分布式发电及其对电力系统分析的影响.pdf

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1、1 8 华北 电力 技术 NOR TH C HI NA E LE C TRI C P OWE R 综 述 分布式发 电及其对 电力系统分析的影响 Di s t r i b u t e d Ge n e r a t i o n a n d I t s I mp a c t o n Po we r S y s t e m An a l y s i s 武 汉 大 学 电 气 工 程 学 院(湖北 武汉 4 3 0 0 7 2)刘正谊 谈 顺涛 长 沙理工大学 电气 与信息学院(湖南长沙 4 1 0 0 7 6)曾祥君 摘要：介绍分布式发 电的概 念及 其特点，分析各 种 分布 式 电源的特 性和动

2、 态模 型，重 点分析 了分 布式 电源加入 电网对 电力 系统 分析 的影 响，以及 一些可再 生能源 中产 生的直流 电源通过 逆 变器对 电力 系统分析 的影响。最后 对分布 式发 电加入 电 力 系统后 对 电力 系统 分析 的影响进行 了总结。关键词：分布式发 电；动 态模型；系统潮流；逆 变器 中图分 类号：TM6 l 文 献 标 识 码：A 文 章 编 号：1 0 0 3 9 1 7 1(2 0 0 4)1 0 001 8 一 O 3 现 在全世 界 的供 电系统 都是 以大机 组、大 电 网、高 电压为 主要 特征的集 中式单一供 电系统。全 世 界 9 0 9 5 的电力 负

3、荷 都 由这 种 集 中单 一 的大 电 网供 电。但 是 当今社会对 能源与电力供应 的质量 与安全 可靠 性要 求越来 越 高，大 电网 由于 自身 的 缺陷其单一供 电 已不能满足这种要 求。(1)大型互 联 电力 系统 中，局部事 故极易扩散。由于大 电网中 任何一点 的故 障所产生 的扰动都会对 整个 电网造 成较大 影 响，严重 时 可能 引起大 面积停 电甚 至是 全 网崩溃，造 成 灾难 性后 果，这 样 的事 故在 2 0 0 3 年美加事 故 大停 电 中就 有发 生；而且这 种大 电 网 又极易 受到 战争 或恐怖 势力 的破 坏，严重 时将危 害 国家 的安 全，如科索

4、 沃 战争和 刚刚结 束 的海 湾 战争等。(2)集 中式大 电网还不能灵 活跟踪 电力负 荷 的变 化，而为 了短暂 的 峰荷建造 发 电厂其 花费 是 巨大的，经 济效益也非常低。随着 负荷峰谷差 的 不 断增 大，电网的负荷率正逐 年下降，发 输 电设施 的利用 率都有下 降的趋 势。(3)大 电网的发 展不能 满 足对环 保和需求 的限制。目前，大 电网与分布式 发 电(d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n)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 系统安 全性 和 灵 活性

5、的 主要 方法，是 2 1 世纪 电力 工业 的发展方 向。口 分布式发 电：指 的是在用户附近配置较小的发 电机组(几十千瓦到几十兆瓦)，以满足特定用户的 需要或支持现存配电网的经济运行。这些小 的机组 包括燃料 电池(f u e l c e l l s)，微 型燃 气轮机(mi c r o t u r b i n e)，光伏 电池(p h o t o v o h a i c)和风力发 电等。加入 分布式发 电的集 中供 电系统一般有 以下 优 点：(1)分布式 发 电系统 中各 电站相互 独立，由 于用户可 以 自行控制，不会 发生大规模停 电事 故，所 以安全可 靠性较高。(2)分 布式

6、发 电可 以弥补大 电网安 全稳 定性 的不足，在 意外 灾害发 生时继 续 供 电，已成为集 中供 电方式 不可缺少 的重要补 充。如 1 9 8 6年 5月 2 0日，英 格 兰某 地 区的 6条 4 0 0 k V 线路 因雷击 而断开，由于在 5 mi n内在负荷区 投入 了 1 GW 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。(3)可对 区域 电力 的质量和性 能进行 实时监控，非常适合 向农村、牧 区、山 区，发 展 中的 中、小城 市或 商业 区的居 民供 电，可 大大减小环保压力。(4)分布式发 电输 配 电 损耗很 低，甚 至没有，无需 建

7、 配 电站，可 降低或 避 免 附加 的输 配 电成本，同 时土 建 和安 装 成本 低。(5)可 以满足特殊场合 的需求，如用 于重要 集会 或 庆典 的(处于热 备用状 态 的)移 动分散 式发 电车。(6)调 峰性能 好。1 分 布式 电源 的特 点 及 数学 模 型 1 1 燃 料 电 池 燃 料 电池是 一种 在恒定 温度 下，直接将 存储 在燃 料 和氧化 剂 中的化学 能高效、环 境友 好地转 化 为电能的装置。它并不燃烧燃料，而是通过 电化 学 的过程将燃料 的化学 能转化为 电能。燃料 电池 可按 电解 质 的性 质分 为许 多类：聚合 电解 质膜 电 池(P EM)、碱 性

8、燃 料 电池(AF C)、磷 酸 型燃 料 电 本 文作 者还有 湖南 娄底 电业 局的 张移星 和湖 南金竹 山 电厂 的谢小 红。本 文论 及项 目为 国家 自然科 学基 金项 目(项 目号 为 5 0 2 0 7 0 0 1)和湖 南省 教育厅 的 重点项 目(项 目号 为 0 2 A0 3 2)。维普资讯 http:/ 华 北 电 力技 术 NORTH C HI NA E L E CTR I C P OWE R 1 9 池(P AF C)、固体 电解质燃 料 电池(s OF C)和熔 融 碳酸盐燃 料 电池(MC F C)，其 中磷 酸 型燃 料 电池 最接 近商业 化，新一 代 的熔

9、融 碳酸 盐燃 料 电池 和 固体氧化物燃 料 电池则被认 为最值得推荐用 于 电 力系统 的发 电 。燃料 电池 具有 以下特 点：(1)效 率高且不受 负荷 变化 的影 响。(2)清 洁无污染、噪 音低；(3)安 装周期短、安装位置灵 活，可省 去配 电 系统 的建设。燃 料 电池与 集 中式 机组 相 比较，它适 应 负荷 变化 的能力 很 强，当负 荷 在 2 5 1 0 0 范 围 内 变化时，电池效率不受 影响，而且跟踪负荷变 化的 速度很快，但是它 的化 学能是有 限的，转化 的电能 越多，能量消耗得越快，即满 足以下关系式：P E(1)式 中 P 每个燃 料 电池组 的功率；燃

10、料 电池 组的个数；E 燃料 电池 的总功率。燃料 电池的 电压数学模 型可参考文献 3 ，其 表示如下：E 斗 T R (2)一(3)式 中 E 燃 料 电池 的电动势；E 温度为 丁时 的标准 电动势；丁 燃 料 电池的运行温度；R 气 体常数；F 法拉第常 数；掮，掮 o 输 出 的 H ，O：，H O 的摩 尔 比；R c 电池的欧姆 内阻。1 2微型燃气轮机 微型燃气 轮机 是指 功率 为数百千瓦 以下 的 以天 然气、甲烷、汽油、柴 油 为燃料 的超 小型燃 气 轮机。满 负荷运行 时效率 可达 到 3 0，实行 热 电 联 产，效率 可提高到 7 5 。微 型燃 气轮 机 的特点

11、 是 体积小、质量轻、发 电效 率高、污染 小、运 行维护 简单。它 是 目前最成熟、最具 有商业竞争 力的分布 式 发 电 电源。这种分 布式 发 电机组 的特性 和集 中式 发 电机 组 相 似，可 以统 一 调度，但 是在 热 电联产 的情 况 下，微 型燃气 轮机 的各 种输 出必须满 足 热量 的需 要(如式 4)，并且 它 的功率变化 有一定 的时间，即 功率变化速度 有一定 的限制(如式 5)。P P P (4)P P 。(5)式 中 P 功率的变化；P 。功率变化 的限制。这种 分布式 电源 的动态模型 和集 中式 发电机 组相似，可写成 以下形式l 5 ：P 一 警 (6)P

12、 roi n m Proo,一(1 一 1 )(7)式 中 P 原 动机功率；P 发 电机输 出功率；P 。，P 原动机 的输入、输 出功率；，发 电机组送、受端 的角速 度；R 发 电机 的阻抗。1 3光 伏 电 池 太 阳能光伏 电池发 电是利用半导体材 料的光 电效应直接 将太 阳能转换 为 电能。白天发 电的盈 余倒送 电网，晚间用 户从 电网取 电。采用光伏 电池 发 电具 有不 消耗燃 料、不受地 域 限制、规模灵 活、无污染、安全 可靠、维护简单 等优点。但是，光 伏 电 池 的转换 效率低。光伏 电池 的输 出功率受 日照强 度、电池结 温 等 因素的影 响，不能调度，而且 系

13、统 的频 率和 电压 对其 基本 上没有影 响。P 一F(-厂，U)(8)式 中P 光 伏 电池输 出功 率；-厂 系统频率；系统 电压。1 4风 力 发 电 风力发 电技术 是将 风能转化 为电能的发 电技 术。也是一种 清洁能源。和光伏 电池一样，它 的输 出功率 由风能决定。风力 发 电机 可采 用 同步 电机、感 应 电机 或者 直 流电机。由于其输入功率存 在 固有 的不平衡性，风 力发 电在一 定程 度上 可起 到蓄 能作用，一 般风 力 发电机输 出的交 流电经过整流后 向蓄电池组充 电，然后通 过逆变器连人 电网。其 数学模 型可 由两 个 相连的动态分 量来表示嘲：C。OG-

14、(D毗G DT)CO GCO G-t一+壶 丁 一 P。一 =_ 一 十 w 一 G (9)一 一 G+T (1 0)厶 =D T 一 DT 十 1丁 (1 1CO G-)一 十 维普资讯 http:/ 2 0 华北 电 力技 术 NORTH C HI NA EL E C TRI C P OWER No 1 0 2 0 0 4 式 中 角速度；丁 转 矩；下标 G，T 发 电机、汽轮机；K，D 轴 的硬度 系数、阻尼 系数。2 接人 分 布 式 电源对 系 统 分 析 的影 响E T 接人分布式电源后，电力网络由一个放射状 网络 变为一个遍布电源和用户互联的网络。传统配电网中 的功率方向总是

15、由配电变压器流 向用户侧，比如对一 条 1 0 k m 长的馈线上的均匀 1 0 Mw 负荷供电，功率 将从变电站逐渐下降直到末端，如图 1所示：图 1 无 分布 式 电源 时馈线 上 的 负载 如 果 在 馈 线 的 中点 安 装 一 台 容 量 为 8 Mw 的分布式 发 电机 组，这 时功率将 从 分布式 机组 流 向变 电站，见 图 2。图 2在 中 点 舍 有 1 0 M W 分 布 式 电 源 时馈线 上 的 负载 在 这种情 况 下，我们看 到在 这条 馈线 上 出现 了一个 功率 为零 的点，这 可能增 加运 行 和保护 的 难度。特别 是 当馈线上连 接的分布式 电源的功率

16、大于负载 的功率时，则 功率将反 向地 流过变压器，这种情况一般 是不允许 的。即一般要满足：P 0 (1 2)式 中P，从 母线 到 的有功功率。而且，接人分 布式 电源后 的系统 既要 考虑 重 载 与分 布式 电源关 闭，又要 考虑 轻载 与分 布式 电 源出力最大 的情 况，因此对 调压要求很 高。这可能 要求 电源本 身具 有很强 的无 功调 节功 能，或者 增 加 新的无功调 节装置。但是无功控 制的效果常 因 较低 的 X R值 而不理想。也许，串联 补偿装置对 电压调节 的作 用较 明显，但 在负 荷侧 出现 短路故 障 时的保 护是一个还有待解 决 的问题。3 逆变器对系统分

17、析的影 响 与集 中式 发 电机组 不 同，有些 分 布式 电源 不 能发 出无功，比如一些 风力发 电装 置，大多采 用感 应发 电机，需要 系统提供无 功支持。如式(1 3)：Q 一 F(P)(1 3)像光 伏 电池等 可再生 能源 输 出的是 直流 电，必需通过逆变 器转换 为交流 电，再 与系统 相连。通 过逆变器后 的有功功率是 由可再 生能源和换流 器 的效率决定 的，如式(1 4)所示：P，一 r I PD c (1 4)大多 数逆 变器输 出的仅仅 是有 功，而不 能输 出无功。但 是对 于一个 已经 给定 的有 功功率 P ，则 逆变 器的无 功功率 输 出 Q 就 由视在

18、功率 S来 决 定。有时候也 可以通 过控制功率 因数来决定输 出无功 的大小，比如在 文献 E 9 中提 到的控制逆变 器的功率 因数 为 0 8 5。4结 论 随着 电力 体制改 革 的发展，分 布式 发 电也可 为一些用 户提 供另 一种 选择，使其 更 能适应 易变 的电力 市场。此外，由于分布式发 电设 施的安装周 期 短，不需要 现存的基础设施，而且 与大型 的中央 电站及发 电设 施相 比总 投资 较少，因此在 电力竞 争性 市场建立后 分布式发 电的作用将 会 日益 明显 和重要，从 而可与 现有 电力 系统结 合形 成一个 高 效、灵 活 的 电力系 统，提高 整 个 社会

19、的能源 利 用 率，提 高整个供 电系统 的稳定 性、可靠性和供 电质 量。但 是在分 布式发 电技术广泛应 用到现存 的电 力 网正成 为一 种趋 势时，必须 了解 分 布式 发电 的 特性，从 而进 行分 布式 发 电系统 并入 电网后 的影 响分析。应该看 到分 布式发 电的引入必将对 电力 系统 的需求侧管理、继 电保 护、安全稳 定控制 以及 运行分析 等方面产生深 远 的影响。参 考文献 1 梁有伟，胡志坚，陈允平 分布式发电及其在电力系统 中的应 用研 究 综述 电 网技术，2 0 0 3，2 7(1 2)：7 1 7 6 2 梁 才 浩，段 献忠 分 布式 发 电及其 对 电力

20、 系 统 的影 响 电 力 系统 自动 化，2 0 0 1，2 5(6)：5 3 45 6 3 GJ Ha t z i a d o n i u，AAL o b o，F P o u r b o g h r a t A S i m p l i f i e d Dy n a mi c M o d e l o f Gr i d -c o n n e c t e d Fu e l-c e l l Ge ne r a t o r s I EEE Tr a n o n Po we r De l i v e r yVo 1 1 7 (下 转第 2 3页)维普资讯 http:/ 华北 电力 技 术 NOR TH

21、 C HI NA E L EC TR I C P OW E R 2 3 表 1列 出 了电网 中 5 0 0 k V 节 点 的电压 比对 情 况。表 1 潮 流计 算 中 的节点 电压 比较 表 k V (。)节 点名称 软件名 称 BPA EU R0STAG 分析表 明，无功功率 的误 差(或节点 电压有 效 值 的误差)主要来 自于 2个 软件 对 P V 节点 的定 义不完全 一致。从这一 点上讲，EuROS TAG 的处 理更贴近 于运行实 际。3 2 暂态计算 比对 为 方便 起 见，本 文 计 算 了系统 中 5 0 0 k V 母 线发 生三相 永久 性故 障时 的故 障极 限

22、持续 时 间，表 2分别 给出 了 B P A 和 E UROS TAG 的计算 结 果，表明在暂态稳定 计算 中 E UROS TAG 与 B P A 的 误 差 很 小。表 2 故 障极 限持续 时 间对 照 表 S 3 3长期计算 励磁调 节器、调 速器、P S S以及 负荷特性 的中 长期 计算 算例 表 明，EUROS TAG 具 有 良好 的计 算性能。由于中长期 的稳定计算 目前在我 国电力 生产 实际 中 尚没 有真 正展 开，所 以无 法考 证计算 结 果 的准确性，因此 这 里没 有列 出 E UROS TAG 此项 的计算 结果。4 结 语 本 文针 对 EUR OS T

23、AG 的 实 际工 程 应 用 问 题 提 出 了 由 B P A 向 E UROS TAG 数 据 进 行 转 换 的 一 些 技 术 问 题，通 过 对 华 北 电 网 这 样 的大 型 区域 电 网的暂 态 计 算，证 明 了 E UROS TAGA 良好 的暂 态 计算 性 能。然 而，E UROS TAG 作 为 一个 电力 系 统 中 长 期 计 算 软 件，它 的 主 要 优 势 在 于 计 算 故 障后 的 长 过 程，在 电压 崩 溃 事 故 频 繁 发 生 的 今 天，E UROS TAG 将 具 有 广 阔 的 应 用 前 景。收稿 日期：2 0 0 4 0 4 1 2

24、作者 简介：金海 峰(1 9 7 6-)，女，华 中科 技大 学 电力 系统 自动 化专、I 毕、I，硕 十学 位，从事 电 力系统稳 定研 究 工作。坐 业坐业 坐 坐坐 坐坐 t t (上接第 2 0页)No 2 A p r i l 2 0 0 2 4 6 7 4 7 3 4 郑 健 超 电力 前 沿技 术 现状 和 前 景 中国 电力，1 9 9 9，3 2(1 0)：9 1 2 5 Bi n Qi u，Yi l u L i u，En g Ki a t C h a n L a n B a s e d C o n t r o l f o r l o a d s h e d d i n g

25、I EEE Co m p u t e r A p p l i c a t i o n s i n p o we r J u l y 2 0 0 1：3 8 4 3 6 R C h e d i e，N L a wh i t e a n d MHi t A Co mp a r a t i v e An a l y s i s o f Dy n a m i c M o d e l f o r p e r f o r ma n c e Ca l c u l a t i o n o f Gr i d c o n n e c t e d W i n d T u r b i n e Ge n e r a t

26、 o r s W i n d En gi n e e r i n g，Vo 1 1 7 No 4 1 9 9 4：1 6 8 1 8 2 7 冉 立 再 生 能源 发 电系 统接 人 电 网时需 要 考虑 的一 些 问 题 西安 交 通 大学 学报，2 0 0 3，3 7(8)：7 7 1 7 7 6 8 E d r i s AF AC TS T e c h n o l o g y D e v e l o p me n t：a n u p d a t e I EEE Po we r En gi n e e r i n g Re v i e w，2 0 0 0，2 0(3)：4 9 r 9 Re c o mmc n d e d P r a c t i c e f o r Ut i l i t v I n t e r f a c e o f P h o t o v o l f a i c(P V)Sy s t e m s I EEE 9 2 9 2 0 0 0 St a n d a r d，2 0 0 0 收 稿 日期：2 0 0 4 0 5 3 1 作 者简 介：刘 正谊(1 9 7 7 )，男，硕 士研 究 生，主要 从 事 电力 系 统 运 行与控 制方 面的 研究。维普资讯 http:/