分布式發(fā)電與微電網(wǎng)

1、分布式發(fā)電、儲能與微電網(wǎng)控制孫衢自動化學(xué)院主要內(nèi)容認(rèn)識電力系統(tǒng)分布式發(fā)電微電網(wǎng)及其控制儲能技術(shù)- 1 -認(rèn)識電力系統(tǒng)認(rèn)識“電”電是一種特殊的商品（質(zhì)量、數(shù)量）電能不能大規(guī)模存儲每一瞬間電能的生產(chǎn)和消耗保持平衡負(fù)荷曲線（削峰填谷）- 2 -認(rèn)識電力系統(tǒng)認(rèn)識電網(wǎng)發(fā)電、輸電（變電、配電）、用電電廠（水電站、火電站、核電站、風(fēng)電場)鋼鐵企業(yè).電網(wǎng)輸電網(wǎng)（供電網(wǎng)）220KV,110KV,35KV,750KV配電網(wǎng)10KV- 3 -GenerationTransmissionDistributionLoadHydroelectric plant Fossil-fuelled plant Nuclear p

2、lant 認(rèn)識電力系統(tǒng)- 4 -電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性功角穩(wěn)定性小干擾穩(wěn)定性（電源、負(fù)荷）暫態(tài)穩(wěn)定性（三相短路）電壓穩(wěn)定性（無功平衡）頻率穩(wěn)定性（有功平衡）- 5 -單機(jī)無窮大系統(tǒng)- 6 -單機(jī)無窮大系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖- 7 -電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制送端關(guān)注功角穩(wěn)定性（發(fā)電機(jī)）受端關(guān)注電壓穩(wěn)定性 （負(fù)荷）振蕩穩(wěn)定性及控制低頻振蕩(0.22Hz)次同步振蕩(略低于50Hz)抑制措施PSSHVDCFACTS- 8 -FACTS控制器- 9 -電網(wǎng)分析的相關(guān)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑绷饔?jì)算狀態(tài)估計(jì)穩(wěn)定性分析短路計(jì)算 .“電力系統(tǒng)博大精深！”- 10 -電網(wǎng)的發(fā)展方向區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)微型電網(wǎng)

3、（微電網(wǎng)）接入配電網(wǎng)分布式發(fā)電（風(fēng)力、太陽能、生物質(zhì).)分布式儲能- 11 - 12 -微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)- 13 -1 術(shù)語和基本概念(1)分布式發(fā)電(2)新能源發(fā)電(3)微電網(wǎng)- 14 -分布式發(fā)電的定義國內(nèi)：分布式發(fā)電（Distributed Generation）是指功率不大（一般幾十kW到幾十MW）、建設(shè)在負(fù)荷中心附近的、模塊式采用先進(jìn)信息控制技術(shù)的、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的自主智能發(fā)電形式。國外：DR (Distributed Resource)-分布式電源，非直接接入大輸電系統(tǒng)的電源，包括發(fā)電機(jī)和儲能DG (Distributed Generation)-分布式發(fā)電，是分布式電源

4、DR的一個子集DG（Dispersed Generation) 分散式發(fā)電- 15 -分布式發(fā)電的特點(diǎn)分布式發(fā)電 (DG) 或分布式能源 (DER) 是一種分散、非集中式的發(fā)電方式，具有以下特點(diǎn)接近終端用戶容量很小（幾十 kW 至幾十 M W）以孤立方式或與配電網(wǎng)并網(wǎng)方式，運(yùn)行在380V 或 10kV采用潔凈或可再生能源(天然氣、沼氣、太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能小風(fēng)電、或水能小水電)新能源發(fā)電VS.分布式發(fā)電新能源發(fā)電分布式發(fā)電：概念和內(nèi)容上有發(fā)展DG大多利用新的能源和新型發(fā)電技術(shù)；利于環(huán)保；電源容量小，電壓等級低；接近負(fù)荷中心，接入配電網(wǎng)；電力生產(chǎn)者和消費(fèi)者合一，功率雙向流動；運(yùn)行方式靈活，可連

5、接于配電網(wǎng)，也可不聯(lián)網(wǎng)；比集中發(fā)電更可靠；在一批小型發(fā)電機(jī)組成的系統(tǒng)中發(fā)生大的停電（高負(fù)荷、風(fēng)暴、地震、恐怖襲擊、戰(zhàn)爭）幾率較??；- 17 -具有分布式發(fā)電的示范配電系統(tǒng)- 18 -微電網(wǎng)的定義微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，以靠近分散型資源或用戶的小型電站為主，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)。微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電源和負(fù)荷的一體化運(yùn)行，并通過和主電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，可平滑接入主網(wǎng)或獨(dú)立自治運(yùn)行，充分滿足用戶對電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性的要求。 - 19 -微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，它可能組成中壓或低壓配電網(wǎng)的

6、一部分，負(fù)荷通過分布式電源供電。根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性，微電網(wǎng)可能通過PCC連接到大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可與之?dāng)嚅_進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式（Isolated Grid，IG）。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)的時候，微電網(wǎng)的運(yùn)行和控制模式也在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，即依賴于大電網(wǎng)的模式（Grid Dependent，GD）和獨(dú)立于大電網(wǎng)的模式（Grid Independent，GI）。GD與GI模式的區(qū)別在于微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間是否有功率交換。- 20 -微電網(wǎng)按照結(jié)構(gòu)可以分為三種類型：片區(qū)微網(wǎng)、工商業(yè)微網(wǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 片區(qū)微網(wǎng)片區(qū)微電網(wǎng)有兩種，一種是城市網(wǎng)絡(luò)，另一種則是農(nóng)村的饋線。前者主要用于城市的繁華地區(qū)，后者則用

7、于農(nóng)村電網(wǎng)的計(jì)劃解列。片區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展動力是停運(yùn)管理和整合可再生能源發(fā)電的需求。片區(qū)微電網(wǎng)的主要作用在于降低溫室氣體的排放；提供對用戶多種能源方式的供給；阻塞管理；延緩電力網(wǎng)絡(luò)的升級等。另外，片區(qū)微電網(wǎng)能提供當(dāng)?shù)責(zé)o功電壓支撐和較高的電能質(zhì)量等輔助服務(wù)。- 21 -工商業(yè)微網(wǎng)微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 工商業(yè)微網(wǎng)的用戶一般定義為關(guān)鍵負(fù)荷或者敏感負(fù)荷，即需要較高等級的供電可靠性和電能質(zhì)量。該類微電網(wǎng)能夠提供對多個工商業(yè)區(qū)域的負(fù)荷需求，如大學(xué)校園、購物中心或工業(yè)設(shè)備。該類微電網(wǎng)同樣可以供給小型的居民負(fù)荷，如一組城市用房或者獨(dú)立公寓，也可以成為居民區(qū)微電網(wǎng)。該類微電網(wǎng)能夠提供便利且可靠的能量供給，并且能夠提供用戶定

8、制的多種分布式電源供電。該類微電網(wǎng)的主要作用是提供較高的電能質(zhì)量；提供不同水平的電能可靠性水平；整合CHP和需求側(cè)管理。運(yùn)行方式有GD、GI和IG，當(dāng)大電網(wǎng)故障或者電能質(zhì)量不滿足要求、電價較高或者系統(tǒng)維修時從GI模式切換到IG模式。 - 22 -微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu) 偏遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)利用微電網(wǎng)對這些偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)進(jìn)行供電，可以利用可再生能源發(fā)電或其他分布式電源來形成孤立的電網(wǎng)或者獨(dú)立的微電網(wǎng)來為偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民或者商業(yè)用戶供電或熱。該類微電網(wǎng)的主要目的就是為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電，并降低傳統(tǒng)化石燃料的消耗。它具有如下好處：整合可再生能源發(fā)電、降低溫室氣體排放和需求側(cè)管理。主要運(yùn)行方式為IG。 - 23 -2 分布式

9、發(fā)電和微電網(wǎng)的興起和發(fā)展（1）DG興起的原因（2）DG的發(fā)展現(xiàn)狀（3）微電網(wǎng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀- 24 -大機(jī)組、大電廠、大系統(tǒng)、高電壓，資金密集，技術(shù)密集，高度信息化；復(fù)雜系統(tǒng)特性突出，石化能是主要一次能源分散式，小容量發(fā)電機(jī)，低電壓，小系統(tǒng)，交、直流輸電和諧、可持續(xù)發(fā)展成為發(fā)展目標(biāo)，傳統(tǒng)發(fā)電方式追求清潔高效，新發(fā)電方式應(yīng)用高技術(shù)獲得發(fā)電、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的綜合效益電力工業(yè)發(fā)展的歷史產(chǎn)生與興起階段現(xiàn)代化工業(yè)階段可持續(xù)發(fā)展階段- 25 -電力工業(yè)發(fā)展的軌跡能源利用多樣化，新發(fā)電方式層出不窮，朝著可持續(xù)能源利用方向發(fā)展；小機(jī)組、小電廠、小系統(tǒng)集中發(fā)電大機(jī)組（高參數(shù)）、大電廠、高電壓、大系統(tǒng)（互聯(lián)）分散的小

10、發(fā)電系統(tǒng)、微型電網(wǎng)（聯(lián)網(wǎng)或不聯(lián)網(wǎng)）快速發(fā)展，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的有力補(bǔ)充；簡單技術(shù)先進(jìn)技術(shù)高技術(shù)電力生產(chǎn)者和消費(fèi)者的分離與結(jié)合；電網(wǎng)由單一的供電網(wǎng)，單向輸電 混合能源網(wǎng)，雙向輸電- 26 -DG興起的現(xiàn)實(shí)原因（1）電力用戶對供電可靠性的更高的要求傳統(tǒng)的電網(wǎng)不能提供超過”3個九或4個九”的供電可靠性，這種限制主要是電力系統(tǒng)不確定、不可控制的事件如天氣和設(shè)計(jì)電網(wǎng)的成本。家庭用戶希望達(dá)到99.9999%(“6個九”)的可靠性，也就是平均一年停電30秒某些靈敏的電子設(shè)備，需要至少99.9999999% %(“9個九”)的供電可靠性 分布式發(fā)電和傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)合起來達(dá)到更高的可靠性是可能的； （2）新材料和

11、新型的發(fā)電技術(shù)為分布式發(fā)電提供了技術(shù)上的支持；（3）解決能源危機(jī)的一個途徑；（4）環(huán)保要求；（5）電力市場要求進(jìn)行分布式發(fā)電，打破壟斷- 27 -DG的優(yōu)點(diǎn)（1）投資和風(fēng)險：分布式發(fā)電本身投資和風(fēng)險都要很??；（2）安全及可靠性：與電網(wǎng)配合，可以大大提高供電的可靠性，在電網(wǎng)崩潰或者發(fā)生意外災(zāi)害（戰(zhàn)爭、臺風(fēng)、地震、恐怖活動等）的情況下，繼續(xù)維持重要用戶的供電。 分布式發(fā)電可以滿足特殊場合的需求，如在大型集會或慶典場合，安排處于熱備用狀態(tài)的移動分散式發(fā)電車，則可以大大提高供電可靠性。（3）環(huán)保（4）電力市場：適應(yīng)電力市場發(fā)展需要，多家辦電，打破電力部門壟斷- 28 -分布式發(fā)電優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）經(jīng)濟(jì)：

12、能源綜合利用，提高能源利用效率（60%-90%）。電、冷、熱三聯(lián)產(chǎn)，為能源的綜合利用提供了可能，具有較高的能源利用率。（6）由于分散式發(fā)電裝置工作流程簡單，參與運(yùn)行的系統(tǒng)少，因而啟動和停機(jī)快速，與電網(wǎng)配合使用時具有良好的調(diào)峰性能，且便于實(shí)現(xiàn)全自動控制。（“即用即插式”，“友好發(fā)電方式”）（7）扶貧：解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電困難相對于化石能源而言，可再生能源密度較低、分散性強(qiáng)，不太方便作為集中供電的能源，已開發(fā)的可用電量有限。- 29 -2005年可再生能源容量（GW）- 30 -世界風(fēng)電發(fā)展快速- 31 -1995-2005年太陽能光伏電池容量（MW）- 32 -2005年太陽能熱水器/供熱容量（總?cè)?/p>

13、量=88GWth）- 33 -微網(wǎng)示范工程地理位置說 明CERTS 試驗(yàn)基地美國俄亥俄480V系統(tǒng)，包括3個60kW MT，有三條饋線，其中兩條含有微電源并能孤網(wǎng)運(yùn)行。這兩條中的一條饋線上帶有兩個微電源，通過170m電纜間隔；另一條饋線上帶有一個微電源，這樣可以進(jìn)行微電源并行運(yùn)行的測試。該系統(tǒng)用于測試微電網(wǎng)各部分的動態(tài)特性。Mad River 公園美國范特蒙特6個商業(yè)和工業(yè)廠區(qū)，12個居民區(qū)，280kW、100kW發(fā)電機(jī)，30kW MT，PV。接入7.2kV配網(wǎng)。既可孤網(wǎng)運(yùn)行，也可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。LABEIN 微網(wǎng)中心西班牙通過兩個1000kVA和451kVA的變壓器連接到30kV中壓網(wǎng)絡(luò)，0.6k

14、W和1.6kW單相PV，3.6kW三相PV，2組55kW柴油機(jī)，50kW MT，6kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)；250kVA飛輪儲能，2.18MJ超級電容，1120Ah和1925Ah蓄電池儲能；55kW和150kW電阻負(fù)荷，2個36kVA電感負(fù)荷。用于測試聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時集中和分散控制策略及電力市場中的能量交易。Kythnos孤網(wǎng)希臘提供12戶島上居民用電，400V配網(wǎng)，包含6臺光伏發(fā)電單元，共11kW，1座5kW柴油機(jī)，1臺3.3kW/50kWh蓄電池/逆變器系統(tǒng)。目前只能孤網(wǎng)運(yùn)行，研究目標(biāo)是微網(wǎng)運(yùn)行控制以提高系統(tǒng)滿足峰荷能力和改善可靠性。目前國外已建成的微網(wǎng)示范工程- 34 -EDP微型電力公司葡萄牙連接到4

15、00V低壓網(wǎng)絡(luò)的天然氣站電網(wǎng)，具有80kW MT，多余電力可送往10kV中壓網(wǎng)，或供當(dāng)?shù)氐蛪恨r(nóng)村電網(wǎng)（3.45-41.5KVA），既可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行也可孤網(wǎng)運(yùn)行。MV/LV 電力公司荷蘭用于度假村，共四條380V饋線，每條長約400m。以光伏發(fā)電為主，共裝335kW光伏發(fā)電單元。既可孤網(wǎng)運(yùn)行，也可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。主要用于含有儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行性能的測試。Manheim 微網(wǎng)德國慕尼黑位于居民區(qū)，包含六臺光伏發(fā)電單元，共40kW；計(jì)劃繼續(xù)安裝數(shù)臺微型燃?xì)廨啓C(jī)。將對基于代理的分散控制進(jìn)行測試，并進(jìn)行社會、經(jīng)濟(jì)效益評估。CESIRICERCA 試驗(yàn)公司意大利米蘭具有PV、MT、柴油機(jī)、MCFC等微電源，并配

16、有蓄電池、飛輪等儲能方式，可組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行過程測試和電能質(zhì)量分析。Boston Bar IPP加拿大該區(qū)域通過69/25kV變電站供電，通過60km的69kV線路連接到BC Hydro高壓系統(tǒng)。當(dāng)?shù)仉娏?yīng)Boston Bar有兩臺3.45MW水力發(fā)電機(jī)，峰荷為3.0MW。根據(jù)BC Hydro的準(zhǔn)則，進(jìn)行孤網(wǎng)運(yùn)行測試。Hachinohe計(jì)劃日本八戶污水處理廠配有3個170kW燃?xì)廨啓C(jī)，50kW PV，發(fā)出電力通過5km的私營配線輸送到4個學(xué)校、水利局辦公樓和市政辦公樓。學(xué)校內(nèi)也有小型風(fēng)機(jī)和PV，控制目標(biāo)是6分鐘內(nèi)供需不平衡控制在3%以內(nèi)。在測試過程中，該目標(biāo)完成率為99

17、.99%。在2007年11月孤網(wǎng)運(yùn)行一周。- 35 -美國微電網(wǎng)的研究 2002年首次提出CERTS微電網(wǎng)的概念包括3條饋線A、B和C及1條負(fù)荷母線，整體呈輻射狀結(jié)構(gòu)饋線通過主分隔裝置與配電系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)及并網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換IEEE P1547標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在PCC處，微電網(wǎng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)必須滿足預(yù)定的規(guī)范- 36 -CERTS的微電網(wǎng)示范網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CERTSConsortium for Electric Reliability Technology Solutions- 37 -美國微電網(wǎng)的研究CERTS微電網(wǎng)示范網(wǎng)絡(luò)包括光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等微電源能量管理器：實(shí)現(xiàn)對整個微電

18、網(wǎng)的綜合分析控制潮流控制器：實(shí)現(xiàn)對微電源的就地控制示范了對三類不同供電質(zhì)量要求的負(fù)荷的個性化微電源供電方案連接在饋線A上的敏感負(fù)荷采用光伏電池供電連接在饋線C上的可調(diào)節(jié)負(fù)荷采用燃料電池和微燃?xì)廨啓C(jī)混合供電連接在饋線B上的可中斷負(fù)荷沒有設(shè)置專門的微電源，直接由配電網(wǎng)供電- 38 -美國微電網(wǎng)的研究CERTS微電網(wǎng)的關(guān)鍵特性系統(tǒng)故障時候能孤網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)后自動并網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)各種工況下對用戶的持續(xù)無差別（特指電能質(zhì)量）供電將用戶和分布式電源集成，對系統(tǒng)而言是一個獨(dú)立自治的單元“對等” 概念（ peer-to-peer ）：各個元件地位對等，不存在主控制器或中心儲能單元“即插即用” 概念（ plug

19、-and-play）：各個微電源可以在微電網(wǎng)的任一點(diǎn)接入而無須改變微電網(wǎng)的控制策略- 39 -美國微電網(wǎng)的研究現(xiàn)有成果在試驗(yàn)系統(tǒng)上測試了暫態(tài)過程中（與主網(wǎng)斷開及孤網(wǎng)狀態(tài)下的負(fù)荷變化）控制系統(tǒng)的魯棒性，既能控制的出力，又能控制線路的潮流得到了一個試驗(yàn)系統(tǒng)中柴油機(jī)組的控制方法- 40 -美國微電網(wǎng)的研究CERTS微電網(wǎng)概念的拓展在DG附近配置儲能系統(tǒng)，有利于維持系統(tǒng)功率平衡仿真驗(yàn)證了儲能系統(tǒng)和電力電子接口控制策略的有效性- 41 -歐洲微電網(wǎng)的研究Microgrid計(jì)劃（2001-2005）由歐盟7個國家、14個組織合作開展將微電網(wǎng)定義為含有小型分布式發(fā)電的低壓配網(wǎng)，側(cè)重單個微電網(wǎng)的運(yùn)行目前已初步

20、形成了微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、安全及通訊等理論，并在實(shí)驗(yàn)室微電網(wǎng)平臺上對這些理論進(jìn)行了驗(yàn)證 - 42 -歐洲微電網(wǎng)的研究分層管理和控制系統(tǒng)微電網(wǎng)通過位于中壓/低壓變電站的微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）進(jìn)行管理和控制，MGCC具有經(jīng)濟(jì)性管理和控制等功能系統(tǒng)的第二層，控制器位于負(fù)荷側(cè)（負(fù)荷控制器，LC）或微電源側(cè)（微電源控制器，MC），它們之間通過MGCC交換信息，而MGCC通過設(shè)定LC和MC的參考點(diǎn)控制微電網(wǎng)的運(yùn)行- 43 -歐洲微電網(wǎng)的研究More Microgrids計(jì)劃：2006-2010其參與國家增加到11個，組織達(dá)到22個包括微電網(wǎng)、儲能、風(fēng)力發(fā)電、小水電、CHP、小型柴油機(jī)和可切除負(fù)

21、荷等目的在于通過開發(fā)和延伸微電網(wǎng)的概念促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能網(wǎng)絡(luò)的過渡主要研究先進(jìn)的微電源控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、多微電網(wǎng)運(yùn)行管理、技術(shù)和商業(yè)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、示范系統(tǒng)現(xiàn)場測試及其對電力系統(tǒng)的影響等 - 44 -歐洲微電網(wǎng)的研究 建設(shè)了一系列的微電網(wǎng)示范系統(tǒng)，對孤網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下運(yùn)行特性進(jìn)行了測試，目前已得到電能質(zhì)量、信息和通訊技術(shù)及社會經(jīng)濟(jì)效益等方面的結(jié)果- 45 -日本的微電網(wǎng)研究日本：NEDO建設(shè)了微電網(wǎng)示范工程，包括含多種可再生能源的區(qū)域電網(wǎng)、含有多個DG的配網(wǎng)設(shè)備和提供不同電能質(zhì)量的新型電力網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)行功率控制的并網(wǎng)太陽能和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 目前得到了一系列的并網(wǎng)

22、和孤網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)果- 46 -3 分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的研究內(nèi)容（1）分布式發(fā)電方式（2）DG接入電力系統(tǒng)的影響（3）微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制和保護(hù)- 47 -分布式發(fā)電技術(shù)分類風(fēng)能（Wind Power)太陽能光伏電池(Photo-voltaic panel）燃料電池(Full cell)生物質(zhì)能(Biomass Energy)燃?xì)廨啓C(jī)(Gas Turbine，Combustion Turbine Generators) 微燃機(jī)(Micro-turbine) 內(nèi)燃機(jī)(Gas Engine，Internal Combustion Reciprocating Engines and Generators)

23、- 48 -分布式發(fā)電技術(shù)- 49 -分布式發(fā)電裝置發(fā)電技術(shù)能源種類內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)石化能源燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)常規(guī)的燃油發(fā)電機(jī)發(fā)電技術(shù)燃料電池發(fā)電技術(shù)太陽能發(fā)電技術(shù)可再生能源風(fēng)力發(fā)電技術(shù)小水利發(fā)電技術(shù)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)氫能發(fā)電技術(shù)二次能源垃圾發(fā)電技術(shù)一般廢棄物地?zé)岚l(fā)電技術(shù)地球內(nèi)部熱核反應(yīng)- 50 -主要分布式發(fā)電特性比較功率范圍(kW)風(fēng)力發(fā)電機(jī)50-5000微型燃?xì)廨啓C(jī)25-75燃料電池5-2000太陽能電池1-100當(dāng)前的安裝費(fèi)用($/kW)1000-15001000-15003000-40001500-6500發(fā)電費(fèi)用(/kW)5.5-157.5-1010-1515-20對環(huán)

24、境的影響無廢氣排放，有噪音，景觀影響有廢氣排放，但比常規(guī)發(fā)電機(jī)組污染輕無污染無污染輸出功率特點(diǎn)不平穩(wěn)，受風(fēng)力影響功率平穩(wěn)，調(diào)節(jié)性好功率平穩(wěn)不平穩(wěn)，功率密度低- 51 -風(fēng)力發(fā)電場(wind power farm)- 52 -風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電在全世界獲得快速發(fā)展，除了能源需求增加，環(huán)保壓力加大外，重要的是風(fēng)能本身所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 歸納起來風(fēng)電具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）風(fēng)能資源豐富。（2） 風(fēng)能是可再生能源。 （3）清潔無污染。 （4）施工周期短。 （5）投資少，投資回收快。（6）實(shí)際占地少，對場地要求低。 （7）運(yùn)行管理簡單。（8）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟。 （9）風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性。 “裝一臺

25、風(fēng)機(jī)相當(dāng)于栽一棵搖錢樹”仙人島風(fēng)電場總經(jīng)理- 53 -風(fēng)電的局限性（1）風(fēng)能的能量密度小。為了獲得相同的發(fā)電容量，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪尺寸比相應(yīng)的水輪機(jī)大幾十倍。如3000kW的風(fēng)輪機(jī)直徑已達(dá)100m.。風(fēng)力發(fā)電單機(jī)極限約為10MW，對電力系統(tǒng)而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只能是小機(jī)組。（2）風(fēng)能的大小不穩(wěn)定。一般風(fēng)機(jī)的起動風(fēng)速為3 m/s，停機(jī)風(fēng)速為25 m/s，即325 m/s為有效風(fēng)力區(qū)。為得到穩(wěn)定的出力，調(diào)節(jié)控制十分困難。（3）至今，風(fēng)能不能大量儲存。小型風(fēng)電機(jī)可配置蓄電池，大型風(fēng)電機(jī)必須和大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。（4）風(fēng)輪機(jī)的效率較低，風(fēng)輪機(jī)實(shí)際效率只有理論最大效率的50%。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用率約為40%。（

26、5）有一定的噪聲（機(jī)械的和電磁的），不宜安裝在居民區(qū)。（6）接入電網(wǎng)時，對電網(wǎng)有不利的影響。- 54 -風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)電基本原理風(fēng)力發(fā)電基本原理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 Gearbox11 Mechanical disc br

27、ake12 Machine foundation13 Blade bearing14 Blade hub15 Blade16 Pitch cylinder17 Hub controllerVestas 3.0MW風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖- 55 -風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)電基本原理- 56 -風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制問題控制系統(tǒng)變槳距控制（對應(yīng)風(fēng)能輸入的功率）變頻器控制（對應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出的功率）- 57 -風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要類型（1）恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （3）雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（2）風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) - 58 -雙饋型風(fēng)電機(jī)組（DFIG）并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組（PMSG）并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)- 59 -風(fēng)力發(fā)電

28、的關(guān)鍵技術(shù)大功率風(fēng)輪機(jī)（MW）制造技術(shù)最大功率跟蹤控制技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)（電壓、頻率、電能質(zhì)量、 保護(hù)、可靠性）風(fēng)電場價值分析風(fēng)電的預(yù)測和調(diào)度- 60 -太陽光發(fā)電系統(tǒng)光伏電池（Photo Voltage Cell）光伏電池是利用某些半導(dǎo)體物質(zhì)在太陽光的照射條件下，在p型和n型晶結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。- 61 -太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)太陽能取之不盡，用之不竭，照射到地球上的太陽能要比人類消耗的能量大6000倍。只要在美國陽光豐富的西南部沙漠地區(qū)，建立一個面積為100mile100mile的巨型光伏電站，所發(fā)電力可以滿足全美國的用電需要.太陽能發(fā)電安全可靠，不會遭受能源危機(jī)或燃料

29、市場不穩(wěn)定的沖擊.太陽能隨處可得，可就近供電，不必長距離輸送，因而避免了輸電線路等電能損失.太陽能不用燃料，運(yùn)行成本很小.太陽能發(fā)電沒有運(yùn)動部件，不易損壞，維護(hù)簡單.太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源.- 62 -世界主要國家PV的發(fā)展趨勢無錫尚德光伏電池生產(chǎn)世界前10名，在紐約上市- 63 -太陽能電池的發(fā)展第一代PV-晶硅太陽能電池單晶硅、多晶硅(Crystalline Silicon,c-Si)第二代PV薄膜太陽能電池（Thin-Film PV）amorphous silicon, a-SiCdTeCIGS聚光型PV（Concentrat

30、ing PV)多結(jié)（Multijunction)太陽能電池太陽能光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)高效光伏電池制造最大功率跟蹤技術(shù)并網(wǎng)技術(shù)風(fēng)/光/柴/水互補(bǔ)技術(shù)- 65 -燃料電池(Fuel Cell-FC） 燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的新型能源生產(chǎn)方式，它利用氫和氧兩種元素相互作用產(chǎn)生電流。氧氣可以直接從空氣中提取，氫氣要從酒精、汽油、天然氣或其它炭氫化合物中提取。 - 66 -FC電極反應(yīng)負(fù)極： （堿性電解液） （酸性電解液）正極： （堿性電解液） （酸性電解液）電池反應(yīng)：- 67 -FC特點(diǎn)燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高（實(shí)際效率58%以上），無污染、無噪聲，無震動，安全可靠燃料電池最大的優(yōu)點(diǎn)是：輸出功率平

31、穩(wěn)可靠，跟隨負(fù)荷變化能力強(qiáng)（1秒內(nèi)跟隨50%的負(fù)荷變化）。燃料電池的安裝費(fèi)用高。每千瓦30004000美元。容量范圍2-250MW或更大MW級；模塊化的，搭積木，滿足大容量負(fù)荷需要- 68 -燃料電池系統(tǒng)及其應(yīng)用燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用（1）便攜式動力裝置(portable power)：包括筆記本電腦、移動電話(手機(jī))、助聽器、真空吸塵器 （2）小汽車與公共汽車：可使用甲醇來產(chǎn)生氫氣； 形成無數(shù)個“汽車發(fā)電站”，發(fā)出目前全球10倍的發(fā)電量；（3）大型發(fā)電裝置(1arge power generation)：新型的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，除發(fā)出電力外，還可利用燃料電池中產(chǎn)生的熱和水，去驅(qū)動蒸汽輪機(jī)，產(chǎn)生更多

32、的電力。作醫(yī)院和和工場的后備電源。（4）家用發(fā)電裝置(home electricity)：使用天然氣或丙烷(propane)的燃料電池系統(tǒng)已在芝加哥的家庭中進(jìn)行試用。生產(chǎn)電和熱能，可用來加熱水和取暖。（5）填埋廢水處理(landfillwastewater treatment)：利用燃料電池把廢水或垃圾所產(chǎn)生的甲烷氣(methane gas，即沼氣)轉(zhuǎn)化成電能。- 69 -燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)電介質(zhì)材料和電極材料的性能和制備大功率電池堆集成（匯流技術(shù)）降低成本$4000/kW降至$400/kW（燃料電池系統(tǒng)是美國經(jīng)濟(jì)繁榮和國家安全的27個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域之一）- 70 -微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電（smal

33、l gas fired micro-turbines)轉(zhuǎn)速96000/min；燃料：天然氣、甲烷、汽油、柴油；工作溫度5000C；發(fā)電效率30%，熱電聯(lián)產(chǎn)效率達(dá)75%- 71 -微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電（續(xù)）功率范圍在25kW75kW的小型發(fā)電機(jī)組使用天然氣、丙烷等多種燃料為一次能源熱、電并用系統(tǒng)輸出功率平穩(wěn)，成本遠(yuǎn)低于燃料電池由于微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特征是：發(fā)電容量小，占地面積少，能夠?yàn)橛脩艄徇m合于企業(yè)、醫(yī)院、學(xué)校及家庭分散使用。- 72 -微燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電（續(xù)）微型燃?xì)廨啓C(jī)有廢氣排出，對環(huán)境有一定的影響(城市“熱島”)。技術(shù)關(guān)鍵包括：高速軸承、高溫部件及加工材料等方面的進(jìn)展。- 73 -微燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)

34、電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 74 -日本TAKUMA公司微透平熱電聯(lián)產(chǎn)- 75 -冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)- 76 -分布式電源與交流系統(tǒng)的連接- 77 -分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)的影響常規(guī)配電系統(tǒng)現(xiàn)代配電系統(tǒng)是設(shè)計(jì)成從大系統(tǒng)（大供電變壓器）接受電能和向用戶配電的；有功和無功功率從高電壓等級流向低電壓等級；- 78 -具有分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)CHP：熱電聯(lián)產(chǎn)；PV：光伏電池；WP：風(fēng)電；從配電網(wǎng)看，P、Q流向都是變化的；從分布式發(fā)電側(cè)看，是電源，是負(fù)荷（“負(fù)的負(fù)荷）；DG與配電網(wǎng)的連接和運(yùn)行調(diào)度問題- 79 -分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)的影響具體應(yīng)考慮：技術(shù)方面影響與經(jīng)濟(jì)方面影響，正面影響與負(fù)面影響。分布式發(fā)電引入將使配電

35、系統(tǒng)發(fā)生根本性變化 從輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楸椴茧娫春陀脩艋ヂ?lián)的網(wǎng)絡(luò)，配電系統(tǒng)的控制和管理將變得更加復(fù)雜 規(guī)劃到運(yùn)行發(fā)生徹底改變，如無功補(bǔ)償、電壓控制 配電網(wǎng)自動化和需求側(cè)（負(fù)荷）管理系統(tǒng)（DSM）的內(nèi)容發(fā)生大的變化。分布式發(fā)電將對電力市場的走向和最后格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。電力公司和用戶之間形成新型的關(guān)系，用戶可以從電力公司買電，也可以用自己擁有的分布式電源向電力公司賣電或?yàn)殡娏居袃斕峁┫鞣逄罟?、以及功率支持等服?wù)；分布式發(fā)電為其他行業(yè)進(jìn)入電力市場打開了方便之門，如天然氣公司等。整個電力市場參與者大大增加，利益關(guān)系更加復(fù)雜，競爭更加激烈。- 80 -分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)的影響正面影響分布式發(fā)電可以大大

36、提高用戶供電的可靠性；減少配電網(wǎng)投資，因?yàn)榉植际桨l(fā)電裝置直接裝在用戶側(cè)，這樣可以大大減少輸配電設(shè)備的投資，并且還可以減少輸送電的損耗，降低成本，對于用戶來說，電價也會相對便宜.新建集中式發(fā)電廠和遠(yuǎn)距離輸電線的需求將減少或推遲。新增負(fù)荷相當(dāng)大的部分將由分布式發(fā)電來滿足，集中電力系統(tǒng)負(fù)荷減少。分布式發(fā)電的削峰填谷、平衡負(fù)荷的作用，使現(xiàn)有發(fā)電輸電設(shè)備的備用減少，利用率提高。分布式發(fā)電裝置的靈活投切可以幫助電壓和頻率的調(diào)整，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性- 81 -分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)的影響負(fù)面影響分布式發(fā)電的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、電力電子變換器引入、DG在負(fù)荷側(cè)或在網(wǎng)絡(luò)邊緣處分布式發(fā)電并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊；對電網(wǎng)頻率

37、的影響；對電網(wǎng)電壓的影響；對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響；對電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置的影響；對電能質(zhì)量的影響；對電力定價的影響（？）分布式發(fā)電需要大電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)- 82 -分布式發(fā)電對配電系統(tǒng)的影響并網(wǎng)的若干技術(shù)問題電能質(zhì)量問題電壓調(diào)整電壓閃變電壓不平衡諧波畸變和直流注入對繼電保護(hù)的影響使重合閘不成功使保護(hù)區(qū)縮小使繼電保護(hù)誤動作短路電流問題鐵磁諧振（Ferro-resonance)問題變壓器的連接問題和接地問題配電網(wǎng)電容器投切與DG的勵磁配合孤島運(yùn)行問題可靠性問題分布式發(fā)電與公用電網(wǎng)在電能質(zhì)量方面相互影響圖(a) ：由輸電和配電網(wǎng)絡(luò)引起的影響，如風(fēng)電場接入點(diǎn)的電壓下陷（即電壓低到0.10.9p.u.，持續(xù)

38、分鐘周期）通常是輸電配電網(wǎng)絡(luò)故障引起的。因?yàn)榈碗妷?，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷減少，風(fēng)機(jī)會過速；電壓低，風(fēng)機(jī)無功需求增加，導(dǎo)到電壓進(jìn)一步降低。圖(b)：風(fēng)電場對配電網(wǎng)絡(luò)的擾動因而引起電能質(zhì)量的降低。如風(fēng)電場可能產(chǎn)生或吸收無功功率，引起電網(wǎng)電壓波動。風(fēng)電場采用軟起動和經(jīng)換流裝置與系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時將引起諧波。- 84 -微電網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)理及穩(wěn)定性分析 微電網(wǎng)的精細(xì)建模及數(shù)值仿真技術(shù) 微電網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)理分析并網(wǎng)、孤網(wǎng)及相互切換過程黑啟動 穩(wěn)定性分析靜態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定和小干擾穩(wěn)定性分析- 85 -微電網(wǎng)的控制微電源的控制策略微電網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)：分層控制并網(wǎng)控制策略孤網(wǎng)控制策略并網(wǎng)-孤網(wǎng)相互切換控制策略微電網(wǎng)的能量管理- 86

39、-下降曲線控制微電源控制器：基于本地信息傳統(tǒng)控制方法P-f下降曲線Q-V下降曲線- 87 -功率管理策略（PMS）功能有效地在微電源之間分配負(fù)荷的有功和無功功率需求對于系統(tǒng)運(yùn)行方式變化引起的擾動快速響應(yīng)決定微電源的最終功率參考值以平衡功率和恢復(fù)頻率使孤網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)與大電網(wǎng)重新同步 - 88 -功率管理策略（PMS）目標(biāo)微電源之間的負(fù)荷分配要滿足系統(tǒng)總功率損耗最小考慮每個微電源的特殊要求，如微電源的類型，發(fā)電成本，原動側(cè)時間特性，維修周期和對環(huán)境的影響維持系統(tǒng)的電能質(zhì)量，如電壓波動和諧波污染在一定的范圍內(nèi)改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，在暫態(tài)過程中保持較高的穩(wěn)定裕度，并具有電壓和頻率恢復(fù)特性- 89 -能

40、量管理系統(tǒng)（EMS）集中方法通過微電網(wǎng)的EMS來執(zhí)行優(yōu)化功能并對微電源和可控負(fù)荷的最新參考值進(jìn)行通訊 分散方法基于利用微電源本地信息的微電源控制器來實(shí)現(xiàn)的能量管理 智能控制方法- 90 -微電網(wǎng)的保護(hù)難點(diǎn)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)兩種運(yùn)行工況下均能對微電網(wǎng)內(nèi)部故障做出響應(yīng)并網(wǎng)時快速感知大電網(wǎng)故障 保證保護(hù)的選擇性、快速性、靈敏性與可靠性 研究方向單相接地和線間故障，對稱電流分量檢測和保護(hù)策略微電源故障模型- 91 -微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性評估經(jīng)濟(jì)效益評估與量化研究目標(biāo)增大可再生能源滲透率降低儲能設(shè)備容量環(huán)境效益非線性約束多目標(biāo)優(yōu)化問題- 92 -微電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和運(yùn)行導(dǎo)則硬件標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)微電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)與運(yùn)行導(dǎo)

41、則微電網(wǎng)軟件標(biāo)志及通信標(biāo)準(zhǔn)- 93 -微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺及示范系統(tǒng)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室級微電網(wǎng)試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)測試微電網(wǎng)孤網(wǎng)、并網(wǎng)、兩者相互切換、黑啟動等過程設(shè)計(jì)并應(yīng)用微電網(wǎng)控制系統(tǒng)社區(qū)級及以上級別示范系統(tǒng)在實(shí)用環(huán)境中，進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺研究與測試的結(jié)果 通過長期運(yùn)行，檢驗(yàn)其對電能質(zhì)量、可靠性、節(jié)能降耗的提高的作用- 94 -4 分布式發(fā)電和微電網(wǎng)的發(fā)展前景和技術(shù)路線圖（1）解讀可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃（2）解讀國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020年)（3）機(jī)遇與挑戰(zhàn)- 95 -可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃（2007年8月）發(fā)展目標(biāo)到2010年使可再生能源消費(fèi)量達(dá)到能源消費(fèi)總量的10%，到2020年達(dá)到15%按循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式推行有機(jī)廢棄物的能源化利用，基本消除有機(jī)廢棄物造成的環(huán)境污染到2010年，基本實(shí)現(xiàn)以國內(nèi)制造設(shè)備為主的裝備能力。到2020年，形成以自有知識產(chǎn)權(quán)為主的國內(nèi)可再生能源裝備能力- 96 -國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20062020年)未來15年的目標(biāo)3.節(jié)能技術(shù)和清潔能源技術(shù)取得重大突破，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要產(chǎn)