各种不同算法对分布式电源优化配置的比较研究含算法电力系统

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1、毕业设计（论文）摘 要分布式发电(Distributed generation, DG)目前是国内外电力系统领域一个前沿研究课题，其主要研究集中在分布式发电对电力系统的影响分析。分布式电源的发展对传统的电力系统形成巨大的影响，引起了电力技术的显著进步。为了充分利用分散能源和提高供电可靠性，各种分布式电源将在配网系统中得到越来越广泛的应用，但随之给电网带来一些新的挑战。分布式发电类型主要包括：风力发电、燃料电池、光伏发电以及微型燃气轮机发电等。分布式发电各自有着不同的特点，因此在分析计算中需分别建立其相应的数学模型。另外，不同种类的分布式发电通过不同类型接口接入系统，三种常用的接口类型为：异步发

2、电机、同步发电机以及电力电子设备。因此也需建立这些并网策略的数学模型。本文对上述两个主要问题都作了相应的分析和讨论。DG安装位置的选取、优化容量的确定是其规划阶段的重要课题。研究表明，不同的DG安装位置和容量将会影响到系统短路电流、配网电压分布、电压稳定性等。合理的安装位置可以有效改善配电网的电压分布，减小网损，提高系统负荷率等。反之，如果配置的不合理，将会适得其反。另外，合理的DG安装位置和优化容量必须满足较多的限制条件，故本文考虑将该问题转化为优化问题进行求解，在完成了含分布式电源配电网潮流计算的基础上，对不同的优化算法进行了比较研究。最后对风电场在电力系统调度中的作用进行了研究。关键词：

3、电力系统；潮流计算；分布式发电；优化配置；人工智能算法- I -AbstractDistributed generation (DG) is becoming a new research area all worldwide. Lots of research works mainly focus on DG effects on power systems. The development of DG has a great influence on the traditional power systems and brings electrical technology notable

4、 advancement. In order to utilize disperse energy resources and improve utility system reliability, DGs are applied in power systems more and more widely. But the increasing number of DG brings about many technical problems.Nowadays, DG consists of main four types: wind generation, fuel cell generat

5、ion, photovoltaic generation and micro turbine generation. Since different DGs have different characteristics, it is quite necessary to construct their stable models for stable analysis of power systems. DGs have to be incorporated to system through definite equipments, primary of whom are asynchron

6、ous generator, synchronous generator and power electronic facilities. Therefore, two aspects are both taken into consideration in this thesis. Positioning of DGs and deciding of DGs capacities are monumental problems for DG planning. It is known that DGs positions and capacities have great effects o

7、n system short circuit current, distributed system voltage profile, and system voltage stability. Reasonable planning of DGs could better system voltage profile, reduce system loss and even increase load ratio, while unreasonable planning could worsen system operation conditions. Therefore many cons

8、traints should be taken into account when we plan DGs. Therefore, by completion of the distribution network flow calculation with distributed power, different optimization algorithms were compared. Finally, Wind power generation in the role of the power system was studied. Key words：Power systems，Po

9、wer flow calculation，Distributed generation，Optimal allocation，Artificial intelligence algorithms- III -目 录摘 要IAbstractII1 绪论21.1 课题背景与意义21.2 DG的主要种类31.3 DG研究现状51.3.1国外研究现状51.3.2国内发展现状61.4现今存在的问题61.5 本文的主要研究内容与目标72 分布式发电技术简介82.1分布式发电的定义82.2分布式发电的分类92.3分布式发电的基本原理和显著特点102.3.1风力发电技术102.3.2光伏发电技术112.3.3

10、其他分布式发电技术132.4分布式发电应用前景152.5分布式发电对电力系统的影响173分布式发电及其并网接口稳态数学模型183.1分布式发电模型183.1.1风力发电183.1.2光伏发电203.2分布式发电并网接口模型223.2.1异步发电机接口模型223.2.2同步发电机模型接口233.2.3电力电子变换器接口243.3配电网的简介253.3.1配电网概念及分类253.3.2配电网的接线方式264 选取DG安装位置和确定其额定容量的各种算法简介274.1传统算法274.2遗传算法274.2.1遗传算法简介274.2.2遗传算法特点284.2.3遗传算法的流程284.3禁忌算法294.3.

11、1禁忌搜索算法简介294.3.2禁忌搜索算法的基本思想294.3.3禁忌搜索算法的流程304.3.4禁忌搜索算法的特点304.3.5禁忌搜索算法的策略305. 放射状配电网中分布式发电最优位置与定容的各种不同算法335.1分布式发电优化布置基本模型335.2含分布式电源的配电网潮流计算345.2.1潮流计算简介345.2.2含分布式电源的潮流计算355.3.1系统功率损失最小法375.3.2系统分布式发电优化布置分析385.3.2 2/3法则405.4人工智能的优化算法与传统优化算法的比较406风电场的调度问题研究426.1风电场在电力系统调度中的作用426.2风电场在电力系统调度中所存在问题

12、426.3风电场与其他发电设备协调互补应用43总 结44致 谢45参 考 文 献46附录A IEEE33节点系统参数47附录B算法程序49毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景与意义世界范围内经济的蓬勃发展，使得国际、国内电力需求持续增长。然而随着地球上常规能源的逐渐衰竭、环境污染的日益加重以及电力科学技术的不断进步，世界各国纷纷开始关注一种环保、高效和灵活的发电方式这，使得在电力系统研究领域中形成了一个新的研究热点分布式电源(Distributed Generation,DG)/分布式能源(Distributed Resources,DR) 1。 在布鲁塞尔成立的国际热电联产机构预言“DG

13、将成为21世纪电力工业的发展方向。”美国的安德逊咨询公司研究认为：“电力工业在2015年前将发生根本的变化，大型和远离负荷中心的电厂将越来越多地被靠近负荷中心的小型和清洁的发电方式所代替，这些负荷中心将减少对昂贵的远距离输电线路的需求”2。如果说电力市场化是电力行业“上层建筑”的革命，那么DG可以认为是电力行业“物质基础”的革命，两者的共同作用将使未来整个世界的电力行业呈现全新的面貌。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界90%以上的电力负荷供电。但它也存在一些弊端，主要有2：(1) 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电；(2) 不能灵活跟

14、踪负荷的变化。如夏季空调负荷的激增会导致电力供应短时不足，而为这种短时的峰荷建造发输电设施是得不偿失的，因为其利用率极低。随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率正逐年下降，发输电设施的利用率都有下降的趋势；(3) 大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电；而电力系统越庞大，事故(如雷击)发生的概率越高。因此可以说，现有的电力系统是既“笨拙”又“脆弱”的。可能，并有机会进入原本被电力系统垄断的发电侧电力市场，参与电力市场竞争。在市场经济体制下，由国家垄断的能源基础设施建设投资的主体局面将会打破。以建设速度快、投资规模小为特点的分布式发电技术为众多投资者提供了投资和获利空间，也增加了

15、能源设施建设的投资渠道。分布式电源凭借其就地发电服务用户、清洁环保等诸多优点，将会拥有越来越大的市场份额。由欧美电力专家首先提出的投资省、发电方式灵活、与环境兼容的DG与大电网联合运行的方式，可提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性3。我国广大地区蕴含丰富的可再生能源(如风能、太阳能等)，具备发展DG技术的客观条件。因此，大力发展该项技术对保证国家能源供应、促进经济快速发展具有重要意义。首先，DG同配电网并网运行，能够充分发挥DG机组的优势，提高能源利用率，减少污染物的排放，降低配电网网损，提高供电可靠性。我国DG的开发利用正处于快速发展的阶段，风能、太阳能、地热能等的利用已经为部分地区的电

16、力供应问题提供了解决方案。同时，DG并网运行对配电网也会产生一些不利的影响，当DG机组并网后，将直接影响输配电网络对一般用户的供电质量。由于在局部多出了一个电源会造成电压被抬高，有可能超出规定的正常范围，而对于使用感应发电机的风电厂等工业用户，由于其运行要吸收无功功率，可能会造成线路无功损耗加大，从而使线路电压下降了解DG对配电网的影响，有利于我们充分发挥其优势，研究不利影响产生的原因及其解决措施，对于DG的进一步发展和应用有很大的意义。1.2 DG的主要种类DG技术很多，按发电能源是否可以再生分为两大类4：一类利用可再生能源，主要包括风力发电(Wind Turbine，简称WT)、太阳能光伏

17、(PhotoVoltaic，简称PV)、小水电、地热能、生物质能、海洋能等发电形式；另一类利用不可再生能源，主要包括热电联产(Combined Heat and Power，简称CHP)、微型燃气轮机(Micro/MiniTurbine，简称MT)、燃料电池(Fuel Cell，简称FC)等发电形式。下文将对几种主要的新型DG技术及其特点进行简单的介绍： (1) 风力发电风力发电是将风能转化为电能的一种发电技术，它始于19世纪末，在20世纪70年代以后进入一个蓬勃发展的阶段，目前单机容量在2.5MW以下的技术已经非常成熟。风力发电的主要优点有：风能是可再生的能源；风电环境效益好，不排放任何有害

18、气体和废弃物；风电机组基建占地面积小，不影响农田和牧场的正常生产；风电场施工周期短。但是，风力发电也存在一些不足，如：由于风速随时变化，并网风电场输出功率波动较大，这会给电网运行带来一定的不利影响；风轮机能量转换效率不高；风机是旋转机械，对生态环境有一些影响。(2) 光伏发电太阳能光伏电池 PV(Photovoltaic Cell)发电技术是利用半导体材料的光电效应接将太阳能转化为电能。白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电。1954年，恰宾等人在美国贝尔电话实验室研制出了光电转换效率为6的单晶硅太阳能电池，从此开创了光伏发电的新纪元。光伏发电的主要优点有：结构简单，体积小且轻；易安装，易

19、运输，建设周期短；容易启动，维护简单；清洁、安全、无噪声；使用寿命长；不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠等优点。主要的缺点是能量分散，占地面积大，间歇性大，光伏转换效率低，且成本相对比较高。(3) 地热能发电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，其发电的基本原理与火力发电是一样的，都是将蒸汽的热能经过气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。不同的是，地热发电不需要庞大的锅炉。地热能发电的最大优点是不消耗燃料，发电成本低，而且设备的年利用率较高。但是，目前的地热发电站建设规模都不大，同时又由于钻井的初始投资较大，使其竞争力不强，经济性有待提高。(4) 生物质能

20、发电生物质能发电主要是指利用农业、林业、城市垃圾和工业废弃物为原料，首先将其转化为可驱动发电机的能量形式，如沼气、燃油、酒精等，然后再按照通用的发电原理进行发电的技术。常见的生物质能发电技术主要包括甲醇发电、城市垃圾发电、木煤气发电、沼气发电等。生物质能发电技术的主要优点是：生物质能是再生的，生物资源便宜易获得，燃烧生物质所产生的污染小。主要缺点是：生物质资源存在较分散、不易收集，能源密度低，含水量大，收集、干燥其所需费用较高，从经济上不合算，限制了其开发利用。(5) 海洋能发电海水中蕴藏着巨大的动力资源，主要包括潮汐能、波浪能、海水温差能等不同形态的能源，对应的发电技术主要有潮汐能发电、波浪

21、能发电和海水温差能发电。下面以潮汐能发电为例进行说明，所谓潮汐能发电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，其发电原理与一般的水力发电基本相同，主要的差别在于潮汐发电的水流方向可以是双向的。潮汐能发电具有许多优点，主要有：潮汐能是可再生的；潮汐的涨落有规律，可以进行准确的预报；清洁干净，无污染；运行费用低。主要缺点有：单位投资大，造价高；水头低，机组耗钢多；发电具有间断性；腐蚀严重。(6) 燃料电池燃料电池发电不同于传统的火力发电，它是直接将燃料(天然气、煤制气、石油等)中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电。燃料电池发电被称

22、为是继火力发电、水力发电、原子能发电之后的第四大发电方式。目前，燃料电池因类型不同其单位模块发电容量从1kW到5MW不等。燃料电池发电的主要优点有：发电效率很高(可达70%80%)；污染小；燃料多样化；噪声很小；模块化，可以用搭积木的方式安装在边远地区；不需要大量的冷却水。主要缺点是建设成本太昂贵，且容量的突破也有一定的困难。并且燃料电池发电的初期投资成本和运行费用还比较高，不足以与传统发电方式竞争。尽管如此，试验项目还是获得了燃料电池公司、电力公司和政府的广泛参与和支持。1.3 DG研究现状1.3.1国外研究现状在英国的电力市场已经逐渐放开，许多分布式电源政策着眼与环保，给予了分布式发电很大

23、的发展空间。多年来，英国政府一直试图通过能源效率最佳方案(EEBPP)促进DG的发展。英国在过去20年中，已超过1000个DG系统被安装，遍布英国的各大饭店、休闲中心、医院、综合性大学和学院、园艺、机场、公共建筑、商业建筑、购物商城及其它相应场所。在美国，应急用电是分布式电源的一个主要应用方面。建在工业及商业点的柴油应急发电机组的发电容量超过100GW。仅加州的备用机组就提供了3.2GW的电力，占该州高峰用电需求的6%以上。美国在2001年制订完成了DG互联标准IEEE P1547，规划在1015年后DG占整个美国发电量的10%20%。但相对低的电价和较高的天然气价格限制了分布式电源的发展。但

24、现在美国能源部(U.S.DOE)的Distributed Energy Resources计划是带领全国共同努力发展下一代洁净、高效、可靠、用户能够买的起的DG系统。具体的操作方式是与能源设备的制造商、能源服务者、能源项目的开发者、州政府和联邦机构、公众利益组织、用户进行合作、研究、开发一系列先进的、能够进行就地生产的、小规模、模块化设计的发电、储能技术，用于工业、商业和民用方面，这些技术包括先进的燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、热驱动技术和能量储存技术，同时也进行先进的材料、电力电子、复合系统以及通讯、控制系统等方面技术的开发。风力发电是可再生能源中发展最快，最具有规模和发展前景的

25、一种发电方式。在德国，丹麦和西班牙等风电大国的实践证明，风力发电是可以可靠地提供一个地区或者国家电力供应并占较高的比例。德国是世界第一风电大国，德国2001年风力发电量占3.5%，预测几年后到5%。德国2002年风电新装机容量高大3247MW为世界之最，其全国风电总容量达11968MW。根据德国政府的计划，到2030年，风能在德国电力供应中的比例要达到25%。在日本政府对电力零售商规定了利用新能源的强制性规定目标，生产新能源的电力公司建立电子帐目记录“新能源电力可应用量”，此可应用量可进行交易。2001年财政年度，电力公司购买了124GWh的太阳能电量和384GWh的风电 。在其他一些国家，截

26、至2006年底法国风电装机达到150万千瓦，预计2010年将达到1000万千瓦，根据法国能源发展指导法案，2010年法国电力供应中21%将来自包括风电在内的可再生能源；西班牙表示，2010年其可再生能源发电的比例将达到29%以上；北欧部分国家提出了利用风力发电和生物质能发电逐步替代核电的战略目标。1.3.2国内发展现状我国电力体制的改革，政府职能与企业职能的分离，发电与输配电网彻底分离，发电侧竞争市场机制的建立，为DG系统的发展奠定了坚实的基础。当前，对DG系统的研究在国内已开始启动，2005年亚洲最大规模的并网光伏发电系统在深圳投入运行，发电总装机容量达到1MW。2005年中国风电累计装机容

27、量已突破100万千瓦大关，而且已有多个百万千瓦的大型风电场获政府批准。2006年1月1日，颁布的可再生能源法生效，可以预见在中国大规模开展基于可再生能源的DG技术已是必然的发展趋势。并且已经在北京、上海、广东等地兴建基于冷、热、电联产的分布式电源系统，例如上海黄浦中心医院、上海浦东机场、北京燃气集团指挥调度中心CCHP项目和广东地区分布式发电三联供项目等。在西部和沿海也兴建了基于可再生能源(太阳能、风能等)的DG。热电联产和可再生能源具有极大的应用潜力，在有力政策的帮助下，分布式电源在未来十年里将会拥有更广阔的市场。目前国内在DG方面的研究相对较少，且大多集中在电源本身，如怎样构造高效率的风机

28、，提高风机运行的稳定性，改进太阳能的利用方式，提高利用效率等，而在DG对电力系统规划、运行等方面的影响的研究大多集中在定性分析的层面上。国外电网相对已经发展得比较完善，电网比较强大，承受冲击的能力较强，DG的接入对主网运行的影响尚不够大。而我国电网，网架结构还很弱，DG的接入对主网的运行有很大的影响。因此，国外在DG的研究成果尚无法直接应用于我国，其分析结果与在我国电网情况下是否一致还有待比较，解决方法在我国电网情况下能否适用也需要进一步研究，这是在我国大规模发展DG技术需要解决的重要问题。1.4现今存在的问题合理分配分布式电源有利于电网电压质量的提高，还可以提高电网的稳定极限，提高线路的输电

29、能力，但其在应用过程中面临的许多问题目前并没有得到很好的解决：(1) DG并网的接入位置如何最优；(2) DG并网对系统潮流的影响；(3) DG并网后对电能质量的影响。此外，DG 的并网对电网的电能质量、系统稳定性、继电保护、供电可靠性等都会带来影响，因此针对 DG 的特点，研究 DG 接入后的系统潮流分析方法、稳定分析方法、短路分析方法等，可以量化分析 DG 给系统造成的影响，这对解决 DG 在电网运行中的技术困难和促进 DG 的广泛开展具有重要意义。同时，探讨DG并网对网络的冲击，并确定对其约束可以更好的在保证系统稳定运行的前提下，从而可以加快分布式电源的发展。1.5 本文的主要研究内容与

30、目标在分析了分布式发电技术的基础上，系统的分析了DG对配电网的影响，完成了含分布式电源的配电网潮流计算、分布式电源的最优接入位置和容量以及含风电机组的配电网重构等方面的研究。主要研究内容如下： (1) 首先介绍了分布式电源产生的背景、显著的特点和发展前景；(2) 根据不同的DG类型的特性，分析建立了各DG的数学模型；(3) 对遗传算法、禁忌搜索算法和改进的禁忌搜索算法分别用于寻找分布源在配电网中的最优接入位置和容量进行比较研究；(4) 对风电场在电力系统调度中的作用进行研究，并分析其优化配置方法。2 分布式发电技术简介2.1分布式发电的定义对于分布式发电，一直以来对它的称呼都不一样。国外常用的

31、称呼有：Distributed Generation(分布式发电)，Decentralized Generation(分布式产能)， Distributed Power(分布式电力)，Distributed Energy Resources(分布式能源)等等。与此相应，国内的称呼也不一致，如分布式电源，分布式发电系统，分布式发电等。本文采用分布式发电DG(Distributed Generation)的说法，并不表示对其他说法的否定。本文旨在比较和分析不同机构、不同学者给出的不同定义，主要是对分布式电源有一个概念上的认识。(1) 美国能源部给出的定义是：与能量管理系统和储能系统相联，改善电力传

32、输系统的运行情况的小型的、模块化的不论它是否能与电网相联的生产电能的技术。(2) 加利福尼亚能源委员会(CEC)给出的定义是：在配电网范围内分布在用户处或其附近的、并联或独立的，能使用户和公共事业单位获益的发电机组。(3) EPRI和IEEE的定义分别是：要求需求侧管理的，小型(50MW)的电能生产或存储技术，不与大型电网相联的电能生产技术。(4) 美国先进能源市场研究中心给出的定义是：包含位于用户附近的发电设施、能量储存和能量管理以及热电联产技术的综合，利用联网优势为供需双方利益服务的发电系统。从不同机构、学者给出的分布式电源的定义可以看出，分布式电源系统的研究还处在初级阶段，分布式电源的基

33、本术语、基本概念是不统一的。经过分析，对DG的定义有各自的侧重点和出发点，各定义之间是既相近又有区别：(1) Distributed generation，Distributed Power，Decentralized generation，Distributed Power generation基本上是等同的，是指可以安装在用户附近并为其供电的小型发电技术或装置。Distributed Energy Resource，Distributed Resource和Distributed Energy的定义基本相同，是从电网运行、能源管理角度给出的，与Distributed Generation的

34、定义的区别主要在于是否涉及到能源管理和能源储存技术。(2) 综合这些分布式电源的定义，可以看出，分布式电源的定义是从分布式电源所包含的技术，所处位置，与电网的关系，应用目的，容量大小等方面进行定义的。(3) 在技术方面，有些定义认为分布式电源只是发电技术，而有些定义除了包括发电技术外还包括能量储存、能源管理、需求侧管理等技术，如电力研究所(EPRI)给出的Distributed Resources(DR)定义，电力电子工程协会(IEEE)给出的Distributed Resources(DR)定义，美国能源市场研究中心给出的Distributed Energy(DE)定义。(4) 在分布式发电

35、的容量方面，有的定义用的是“小的”一词，有的定义给出了确切的容量限值，但限值不统一，有的是50MW，有的是30MW，有的是10MW。然而,由于容量限值的不统一，使人们无法确切判定哪些发电设备属于分布式电源，哪些不属于分布式电源。应该指出的是，以发电装置容量的大小来界定分布式发电是不科学的。随着技术的日益更新，在不久的将来，DG的容量逐渐增大，占电网中电源的比例也会更加可观。综合各种定义及我国的具体情况，一般我们所说的分布式发电，指的是为了满足一些特殊用户的需求，支持已有的配电网的经济运行而设计和安装的在用户处或其附近的模块式的、清洁环保的小型发电机组，一般为几兆瓦到几十兆瓦。它们或坐落在用户附

36、近使得负荷的供电可靠性及电能质量都得到增强，或者由于就地应用热电联产使得效率得到提高的发电形式。一般它们的投入与切除以及发电量的大小均不受大电网调度的控制，能够经济、高效、可靠地发电。2.2分布式发电的分类从不同的研究方向，DG有不同的分类方式。一般可以根据DG的技术类型所用的一次能源及电力系统的接口技术进行分类，也可以根据DG的容量大小进行分类，以下是三种分类的简介：(1) 根据DG的技术类型根据DG通常所使用的技术可分为：柴油机组发电、水力发电、风力发电、伏发电、太阳热发电、燃气轮机组发电和燃料电池等。它们所使用的能源有化石料、可再生能源及电能的储存(Electric Storage)。(

37、2) 与电力系统的接口技术若DG与电力系统相联，则可以根据DG并网技术的类型分类，即直接与系连接(机电式)和通过逆变器与系统相联两大类。若DG是旋转式发电机直接发出频交流电则属于第一类，像小型燃气轮机组发电、地热发电、水力发电、太阳热电等；而逆变器型DG通常指的是将直流电逆变上网的DG(如风力发电、光伏发电燃料电池及各种电能储存技术)和发出高频交流电的DG(微透平机组)。(3) 根据大小虽然按照大小来界定分布式发电系统是不科学的，但在DG的实际应用中，虑到DG大小对其在电力系统中应用有直接影响，因此按其大小分为小 (1MW)。2.3分布式发电的基本原理和显著特点2.3.1风力发电技术(1) 风

38、力发电的基本原理风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。风力发电机的风轮机多采用水平轴、三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长。功率调节是风轮机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率调节方式：一类是定浆距失速控制

39、；另一类是变浆距控制。大部分风力发电机都有对准风向机构，自动使风轮机处于迎风状态。随着技术的发展，已出现了浓缩风能型风力发电机迎风及限速自动控制系统等新型风力发电机系统。按照风轮发电机转速是否恒定，风力发电可分为定转速运行与可变速运行两种方式；按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。早期的风力发电机大多采用附带增速装置的异步发电机。异步发电机结构简单，发出的工频交流电可直接使用或经变压器输入电网。多数情况下，异步风力发电机定速旋转，绕线式异步电机可通过在转子接入可变电阻实现低频励磁来调节转矩大小，也可以变速运行。因为要从电网获得励磁电

40、流，所以异步风力发电一般不能脱离电网单独运行，除非用某种方式获得励磁。同步风力发电机不需要增速传动结构，整体结构简单。随着电力电子变流技术的进步，先进的同步风力发电常采用交直交的接入方式，即先把发出的交流变成直流，然后再逆变成工频交流接入用户或电网。这种发电方式的优点是，发电机转速不必与电网频率要求的转速同步。由于其输入功率存在固有的不平衡性，风力发电在一定程度上可起到蓄能作用，一般风力发电机输出的交流电经过整流后向蓄电池组充电，然后通过逆变器连入电网。风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用。这种方式可

41、供电网达不到的边远农村、牧区、海岛等地区使用，一般单机容量数百到数千瓦。并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发电场，发出的电能全部经变压器送至电网，这是目前风力发电的主要方式。风力同其它发电方式互补运行，如风力柴油机组互补发电方式，风力太阳能光伏发电方式，风力燃料电池发电方式等，这种方式不仅可弥补风速变化所带来的发电量突然变化的影响，保证一年四季均衡供电，而且可延长蓄电池寿命，同时还可以使离网型小型用户发电系统的发电成本降低，自然资源得到充分利用。(2) 风力发电的特点 可再生的洁净能源：风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电

42、所无法比拟的优点。 建设周期短：一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。 装机规模灵活：可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 可靠性高：把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。 造价低：从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 运行维护简单：现代

43、中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 实际占地面积小：发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 发电方式多样化：风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。 单机容量小：由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。2.3.2光伏发电技术(

44、1) 光伏发电技术的基本原理众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭。据测算，1年内到达地球表面的太阳能总量是目前世界已探明储量能源的1万多倍。我国年均日照长，辐射总量大，属于太阳能资源较为丰富的国家之一，全国国土面积三分之二以上的地区每年日照时数大于2000小时，仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发电量的总和。因此开发利用太阳能是大有前途的。太阳能光伏电池PV(Photovoltaic Cell)发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能。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

45、优点，但是光伏电池的转换效率低。目前应用的光伏电池是一种半导体器件(如单晶硅、多晶硅)，受到太阳光照时发生光伏效应，将太阳光能转变成直流电能。在使用时将光伏电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组成方阵。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。光伏并网系统主要由太阳能电池方阵和并网逆变器组成。并网逆变器是并网光伏系统的中心。逆变器把太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网相同的电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。逆变器有以下几个作用： 在输出电压和电流随太阳能电池温度以及太阳辐照度而变化时，总是输出太阳能电池的最大功率；

46、输出已抑制谐波的电流，以免把不良运行波及到电网； 倒流输出剩余电力时，自动调整电压，把用户的电压维持在规定范围。当并网逆变器与电网连接时，它始终在功率因数等于1的条件下运行，电流和电压几乎同相，仅提供有功功率。(2) 光伏发电的特点国际上利用太阳能光伏发电主要有以下3种类型： 独立光伏发电系统仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，从电力系统来说，千瓦级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。这也是我国目前主要的光伏发电应用市场，且每年以20%的速度增长。主要市场包括农村独立光伏电站、家用光伏电源、光伏水泵，工业领域的光缆通讯、微波通讯、卫星电视接收站、边防哨所电源、公路信号电源、航标及

47、灯塔电源，以及太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能汽车、太阳能半导体冷藏箱、太阳帽、太阳能充电器、太阳能计算器等。 并网光伏发电系统光伏发电系统的主流发展趋势是并网光伏发电系统。该系统在国外已步入大规模发电阶段，是当今国际上光伏发电的发展潮流，但在我国仍处于酝酿试验阶段。太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变器变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形式的光伏系统就是并网光伏系统。由于该系统所发电直接进入电网，省掉了储能的蓄电池组，因而可使其成本下降18%左右。 屋顶发电光伏发电系统与建筑物相结合，构成了屋顶光伏发电系统。对于家庭、小的商业楼可用PV蓄电池永磁电机组成系统(1kW15kW)；大

48、商业楼和小工业用户可用PVDCAC逆变器驱动三相感应电机系统(15kW50kW)。所发电力既可供建筑物使用，也可并入电网。在美国、日本和澳大利亚的一些地区，已经有由屋顶式光伏电池发电设备联成的PV系统与当地电网相联，白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电，在供电企业和用户间形成了一种新型的关系。这种屋顶光伏发电系统通过巧妙设计可达到降低建筑造价及光伏发电系统造价的目的。其中并网光伏发电系统是光伏发电系统的主流趋势。并网光伏发电系统可分为住宅用并网光伏发电系统和集中式并网光伏发电系统两大类。前者特点是光伏发电系统发的电能直接分配给用户负载，多余或不足的电力通过连接网来调节；目前住宅用光伏系统

49、在国外已得到大力推广，而集中式并网光伏系统应用尚在发展。两者在系统结构上差别不大。2.3.3其他分布式发电技术(1) 微型燃气轮机微型燃气轮机(Microturbine)是一类新近发展起来的小型热力发动机，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料，满负荷运行时效率可达到30%，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。其单机功率范围为25300 kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环。据专家认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮，从而成为二十一世纪能源技术的主流。先进微型

50、燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式电源外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等功能，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。目前美国和日本都有多家企业在积极开发制造相应的设备。在美国，卡普斯顿公司已经制造出65千瓦级微型燃气轮机发电装置，发电效率达到2

51、6，年产量1万台；霍尼威尔公司开发成功了75千瓦级的发电设备，发电效率为28.5。日本的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统。为促进该技术的发展,日本通产省已计划在明年春减小对小型自用发电业的限制。(2) 燃料电池技术威廉格鲁夫(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。燃料电池的首次实质性的应用始于20世纪60年代美国太空总署(NASA)的阿波罗太空飞行计划。当时美国通用电气公司为阿波罗太空飞船设计了称之为Gemini的燃料电池动力系统，它采用海绵状的薄膜聚合物作为

52、电池的电解液。这种燃料电池具有非常理想的功率比，但价格十分昂贵。燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料电池也不同于平时所说的干电池和蓄电池。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84。目前燃料电池发电的初期投资成本和运行费用还比较高，不足以与传统发电方式竞争。尽管如此，试验项目还是获得了燃料电池公司、电力公司和政府的广泛参与和支持。燃料电池的魅力在于其极具潜在价值的优点：效率高且不

53、受负荷变化的影响，当负荷变化在25100围内时，电池效率不受影响，而且跟踪负荷变化的速度很快，这使得燃料电池不仅适合大规模发电，也适合小规模分布式发电，清洁无污染、安装周期短、安装位置灵活，可省去配电系统的建设。(3) 生物质能发电生物质能发电：生物质发电主要是利用农业、林业和工业废弃物为原料，也可以将城市垃圾为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。近年来中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生物质能发电行业应运而生。世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清

54、洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大发展。中国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆6亿多吨，其中可以作为能源使用的约4亿吨，全国林木总生物量约190亿吨，可获得量为9亿吨，可作为能源利用的总量约为3亿吨。如加以有效利用，开发潜力将十分巨大。为推动生物质发电技术的发展，2003年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东三个秸秆发电示范项目，颁布了可再生能源法，并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策，从而使生物质发电，特别是秸秆发电迅速发展。最近几年来，国家电网公司、五大发电集团、南方电网公司等大型国有、

55、民营以及外资企业纷纷投资参与中国生物质发电产业的建设运营。截至2007年底，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。可以看出，中国生物质发电产业的发展正在渐入佳境。(4) 地热发电 地热发电：就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。目前，国内可以独立建造30MW以上规模的地热电站，单机可以达到10MW，截止到2007年我国地热发电装机容量为32MW。根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同，地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。 地热蒸汽发电：把干蒸汽

56、从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空(或送热用户)。这是最简单的发电方式，大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生产和生活用水。 地下热水发电：将地热井口来的地热水，先送到闪蒸器中进行降压闪蒸(或扩容)使其产生部分蒸汽，再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混式凝汽器内冷凝成水，送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下或引入作为第二级低压闪蒸分离器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级胀做功。 联合循环：把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，这种地热发电系统个最大的优点就是适用于大于1

57、50的高温地热流体发电，经过一次发电后的流体在不低于120的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，充分利用了地流体的热能，既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用大大节约了资源。该机组目前已经在一些国家安装运行，经济和环境效益都很好地下热岩：与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热岩过程法将不受地理限制，可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵入地下4到6km深处，在此处岩石层的温度大约200度左右。水在高温岩石层被加后通过管道加压被提取到地面并输入个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环

58、使用。2.4分布式发电应用前景现在全世界供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界90%的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全的可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。根据西方国家的经

59、验：大电网系统和DG系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。在美国，容量为1kW到10MW分布式电源发电和储能单元正在成为未来分布式供能系统的有用单元。由于分布式电源的高可靠性、高质量、高效率以及灵活性，故可满足工业、商业、居住和交通应用的一系列要求。在美国国内，到2020年由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加1.71012kWh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年之后，美国的DG市场装机容量估计每年将达51096109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及DG技术的计划，包括燃料电池、DG涡轮技术、燃料电池和涡轮的混

60、合装置等。在我国，随着经济建设的飞速发展，我国集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而DG技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量1亿kWh的电量，除自用外，还可送往北京地区。这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。在可再生能源DG系统中，除风力发电外，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

61、的良好办法。因此，应引起相关部门和研究单位足够的重视。在我国城镇，DG技术作为集中供电方式技术不可缺少的重要补充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。而在DG技术中应用最为广泛、前景最为明朗的，应该首推热电冷三联产技术。因为对于我国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。如果说电力市场化是电力行业的重大改革，那么DG可认为是电力行业的重大技术改革，两者共同作用将使未来世界的电力行业呈现全新的面貌。随着电力体制改革的发展，DG也可为一些用户提供一种“自立”的选择，使其更能适应

62、易变的电力市场。此外，由于DG设施的安装周期短，不需要现存的基础设施，中央电站及发电设施相比总投资较少，因此在电力竞争性市场建立后，DG的作用将会日益明显和重要，从而可与现有电力系统结合形成一个高效、灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用率，改善整个供电系统的稳定性、可靠性和电能质量。2.5分布式发电对电力系统的影响随着DG应用的日益广泛，它们在电力系统的渗透率也越来越高。若DG与电力系统并网运行，将会有一系列的问题产生，主要包括以下几个方面：电力系统负荷预测、系统规划、系统潮流、电能质量、系统故障和保护装置等。DG的出现会使电力系统负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性。由于大量的用

63、户会安装DG为其提供电能，使得配电网规划人员更加难于准确预测负荷的增长情况，从而影响后续规划。另外，规划时最优化工具必须能够准确评估DG对所在电网的影响，给出DG的最优位置和规模，使得DG在电网的逐步渗透过程中不会破坏电网运行的安全性和经济性。其次，配电网规划中若出现许多发电机节点，使得在所有可能的网络结构中寻找到最优的网络布置方案(即可以使建造成本、维护成本和电能损耗最小的方案)就更加困难。此外，DG机组类型及所采用一次能源的多样化，如何在配电网中确定合理的电源结构，如何协调和有效地利用各种类型的电源就成为新出现的而且迫切需要解决的问题。DG的出现，改变了配电系统潮流的单向模式并使得潮流无法

64、预测，同时还会产生一系列的电能质量问题，影响系统运行的可靠性。没有DG时，馈线潮流总是单向的，并且随着距变电站距离的增加有功潮流单调减少。但是馈线上安装了DG之后，从根本上改变了系统潮流的模式并使得潮流无法预测。DG并网后，当允许DG向电网输出电能时，根据DG和负荷的空间关系，馈线沿线的潮流可能是增加的也可能是减少的。当馈线上的DG输出电能大于当前的负荷时，馈线的某些部分甚至是全部潮流完全可能是反向的。这种非常规的潮流模式会产生多方面的影响，如潮流的改变使得电压调整很难维持，还会导致配电网的电压调整设备(如阶跃电压调整器、有载调压变压器、开关电容器组)出现异常响应；而且如果从DG流向变电所的潮流足够大时，DG附近的设备可能会过负荷，从而影响系统供电可靠性。DG并网后还会对电网提供给其他用户的电能质量产生潜在的影响。由于DG是由用户来控制的，因此将根据其自身的需要起动和停运DG，这可能使配电网的电压常常发生波动。DG的频繁起动会使配电线路上的负荷潮流变化大，从而加大电压调整的难度，调节不好会使电压超标。DG对电力系统的可靠性影响是多方面的，既有积极的一面，也有消极的一面，因此必须对DG在电网中逐步渗透对可