跟蹤電壓波動。且負荷控制理論為

8、配電網朝著監控智能化、自動化、靈活化方向的發展注入更多的新內容。 文14基于分布式發電穩定性建模的研究方法將DGS視為備用電源、削峰和電網測量應用三個模塊。在輻射狀電網中，通過機械或電力電子轉換開關來實現DGS作為備用電源投入，削峰和電網測量應用模塊則視為“負”負荷。在網狀配電網中，為適應基于輻射狀網絡穩定性分析算法，將恒壓源代替DGS，并在機組的出口處安裝斷路器。 文15以一個11kV的輻射狀配電網為算例，分別改變DGS及故障點位置，仿真計算出系統發生不對稱故障（單相接地、兩相短路、兩相短路接地）時發電機機端電壓、定子電流和轉子角度（DGS的轉子相對于無窮大母線的角度）。仿真計算結果表明，發

9、生不對稱故障時，故障點距離DGS越遠、故障臨界切除時間越長，系統越穩定；在轉子角度達到150°后，系統的瞬時穩定性能變差。 風電場由于其空間的分散性和隨機性不可調，并網運行方式下系統穩定運行的經濟性和可靠性下降16。文17考慮了風力發電機容量與配電網短路容量（短路電流有效值與短路處的正常工作電壓的乘積）的比值對電壓穩定性的影響，該比值較高的電網在有利的運行條件下能成功地調節電壓，而電壓穩定特性可能又是限制該比值繼續增加的重要因素。文 18介紹了風電場接入一弱農場電網的實例，指出低短路容量和高R/X（聯絡線阻抗Z=R+jX）比值將使得系統穩態電壓發生較大的變化。文19指出風電場并網運行

10、后將影響有載調壓變壓器的AVC的正確動作，影響程度主要取決于風力發電機容量的大小、機端補償電容器組投切規則和并網點位置。文20提出了在風力發電機機端出口處或風電場并網處安裝無功補償電容器，不僅有助于AVC維持電壓在預設范圍內，還有助于降低網損。 文21 借助于電力系統計算軟件包（ERACS）進行的仿真計算表明，在保持電壓穩定、減少線路能量損耗和改善電網系統頻率特性方面，分布式發電與傳統的調節變壓器的分接頭的方式相比，前者在技術上更有效、更實用。3.2 對繼電保護的影響 分布式發電接入配電網后，輻射式的網絡將變為一遍布電源和用戶互聯的網絡，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負荷。配電網的根本性的

11、變化使得電網各種保護定值與機理發生了深刻變化。 文22提出，故障發生時為確保保護裝置正確動作，應切斷電網中的DGS。從而引發以下問題：過電流故障的切除與DGS的切斷在時限上的配合；自動重合閘開斷時間間隔內，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，變壓器空載運行，電纜對地電容與變壓器側的線圈發生鐵磁諧振，產生不規則的高電壓大電流嚴重威脅線路的電力器件。 文23借助于電磁暫態計算程序（EMTP）仿真分析了分布式同步電機（SG）和感應電機（IG）在配電網中對保護定值的影響。仿真結果表明，DGS的聯網影響了故障切除時間，SG的臨界切除時間雖然大于IG的，但兩者的臨界切除時間低于配

12、電網沒有DGS時的故障切除時間。 文24詳細討論了保險絲保險絲、保險絲自動重合閘、繼電器繼電器三類保護裝置的配合問題，配合的協調性取決于DGS的容量及其位置的分布。 DGS與主電網的失步（Loss of Main，LOM）會導致DGS過負荷，頻率和輸出電壓下降，嚴重影響了電能質量。文25-26 在比較幾種失步檢測技術方案優缺點的基礎上，提出了以微處理器為基礎，通過測量DGS的輸出功率的監測電能質量的方法。文27設計了一種基于頻率變化率的數字式DGS繼電保護裝置，通過改善靈敏度和時間響應特性，實現DGS與主電網的失步保護。這種基于數字的綜合保護包，能智能地組織、協調內部各種邏輯組件的功能，實現過

13、/低電壓保護、過/低頻保護、中性點電壓偏移保護以及識別DGS是否處于孤島（Island）狀態。 DGS失去接地（Loss Of Earth）保護是配電網一個潛在的危險，文28介紹了一種檢測DGS接地的新技術，它利用發電機的寄生阻抗來判斷DGS是否接地。該技術為運行時未正確接地的DGS提供了可靠、靈敏、快速的保護。3.3 電能質量分析 DGS聯網運行可能引起系統電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變等電能質量問題。在電能質量的標準上，文29提出了一套適合于大型重要的電力用戶（包括DGS）的電能指標，它不是基于用戶數量的大小，而是綜合考慮系統峰荷特性和用戶消費電力的斷續頻率（Interrupt Freq

14、uency）。文30分析了由電網的故障水平、X/R的比值、發電機的類型及原動機的不同而導致的穩態電壓偏移、暫態電壓閃變、電壓波形畸變、相電壓不平衡。文31分析和研究了風電場并網運行時，風電場風速擾動、風電場容量、電網R/X的比值特性以及并網點短路容量等因素對電能質量的影響。3.4 運行與控制 文32討論了小規模電力網絡的分散控制系統的分析與設計。借助于單信道分析與設計（Individual Channel Analysis and Design，ICAD），以四臺發電機并聯運行的一小規模電力網絡的控制系統為算例，分析了小信號動態特性和控制系統的工作性能。這為分布式發電聯網運行的控制系統提供了理

15、論基礎。文33分析了DGS的三種勵磁控制器：電壓跟蹤模式，滯后的功率因數為系統提供了較好的電壓特性，但反映電壓降落不夠靈敏；電壓控制模式，發電機和穩定性條件限制了其應用；電壓支持模式，對于改善電網的電壓特性具有巨大的潛力。文34介紹了用于DGS的三相脈沖寬度調制（PWM）逆變器的電流控制器。仿真結果表明，利用迭代學習控制（Iterative Learning Control，ILC）的循環反饋，可有效地消除采用次振蕩（Suboscillation）PWM方法在空載條件下所引起的電流波形畸變以及穩態電流幅值和相位的誤差。3.5 電網損耗分析 電網的損耗主要取決于系統的潮流，DGS影響系統的潮流分

16、布，也必然影響電網絡的損耗。分布式發電可能增大也可能減小系統損耗，取決于DGS的位置、DGS容量與負荷量的相對大小以及網絡的拓撲結構等因素。文35提出的兩種網損分配方案（Loss Allocation Schemes）¾¾臨界損耗系數法（Marginal Loss Coefficient）和直接損耗系數法（Direct Loss Coefficient），彌補了傳統置換法（Substitution Method）的不足。對于DG在MV級電網資源優化配置的問題，文36采用遺傳算法分別解決了系統網損最小、電網改造升級投資最少和發電機耗費（燃料、維修等）最省的問題。3.6 其他方

17、面 其他方面包括分布式發電機組之間分布互聯模型的分析方法與規則的探討37,38，含有DGS的配電網的規劃與設計39,40、動態仿真41、潮流的配置模型42，分布式發電的市場體系、相應的法律、法規和行業規范43-46。4 分布式發電的未來研究方向 分布式發電作為國際上電力系統的一個前沿研究領域，其研究的重點集中在分布式發電對電力系統的影響。有鑒于此，本文從以下幾個方面對分布式發電今后的研究方向做了闡述： （1）現有分布發電技術的完善和新型技術的研發，如開發新的電解質材料和催化劑，提高燃料電池的性能、使用壽命、性能價格比等。 （2）采用新的算法（如遺傳算法等）建立分布式發電的等值模型，研究分布式發

18、電的極限功率及其對電力系統穩定的影響，研究分布式電源故障時對電網暫態的影響及相應的控制策略。 （3）通過負荷灰色預測技術、專家系統預測技術、神經網絡預測技術及小波分析預測技術建立精確的隨機性負荷模型，從而建立分布式發電的發電量預報。 （4）以分布式發電的發電量預報為基礎，從隨機最優控制原理出發，結合智能控制（人工神經網絡、模糊控制、遺傳算法）及現代控制理論，建立分布式發電的自動發電的隨機最優控制模型及電壓、頻率隨機自適應控制模型。 （5）基于全球定位系統（GPS）技術、通訊技術、數字信號處理（DSP）技術以及電力系統的動態測量和在線監測技術，實現含有分布式發電的配電網動態監測、靈活跟蹤和調度控

19、制。 （6）建立新型電力公司與用戶的關系體系，妥善研究和制定與分布式發電有關的法律、法規和行業規范，研究分布式發電對電力市場的影響。5 結論 本文介紹了分布式發電技術及其在電力系統中的應用研究的新進展?？偟膩砜?，隨著電力系統規模的日益擴大、用戶對電能需求的日益增大，分布式發電作為一種具有競爭力的發電方式必將在現代電力系統中占有越來越重要的地位。可以預見，分布式發電將是21世紀電力工業發展的方向。歐美少數發達國家對分布式發電這一前沿課題已展開了深入地研究。而在我國，分布式發電技術的研究尚處于起步階段47-50，因此，如何縮短差距、開展課題研發是值得每一位電力科技工作者認真思考的。參考文獻1 Ac

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