分布式发电及其并网技术综述_刘杨华

第32卷第15期 2008年8月电网技术 Power System Technology

文章编号：1000-3673（2008）15-0071-06 中图分类号：TN72 文献标识码：A 学科代码：470·40

Vol. 32 No. 15

Aug. 2008

分布式发电及其并网技术综述

刘杨华，吴政球，涂有庆，黄庆云，罗华伟

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082）

A Survey on Distributed Generation and Its Networking Technology

LIU Yang-hua，WU Zheng-qiu，TU You-qing，HUANG Qing-yun，LUO Hua-wei

（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，Hunan Province，China） ABSTRACT: In this paper the history and present situation of the application of distributed generation resources (DGRs) and its networking technology are summarized in brief; the features of main DGRs, their latest development and application situation are presented. The main research achievements of existing networking technology for distributed generation (DG), as well as the connection technology for networking of DG, the system planning, design and optimization of power system containing DGRs, the analysis, operation control, island detection, emergency control and relay protection of power system containing DGRs and so on are emphatically introduced. Besides, in order to provide reference for the application of DG technology in power system, the development trend of DGRs and their networking are pointed out.

KEY WORDS: power system；distributed generation resources (DGRs)；distributed generation (DG)；distribution network；networking technology

摘要：简要概述了分布式电源及并网技术应用的历史与现状，介绍了主要分布式电源的特点及其最新发展与应用情况，重点介绍了已有的分布式发电并网技术的主要研究成果：分布式发电并网的接口技术；含分布式电源的系统规划、设计及优化；含分布式电源的系统分析与运行控制；孤岛检测、紧急控制与继电保护等。同时指出了分布式电源及并网技术研究的发展趋势与未来方向，为分布式发电技术在电力系统中的广泛应用提供了参考。

关键词：电力系统；分布式电源(DGRs)；分布式发电(DG)；配电网；并网技术

式发电总容量为67 GW，约占美国国内总发电量的

7%，达世界平均水平；欧洲分布式电源(distributed generation resources，DGRs)的发展在世界处于领先水平；丹麦、荷兰、芬兰DGRs的发电总量分别占国内总发电量的52%、38%和36%[1]。

分布式发电具有投资少、占地小、建设周期短、节能、环保等特点，对于高峰期电力负荷比集中供电更经济、有效[2]，故分布式发电可作为我国集中供电的有益补充。作为备用电源，分布式发电可作为备用电源为高峰负荷提供电力，提高供电可靠性；可为边远地区用户、商业区和居民供电；可作为本地电源节省输变电的建设成本和投资、改善能源结构、促进电力能源可持续发展。

分布式发电的应用与能源、技术发展、环保和电力市场的放开等都有关系，其并网应用对传统的电力系统分析、控制及保护等的影响深远，进一步可能引发电力市场电价、用户侧管理等方面的变革。

本文在简要概述分布式电源及其并网技术应用情况的基础上，介绍主要分布式电源的特点、最新发展情况和研究成果，主要涉及分布式发电并网的接口技术，含分布式电源的系统规划与设计及其优化，含分布式电源的系统分析、运行与控制，孤岛检测、紧急控制与继电保护等方面。最后指出分布式电源及并网技术的未来发展趋势与方向。

1 DGRs技术的发展和应用情况

1.1 DGRs技术的发展

DGRs通常指功率为数千瓦至50 MW小型模块式、与环境兼容的独立电源，由电力部门、用户或第三方所有，以满足电力系统和用户的特定要求[2-4]。

0 引言

20世纪80年代末，美国、欧洲等国纷纷开始采用分布式发电(distributed generation，DG)，全球电力工业出现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。2004年，美国分布

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过去的DGRs有用户紧急备用的小型柴油发电机、早期燃煤的自备电厂小热电等[3]，其因技术性能差、效率低、影响环保，逐渐被淘汰或取代。随着科技的发展、设备性能的提高、环保意识的进步、能源政策的引导、电力市场中发电侧开放，分布式发电具有以下特点：采用多种可再生能源发电，开拓了新的发电能源形式，缓解了能源危机；以清洁燃料替代传统化石燃料，减少了粉尘、CO2、SO2、废水、废渣等的排放；就地供能代替远距离输电，减少了输变电线路和设备的投入和维护费用以及线路、设备等产生的电磁和噪声污染。从目前的趋势来看，分布式发电还将朝着多样化、节能、环保的方向发展[5]。 1.2 DGRs的应用

目前，世界上DGRs主要有用液体或气体作燃料的内燃机、微型燃气轮机、各种工程用的燃料电池和可再生能源发电[4]。其中太阳能、风力发电、潮汐能等再生能源相对传统的化石能源具有地域分散和能量变化随机等特点，不便实现集中供能，而采用分布式发电形式可实现能源资源的地域互补和优化配置。

（1）微型燃气轮机。微型燃气轮机属内燃机，是目前最成熟、最具商业竞争力的分布式电源。以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型气轮机具有体积小、质量轻、效率高、污染小、运行维护简单等特点[6]。

（2）风力发电。风能是主要的分布式发电能源。全球可利用的风能为2×107 MW，比可利用的水能总量大10倍。我国风能储量大、分布广，仅陆地储量约有2.53×108 kW，计划2020年全国装机容量达2×107 kW[7]。世界风能市场近5年的增长速度为40%，风电成本已降至1980年的1/5，预计未来20~25a的年增长速度为25%。随着技术进步和环保事业的发展，风力发电在商业上与煤电的竞争力度还将增强。

（3）太阳能发电与光伏电池。光伏电池将可再生的太阳能转化成电能。2005年，德国太阳能发电总装机容量为1 570 MW(相当1台大型核反应堆)。同年，全球太阳能市场约112亿美元，比上年增加55％，据预测，2015年太阳能市场将达5l0亿美元。中国太阳能光伏发电成本在2010年有望与常规发电成本相当[8]。

（4）燃料电池。燃料电池通过电化学过程将化学能转化为电能，具有效率高、清洁无污染、噪

音低、安装便捷经济的特点。燃料电池按电解质可分为：聚合电解质膜电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、固体电解质燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。目前磷酸型燃料电池技术较成熟，已商业化；最有望用于电力系统发电的是新一代熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池[9]。

2 分布式发电并网的接口技术

中小容量燃气轮机发电、风力发电机组以及以直流电形式存在的太阳能光伏电池、燃料电池等分布式电源发出的电能无法直接供给交流负荷，须经一定的接口并网。分布式发电并网接口方式分电力电子逆变器接口和常规旋转电机接口2类，前者在体积、重量、变换效率、可靠性、电性能等方面均优于后者，目前主要装置是并网逆变器。

逆变器的拓扑结构是关键，关系到逆变器的效率和成本。逆变器拓扑结构的设计普遍存在如下问题：模块集成带来的寄生参数问题；高频化带来的开关损耗引起的效率降低问题；传统的逆变器采用工频变压器，具有成本高、体积大、逆变效率难以提高[10]等缺点。变压器及输出滤波器决定了逆变器的体积和重量，文献[11]在减小装置的的体积方面进行了改进，但尚属试验室仿真阶段，缺乏与其它相关技术比较，还有待在实际应用中接受进一步的检验。

此外，加强对逆变器的控制、提高输出电压波形质量和输出功率等也是考虑的重点。文献[12]对电压型逆变器进行控制，维持输出电压基本恒定，并严格保持其频率水平。文献[13]设计的综合控制器虽可保持负荷的外特性，但尚局限于恒功率负荷。文献[14]实现了逆变电源的并联同步运行，逆变电源之间的环流小。文献[15-16]都对400 Hz中频逆变器进行了研究，后者在提高频率的同时得到了较好的输出电压波形和较大的输出功率，取得了初步的实验成果，同时还实现了2台1.5 kW的实验样机的并联控制运行。

未来并网逆变器的研究还需朝减小体积、降低成本、全面提高转换效率、增强承受输入直流电压波动的能力、不断提高输出电能质量、确保逆变器的可靠并网运行等方面努力。

3 含分布式发电的系统规划与设计

分布式发电的接入对配电网的供电经济性和节点电压、潮流、短路电流、网络供电可靠性等都

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会带来影响，由此也对规划设计提出了新要求。国际上对分布式发电的宏观长期规划已有了初步研究[17]。具体规划设计方面，作为规划设计基础的选址和容量尤受重视，文献[18]考虑了发电的不确定性、馈线容量、电压水平以及三相短路电流的限值。文献[19]指出分布式电源的位置、准入功率、电网参数等对配电网过电压均有一定的影响。文献[20]基于一定的准入功率，讨论了辐射状城网、郊区、农网以及网格状的城郊混合电网中，分布式发电对故障水平、热稳定约束、额定电压水平、变压器分接头调节、网损等的影响。文献[21]根据双层优化理论建立了以准入功率最大化为上层优化目标、以满足电压约束为下层优化目标的计算模型。

分布式发电规划设计的综合优化问题也得到广泛、深入地研究。文献[22]采用遗传算法解决了系统网损最小、电网改造升级投资最少和发电机耗费(燃料、维修等)最省的优化问题。文献[23-24]用禁忌搜索法研究了分布式电源的优化配置，后者考虑DGRs与无功源以及网络重构问题的组合优化，研究了DGRs最大容量、常数输出或可控输出方式以及不同控制变量等的影响。文献[25]分析了分布式电源接入位置和接入功率功率对电网谐波的影响。文献[26]以分布式发电投资成本最小、系统网损最小和静态电压稳定裕度最大为目标，计及短路电流和系统旋转备用约束，优化配置了DGRs及其容量。文献[27]用遗传算法生成各种选址和定容方案，用基于支路交换模拟退火法规划扩展网络，并对规划结果进行了经济性评估。