北极星智能电网在线：配电网分布式电源可再生能源的优势与挑战

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分布式发电技术及其对电力系统的影响

北极星智能电网在线

关键词：配电网、分布式电源、可再生能源

0 简介

我国目前的供电系统是集中式单一供电系统，其主要特点是“大机组、大电网、高电压”。这种集中发电、远距离输电、大电网互联的电力系统存在一些缺点：①技术复杂，管理水平要求极高，安全稳定性不足。电网任何一点的故障都可能造成大面积停电、全网崩溃，如1987年东京大停电、2003年8月14日美国、加拿大大停电； ②不能满足现行环境保护的要求和限制。我国目前以火力发电为主，发电过程中产生大量大气污染物、温室气体和粉尘，对环境造成极大污染。近年来，由于人们对电磁污染的担忧，建设新的输电走廊变得极为困难； ③集中发电无法灵活跟踪负荷变化。随着社会的发展和人民生活水平的提高，近年来出现了夏冬用电“缺电”的情况。为这些短期峰值负荷建造新发电厂的成本非常高，经济效益也很低。近年来，分布式发电因其投资低、发电方式灵活、环境兼容等优点而备受关注。其与电网的联合运行可以提高系统的经济性、安全性、可靠性和灵活性，满足可持续性的要求。可持续发展的要求，大大减轻了环境保护的压力。

1 分布式发电的定义

目前，分布式发电的定义尚未统一。一般认为，分布式发电DG（）是指满足用户特定需求、支撑现有配电网经济运行、或同时满足两方面要求的发电方式，供用户使用。用户。可在现场或靠近用户现场配置从几千瓦到50兆瓦的小型环保发电机组；从更广泛的定义来看，分布式发电是指安装在用户附近的任何发电设施，包括热电联产、冷热电联供以及各种储能技术等，无论这种发电形式的规模大小和类型所使用的一次能源11 J. 分布式发电的其他一些定义如下：

&;连接到配电网的任何发电设施。

&;商业备用柴油发电机，例如安装在医院和酒店的柴油发电机。

&;家庭备用发电机。

&;电力公司在变电站安装的发电设施，用于提供电压支持或提高系统可靠性。

&;在用户现场或附近配置功率从几千瓦到50兆瓦的小型发电设施。

&;安装在负荷中心或负荷中心附近的发电设施。

目前，这种新型发电方式还没有统一的官方名称。在英国国家习惯上称为“嵌入式发电”（ ）；在北美，它被称为“分布式发电”（ ）；在欧洲和亚洲的一些国家，它被称为“非集中发电”（ ）。

2 分布式发电的分类

分布式发电按照发电能源是否可再生分为两类：一类是利用可再生能源的DG，主要包括太阳能光伏、风能、地热能、海洋能等发电形式；另一种称为DG，利用不可再生能源。能源DG主要包括内燃机、热电联产、内燃机、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。下面将介绍目前备受关注的几种分布式发电技术：

2.1 燃料电池

自1839年W.格罗夫发明燃料电池以来，它的开发和使用已经有150多年的历史。燃料电池是一种无需燃烧，通过电化学反应直接将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般电池类似，如图1所示。它基本上由电子导电的阴极和阳极以及离子导电的电解质组成。在电极和电解质的界面处，电荷载流子从电子转变为离子，并在阳极（燃料电池的负极，也称为燃料电极）发生氧化反应。当燃料扩散通过阳极时，它会失去电子并产生电流。还原反应发生在阴极（燃料电池的正极，也称为空气电极）。当燃料和氧化剂从外界不断输送时，燃料氧化释放的能量不断转化为电能和热能。

根据所用电解质的类型，燃料电池大致可分为六种类型：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。与传统发电方式相比，燃料电池具有以下优点：①不受卡诺循环限制，能量转换效率高； ②发电效率可达50%～60%，可组成10～50Mw的联合循环发电系统。发电效率达到70%以上； ③与传统火电机组相比，C02排放量可减少40%~60%，N0. Sq排放量非常小； ④小型高效，可提高供电可靠性； ⑤ 噪音低，电能质量高： ⑥ 适应负载变化能力强； ⑦燃料电池可使用氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、汽油、柴油等； ⑧ 模块化结构，扩容扩容方便，建厂时间短； ⑨ 占地面积小于1m2，kW； ⑩ 自动化程度高，可实现无人操作。

2.2 风力发电

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。由于风力发电具有环保、可再生、全球可行、成本低廉、规模经济显着等特点，越来越受到人们的欢迎，成为增长最快的新能源之一。风力发电可分为离网型和并网型。风电并网是风电规模化发展的主要形式，也是近年来风电发展的主要趋势。并网风力发电通常由多台大容量风力发电机组组成风力发电机组，称为风电场（也称风电场或风电场）。因此，风电场具有机组规模大（50kW～2MW）、集中安装和控制的特点。风电场的主要设备是风力发电机，发电机通过变压器升压并接入电力系统。并网风力发电机主要由风力发电机和发电机组成。

①风力发电机组。风力涡轮机通过叶片捕获风能，并将风能转化为作用在轮毂上的机械扭矩。对于实际的风力涡轮机来说，它捕获风能并将其转换为机械输出功率。表达式为：

Pm=o。 (1)

其中：p为空气密度（卍僃3），A为风力机叶片扫过面积（m2），K为作用于风力机的迎面风速（In，s）， c为风能转换效率系数。风力发电机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求最大cD，从而提高输出功率。

②发电机。目前，风力发电使用的发电机主要有两种类型：同步发电机和异步发电机。最常用的发电机是异步发电机。异步发电机以其功耗低、可靠性高、无需励磁装置和电刷、结构简单、体积小、坚固耐用、基本无需维护等优点，成为风力发电系统的理想设备。

风力发电环境效益明显，可减少污染物气体排放；同时，在无电网地区可利用风电，为边远农村、牧区和海岛居民提供生活和生产所需的电力。

2.3 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池PV（Cell）发电技术利用半导体材料的光电效应，将太阳能直接转化为电能。白天产生的余电被送回电网，用户晚上则从电网取电。利用光伏电池发电具有无燃料消耗、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。光伏电池的输出功率受阳光强度、电池结温等因素影响，且无法调度。而且系统的频率和电压对其基本没有影响。任意时刻f的输出功率表达式为：

其中：I为总辐射强度，单位为w/m2，A为单个太阳能电池组件的面积，单位为m2，D为电池组件的额定转换效率。假设在f时刻，阵列中共有n个器件正常工作，则阵列输出的总功率为nP。

2.4 微型燃气轮机

微型燃气轮机是指功率25～75kW，以天然气、丙烷、汽油、柴油等为燃料的超小型燃气轮机。与现有发电技术相比，微型燃气轮机发电效率较低，满负荷时效率为30%，半负荷时为10%~15%。然而，如果采用热电联产，效率可以提高

增加到75%。微型燃气轮机具有体积小、重量轻、发电效率高、污染低、操作维护简单等特点。是目前最成熟、最具商业竞争力的分布式电源之一。

3、分布式发电对电力系统的影响。随着分布式发电越来越多地与大电网结合运行，对现代电力系统的运行和控制产生巨大影响。

3.1 分布式发电对电力系统电压的影响 分布式发电主要接入配电网。接入DG后，配电系统由放射状结构变为多电源供电结构。潮流的大小和方向可能会发生巨大的变化，导致配电网的稳态电压也发生变化，原有的调压方案在接入分布式电源后不一定能满足配电网的电压要求。因此，有必要评估分布式电源对电力系统电压的影响，以确保随着分布式电源的使用越来越多，不会给用户带来不良后果。潮流计算是定量分析这种影响的主要手段，但传统的潮流计算方法因没有考虑分布式发电的影响而失败。文献对异步发电机、无励磁调节能力的同步发电机、燃料电池等几种典型DG进行建模，提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法，适用于包含多种DG形式的多种电源。分配系统。

分布式发电对配电网电压的主要影响如下：

①分布式发电的接入将对配电网馈线的电压分布产生重大影响。具体影响与分布式发电的容量和接入位置密切相关。

② 相同渗透率（ Level）的分布式电源集中在同一节点，电压支撑效果弱于分布在多个节点的电源。

③稳态工况下，由于馈线上输送功率的减少和DG输出的无功功率支撑，馈线上各负载节点的电压升高。

以上讨论的都是分布式电源对配电网的影响。当风电场并网时，由于输入风电场的风能具有随机性，且风力发电大多采用异步发电机，需要从电网吸收大量的无功功率，很容易出现电网故障。造成整个电网的电压稳定性问题，甚至导致整个电力系统出现电压崩溃，而不仅仅是其所在的配电系统。例如，美国加利福尼亚州的风电场经常出现电压稳定性问题，导致电网无法接受风电并迫使风电场关闭。

3.2 分布式发电对电能质量的影响

分布式发电以电力电子技术为基础。大量电力电子变换器添加大量非线性负载，会造成电网电流、电压波形畸变，造成电网谐波污染。分布式发电对电网产生负面影响。电能质量主要影响两个方面：

①电压闪变。引起分布式发电电压闪变的因素包括：大型分布式机组的启动、分布式机组出力的短期剧烈变化以及分布式机组与电压反馈控制设备相互作用造成的不利影响。系统。

②引入大量谐波。由于分布式发电中使用了大量的电力电子器件，不可避免地会给系统带来大量的谐波。谐波的幅值和次数受发电方式和变流器工作模式的影响。文献分析了分布式电源对电能质量的影响，讨论了大型配电网引入DG后一些重要母线的谐波电压等级，提出可以在谐波电压等级较高的母线上安装专用滤波器来抑制谐波。 。虽然引入分布式发电会造成电压闪变并引入大量谐波，但分布式发电也具有改善电能质量的潜力。当与电网相关的负荷较大时，分布式发电可以快速投入使用，使系统尽可能地成为可能。减少故障，提高整个电网的稳定性，从而保证电能质量。

3.3 分布式发电对继电保护的影响

大多数配电系统，特别是在农村地区，都具有放射状结构。采用这种结构的主要目的是为了操作的简单性和过流保护的经济性。当分布式电源接入配电网后，放射状结构的网络将成为电源和用户互联的网络，潮流将不再从变电站母线单向流向各负载。因此，分布式发电将对配电网原有继电保护产生较大影响：

1）DG运行时，可能会造成继电保护失灵。 DG产生的故障电流可能会减少流过馈线继电器的电流，从而导致继电保护失效。

2）DG接入配电网后，继电保护可能误动作。相邻馈线中的故障可能会使原本没有故障的馈线跳闸​​。

3）改变配电网故障等级。故障级别是增加还是减少取决于运行中的分布式电源的数量和类型。故障等级的增加需要交换设备的升级。故障级别的降低可能会导致过流保护出现问题。因此，如果某个配电区域的分布式电源容量较大且故障电流变化较大，则必须增加其断路器的容量并升级保护装置。

3.4 分布式发电对电力市场的影响

电力行业的放松管制和电力市场的兴起，使得各种分布式发电方式能够在统一、开放的交易市场上公平竞争，从而为电力用户提供了多种选择：①不同的电力供应商； ②不同时间段用电量； ③供电质量不同： ④计量方式不同； ⑤ 不同的费率结构； ⑥ 支付方式不同； ⑦不同的用户侧管理方案； ⑨ 自发电或储存电。配网开通引入了售电市场u7J。售电市场的供电竞争给企业自备电厂和用户自行安装的分布式电源带来了商机。分布式电源用户在售电市场面临三大挑战：有三种选择：①从电网获取电力； ②自行发电，自给自足； ③自行发电并向电网售电。根据发电竞争市场的电价信息和零售电力市场的需求信息，用户可以充分利用自己的分布式电源，让其发挥更大的作用，产生更大的效益，提供供热、供电服务为自己或附近的用户。 。售电市场的建立将建立售电机制。任何形式的发电机都可以作为电力供应商，向零售电力市场提供电力产品，并在零售市场上公平竞争。

3.5 其他影响

分布式发电接入电力系统后，除了上述对系统的影响外，还存在一些其他问题需要进一步研究。例如，由于分布式发电的兴起，需要建立相应的法律法规和产业。规范建立普遍适用的DG和配电网并网标准；同时，为了实现DG系统之间、DG系统与配电网之间的相互协调以及分布式电源的调度，需要通信技术、GPS技术、DSP技术以及电力系统的动态测控。研究在线检测技术在分布式发电中的应用等。同时，有时DG也会对电力系统的可靠性产生不利影响。例如，在系统大停电期间，部分DG的燃料会中断，或者DG辅机的供电会丢失，DG也会被关闭，供电无法改善。可靠性;如果DG与配电网的继电保护配合不好，继电保护可能误动作，降低系统的可靠性；不合适的安装位置、容量和连接方式会降低配电网的可靠性。变坏等等。

4 结论

本文介绍分布式发电技术及其对电力系统的影响。随着公平竞争的电力市场的逐步建立，分布式发电的市场份额将越来越大，并将与现有电力系统结合，形成高效的电力系统。 ，灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用效率，提高整个供电系统的安全性、稳定性和可靠性。然而，分布式发电的接入必将对现代电力系统的运行和控制产生巨大的影响。必须对这些影响进行分析研究，制定相应的控制措施，为更好地发挥分布式发电的优势提供指导。 。

虽然我国目前的情况是集中式大电网，但未来电力发展的方向将是分布式发电。欧美一些国家已经认识到这一情况，并对分布式发电进行了广泛的研究。我国对此的研究还处于起步阶段。现阶段应鼓励更多相关人员加大分布式发电的研究力度。