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1、综述分布式发电及其对电力系统分析的影响D istributed Generation and Its I mpact on Pow er System A nalysis武 汉 大 学 电 气 工 程 学 院(湖北武汉430072)刘正谊谈顺涛长沙理工大学电气与信息学院(湖南长沙410076)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
2、分类号:TM 61文献标识码:A文章编号:100329171(2004)1020018203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90%的电力负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2003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
3、将危害国家的安全,如科索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(distributed generation)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的主要方法,是21世纪电力工业的发展方向。1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
4、经济运行。这些小的机组包括燃料电池(fuel cells),微型燃气轮机(m icro2turbine),光伏电池(photovoltaic)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1986年5月20日,英格兰某地区的6条400kV线路因雷击而断开,由于在5 m in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
5、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(PEM)、碱性
6、燃料电池(A FC)、磷酸型燃料电81 华北电力技术NORTH CH I NA EL ECTR IC POW ERNo.102004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50207001)和湖南省教育厅的重点项目(项目号为02A 032)。池(PA FC)、固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(M CFC),其中磷酸型燃料电池最接近商业化,新一代的熔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2。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
7、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25%100%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:in=1PgnnE(1)式中Pgn每个燃料电池组的功率;n燃料电池组的个数;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=ET+TRnFlg0H20O21?20H2O(2)Pmax=E24RFC(3)式中E燃料电池的电动势;ET温度为T时的标准电动势;T燃料电池的运行温度;R气体常数;F法拉第常数;0H2,0O2,0H
8、2O输出的H2,O2,H2O的摩尔比;RFC电池的欧姆内阻。1.2微型燃气轮机微型燃气轮机4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30%,实行热电联产,效率可提高到75%。微型燃气轮机的特点是体积小、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)。Pg,m inPgPg,max(4)PgPg,
9、li m it(5)式中Pg功率的变化;Pg,li m it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5:Pm-Pe=MRddt(6)Pm,in-Pm,out=1-1R-RR(7)式中Pm原动机功率;Pe发电机输出功率;Pm,in,Pm,out原动机的输入、输出功率;,R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
10、的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响,不能调度,而且系统的频率和电压对其基本上没有影响。Pg=F(f,U)(8)式中Pg光伏电池输出功率;f系统频率;U系统电压。114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,然后通过逆变器连入电网。其数学模型可由两个相连的动态分量来表示6:G=-(DG-DT)MGG+(DG-DT)MGT+1MGT-1MGPG(9)=-G
11、+T(10)T=DTMTG-KMT-DTMTT+1MTTn(11)91No.102004华北电力技术NORTH CH I NA EL ECTR IC POW ER 式中角速度;T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接入分布式电源对系统分析的影响7接入分布式电源后,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由配电变压器流向用户侧,比如对一条10 km长的馈线上的均匀10MW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
12、式机组流向变电站,见图2。图2在中点含有10MW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:Pij0(12)式中Pij从母线i到j的有功功率。而且,接入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,
13、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8。3逆变器对系统分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(13):Qg=F(Pg)(13)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(14)所示:Pi=PDC(14)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Pi,则逆变器的无功功率输出Qi就由视在功率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9
14、中提到的控制逆变器的功率因数为0.85。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
15、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,2003,27(12):71762梁才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响.电力系统自动化,2001,25(6):5356 3 G.J.Hatziadoniu,A.A.Lobo,F.Pourboghrat.ASi mplified Dynam ic M odel of Grid2connected Fuel2cellGeneratorsIEEE T ran on PowerDelivery.Vol.1 7.(下转第23页)02 华北电力
16、技术NORTH CH I NA EL ECTR IC POW ERNo.102004表1列出了电网中500 kV节点的电压比对情况。表1潮流计算中的节点电压比较表kV()节点名称软件名称BPAEUROSTAG安定5150719-215507192-2146房山5150511-219505113-2186顺义5150810-110508102-1100昌平5150419-111504196-1107滨海5150811-417508107-4165蔚房5151914-514519146-5147津北5151111-415511111-4149盘山5151917-013519174-0123万全51
17、51514-416515139-4166沧西5149212-2318492112-23176保北5149613-1110496131-11101吴庄5150611-615506108-6149姜家5150812-319508119-3192丰万5151515-118515149-1178邯东5151410-1714513196-17143邯峰5151410-1714514101-17140候村5151919-813519187-8137临汾5150212-119502129-1198神头5152512101152511210118神二5152512101152511410118小营515221
18、87145221797140达旗5151915161851914516182丰镇5151910101051910810102永圣5152415141852414314185准厂515271116115261991611霸州5150219-816502191-8155廉州5150418-1715504185-17143上安5150912-1616509123-16156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PV节点的定义不完全一致。从这一点上讲,EUROSTA G的处理更贴近于运行实际。312暂态计算比对为方便起见,本文计算了系统中500 kV母线发生三相永久性故
19、障时的故障极限持续时间,表2分别给出了BPA和EUROSTA G的计算结果,表明在暂态稳定计算中EUROSTA G与BPA的误差很小。表2故障极限持续时间对照表s故障点名称软件名称BPAEUROSTAG托电51011920119001191浑源51012080120701208313长期计算励磁调节器、调速器、PSS以及负荷特性的中长期计算算例表明,EUROSTA G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EUROSTA G此项的计算结果。4结语本文针对EUROSTA G的实际工程应用问题提出了由BPA向EU
20、ROSTA G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EUROSTA GA良好的暂态计算性能。然而,EUROSTA G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,EUROSTA G将具有广阔的应用前景。收稿日期:2004204212作者简介:金海峰(1976),女,华中科技大学电力系统自动化专业毕业,硕士学位,从事电力系统稳定研究工作。(上接第20页)No.2.April.2002.4674734郑健超.电力前沿技术现状和前景.中国电力,1999,32(10):9125 Bin Q iu,Yilu L
21、iu,Eng Kiat Chan.L an2Based Con2trol for load shedding.IEEE Computer Applications inpower July 2001:38436 R.Chedie,N.L awhite and M.H it.A ComparativeA nalysis of Dynam ic M odel for performance Calculationof Grid2connectedW ind Turbine Generators.W ind Engi2neering,Vol.17.No.4.1994:1681827冉立.再生能源发电
22、系统接入电网时需要考虑的一些问题.西安交通大学学报,2003,37(8):7717768 Edris.A.FACTS Technology Development:an up2date.IEEE Power Engineering Review,2000,20(3):499 Recommended Practice forU tility Interface of Photo2volfaic(PV)System s.IEEE 92922000 Standard,2000收稿日期:2004205231作者简介:刘正谊(1977-),男,硕士研究生,主要从事电力系统运行与控制方面的研究。32No.102004华北电力技术NORTH CH I NA EL ECTR IC POW ER