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1、分布式发电、储能与微电网控制孙衢自动化学院主要内容认识电力系统分布式发电微电网及其控制储能技术-1-认识电力系统认识“电”电是一种特殊的商品（质量、数量）电能不能大规模存储每一瞬间电能的生产和消耗保持平衡负荷曲线（削峰填谷）-2-认识电力系统认识电网发电、输电（变电、配电）、用电电厂（水电站、火电站、核电站、风电场)钢铁企业.电网输电网（供电网）220KV,110KV,35KV,750KV配电网10KV-3-GenerationTransmissionDistributionLoadHydroelectric plant Fossil-fuelled plant Nuclear plant 认
2、识电力系统-4-电力系统稳定性与控制稳定性电力系统稳定性功角稳定性小干扰稳定性（电源、负荷）暂态稳定性（三相短路）电压稳定性（无功平衡）频率稳定性（有功平衡）-5-单机无穷大系统-6-单机无穷大系统传递函数框图-7-电力系统稳定性与控制送端关注功角稳定性（发电机）受端关注电压稳定性（负荷）振荡稳定性及控制低频振荡(0.22Hz)次同步振荡(略低于50Hz)抑制措施PSSHVDCFACTS-8-FACTS控制器-9-电网分析的相关内容网络拓扑潮流计算状态估计稳定性分析短路计算 .“电力系统博大精深！”-10-电网的发展方向区域电网互联坚强智能电网微型电网（微电网）接入配电网分布式发电（风力、太阳
3、能、生物质.)分布式储能-11-12-微电网典型结构-13-1 术语和基本概念和基本概念(1)分布式发电(2)新能源发电(3)微电网-14-分布式发电的定义国内：分布式发电（Distributed Generation）是指功率不大（一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、高效、可靠的自主智能发电形式。国外：DR(Distributed Resource)-分布式电源，非直接接入大输电系统的电源，包括发电机和储能DG(Distributed Generation)-分布式发电，是分布式电源DR的一个子集DG（Dispersed Genera
4、tion)分散式发电-15-分布式发电的特点分布式发电(DG)或分布式能源(DER)是一种分散、非集中式的发电方式，具有以下特点接近终端用户容量很小（几十 kW 至几十 M W）以孤立方式或与配电网并网方式，运行在380V 或 10kV采用洁净或可再生能源(天然气、沼气、太阳能、生物质能、风能小风电、或水能小水电)新能源发电VS.分布式发电新能源发电分布式发电：概念和内容上有发展DG大多利用新的能源和新型发电技术；利于环保；电源容量小，电压等级低；接近负荷中心，接入配电网；电力生产者和消费者合一，功率双向流动；运行方式灵活，可连接于配电网，也可不联网；比集中发电更可靠；在一批小型发电机组成的系
5、统中发生大的停电（高负荷、风暴、地震、恐怖袭击、战争）几率较小；-17-具有分布式发电的示范配电系统-18-微电网的定义微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。-19-微电网基本结构 微电网的结构示意图如图所示，微电网的结构示意图如图所示，它可能组成中压或低压配电网它可能组成中压或低压配电网的一部分，负荷通过分布式电的
6、一部分，负荷通过分布式电源供电。根据微电网的运行特源供电。根据微电网的运行特性，微电网可能通过性，微电网可能通过PCCPCC连接到连接到大电网并网运行，也可与之断大电网并网运行，也可与之断开进入孤网运行模式（开进入孤网运行模式（IsolatedIsolated Grid Grid，IGIG）。当微电网并网的）。当微电网并网的时候，微电网的运行和控制模式时候，微电网的运行和控制模式也在两种状态之间转换，即依赖也在两种状态之间转换，即依赖于大电网的模式（于大电网的模式（Grid DependentGrid Dependent，GDGD）和独立于大电网的模式）和独立于大电网的模式（Grid Inde
7、pendentGrid Independent，GIGI）。）。GDGD与与GIGI模式的区别在于微电网模式的区别在于微电网与大电网之间是否有功率交换。与大电网之间是否有功率交换。-20-微电网基本结构 片区微网片区微网片区微电网有两种，一种是城市网络，片区微电网有两种，一种是城市网络，另一种则是农村的馈线。前者主要用另一种则是农村的馈线。前者主要用于城市的繁华地区，后者则用于农村于城市的繁华地区，后者则用于农村电网的计划解列。片区电网的发展动电网的计划解列。片区电网的发展动力是停运管理和整合可再生能源发电力是停运管理和整合可再生能源发电的需求。片区微电网的主要作用在于的需求。片区微电网的主要
8、作用在于降低温室气体的排放；提供对用户多降低温室气体的排放；提供对用户多种能源方式的供给；阻塞管理；延缓种能源方式的供给；阻塞管理；延缓电力网络的升级等。另外，片区微电电力网络的升级等。另外，片区微电网能提供当地无功电压支撑和较高的网能提供当地无功电压支撑和较高的电能质量等辅助服务。电能质量等辅助服务。-21-工商业微网工商业微网微电网基本结构 工商业微网的用户一般定义为关键负荷或工商业微网的用户一般定义为关键负荷或者敏感负荷，即需要较高等级的供电可靠者敏感负荷，即需要较高等级的供电可靠性和电能质量。性和电能质量。该类微电网能够提供对多该类微电网能够提供对多个工商业区域的负荷需求，如大学校园、
9、个工商业区域的负荷需求，如大学校园、购物中心或工业设备。该类微电网同样可购物中心或工业设备。该类微电网同样可以供给小型的居民负荷，如一组城市用房以供给小型的居民负荷，如一组城市用房或者独立公寓，也可以成为居民区微电网。或者独立公寓，也可以成为居民区微电网。该类微电网能够提供便利且可靠的能量供该类微电网能够提供便利且可靠的能量供给，并且能够提供用户定制的多种分布式给，并且能够提供用户定制的多种分布式电源供电。电源供电。该类微电网的主要作用是提供该类微电网的主要作用是提供较高的电能质量；提供不同水平的电能可较高的电能质量；提供不同水平的电能可靠性水平；整合靠性水平；整合CHPCHP和需求侧管理。和
10、需求侧管理。运行运行方式有方式有GDGD、GIGI和和IGIG，当大电网故障或者电，当大电网故障或者电能质量不满足要求、电价较高或者系统维能质量不满足要求、电价较高或者系统维修时从修时从GIGI模式切换到模式切换到IGIG模式。模式。-22-微电网基本结构 偏远地区微网偏远地区微网利用微电网对这些偏远地区微利用微电网对这些偏远地区微电网进行供电，可以利用可再电网进行供电，可以利用可再生能源发电或其他分布式电源生能源发电或其他分布式电源来形成孤立的电网或者独立的来形成孤立的电网或者独立的微电网来为偏远地区的居民或微电网来为偏远地区的居民或者商业用户供电或热。该类微者商业用户供电或热。该类微电网的
11、主要目的就是为偏远地电网的主要目的就是为偏远地区供电，并降低传统化石燃料区供电，并降低传统化石燃料的消耗。它具有如下好处：整的消耗。它具有如下好处：整合可再生能源发电、降低温室合可再生能源发电、降低温室气体排放和需求侧管理。主要气体排放和需求侧管理。主要运行方式为运行方式为IGIG。-23-2 分布式分布式发电和微和微电网的网的兴起和起和发展展（1）DG兴起的原因（2）DG的发展现状（3）微电网研究和应用现状-24-大机组、大电厂、大系统、高电压，资金密集，技术密集，高度信息化；复杂系统特性突出，石化能是主要一次能源分散式，小容量发电机，低电压，小系统，交、直流输电和谐、可持续发展成为发展目标
12、，传统发电方式追求清洁高效，新发电方式应用高技术获得发电、环保、经济的综合效益电力工业发展的历史产生与兴起阶段现代化工业阶段可持续发展阶段-25-电力工业发展的轨迹能源利用多样化，新发电方式层出不穷，朝着可持续能源利用方向发展；小机组、小电厂、小系统集中发电大机组（高参数）、大电厂、高电压、大系统（互联）分散的小发电系统、微型电网（联网或不联网）快速发展，成为现代电力系统的有力补充；简单技术先进技术高技术电力生产者和消费者的分离与结合；电网由单一的供电网，单向输电 混合能源网，双向输电-26-DG兴起的现实原因（1）电力用户对供电可靠性的更高的要求传统的电网不能提供超过”3个九或4个九”的供电
13、可靠性，这种限制主要是电力系统不确定、不可控制的事件如天气和设计电网的成本。家庭用户希望达到99.9999%(“6个九”)的可靠性，也就是平均一年停电30秒某些灵敏的电子设备，需要至少99.9999999%(“9个九”)的供电可靠性 分布式发电和传统的电网结合起来达到更高的可靠性是可能的；（2）新材料和新型的发电技术为分布式发电提供了技术上的支持；（3）解决能源危机的一个途径；（4）环保要求；（5）电力市场要求进行分布式发电，打破垄断-27-DG的优点（1）投资和风险：分布式发电本身投资和风险都要很小；（2）安全及可靠性：与电网配合，可以大大提高供电的可靠性，在电网崩溃或者发生意外灾害（战争、
14、台风、地震、恐怖活动等）的情况下，继续维持重要用户的供电。分布式发电可以满足特殊场合的需求，如在大型集会或庆典场合，安排处于热备用状态的移动分散式发电车，则可以大大提高供电可靠性。（3）环保（4）电力市场：适应电力市场发展需要，多家办电，打破电力部门垄断-28-分布式发电优点（续）（5）经济：能源综合利用，提高能源利用效率（60%-90%）。电、冷、热三联产，为能源的综合利用提供了可能，具有较高的能源利用率。（6）由于分散式发电装置工作流程简单，参与运行的系统少，因而启动和停机快速，与电网配合使用时具有良好的调峰性能，且便于实现全自动控制。（“即用即插式”，“友好发电方式”）（7）扶贫：解决边
15、远地区供电困难相对于化石能源而言，可再生能源密度较低、分散性强，不太方便作为集中供电的能源，已开发的可用电量有限。-29-2005年可再生能源容量（GW）-30-世界风电发展快速-31-1995-2005年太阳能光伏电池容量（MW）-32-2005年太阳能热水器/供热容量（总容量=88GWth）-33-微网示范工程地理位置说 明CERTS 试验基地美国俄亥俄480V系统，包括3个60kW MT，有三条馈线，其中两条含有微电源并能孤网运行。这两条中的一条馈线上带有两个微电源，通过170m电缆间隔；另一条馈线上带有一个微电源，这样可以进行微电源并行运行的测试。该系统用于测试微电网各部分的动态特性。
16、Mad River 公园美国范特蒙特6个商业和工业厂区，12个居民区，280kW、100kW发电机，30kW MT，PV。接入7.2kV配网。既可孤网运行，也可联网运行。LABEIN 微网中心西班牙通过两个1000kVA和451kVA的变压器连接到30kV中压网络，0.6kW和1.6kW单相PV，3.6kW三相PV，2组55kW柴油机，50kW MT，6kW风力发电机；250kVA飞轮储能，2.18MJ超级电容，1120Ah和1925Ah蓄电池储能；55kW和150kW电阻负荷，2个36kVA电感负荷。用于测试联网运行时集中和分散控制策略及电力市场中的能量交易。Kythnos孤网希腊提供12户
17、岛上居民用电，400V配网，包含6台光伏发电单元，共11kW，1座5kW柴油机，1台3.3kW/50kWh蓄电池/逆变器系统。目前只能孤网运行，研究目标是微网运行控制以提高系统满足峰荷能力和改善可靠性。目前国外已建成的微网示范工程-34-EDP微型电力公司葡萄牙连接到400V低压网络的天然气站电网，具有80kW MT，多余电力可送往10kV中压网，或供当地低压农村电网（3.45-41.5KVA），既可联网运行也可孤网运行。MV/LV 电力公司荷兰用于度假村，共四条380V馈线，每条长约400m。以光伏发电为主，共装335kW光伏发电单元。既可孤网运行，也可联网运行。主要用于含有储能系统的微网孤
18、网运行性能的测试。Manheim 微网德国慕尼黑位于居民区，包含六台光伏发电单元，共40kW；计划继续安装数台微型燃气轮机。将对基于代理的分散控制进行测试，并进行社会、经济效益评估。CESIRICERCA 试验公司意大利米兰具有PV、MT、柴油机、MCFC等微电源，并配有蓄电池、飞轮等储能方式，可组成不同的拓扑结构，进行稳态、暂态运行过程测试和电能质量分析。Boston Bar IPP加拿大该区域通过69/25kV变电站供电，通过60km的69kV线路连接到BC Hydro高压系统。当地电力供应Boston Bar有两台3.45MW水力发电机，峰荷为3.0MW。根据BC Hydro的准则，进行
19、孤网运行测试。Hachinohe计划日本八户污水处理厂配有3个170kW燃气轮机，50kW PV，发出电力通过5km的私营配线输送到4个学校、水利局办公楼和市政办公楼。学校内也有小型风机和PV，控制目标是6分钟内供需不平衡控制在3%以内。在测试过程中，该目标完成率为99.99%。在2007年11月孤网运行一周。-35-美国微电网的研究 2002年首次提出CERTS微电网的概念包括3条馈线A、B和C及1条负荷母线，整体呈辐射状结构馈线通过主分隔装置与配电系统相连，可实现孤网及并网运行模式的平滑切换IEEE P1547标准规定，在PCC处，微电网的各项技术指标必须满足预定的规范-36-CERTS的
20、微电网示范网络结构CERTSConsortium for Electric Reliability Technology Solutions-37-美国微电网的研究CERTS微电网示范网络包括光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源能量管理器：实现对整个微电网的综合分析控制潮流控制器：实现对微电源的就地控制示范了对三类不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电方案连接在馈线A上的敏感负荷采用光伏电池供电连接在馈线C上的可调节负荷采用燃料电池和微燃气轮机混合供电连接在馈线B上的可中断负荷没有设置专门的微电源，直接由配电网供电-38-美国微电网的研究CERTS微电网的关键特性系统故障时候能孤网运行，
21、系统恢复后自动并网，从而实现各种工况下对用户的持续无差别（特指电能质量）供电将用户和分布式电源集成，对系统而言是一个独立自治的单元“对等”概念（peer-to-peer）：各个元件地位对等，不存在主控制器或中心储能单元“即插即用”概念（plug-and-play）：各个微电源可以在微电网的任一点接入而无须改变微电网的控制策略-39-美国微电网的研究现有成果在试验系统上测试了暂态过程中（与主网断开及孤网状态下的负荷变化）控制系统的鲁棒性，既能控制的出力，又能控制线路的潮流得到了一个试验系统中柴油机组的控制方法-40-美国微电网的研究CERTS微电网概念的拓展在DG附近配置储能系统，有利于维持系统
22、功率平衡仿真验证了储能系统和电力电子接口控制策略的有效性-41-欧洲微电网的研究Microgrid计划（2001-2005）由欧盟7个国家、14个组织合作开展将微电网定义为含有小型分布式发电的低压配网，侧重单个微电网的运行目前已初步形成了微电网的运行、控制、保护、安全及通讯等理论，并在实验室微电网平台上对这些理论进行了验证-42-欧洲微电网的研究分层管理和控制系统微电网通过位于中压/低压变电站的微电网中央控制器（MGCC）进行管理和控制，MGCC具有经济性管理和控制等功能系统的第二层，控制器位于负荷侧（负荷控制器，LC）或微电源侧（微电源控制器，MC），它们之间通过MGCC交换信息，而MGCC
23、通过设定LC和MC的参考点控制微电网的运行-43-欧洲微电网的研究More Microgrids计划：2006-2010其参与国家增加到11个，组织达到22个包括微电网、储能、风力发电、小水电、CHP、小型柴油机和可切除负荷等目的在于通过开发和延伸微电网的概念促进分布式电源与可再生能源的大规模接入以及传统电网向智能网络的过渡主要研究先进的微电源控制技术、网络设计、多微电网运行管理、技术和商业协议的标准化、示范系统现场测试及其对电力系统的影响等-44-欧洲微电网的研究 建设了一系列的微电网示范系统，对孤网和并网状态下运行特性进行了测试，目前已得到电能质量、信息和通讯技术及社会经济效益等方面的结果
24、-45-日本的微电网研究日本：NEDO建设了微电网示范工程，包括含多种可再生能源的区域电网、含有多个DG的配网设备和提供不同电能质量的新型电力网络以及进行功率控制的并网太阳能和风力发电系统 目前得到了一系列的并网和孤网的运行结果-46-3 分布式分布式发电和微和微电网的网的研究内容研究内容（1）分布式发电方式（2）DG接入电力系统的影响（3）微电网的运行、控制和保护-47-分布式发电技术分类风能（Wind Power)太阳能光伏电池(Photo-voltaic panel）燃料电池(Full cell)生物质能(Biomass Energy)燃气轮机(Gas Turbine，Combustio
25、n Turbine Generators)微燃机(Micro-turbine)内燃机(Gas Engine，Internal Combustion Reciprocating Engines and Generators)-48-分布式发电技术-49-分布式发电装置发电技术发电技术能源种类能源种类内燃机发电技术石化能源燃气轮机发电技术微型燃气轮机发电技术常规的燃油发电机发电技术燃料电池发电技术太阳能发电技术可再生能源风力发电技术小水利发电技术生物质发电技术氢能发电技术二次能源垃圾发电技术一般废弃物地热发电技术地球内部热核反应-50-主要分布式发电特性比较功率范围功率范围(kW)(kW)风力发电
26、机风力发电机50-500050-5000微型燃气轮机微型燃气轮机25-7525-75燃料电池燃料电池5-20005-2000太阳能电池太阳能电池1-1001-100当前的安装费用($/kW)1000-15001000-15003000-40001500-6500发电费用(/kW)5.5-157.5-1010-1515-20对环境的影响无废气排放，有噪音，景观影响有废气排放，但比常规发电机组污染轻无污染无污染输出功率特点不平稳，受风力影响功率平稳，调节性好功率平稳不平稳，功率密度低-51-风力发电场(wind power farm)-52-风力发电的优点 风力发电在全世界获得快速发展，除了能源需
27、求增加，环保压力加风力发电在全世界获得快速发展，除了能源需求增加，环保压力加大外，重要的是风能本身所具有的独特优点。大外，重要的是风能本身所具有的独特优点。归纳起来风电具有下列优点：归纳起来风电具有下列优点：（1）风能资源丰富。（）风能资源丰富。（2）风能是可再生能源。风能是可再生能源。（3）清洁无污染。）清洁无污染。（4）施工周期短。）施工周期短。（5）投资少，投资回收快。）投资少，投资回收快。（6）实际占地少，对场地要求低。）实际占地少，对场地要求低。（7）运行管理简单。（）运行管理简单。（8）风力发电技术比较成熟。）风力发电技术比较成熟。（9）风力发电具有经济性。）风力发电具有经济性。“
28、装一台风机相当于栽一棵摇钱树装一台风机相当于栽一棵摇钱树”仙人岛风电场总经理仙人岛风电场总经理-53-风电的局限性（1）风能的能量密度小。为了获得相同的发电容量，风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。如3000kW的风轮机直径已达100m.。风力发电单机极限约为10MW，对电力系统而言，风力发电机组只能是小机组。（2）风能的大小不稳定。一般风机的起动风速为3 m/s，停机风速为25 m/s，即325 m/s为有效风力区。为得到稳定的出力，调节控制十分困难。（3）至今，风能不能大量储存。小型风电机可配置蓄电池，大型风电机必须和大电网并网运行。（4）风轮机的效率较低，风轮机实际效率只有理论最
29、大效率的50%。风电机组风能利用率约为40%。（5）有一定的噪声（机械的和电磁的），不宜安装在居民区。（6）接入电网时，对电网有不利的影响。-54-风机结构及风电基本原理风力发电基本原理1 Oil cooler2 Water cooler for generator3 High voltage transformer4 Ultrasonic wind sensors5 VMP-Top controller with converter6 Service crane7 OptiSpeed generator8 Composite disc coupling9 Yaw gears10 Gearbo
30、x11 Mechanical disc brake12 Machine foundation13 Blade bearing14 Blade hub15 Blade16 Pitch cylinder17 Hub controllerVestas 3.0MW风机结构示意图-55-风机结构及风电基本原理-56-风力发电机组的控制问题控制系统变桨距控制（对应风能输入的功率）变频器控制（对应发电机输出的功率）-57-风力发电系统主要类型（1）恒速恒频风力发电机系统）恒速恒频风力发电机系统 （3）双馈感应发电机系统）双馈感应发电机系统（2）风轮机直接驱动的同步发电机系统）风轮机直接驱动的同步发电机系统-
31、58-双馈型风电机组（DFIG）并网拓扑结构直驱型风电机组（PMSG）并网拓扑结构-59-风力发电的关键技术大功率风轮机（MW）制造技术最大功率跟踪控制技术并网技术（电压、频率、电能质量、保护、可靠性）风电场价值分析风电的预测和调度-60-太阳光发电系统光伏电池（Photo Voltage Cell）光伏电池是利用某些半导体物质在太阳光的照射条件下，在p型和n型晶结两端产生电动势，将光能直接转化成电能的装置。-61-太阳能光伏发电的优点太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100mile100mile的巨
32、型光伏电站，所发电力可以满足全美国的用电需要.太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击.太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失.太阳能不用燃料，运行成本很小.太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单.太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源.-62-世界主要国家PV的发展趋势无锡尚德光伏电池生产世界前无锡尚德光伏电池生产世界前10名，在纽约上市名，在纽约上市-63-太阳能电池的发展第一代PV-晶硅太阳能电池单晶硅、多晶硅(Crystalline Silicon,c-Si)第二代PV薄膜太阳能电池（
33、Thin-Film PV）amorphous silicon,a-SiCdTeCIGS聚光型PV（Concentrating PV)多结（Multijunction)太阳能电池太阳能光伏发电关键技术高效光伏电池制造最大功率跟踪技术并网技术风/光/柴/水互补技术-65-燃料电池(Fuel Cell-FC）燃料电池是一种将化学燃料电池是一种将化学能转化成电能的新型能源能转化成电能的新型能源生产方式，它利用氢和氧生产方式，它利用氢和氧两种元素相互作用产生电两种元素相互作用产生电流。流。氧气可以直接从空气中氧气可以直接从空气中提取，氢气要从酒精、汽提取，氢气要从酒精、汽油、天然气或其它炭氢化油、天然气
34、或其它炭氢化合物中提取。合物中提取。-66-FC电极反应负极：负极：（碱性电解液）（碱性电解液）（酸性电解液）（酸性电解液）正极：正极：（碱性电解液）（碱性电解液）（酸性电解液）（酸性电解液）电池反应电池反应：-67-FC特点燃料电池能量转换效率高（实际效率58%以上），无污染、无噪声，无震动，安全可靠燃料电池最大的优点是：输出功率平稳可靠，跟随负荷变化能力强（1秒内跟随50%的负荷变化）。燃料电池的安装费用高。每千瓦30004000美元。容量范围2-250MW或更大MW级；模块化的，搭积木，满足大容量负荷需要-68-燃料电池系统及其应用燃料电池系统燃料电池系统应用应用（1）便携式动力装置）便
35、携式动力装置(portable power)：包括笔记：包括笔记本电脑、移动电话本电脑、移动电话(手机手机)、助听器、真空吸尘器、助听器、真空吸尘器 （2）小汽车与公共汽车）小汽车与公共汽车：可使用甲醇来产生氢气；：可使用甲醇来产生氢气；形成无数个形成无数个“汽车发电站汽车发电站”，发出目前全球，发出目前全球10倍的倍的发电量发电量；（3）大型发电装置）大型发电装置(1arge power generation)：新新型的燃料电池发电系统，除发出电力外，还可利用燃型的燃料电池发电系统，除发出电力外，还可利用燃料电池中产生的热和水，去驱动蒸汽轮机，产生更多料电池中产生的热和水，去驱动蒸汽轮机，产
36、生更多的电力。作医院和和工场的后备电源。的电力。作医院和和工场的后备电源。（4）家用发电装置）家用发电装置(home electricity)：使用天然气：使用天然气或丙烷或丙烷(propane)的燃料电池系统已在芝加哥的家庭的燃料电池系统已在芝加哥的家庭中进行试用。生产电和热能，可用来加热水和取暖。中进行试用。生产电和热能，可用来加热水和取暖。（5）填埋废水处理）填埋废水处理(landfillwastewater treatment)：利用燃料电池把废水或垃圾所产生的甲：利用燃料电池把废水或垃圾所产生的甲烷气烷气(methane gas，即沼气，即沼气)转化成电能。转化成电能。-69-燃料电
37、池系统关键技术电介质材料和电极材料的性能和制备大功率电池堆集成（汇流技术）降低成本$4000/kW降至$400/kW（燃料电池系统是美国经济繁荣和国家安全的27个关键技术领域之一）-70-微型燃气轮机发电（small gas fired micro-turbines)转速转速96000/min；燃料：天然气、甲燃料：天然气、甲烷、汽油、柴油；烷、汽油、柴油；工作温度工作温度5000C；发电效率发电效率30%，热，热电联产效率达电联产效率达75%-71-微型燃气轮机发电（续）功率范围在25kW75kW的小型发电机组使用天然气、丙烷等多种燃料为一次能源热、电并用系统输出功率平稳，成本远低于燃料电池
38、由于微型燃气轮机的技术特征是：发电容量小，占地面积少，能够为用户供热适合于企业、医院、学校及家庭分散使用。-72-微燃气轮机发电（续）微型燃气轮机有废气排出，对环境有一定的影响(城市“热岛”)。技术关键包括：高速轴承、高温部件及加工材料等方面的进展。-73-微燃气轮机发电系统结构-74-日本TAKUMA公司微透平热电联产-75-冷、热、电联产系统-76-分布式电源与交流系统的连接-77-分布式发电对配电系统的影响常规配电系统常规配电系统现代配电系统是设计成现代配电系统是设计成从从大系统大系统（大供电变压（大供电变压器）接受电能和向用户器）接受电能和向用户配电的；配电的；有功和无功功率有功和无功
39、功率从高电从高电压等级流向低电压压等级流向低电压等级；等级；-78-具有分布式发电的配电具有分布式发电的配电系统系统CHP：热电联产；：热电联产；PV：光伏电池；：光伏电池；WP：风电；：风电；从配电网看，从配电网看，P、Q流向都流向都是变化的；是变化的；从分布式发电侧看，是电源，从分布式发电侧看，是电源，是负荷（是负荷（“负的负荷）；负的负荷）；DG与配电网的连接和运行与配电网的连接和运行调度问题调度问题-79-分布式发电对配电系统的影响具体应考虑：技术方面影响与经济方面影响，正面影响与负面影响。分布式发电引入将使配电系统发生根本性变化 从辐射网络变为遍布电源和用户互联的网络，配电系统的控制
40、和管理将变得更加复杂 规划到运行发生彻底改变，如无功补偿、电压控制 配电网自动化和需求侧（负荷）管理系统（DSM）的内容发生大的变化。分布式发电将对电力市场的走向和最后格局产生深远的影响。电力公司和用户之间形成新型的关系，用户可以从电力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司有偿提供削峰填谷、以及功率支持等服务；分布式发电为其他行业进入电力市场打开了方便之门，如天然气公司等。整个电力市场参与者大大增加，利益关系更加复杂，竞争更加激烈。-80-分布式发电对配电系统的影响正面影响分布式发电可以大大提高用户供电的可靠性；减少配电网投资，因为分布式发电装置直接装在用户侧，这样可
41、以大大减少输配电设备的投资，并且还可以减少输送电的损耗，降低成本，对于用户来说，电价也会相对便宜.新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少或推迟。新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足，集中电力系统负荷减少。分布式发电的削峰填谷、平衡负荷的作用，使现有发电输电设备的备用减少，利用率提高。分布式发电装置的灵活投切可以帮助电压和频率的调整，提高系统的稳定性-81-分布式发电对配电系统的影响负面影响分布式发电的随机性、不稳定性、电力电子变换器引入、DG在负荷侧或在网络边缘处分布式发电并网过程对电网的冲击；对电网频率的影响；对电网电压的影响；对电网稳定性的影响；对电网继电保护装置的影响；对电能质量
42、的影响；对电力定价的影响（？）分布式发电需要大电力系统提供辅助服务-82-分布式发电对配电系统的影响并网的若干技术问题电能质量问题电压调整电压闪变电压不平衡谐波畸变和直流注入对继电保护的影响使重合闸不成功使保护区缩小使继电保护误动作短路电流问题铁磁谐振（Ferro-resonance)问题变压器的连接问题和接地问题配电网电容器投切与DG的励磁配合孤岛运行问题可靠性问题分布式发电与公用电网在电能质量方面相互影响图(a)：由输电和配电网络引起的影响，如风电场接入点的电压下陷电压下陷（即电压低到0.10.9p.u.，持续分钟周期）通常是输电配电网络故障引起的。因为低电压，发电机的负荷减少，风机会过速
43、；电压低，风机无功需求增加，导到电压进一步降低。图(b)：风电场对配电网络的扰动因而引起电能质量的降低。如风电场可能产生或吸收无功功率，引起电网电压电压波动波动。风电场采用软起动和经换流装置与系统联网时将引起谐波谐波。-84-微电网的运行机理及稳定性分析 微电网的精细建模及数值仿真技术 微电网的运行机理分析并网、孤网及相互切换过程黑启动 稳定性分析静态稳定、动态稳定和小干扰稳定性分析-85-微电网的控制微电源的控制策略微电网的控制结构：分层控制并网控制策略孤网控制策略并网-孤网相互切换控制策略微电网的能量管理-86-下降曲线控制微电源控制器：基于本地信息传统控制方法P-f下降曲线Q-V下降曲线
44、-87-功率管理策略（PMS）功能有效地在微电源之间分配负荷的有功和无功功率需求对于系统运行方式变化引起的扰动快速响应决定微电源的最终功率参考值以平衡功率和恢复频率使孤网运行的微电网与大电网重新同步-88-功率管理策略（PMS）目标微电源之间的负荷分配要满足系统总功率损耗最小考虑每个微电源的特殊要求，如微电源的类型，发电成本，原动侧时间特性，维修周期和对环境的影响维持系统的电能质量，如电压波动和谐波污染在一定的范围内改善系统的动态响应，在暂态过程中保持较高的稳定裕度，并具有电压和频率恢复特性-89-能量管理系统（EMS）集中方法通过微电网的EMS来执行优化功能并对微电源和可控负荷的最新参考值进
45、行通讯 分散方法基于利用微电源本地信息的微电源控制器来实现的能量管理 智能控制方法-90-微电网的保护难点在孤网和并网两种运行工况下均能对微电网内部故障做出响应并网时快速感知大电网故障 保证保护的选择性、快速性、灵敏性与可靠性 研究方向单相接地和线间故障，对称电流分量检测和保护策略微电源故障模型-91-微电网的经济性评估经济效益评估与量化研究目标增大可再生能源渗透率降低储能设备容量环境效益非线性约束多目标优化问题-92-微电网的相关标准制定和运行导则硬件标准及系统标准微电网接入标准与运行导则微电网软件标志及通信标准-93-微电网试验平台及示范系统建设实验室级微电网试验平台设计微电网的典型结构测
46、试微电网孤网、并网、两者相互切换、黑启动等过程设计并应用微电网控制系统社区级及以上级别示范系统在实用环境中，进一步验证实验平台研究与测试的结果 通过长期运行，检验其对电能质量、可靠性、节能降耗的提高的作用-94-4 分布式分布式发电和微和微电网的网的发展前景展前景和技和技术路路线图（1）解读可再生能源中长期发展规划（2）解读国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)（3）机遇与挑战-95-可再生能源中长期发展规划（2007年8月）发展目标到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，到2020年达到15%按循环经济模式推行有机废弃物的能源化利用，基本消除有机废弃物造成的环
47、境污染到2010年，基本实现以国内制造设备为主的装备能力。到2020年，形成以自有知识产权为主的国内可再生能源装备能力-96-国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)未来15年的目标3.节能技术和清洁能源技术取得重大突破，促进能源结构优化，主要产品单位能耗指标达到或接近世界先进水平。4.在重点行业和典型城市建立循环经济的技术发展模式，为建设资源节约和环境友好型社会提供科技支持10项国家战略需求3.能源可持续发展中的关键问题 五大战略重点1.把发展能源、水资源和环境保护技术放在优先位置，下决心解决制约经济社会发展的重大瓶颈问题-97-能源技术重大攻关可再生能源产业化及规模化利用技术
48、；兆瓦级风力发电机组产业化关键技术示范；蒸发冷却关键技术研发；以煤气化为基础的多联产示范工程；大规模高效煤气化与高温煤气净化技术；高温FT合成关键技术；重型燃气轮机创新工程；微型燃气轮机关键技术；高效节能技术；生物质液体燃料关键技术的研究与示范；核技术产业化应用；动力煤优质化技术及示范；高效清洁工业燃煤锅炉技术及示范；煤层气高效开发利用技术；西部可再生能源开发应用技术。-98-能源技术“863”计划近海实验风电场；太阳能热发电及系统；中国实验快堆（CEFR）；氢能综合利用与示范；燃料电池发电系统；洁净煤；可再生能源；先进核能与核燃料循环；氢能与燃料电池；分布式供能；先进电力及电网安全保障。-9
49、9-机遇能源总趋势 中国资源可开采年限：煤20502070年；石油20112016年；天然气20242054年；水力20342100年 1995年2002年间，全球太阳能发电和风力发电年增长率分别达30.9%和30.7%，而煤电、水电、核电的年增长速度不到1%，石油发电和天然气发电只有2%左右。就能源、电力而言，21世纪将是可再生能源的世纪。-100-我国未来电力装机构成分析发电类别发电类别2020202020502050GW%GW%煤电56959.260028.6天然气发电606.31808.6核电363.830014.3水电25023.632015.2其中小水电808.41004.8风电2
50、02.130014.3生物质发电202.12009.5太阳光电10.12009.5其它再生能源发电20.90.9总计9511002120100-101-机遇和挑战中国分布式能源资源丰富中国分布式能源资源丰富 “三北”(西北、华北北部和东北)风能、太阳能都很丰富中国处于城镇化建设阶段中国处于城镇化建设阶段 可以对分布式发电作很好的规划分布式发电、可再生能源技术开发能力和产业体系薄弱 广阔天地，大有作为-102-需要我们解决的技术难题高效、低成本地解决不连续、不稳定、低密度、随时间季节以及气候变化的可再生能源的聚集与转化问题；并网的分布式发电，如何减少系统对自然条件的依赖性，提高分布式发电系统的稳