分布式电源

摘要：分布式发电以其投资省、发电方式灵活、与环境兼容等特点与大电网日益联合运行，给现代电力系统运行与控制带来巨大的变化。它既可以满足电力系统和用户的特定要求，如削峰；又可以提供传统的电力系统无可比拟的可靠性和和经济性。因此，研究分布式发电具有重要的理论意义和重大的应用价值。文章简要介绍了新型分布式发电技术，综述了分布式发电在电力系统的应用研究现状，并探讨了分布式发电的未来研究方向。

关键词：分布式发电；配电网；稳定控制；继电保护；电能质量；电力市场；随机最优控制；电力系统

1引言

配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统自身也存在着一些弊端。为解决此类问题而大力改造和新建配电网络在技术、资金和效益上都是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，从而提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。

2分布式发电技术

2.1分布式电源

分布式发电（Distributed Generation ，DG ）是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电[1]。

分布式电源（Distributed Generating Source ，DGS ）包括功率较小内燃机（Internal

Combustion Engines ）、微型燃气轮机（Micro-turbines ）、燃料电池（Fuel Cell ）、可再生能源如太阳能发电的光伏电池（Photovoltaic Cell ）和风力发电等。

2.2微型燃气轮机技术[2,3]

微型燃气轮机是以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型气轮机。其发电效率可达30%，如实行热电联产，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。

2.3燃料电池技术[4-7]

燃料电池的工作原理是富含氢的燃料（如天然气、甲醇）与空气中的氧气结合生成水，氢氧离子的定向移动在外电路形成电流，类似于电解水的逆过程。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。通常，燃料电池发电厂主要由三部分组成：燃料处理部分、电池反应堆部分、电力电子换流控制部分。

目前已研究开发了五种燃料电池：聚合电解质膜电池（PEM ）、碱性燃料电池（AFC ）、

磷酸型燃料电池（PAFC ）、固体电解质燃料电池（SOFC ）和熔融碳酸盐燃料电池（SOFC ），其中PAFC 是目前技术成熟且已商业化的燃料电池。

燃料电池具有巨大的潜在优点：①其副产品是热水和少量的二氧化碳，通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的发电效率几乎是传统发电厂发电效率的2倍；②排废量小（几乎为零）、清洁无污染、噪音低；③安装周期短、安装位置灵活，可以省去配电系统的建设。

2.4光伏电池技术[8,9]

光伏电池是将可再生的太阳能转化成电能的一种发电装置。国外开发的屋顶式光伏电池发电技术已得到广泛的关注。德国最著名的2000户屋顶工程（2000Roof Project ），超过2000户家庭安装了屋顶式光伏发电装置，平均每个分布式发电单元发电量达3kW 。虽然光伏电池与常规发电相比有技术条件的限制，如投资成本高、系统运行的随机性等。但由于它利用的是可再生的太阳能，因此其前景依然被看好。

2.5风力发电技术[10,11]

风力发电机组从能量转换角度分成两部分：风力机和发电机。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联，从而发电运行。它最有希望的应用前景是用于无电网的地区，为边远的农村、牧区和海岛居民提供生活和生产所需的电力。风力发电技术在新能源领域已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电。

3分布式发电在电力系统的应用研究现状

3.1稳定性分析

文[12]总结了DGS 影响配电网电压控制的几点因素：①现有的自动电压控制器（Automatic Voltage Control ，AVC ）通过控制无源配电网（几乎没有发电机存在）电压幅值的大小而工作的；②DGS 位于偏远地区，远离主变电站，在主变电站实现电压控制较困难；如变电站到发电机之间的线路阻抗大、负荷密度低，电压控制甚至不能实现；③如果接于馈电线的DGS 容量额定值大于馈电回路的总负荷量，通过降压变压器的潮流将反向，致使变压器低压侧成为电源；④DGS 的类型（同步机、异步机）及运行条件影响电压控制。

文[13]提出了通过负荷控制实现电压控制的理论。与现有三种电压控制方式（即减小线路阻抗、在关键时刻限制发电机出力、功率因子控制（PFC ））比较分析发现，新建立的控制方式经济性好、灵活性强，能动态跟踪电压波动。且负荷控制理论为配电网朝着监控智能化、自动化、灵活化方向的发展注入更多的新内容。

文[14]基于分布式发电稳定性建模的研究方法将DGS 视为备用电源、削峰和电网测量应用三个模块。在辐射状电网中，通过机械或电力电子转换开关来实现DGS 作为备用电源投入，削峰和电网测量应用模块则视为“负”负荷。在网状配电网中，为适应基于辐射状网络稳定性分析算法，将恒压源代替DGS ，并在机组的出口处安装断路器。

文[15]以一个11kV 的辐射状配电网为算例，分别改变DGS 及故障点位置，仿真计算出系统发生不对称故障（单相接地、两相短路、两相短路接地）时发电机机端电压、定子电流和转子角度（DGS 的转子相对于无穷大母线的角度）。仿真计算结果表明，发生不对称故障时，故障点距离DGS 越远、故障临界切除时间越长，系统越稳定；在转子角度达到150°后，系统的瞬时稳定性能变差。

风电场由于其空间的分散性和随机性不可调，并网运行方式下系统稳定运行的经济性和可靠性下降[16]。文[17]考虑了风力发电机容量与配电网短路容量（短路电流有效值与短路处的正常工作电压的乘积）的比值对电压稳定性的影响，该比值较高的电网在有利的运行条件下能成功地调节电压，而电压稳定特性可能又是限制该比值继续增加的重要因素。文[18]介绍了风电场接入一弱农场电网的实例，指出低短路容量和高R /X （联络线阻抗Z =R +jX ）比值将使得系统稳态电压发生较大的变化。文[19]指出风电场并网运行后将影响有载调压变压器的AVC 的正确动作，影响程度主要取决于风力发电机容量的大小、机端补偿电容器组投切规则和并网点位置。文[20]提出了在风力发电机机端出口处或风电场并网处安装无功补偿电容器，不仅有助于AVC 维持电压在预设范围内，还有助于降低网损。

文[21]借助于电力系统计算软件包（ERACS ）进行的仿真计算表明，在保持电压稳定、减少线路能量损耗和改善电网系统频率特性方面，分布式发电与传统的调节变压器的分接头的方式相比，前者在技术上更有效、更实用。

3.2对继电保护的影响

分布式发电接入配电网后，辐射式的网络将变为一遍布电源和用户互联的网络，潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的根本性的变化使得电网各种保护定值与机理发生了深刻变化。

文[22]提出，故障发生时为确保保护装置正确动作，应切断电网中的DGS 。从而引发以下问题：①过电流故障的切除与DGS 的切断在时限上的配合；②自动重合闸开断时间间隔内，确保DGS 快速切断；③在架空线和地下电缆的混合线路中切断DGS ，变压器空载运行，电缆对地电容与变压器△侧的线圈发生铁磁谐振，产生不规则的高电压大电流严重威胁线路的电力器件。

文[23]借助于电磁暂态计算程序（EMTP ）仿真分析了分布式同步电机（SG ）和感应电机（IG ）在配电网中对保护定值的影响。仿真结果表明，DGS 的联网影响了故障切除时间，SG 的临界切除时间虽然大于IG 的，但两者的临界切除时间低于配电网没有DGS 时的故障切除时间。

文[24]详细讨论了保险丝–保险丝、保险丝–自动重合闸、继电器–继电器三类保护装置的配合问题，配合的协调性取决于DGS 的容量及其位置的分布。

DGS 与主电网的失步（Loss of Main ，LOM ）会导致DGS 过负荷，频率和输出电压下降，严重影响了电能质量。文[25-26]在比较几种失步检测技术方案优缺点的基础上，提出了以微处理器为基础，通过测量DGS 的输出功率的监测电能质量的方法。文[27]设计了一种基于频率变化率的数字式DGS 继电保护装置，通过改善灵敏度和时间响应特性，实现DGS 与主电网的失步保护。这种基于数字的综合保护包，能智能地组织、协调内部各种逻辑组件的功能，实现过/低电压保护、过/低频保护、中性点电压偏移保护以及识别DGS 是否处于孤岛（Island ）状态。

DGS 失去接地（Loss Of Earth ）保护是配电网一个潜在的危险，文[28]介绍了一种检测DGS 接地的新技术，它利用发电机的寄生阻抗来判断DGS 是否接地。该技术为运行时未正确接地的DGS 提供了可靠、灵敏、快速的保护。

3.3电能质量分析

DGS 联网运行可能引起系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变等电能质量问题。在电能质量的标准上，文[29]提出了一套适合于大型重要的电力用户（包括DGS ）的电能指标，它不是基于用户数量的大小，而是综合考虑系统峰荷特性和用户消费电力的断续频率

（Interrupt Frequency ）。文[30]分析了由电网的故障水平、X /R 的比值、发电机的类型及原动机的不同而导致的稳态电压偏移、暂态电压闪变、电压波形畸变、相电压不平衡。文[31]分析和研究了风电场并网运行时，风电场风速扰动、风电场容量、电网R /X 的比值特性以及并网点短路容量等因素对电能质量的影响。

3.4运行与控制

文[32]讨论了小规模电力网络的分散控制系统的分析与设计。借助于单信道分析与设计（Individual Channel Analysis and Design ，ICAD ），以四台发电机并联运行的一小规模电力网络的控制系统为算例，分析了小信号动态特性和控制系统的工作性能。这为分布式发电联网运行的控制系统提供了理论基础。文[33]分析了DGS 的三种励磁控制器：①电压跟踪模式，滞后的功率因数为系统提供了较好的电压特性，但反映电压降落不够灵敏；②电压控

制模式，发电机和稳定性条件限制了其应用；③电压支持模式，对于改善电网的电压特性具有巨大的潜力。文[34]介绍了用于DGS 的三相脉冲宽度调制（PWM ）逆变器的电流控制器。仿真结果表明，利用迭代学习控制（Iterative Learning Control ，ILC ）的循环反馈，可有效地消除采用次振荡（Suboscillation ）PWM 方法在空载条件下所引起的电流波形畸变以及稳态电流幅值和相位的误差。

3.5电网损耗分析

电网的损耗主要取决于系统的潮流，DGS 影响系统的潮流分布，也必然影响电网络的损耗。分布式发电可能增大也可能减小系统损耗，取决于DGS 的位置、DGS 容量与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。文[35]提出的两种网损分配方案（Loss Allocation

Schemes ）¾¾临界损耗系数法（Marginal Loss Coefficient ）和直接损耗系数法（Direct Loss Coefficient ），弥补了传统置换法（Substitution Method ）的不足。对于DG 在MV 级电网资源优化配置的问题，文[36]采用遗传算法分别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）最省的问题。

3.6其他方面

其他方面包括分布式发电机组之间分布互联模型的分析方法与规则的探讨[37,38]，含有DGS 的配电网的规划与设计[39,40]、动态仿真[41]、潮流的配置模型[42]，分布式发电的市场体系、相应的法律、法规和行业规范[43-46]。

4分布式发电的未来研究方向

分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究领域，其研究的重点集中在分布式发电对电力系统的影响。有鉴于此，本文从以下几个方面对分布式发电今后的研究方向做了阐述：

（1）现有分布发电技术的完善和新型技术的研发，如开发新的电解质材料和催化剂，提高燃料电池的性能、使用寿命、性能价格比等。

（2）采用新的算法（如遗传算法等）建立分布式发电的等值模型，研究分布式发电的极限功率及其对电力系统稳定的影响，研究分布式电源故障时对电网暂态的影响及相应的控制策略。

（3）通过负荷灰色预测技术、专家系统预测技术、神经网络预测技术及小波分析预测技术建立精确的随机性负荷模型，从而建立分布式发电的发电量预报。

（4）以分布式发电的发电量预报为基础，从随机最优控制原理出发，结合智能控制（人工神经网络、模糊控制、遗传算法）及现代控制理论，建立分布式发电的自动发电的随机最优控制模型及电压、频率随机自适应控制模型。

（5）基于全球定位系统（GPS ）技术、通讯技术、数字信号处理（DSP ）技术以及电力系统的动态测量和在线监测技术，实现含有分布式发电的配电网动态监测、灵活跟踪和调度控制。

（6）建立新型电力公司与用户的关系体系，妥善研究和制定与分布式发电有关的法律、法规和行业规范，研究分布式发电对电力市场的影响。

5结论

本文介绍了分布式发电技术及其在电力系统中的应用研究的新进展。总的来看，随着电力系统规模的日益扩大、用户对电能需求的日益增大，分布式发电作为一种具有竞争力的发电方式必将在现代电力系统中占有越来越重要的地位。可以预见，分布式发电将是21世纪电力工业发展的方向。欧美少数发达国家对分布式发电这一前沿课题已展开了深入地研究。而在我国，分布式发电技术的研究尚处于起步阶段[47-50]，因此，如何缩短差距、开展课题研发是值得每一位电力科技工作者认真思考的。

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