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分布式发电技术与微型电网

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. • • • • •. 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.

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分布式发电技术与微型电网

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  1. 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

  2. 1.概述 • • • • • 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

  3. 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

  4. – 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 Engines and 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

  5. 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DG ④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 CHP 热电 联产 源： 风能、太阳 ⑦大型燃煤热电厂、大型 能等 燃天然气热电厂

  6. Trend of average capacity of single power generator in the world 世界上平均单机容量发展趋势 1000 MW Originated from DE Gradually to DE 1900 2000

  7. 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

  8. • 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)

  9. • 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。

  10. 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

  11. 东京瓦 东芝大 斯大楼 楼 靠海大 楼

  12. • 1. 4 国内发展现状 –上海 –广州 –北京

  13. 国内楼宇三联供系统的发展情况 – 上海 – 广州

  14. 北京楼宇三联供系统的发展情况

  15. 北京燃气调度和控制中心 （ 2004年投运，至今尚未并网） 总投资 2.9 M 元人民币 面积 32,000m2

  16. Gas Gas Engine Generator Exhaust gas Electric exhaust Air Hot water Heating Cooling Jacket Water Supplemental burner Flow DFA Diagram

  17. 北京燃气集团调度指挥中心 BCHP的效率

  18. 项目.中关村软件园软件广场 中 关 村 软 件 园 软 件 广 场 项目总投资4039万元 建筑面积6.8万平米

  19. 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

  20. • 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。 BIPV 德国市场上的光伏建筑一体化系统

  21. 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 西藏安多县100kW县级光伏电站 的成功典范。

  22. 100kW PV 50kW PV • 北京屋顶并网式太阳能光伏发电

  23. 深圳国际园林花卉博览园1MWp并网光伏电站

  24. 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

  25. 1200kW 120kW 500kW 24kW 40kW

  26. 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

  27. 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 输电网 一级配电网 二级配电网 ~ 110KV 220KV 35KV 66KV 10KV 380/220V 500KV 图2－1典型并网电压

  28. 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

  29. 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)，

  30. 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)

  31. • （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

  32. 2.分布式发电与配电网互联问题及对电力系统的影响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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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 Reliability Technology 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

  39. （2）微型电网结构

  40. • (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

  41. 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

  42. – 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（Power Parks)

  43. • (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

  44. • 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

  45. • （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

  46. 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

  47. 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

  48. 4.分布式发电（电源）技术应用的障碍和瓶颈(续)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

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