分布式发电技术与微型电网

中国电力科学研究院胡学浩

2008年 10月 30日

1.概述•

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1.1基本概念1.2必要性及重要意义1.3国外发展现状1.4国内发展现状1.5几种分布式发电简介

2.分布式发电与配电网互联问题3.微型电网技术4.分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈5.分布式发电（电源）技术发展方向6.结语

1.概述1.1基本概念• 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或稍高的配电电压等级上 (一般低于 66kV)

– 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）

– 常采用热电联产 CHP 或冷热电联产 CCHP的方式

– 类型主要包括（广义） :燃气轮机 (Gas Turbine,

Combustion Turbine Generators)--微燃机 (Micro-turbine)内燃机 (Gas Engine,

Internal Combustion Reciprocating Enginesand Generators)燃料电池 (Fuel cell)太阳能光伏电池 (Photo-voltaic panel）风能（Wind Power)生物质能 (Biomass Energy)等等

CHP 热电联产

源：风能、太阳

DG 分布式发电①小风电、小型太阳能光伏发电（户外或屋顶）②生物质能发电（内燃机沼气发电、秸秆气发电）③燃天然气的 DG④地热发电（西藏羊八井电站）⑤油田天然气发电、煤层气发电、焦炉煤气发电

可再生能 ⑥大规模风电、大水电、大型荒漠太阳能光伏发电⑦大型燃煤热电厂、大型

能等 燃天然气热电厂

Trend of average capacity of single power generator inthe world

世界上平均单机容量发展趋势1000MW

Originatedfrom DE

1900 2000

Gradually to DE

主力发电厂 升压变压器

配电站 降压站 配电站

配电站

商业

光电

燃机商业工业住宅

• 1. 2 必要性及重要意义– 经济：能源合理梯级利用 --提高能源利用效率（ 60%-

90%） --节能，投资回报率高、降低成本和投资，就近供电，减少网损

– 环保：减轻环保压力（排放总量减少、减少征地及线路走廊、减少高压电磁污染）

– 能源：多个电源，多种燃料，可为用户同时提供多种能源（电、热、冷），解决能源危机和能源安全问题，可利用新能源（氢）和可再生能源

– 安全及可靠性：调峰问题（与燃气互补）、备用问题，提高供电可靠性和供电质量，防止大面积停电事故的发生，防灾害（战争、地震、恐怖活动）

– 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

– 投资风险：降低大型电站建设投资风险– 扶贫：解决边远地区供电困难（ Standalone mode)

• 1. 3 国外发展现状–美国、日本、欧洲发展较快

–美国 2001年颁布 IEEE p1547 “关于分布式电源与电力”系统互联的标准草案

–通过了有关法令让部分分布式发电上网运行–据美国分布式电力联盟 (DPCA)的研究估计，未来 20年， DG将获未来新增发电容量的 20%--35GW,美国 EPRI估计 ,2010年 DG的市场可达 2.5-5GW/年

–美国规划在今后 10-15年， DR占美国发电量 10%-20%

– 目前，除少数发达国家外， DG装机量在发电装机总量上所占比例不大（一般在 5%以下，如阿根廷 2.1%、巴西 3.9%、法国 6.6%、印度 4.6%、日本 13.4%、英国6.2%、美国 7.8%） --WADE统计数据。

日本芝浦地区 DCHP实例介绍• 包括东京瓦斯大楼、东芝大楼、靠海大楼• 4台燃气轮机，装机容量 4400KW

• 区域性热电冷三联供系统

东京瓦东芝大斯大楼楼

靠海大楼

• 1. 4 国内发展现状–上海–广州–北京

项目地点 设备情况 备注

1上海黄浦中心

医院 台 土星柴油燃气

1 1000kw Solar 20

轮机台 余热蒸汽锅炉

1 3.5t/h

年已投

1998

入运行

2上海浦东机场 台 天然气燃气轮机

1 4000kw Solar

台 余热蒸汽锅炉

1 5t/h

年已投

2001

入运行

3上海闵行医院 台 坚泰燃气内燃机

1 400kw

台 余热蒸汽锅炉

1 350kg/h

年已投

2004

入运行

4广东东莞鞋厂 台 柴油内燃机

11 102kw

台 蒸汽锅炉

11 0.5t/h

已投入运行

5广州铝业集团 台 重油内燃机

1 725kw

台 型余热直燃机

1 bz200

已投入运行

6上海理工大学 台 燃气微燃机台

1 60kw Capstone 1

万大卡余热直燃机

15

正在进行施工图设计

国内楼宇三联供系统的发展情况

– 上海– 广州

序号

项目地点 设备情况 备注

1北京市燃气集团监控中心

台 台 燃气内燃机

1 480kw+1 725kw

台 型 台 型余热直

1 BZ100 +1 BZ200

燃机

年投入运

2004

行，尚未并网

2北京次渠门站综合楼

台 宝曼燃气微燃机

1 80kw

台万大卡余热直燃机

1 20

2003年设备投入运行

3北京国际贸易中心三期工程

台 人马 燃气

2 4000kw Solar 40

轮机 台 再燃余热锅炉

+2 20t/h

方案论证

4国际商城 台 人马 燃气

2 4000kw Solar 40

轮机 台 再燃余热锅炉

+2 20t/h

方案论证

5中关村软件园 台 燃气轮机

1 1210kW Solar

台 万大卡余热直燃

1 250

正在安装，预计 2005年投

产6 北京高碑店

污水处理厂4 513kW

3 652kW

1994

北京楼宇三联供系统的发展情况

面积 32,000m2 总投资 2.9 M 元人民币

北京燃气调度和控制中心 （ 2004年投运，至今尚未并网）

Air

Gas Engine

Gas

Generator

Exhaust gas

Electric

exhaust

Hot water

Heating

Cooling

JacketWater

Supplemental burner

Flow

DFA

Diagram

电 冷 /热 总体

冬季35% 52.86% 81.15%

夏季35% 61.44% 86.80%

北京燃气集团调度指挥中心BCHP的效率

项目 .中关村软件园软件广场中关村软件园软件广场 建筑面积 6.8万平米 项目总投资 4039万元

1.5几种分布式发电简介并网光伏建筑一体化的电气方案

BIPV 德国市场上的光伏建筑一体化系统• 最普通的安装方式 : 将标准组件通过导轨安装在倾斜的或平面屋顶。

的成功典范。西藏安多县 100kW县级光伏电站

我国太阳能发电（ PV）简介• 该电站于 1998年建成发

电，一度是当时我国海拔最

高、容量最大的独立光伏电

站。。同时还建成了西藏那

曲班戈县 70kW、尼玛县 40kW

县级光伏电站。

•安多县 100kW光伏电站的建

成，标志着我国具有设计建

设大型独立光伏电站的能

力，是最终消灭西藏无电县

• 北京屋顶并网式太阳能光伏发电

50kW PV

100kW PV

深圳国际园林花卉博览园 1MWp并网光伏电站

生物质能• 估计今后生物质能发电会有较快发展据有关部门预测， 2020年我国生物质能发电将达 20GW-30GW

40kW

500kW

24kW

1200kW

120kW

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.1并网的基本结构

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.2并网的电压等级

10KV 380/220V110KV220KV

35KV66KV

500KV图 2－ 1典型并网电压

输电网 一级配电网 二级配电网

~

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.1电能质量问题

• （ 1）电压调整– 负荷潮流变化大，使馈线上的电压幅值发生变化，调整和维持困难，搞不好电压反而可能超标

– 如是电力电子型电源，电压调节和控制方式与常规方式不同（有功和无功可分别单独调节）

– DG的频繁启动使配电网电压常常发生波动– 对电压骤降， DG可能有用，也可能无用，对装在 DG母线侧的可能有用，对装在邻近母线侧的用户可能无用

– 在不作变化的情况下，配电馈线上倒底能装多少 DG，主要取决于电压调节性能

– 在分布式电源为风电的情况下，电源需要从电网吸收无功，且随时波动，使电压调节变得困难

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.1电能质量问题

• （ 2）电压闪变– 并网时一般不会发生闪变，孤岛运行时如储能元件能量太小，易发生电压闪变

• （ 3）电压不平衡– 如是电力电子型电源，逆变器的控制策略对网络不平衡电压会有影响

• （ 4）谐波畸变和直流注入– 电力电子型电源易产生谐波，造成谐波污染。采用投切式

PWM可使谐波降低。此外，如无隔离变压器而与电网直接相连，有可能向电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附近机械负荷发生转矩脉动（ torque ripple)，

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.2对继电保护的影响问题

• （ 1）配电网有大量的继电保护装置早已存在而不可能为了 DG而改动， DG必须与之配合并适应它

• （ 2）使重合闸不成功– 在系统故障时， DG的切除必须早于重合时间，否则会引起电弧的重燃，使重合闸不成功（快速重合闸 0.2秒 - 0.5秒 )

• （ 3）使保护区缩小– 当有 DG的功率注入电网时，会使继电器原来的保护区缩小

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响• 2.3并网的若干技术问题

– 2.3.2对继电保护的影响问题• （ 4）使继电保护误动作

– 如继电器不具备方向敏感性能（原系统为放射型的，末端无电源，不会产生转移电流）则并联分支故障时，会引起本分支继电器的误动

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.3短路电流问题

• 虽然许多情况下一般装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但系统发生故障时，短路瞬间会有大电流注入电网，使配电网的开关短路电流超标，因此，大功率 DG接入电网时，必须事先进行电网分析和计算

– 2.3.4铁磁谐振（ Ferro-resonance)问题• 当 DG通过变压器、电缆线路、开关等与配电网相连时，一旦配电网发生故障（如单相对地短路）而系统侧开关断开时， DG侧开关也会断开，如此时 DG变压器未接负荷，变压器的电抗与电缆的大电容可能发生铁磁谐振而造成过电压，还能引起大的电磁力，使变压器发出噪音或使变压器损坏

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.5变压器的连接问题和接地问题

••••

配电网侧和 DG侧的故障传递问题DG的三次谐波传递到系统侧的问题DG侧保护继电器检测到系统侧的故障而动作过电压和铁磁谐振问题

– 2.3.6配电网电容器投切与 DG的励磁配合（会出现 Hunting现象）

– 2.3.7孤岛运行问题• 系统故障时的 DG解列运行• 再连接时的判同期

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.8可靠性问题（缺点）

• 大系统停电时有些 DG的燃料会中断，或供给DG辅机的电源会失去， DG会同时停运，仍无法提高供电的可靠性，如要使 DG始终保持运行必须有特殊的设计

• DG与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动作，反而使可靠性降低

• 不适当的安装地点、容量和连接方式会使配网可靠性变坏

2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响

• 2.3并网的若干技术问题– 2.3.8可靠性问题（优点）

• DG可部分消除输配电网的过负荷和堵塞，增加输配电网的裕度，使系统可靠性提高

• 在一定的 DG布置和电压调节方式下， DG可缓解电压骤降，提高系统的可靠性

– 2.3.9配电网效益• 使配网设备闲置，导致成本增加，供电局效益下降• 使负荷预测更加困难

2.4分布式发电与配电网互联标准和导则问题• 互联标准和总体要求

– 美国有 IEEE P1547/ “用于将分布式电源与电力系统互联的标准草案” ---由 IEEE 标准协调委员会SCC21 组在 2003年发布，但中国无类似标准

3.微型电网 (Micro-Grid)技术

• (1) 微型电网（微电网、微小电网、微网）的定义（ CERTS——Consortium for Electric ReliabilityTechnology Solutions)：是负荷和微小能源的集合体，以在单一系统中同时提供电力和热的方式运行，这些微小能源的大多数是基于电力电子型，提供必要的灵活性以确保单一集合系统的运行，控制的灵活性使微型电网对于大电力系统而言呈现为单一的受控单元，以满足当地对可靠性和安全性的要求

（ 2）微型电网结构

• (3) 相关特点– 组成：

a.微燃机（Microturbine)

特点：小功率 25~100kW

高速： 50000~100000（ 5~10万转 /分）空气轴承例如： Capstone 30kW, 60kW

Honeywell Parallon 75kW

欧州 Bowman, Turbec

燃料：天然气、丙烷 (propane)、液体燃料

b.燃料电池c.可再生能源发电：光伏（ PV)、风电d.储能技术：电池、超级电容器（ Ultracapacitor)

– 热电联产（ CHP)

-产生的热更接近使用点-单个机组产热规模小，可更灵活地适应需要

– 互联标准： P1547可适用于微电网

– 微电源控制器（Micro-source Controller)• 用于调节负荷及电压变化• 靠就地信号• 毫秒级响应

– 能量管理员（ Energy Manager)• 对电力和电压进行调度，以满足微电源控制器整定值• 分钟级

– 保护• 系统故障时，尽可能快地将微网与主网隔离• 只有在微网能带负荷时才进行• 当电压骤降时，有时采用补偿的方法，避免与主网隔离

– 大系统与微网互联—采用电力园区（ PowerParks)

• (4) 微电网与主网的关系– 作为大系统的一个资源、根据大系统的需要对微网进行调节，可作为切负荷的一部分来处理

– 动态相互作用：大量微电网将对大电力系统产生影响

• （ 5）微电网的控制方法– 要求：仅依靠就地信息，不需要其他电源的数据和通信，满足即插即用原则，有功和无功可独立控制

– 微网控制功能• 具有基本的有功和无功控制功能

• 电压调节：不同于主网发电机励磁调节，不允许出现大的环流，如电压整定值出现微小误差，就可能出现环流，故需要一个电压相对于无功电流的调差控制器

• 快速负荷追随和储能的必要性：孤岛运行时，微燃机和燃料电池的响应速度为 10~200秒，速度太慢，储能相当于发电机惯性，并网运行无储能必要

• （ 6）保护继电器– 原先放射性网大多用过电流（大短路电流）保护，现在为直流型小电源，在孤岛运行时，若发生短路，短路电流很小（仅有负荷电流的 2倍或更小），无法启动过电流保护，时间也会很长，要改成阻抗法、零序电流、或电压继电器和微分电流型等

• （ 7）微电网经济性– 更多利用 CHP提高效率，从 33%提高到 70%

– 使电源更靠近负荷，可靠性和电压水平等都可以满足特殊用户的需要，使可靠性指标不必全网统一

4.分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈

• (1)燃料问题 :天然气供应有一定局限，只够民用，不够发电，还要解决长管线问题，需要大量经费

• (2)价格问题：天然气燃料成本较高，费用较高，燃料电池的价格短期内不可能下降

4.分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈(续）

• (3)占地问题：城市用地紧张，单独设站选址困难

• (4)表计问题：双向计量待解决• (5)效率问题 : 只有在恰当的设计和应用下 ,才能保证一定的效率

4. 分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈 (续 )

• (6)与电力系统联网问题 :– 配电网成放射状，电网分析计算、电费计量、继电保护配置均按单方向潮流考虑，分布式发电特别对继电保护有影响，大量的配网继电保护配置早已形成，难以更改，只有 DG适应

– 谐波会注入配网，引起谐波超标– 使配网短路容量增大，使配网开关遮断容量超标– 使配网设备闲置，导致成本增加，供电局效益下降– 配网负荷予测更加困难– 目前还没有与配电网联结的标准，无章可循– 如有多余电力向配电网送出，电价问题较难解决– 不适当的安装地点、容量和连接方式会使配网可靠性变坏

4.分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈 (续 )

• (7)环保问题：城市环保状况变坏，热岛效应，Nox的排放量仍超过北京的 EPA标准

• (8) 防火安全问题：北京市防火规程规定，压力大于 0.2Mpa的天然气不允许进楼

式发电（电源）主要技•

进行包括 DG在内的配电网规划研究 ,DG在配电网中的优化安装位置及规模 ,DG对配电网的电能质量、电压稳定性、可靠性、经济性、动态性能等的影响。配电网应规划设计成方便 DG的接入并使 DG对其本身的影响最小。

• （ 2）控制和保护方面研究对大型 DG的监控技术、包括 DG在内的配电网新的能量管理系统 (DMS) 、将 DG作为一种特殊的负荷控制和需求侧管理手段的技术、对配电网继电保护配置的影响及预防措施等。

• （ 3）电力电子技术方面新型的分布式发电常常需要大量应用电力电子技术 ,须研究具有电力电子型分布式电源的交流 /直流变换技术、有功和无功的调节控制技术等。

5.分布式发电（电源）主要技术发展方向（续）

• （ 4）微型电网技术这种微型电网的模拟、控制、保护、能量管理系统和能量储存技术等与常规分布式发电技术有较大不同 ,须进行专门的研究。

• （ 5）分布式发电系统的数学模型和仿真技术建立 DG本身及并网运行的稳态、暂态、动态的数学模型 ,开发相应的数字模拟计算机程序或实验室动态模型和仿真技术。

• （ 6）分布式电源的并网规程和导则我国目前尚无分布式电源的并网规程和导则 ,应尽快加以研究并制定出相应的规程和导则 ,以利于 DG(DR)的接入。

5.分布式发电（电源）主要技术发展方向（续）

•(7)其他方面– 提高分布式发电系统总体效率（使能保持在

75%~85%）– 如何解决环保问题：城市环保状况变坏， Nox的排放量超 EPA标准

– 尽快开发利用清洁燃料和可再生能源的技术，如改进燃料电池的性能，利用氢作燃料，城市的屋顶太阳能光伏发电等，降低成本和费用

办公楼、宾馆、商店、饭店；住宅、学校、医院、福利院、疗养院、研究所、体育场馆

6. 结语：分布式发电--应用较广，前景很好，障碍不小