分布式发电对电力系统的影响

课题要求：

1、列举当前分布式发电的各种技术，指出其优缺点

2、分布式发电的国内外现状

3、阐述分布式发电对电力系统产生的影响

4、写出调研报告

前言

发电方式的发展主要经历了由分布到集中，再到集中与分布相结合的三个阶段，目前正处在集中与分布相结合阶段的发展期。由于受到技术条件的限制，早期的电力系统均采用分布式发电方式，即在城市郊区建立许多服务当地的小容量发电厂，向附近负荷供电。20世纪处，随着负荷的增加和技术的进步，建立大型发电厂成为主流发电方式，而电力系统的自然垄断性质也促进了大容量机组的发展。集中发电的特点是大型化、巨型化，其中规模出效益的观点在20世纪70年代占了主导地位。到了20世纪中晚期，负荷的增长更加迅速，几次严重的大停电事故以及电力市场的逐步实行，使人们认识到灵活、可靠的发电方式的重要性，因此小容量、低成本、能够提供可靠、清洁能源的分布式发电受到了广泛的重视。 现在的分布式发电是将发电设备直接连接在负荷附近，即配电网或者用户电表安装处的发电形式，一般发电规模比较小，多采用新型的发电技术。根据发电容量的规模大小，分布式发电可以分为以下4个层次：微型：5kW以下；小型：5kW至5MW；中型：5MW至50MW；大型：50MW至300MW。根据所

采用发电技术的不同，分布式发电可以分为风力发电、小燃气轮机发电，燃料电池发电以及太阳能电池发电等。集中与分布相结合的发电方式可以充分发挥两种发电方式的优势。目前采用的主要形式是将投资省、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，从而提高整个电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。

一、分布式发电概述

1．1 分布式发电的定义

目前，分布式发电的定义尚未统一，一般认为,分布式发电DG(Distributed Generation)指的是为满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在用户现场或靠近用户现场配置功率为数kW 到50 MW 的小型、与环境兼容的发电机组；从更广泛的定义来看，分布式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施，包含热电联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等，而不论这种发电形式的规模大小和一次能源的使用类型。分布式发电的一些其它定义如下：

· 任何与配电网相连的发电设施。

· 商业备用柴油发电机，例如，医院和宾馆安装的柴油机。

· 家庭备用发电机。

· 电力公司安装在变电站的发电设施，用于提供电压支持或提高系统可靠性。

· 用户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到5O MW 的小型发电设施。

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· 安装在负荷中心或靠近负荷中心的发电设施。

1．2 采用分布式发电的条件

分布式发电重新被采用的原因主要有以下几点：（1）电力负荷的持续快速增长。随着经济的发展和人民生活水平的提高，电力负荷处在快速增长期，在一些地方甚至出现了比较大的电力缺口。然而集中式发电的投资大、建设周期长，无法满足电力负荷增长的要求。分布式发电投资少，见效快，对于短期内缓解电力负荷增长的压力具有重要意义。（2）电力市场的逐步推行以及对供电可靠性、电能质量要求的提高和对电价的关注。无论是工业用户还是居民用户，都希望使用优质廉价的电能，电力市场的建立与发展，提供了广阔的电力零售市场，分布式发电凭借其就地服务、调节灵活、清洁环保等诸多优点，将会受到更多电力用户的选择。（3）新技术的发展。随着新型发电技术和新型储能技术的发展，分布式发电的应用范围越来越广。科学技术的发展使得分布式发电装置的发电成本逐渐降低，目前有的分布式发电已经接近传统集中式发电的发电成本。（4）环境保护问题日益受到关注。在发展与环保的协调中，目前环保问题受到了广泛的重视。我国的集中式发电的火电机组主要以煤炭作为主要能源，其能源使用率比较低，二氧化硫废气污染比较严重。而现在的分布式发电多采用高效、清洁、可再生资源，有效的解决了环保问题。

1．3 分布式发电的主要优点

与传统的集中式发电相比，分布式发电的优点十分明显，主要有以下几点：（1）投资省、见效快、运行成本低、资本风险小。传统的集中式发电的资金投入通常在数十亿元，建设周期在5年至15年不等，由于规模大、远离负荷中心，因此运行成本相对较高、投资资本的风险比较大。而分布式发电规模小，因此一次投入少，很快可以投入运行，需要较小的人力物力进行维护、投资和金融的风险很小。（2）发电方式灵活，可以提供较高的可靠性和电能质量。传统

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的集中式发电的结构复杂，并且由于系统互联，一旦发生大的事故，将影响到关大的用户。分布式发电在系统故障时自动与系统断开，提高了用户供电的可靠性；当用户侧故障时，主动与系统断开，减小了对其他用户的影响。并且分布式发电装置通常就地调整电压和电流波形，保证了较高的电能质量。（3）环境污染少。传统煤炭燃料发电厂在燃烧过程中，会产生大量的二氧化氮、二氧化硫以及一氧化碳等对空气污染严重的气体，并且产生大量的废液和废渣污染。分布式发电多采用清洁的可再生资源，具有很低的污染排放量。并且由于分布式发电的电压等级比较低，产生的电磁场比较低，电磁污染比传统的集中式发电要小得多。

由于分布式发电的以上优点，分布式发电对于电力用户、电力公司、国家和社会都具有很大的好处，是一个三赢的格局。（1）对于电力用户的好处：分布式发电有利于降低用户电价，提高电能质量和供电可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户提供更多的用电选择，保证优质服务，最终提高用户的生活质量和生活水平。（2）对于电力公司的好处：分布式发电有利于电力公司减小投资、避免资金风险，同时扩展电力市场，提供更多的增值服务，形成新型的供电关系，促进整个电力行业的发展。（3）对于国家和社会的好处：分布式发电有利于打破垄断，引入竞争，为其他行业进入电力市场打开方便之门，从而提高能源利用率，促进环境保护事业的发展，确保国家的安全和社会的稳定。

二、主要分布式发电技术

2．1 燃料电池

威廉．格鲁夫(w Grove)于1839年发明了燃料电池以来，它的开发使用至今已逾150年了。燃料电池(Fuel cel1)是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，见图l.1，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极(燃料电池的负

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极，又称燃料极)进行氧化反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。在阴极(燃料电池的正极，又称空气极)进行还原反应。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能 J。按照采用的电解质的类型来分，燃料电池大致可以分为六种：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。

与常规发电方式相比燃料电池具有以下优点：①不受卡诺循环限制，能量转换效率高；②发电效率可达50％~60％，组成的联合循环发电系统在10~50 MW 规模即可达到70％以上的发电效率；③与传统的火电机组相比，CO2的排出量可减少40％~60％，NOx和SO 的排放量很少；④小型高效，可提高供电可靠性：⑤低噪音、电力质量高；⑥适应负荷变化的能力强；⑦燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、汽油、柴油等；⑧模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短；⑨ 占地面积小于l m ／kW ；⑩ 自动化程度高，可实现无人

操作。

图1.1燃料电池工作原理图

2．2 风力发电

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术， 由于风力发电环保可再生、全球可行、

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成本低且规模效益显著，已受到越来越广泛的欢迎，成为发展最快的新型能源之一。风力发电形式可分为离网型和并网型。并网型风力发电是大规模开发风电的主要形式，也是近几年来风电发展的主要趋势。并网型风力发电通常有多台容量较大的风力发电机组构成风力发电机群，称其为风电场(也称风力田、风田)。因此风电场具有机组大型化(50 kw～2 MW)、集中安装和控制的特点。风电场的主设备为风力发电机组，发电机经变压器升压与电力系统相连。并网型风力发电机组主要由风力机和发电机构成。

① 风力机。风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率P 的表达式为：

Pm=0．5pACpV3w (1)

其中：p是空气密度(kg／m )，A是风机叶片的扫掠面积(m )， 是作用于风力机的迎面风速(m／s)，是风能转换效率系数。风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求 最大，从而增加输出功率。

② 发电机。目前风力发电所采用的发电机主要有两种：同步发电机和异步发电机，采用最多的是异步发电机。异步发电机由于它的低耗、高可靠性、无需励磁装置和电刷、结构简单尺寸小、坚固耐用、基本上无需维修等优点，已成为风力发电系统的理想设备。风电具有明显的环保效益，可以减少污染气体的排放量；同时，风力发电可用于无电网的地区，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。

2．3 太阳能光伏电池

太阳能光伏电池PV(Photovoltaic Cel1)发电技术利用半导体材料的光电效应直接将太阳

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能转化为电能。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。光伏电池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。

2．4 微型燃气轮机

微型燃气轮机是指功率为25~75 kW的以天然气、丙烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。与现有的发电技术相比，微型燃气轮机的发电效率较低，满负荷运行时效率为30％，半负荷运行时效率为10％～15％，然而，若实行热电联产，效率可提高到75％。微型燃气轮机的特点是体积小、重量轻、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电源之一。

2．5 地热发电技术

地热能是来自地球深处的可再生热能, 它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术, 其和火力发电的基本原理是一样的, 都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能, 然后带动发电机发电。所不同的是, 地热发电不像火力发电那样要具有庞大的锅炉, 也不需要消耗燃料。

2．6 其他分布式发电技术

(1) 生物质能发电技术：生物质能来源于生物质。生物质能发电是首先将生物质转化为可驱动发电机的能量形式(如燃气、燃油、酒精等) , 再按照通用的发电技术发电。(2) 小水电技术：小水电通常是指小水电站及与其相配套的小电网的统称。小水电的开发方式, 可分为引水

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式、堤坝式、混合式和抽水蓄能式4 种。(3) 海洋能发电技术：海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。目前, 海洋能发电多数处在实验阶段, 比较成熟的是潮汐能发电技术。潮汐能发电和水力发电厂相似, 就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机, 再由水轮机带动发电机来发电。

附表1 常见的分布式发电技术

三、分布式发电对电力系统的影响

3．1 分布式发电对电力系统电压的影响

分布式电源主要接入配电网，在接入DG之后，配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流的大小和方向有可能发生巨大改变，使配电网的稳态电压也发生变化，原有的调压方案不一定能满足接入分布式电源后的配电网电压要求。因此必须评估分布式电源对电力系统电压的影响，以保证在分布式电源应用越来越多的情况下它们不会给用户带来不良后果。潮流计算是

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对这种影响进行量化分析的主要手段，但传统的潮流计算方法由于没有考虑分布式发电的影响， 因而失效。对异步发电机、无励磁调节能力的同步发电机和燃料电池等几种典型DG进行建模，并提出了基于灵敏度补偿的配电网潮流计算方法，适合包含各种不同DG形式的多电源配电系统。

分布式发电对配电网电压的影响主要如下：

① 分布式发电的接入会对配电网馈线上的电压分布产生重大影响，具体影响与分布式电源的容量大小、接入位置有很大的关系。

② 同样渗透率(Penetration Leve1)的分布式电源集中在同一节点，对电压的支持效果要弱于分布在多个节点上。

③ 稳态情况下，由于馈线上传输功率减小以及DG输出的无功支持，使得沿馈线的各负荷节点处的电压被抬高。

以上讨论的都是分布式电源对配电网的影响。当风电场接入电网后，由于风电场输入风能变化的随机性，并且风力发电大多采用异步发电机，需从电网吸收大量无功功率，故很容易引起整个电网的电压稳定问题，甚至会导致整个电力系统的电压崩溃，而并不局限于所在配电系统。例如，美国加州Bakersfield的Seawest风电场就经常出现电压稳定问题导致电网无法接受风电，强迫风电场停机。

3．2 分布式发电对电能质量的影响

分布式发电是建立在电力电子技术基础之上的，大量的电力电子转换器增加了大量的非线

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性负载，将会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波污染，分布式发电对电能质量主要有两个方面的影响：

① 电压闪变。分布式发电引起电压闪变的因素包括：某个大型分布式单元的启动、分布式单元输出的短时剧变以及分布式单元与系统中电压反馈控制设备相互作用而带来的不利影响。

② 引入大量谐波。由于大量电力电子器件应用于分布式发电，所以不可避免地给系统带来大量谐波，谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器的工作模式的影响。分析了分布式电源对电能质量的影响，针对大型配电网讨论引入DG后一些重要母线的谐波电压水平，提出可以在谐波电压水平较高的母线上安装特殊滤波器来抑制谐波。虽然分布式发电的引入会造成电压闪变，并引入大量谐波，但是分布式发电也存在改善电能质量的潜力，当电网关联负载较大时，分布式发电可以快速投入使用，使系统尽可能减少故障，提高整个电网的稳定性，从而保证了电能质量。

3．3 分布式发电对继电保护的影晌

大多数配电系统尤其是在农村，其结构呈放射状，采用这种结构的主要目的是为了运行的简单性和过电流保护的经济性，当配电网中接入了分布式电源之后，放射状网络将变成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，因此，分布式发电将对配电网原有的继电保护产生较大的影响：

1)DG运行时可能会引起继电保护的失效。DG产生的故障电流可能会减小流过馈线继电器的电流，从而使继电保护失效。

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2)DG接入配电网后可能会使继电保护误动作。相邻馈线的故障有可能会使原本没有故障的馈线跳闸。

3)改变了配电网的故障水平。故障水平提高还是降低取决于运行的分布式电源数量和种类，故障水平的提高要求开关设备的升级，故障水平的降低可能会给过电流保护带来问题。因此，若某配电区域的分布式电源容量很大，而使故障电流产生大幅度的变化，则必须提高其断路器的容量和升级保护装置。

3．4 分布式发电对电力市场的影响

电力工业解除管制和电力市场的兴起，使得各种分布式发电方式能够在统一开放的交易市场上进行公平竞争，从而为电力用户提供多种选择的机会：①不同的电力供应商；②不同时段的用电；③不同的供电质量；④不同计量方式；⑤不同的费率结构；⑥不同的付款方式；⑦不同的用户侧管理计划；⑧ 自己发电或者蓄电。

配电网的开放，引入了电力零售市场，电力零售市场上电力供应竞争给企业自备电厂和用户自己安装的分布式电源带来商机，拥有分布式电源的用户在电力零售市场上面临三种选择：①从电网受电；② 自己发电， 自给自足；③ 自己发电并向电网卖电。根据发电竞争市场的电价信息和零售电力市场的需求信息，用户完全可以用活自己的分布式电源，让它发挥更大的作用，产生更大的效益，为自己或者附近用户提供供暖和供电服务。电力零售市场的建立将会确立电力零售机制，任何形式的发电商都可以作为电力供应商向零售电力市场提供电力产品，在零售市场上公平竞争。

3．5 其他影响

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目前，分布式发电一般不为调度中心所调度，因此分布式发电的运行和控制在某种程度上存在盲目和无序的情况，给整个电力系统的运行留下了一定的安全隐患。例如，分布式发电会给电力系统的无功补偿、电压控制等带来了不利影响；对配电网自动化和需求侧管理系统也带来了改变的要求；同时也要求制定和完善相应的法律、法规和行业规范。

四、分布式发电现状及前景

4．1 分布式发电现状

（1）在美国, 容量为1千瓦到10兆瓦的分布式发电和储能单元成为分布式供能系统的有用单元。据美国分布式电源联盟预测，到2020年，美国分布式电源的容量将占全国总容量的3.7%。在那时由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加117×1012KW·h的电能，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5-6×109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料, 在不久以后，分布式发电技术将在美国得到相当的发展。分布式电源具有高可靠性、高质量、高效率以及灵活性等特点, 可以满足工商业、居住等的一系列要求，预计几年后，美国新一代的微燃气汽轮机可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。

（2)在我国，分布式电源方面的研究相对较少,且大多集中在电源本身,在分布式电源对电力系统规划、运行等方面影响的研究集中在定性分析基础上。我国电网，特别是西部电网，网络结构相对较弱，分布式发电对主网的运行有较大的影响。国外在分布式电源的一些研究成果还无法直接应用于我国，解决的方法是研究我国分布式电网的适用问题，这也是我国（尤其西部地区）大规模发展分布式发电技术需要解决的问题。随着我国经济建设的发展，集中式供电网络的规模扩大，由于地域经济的差异，对于落后的农村地区，特别是农牧地区和偏远山区，要

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形成一定规模的配电网络需要很大的投资，能源供应严重制约这些地区的经济发展。分布式发电技术弥补集中发电模式的局限性。在我国西北的广大农村地区风力和太阳能资源比较丰富，为分布式发电技术的发展提供了条件，内蒙古已经形成了年发电量1亿kW·h的电量，除自用外，还送往北京地区，这种无污染绿色能源减轻了当地环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除了风力发电外, 还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的较好方法。因此, 我们在电网规划时应引起足够的重视。

4．2 分布式发电技术前景

分布式发电技术是集中供电模式之外的重要补充，将成为我国未来能源领域的一个重要发展方向。储能技术的发展为分布式发电注入了新的活力，使分布式发电在技术上向前迈进了一大步。随着分布式发电技术的不断提高和分布式发电的成本不断下降，分布式电源的应用范围也不断扩大，因此，分布式发电系统具有广阔的应用市场，它将是21世纪电力企业发展的主要方向。可以展望，分布式发电技术将用户带来一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。

五、结束语

分布式发电技术具有很多传统发电方式无法比拟的优点，它将在我国电力系统中将发挥重要的作用，可持续发展客观上要求大规模地利用分布式发电技术。本文介绍了的分布式发电技术的概念，分布式电源对现代电力系统得影响以及应用前景。在具体应用分布式电源时，必须根据具体情况（如地理位置、资源分布、环境等）综合考虑多种因素来合理选择分布式电源，充分利用资源来发挥分布式发电技术的优势。随着储能技术的不断发展，分布式发电技术将得到更快地发展。与此同时，分布式发电技术与储能技术的融合提高了电力系统的能源利用效率，改善了系统的稳定性、可靠性以及经济性。

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六、参考文献

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