分布式發電技術研究綜述

摘 要： 簡要概述了分布式發電的應用歷程，詳細介紹了分布式發電技術的相關研究進展情況，包括分布式電源并網技術以及分布式發電優化配置問題的研究現狀。并對分布式發電技術未來的發展方向與趨勢進行了探討，為其在電力系統中的廣泛高效應用提供了參考。

關鍵詞： 分布式發電； 并網； 優化配置； 電力系統

中圖分類號： TN710?34； TM61 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0167?04

Overview of research progress on distributed generation technology

QIAN Jun， LIU Min

（Jinggangshan Power Plant， Huaneng Power International， Inc.， Ji’an 343099， China）

Abstract： The application history of distributed generation is briefly summarized， and the progress of its relevant technology research is introduced in detail， including the research status of distribute power grid connection technology and distributed generation optimal configuration. In order to provide reference for the application of distributed generation technology in power system widely and efficiency， the development trend of distributed generation technology is also discussed.

Keywords： distributed generation； grid connection； optimal allocation； power system

0 引 言

經濟和社會的快速發展導致我國的能源消耗增長十分迅速，而大機組、大容量的集中規模化發電存在諸如無法靈活跟蹤負載變化、不能對偏僻地區進行理想供電等缺點，作為目前電能生產的主要方式與電力用戶對電能質量高要求之間的矛盾日益凸顯[1]。

隨著智能電網研究熱潮的到來，作為其重要組成部分的分布式發電（Distributed Generation，DG）開始得到人們越來越多的關注。分布式發電是指應用發電功率較小的小型分散式、模塊化的發電單元進行發電，在充分開發利用各種可用的分散式能源（太陽能、風能、燃料電池等）的基礎上，其即可獨立于大電網以微網形式為少量用戶供電，也可并入大電網絡，一起向用戶提供電能[2]。以我國目前的能源利用方式和速度，依靠傳統能源利用技術很難支撐起經濟的高速發展，分布式發電技術可以實現能源利用效率的最優化從而間接達到資源環境效益的最大化，從環保節能和可持續發展的角度看，分布式發電技術是我國電力系統發展的必然趨勢。

本文在簡單概述分布式發電技術應用情況的基礎上，著重介紹目前分布式發電技術的研究進展和成果，包括目前采用的分布式電源并網技術及其優化配置問題，最后對分布式發電技術未來的發展方向與趨勢提出了看法。

1 分布式發電技術的應用

對比集中規模式發電而言，分布式發電投資小，節能又環保。就近供電時能夠避免電力傳輸層的接入擁擠，降低傳輸損耗；并網供電時即可作為備用電源為高峰負荷提供電能，提高供電可靠性，又可為商業區和居民供電，改善電源結構、促進能源可持續發展。

相比于歐美國家[3]，我國分布式發電技術起步較晚，雖然我國地域遼闊，資源種類豐富，但作為一個人均資源相對匱乏的人口大國，擴大資源綜合利用范圍、大力開發可再生能源已迫在眉睫，而分布式能源技術無疑是解決該問題的關鍵。目前全國各地紛紛響應國家能源產業政策號召，積極調整優化能源產業結構，為促進節能減排和低碳經濟發展紛紛參與到分布式發電技術的研究與應用當中來：北京、上海等地已經興建基于冷、熱、電聯產的分布式發電站，在西部和沿海已建成了基于可再生能源（太陽能、風能）的分布式電站，而在江西九江、福建廈門則建成了相當規模的分布式能源站，可以說分布式發電技術在我國的應用前景相當廣闊和光明。

2 分布式發電并網技術研究進展

分布式電源在作備用電源或需向用戶送電時，因其電能無法直接輸送給交流負荷，須經并網這一環節，并網則需要通過電力電子器件來實現，大量非線性負荷和電力電子轉換器的接入會引起電網電流、電壓波形發生畸變，造成電網的諧波污染，從而對電力系統產生很大的影響[4]。因此，在并網過程中如何使分布式電源對配電網的影響盡可能達到最小是人們亟待解決的問題。

一種典型的分布式電源并網示意圖如圖1所示。

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圖1 典型分布式電源并網示意圖

由圖1可以看出，分布式電源經接口與配電網實現連接，即并網過程，在整個過程中，要實現對整個配電網（含微網）系統的運行與控制，并網后，要能實現孤島檢測以及繼電保護等。

2.1 分布式發電并網接口技術

目前分布式發電并網接口技術分為電力電子逆變器接口和旋轉電機接口2大類，逆變器在體積、重量、可靠性等方面均優于旋轉電機，因此目前絕大多數分布式電源并網都已采用并網逆變器。

逆變器的拓撲結構關系到其效率和成本，傳統逆變器采用工頻變壓器，體積大、效率難以提高。文獻[5]提出了一種新穎的五電平雙降壓式全橋逆變器，由三電平雙降壓式全橋拓撲、輸入分壓電容和鉗位支路組合，該逆變器體積小、重量輕，可明顯提高并網逆變器的效率。文獻[6]則針對無變壓器拓撲的漏電流問題，提出了一種三電平雙Buck光伏并網逆變器，該拓撲結構較傳統拓撲結構少，有利于獲得更高效率。

此外，實現對逆變器的控制，提高輸出波形質量也是重點。文獻[7]介紹了分布式發電系統中幾種典型控制方法，包括外環控制中的恒功率、恒壓恒頻控制，內環中控制中的坐標系控制方法，對各個控制方法進行了比較。文獻[8]針對單純PI控制無法實現無靜差的缺點，提出一種新型復合控制策略，使系統動態響應能力更快速，有效改善了系統的輸出波形質量。

隨著電力電子技術的發展，未來逆變器會朝著更小體積、低成本、高效率的方向發展，并且同時能夠確保并網運行的可靠性。

2.2 含分布式電源配電網分析與控制

分布式電源并網后，需要對整個配電系統（含微網）進行分析控制。電力系統分析的實質是對其進行潮流計算和模型仿真，分布式電源種類多樣，因此建立的模型也不盡相同。文獻[9]分析了不同類型分布式電源在前推回代潮流計算中的數學模型，并結合前推回代法的特點設計了適合于分布式電源和環網的靈活節點編號方法，給出了改進前推回代潮流算法。文獻[10]構造了含風電的配電網重構場景模型，該模型能適應多風電和多風電場同時接入系統的情況。文獻[11]則提出一種加入了天氣預報信息的神經網絡光伏發電模型，不僅精度高，而且解決了光伏發電隨機問題。

對配電系統分析的目的是要對其進行控制。有研究表明，不同分布式電源的控制方法對并網系統的穩定影響也不同。文獻[12]針對并網有功電流、無功電流、諧波電流等的復合控制，提出了無差拍復合控制方法，可統一控制光伏系統的并網逆變器以及有源濾波器，是并網系統同時實現APF功能。文獻[13]針對微網孤島與并網運行模式的特點，提出的控制策略能夠實現微網運行模式的平滑切換，該控制方法可有效抑制微電源并聯過程的沖擊電流，使并網過程平穩安全。文獻[14]構建了配電系統的無功優化數學模型，在充分考慮網損最小和節點電壓的約束下，采用遺傳算法對分布式發電的無功功率進行了優化，可有效地減少功率損耗和提高電壓質量。

2.3 孤島檢測及繼電保護技術

分布式電源并網運行后，若在電網發生斷電的情況下仍向負載供電，則稱之為孤島運行。孤島效應是分布式發電技術中應極力避免的情況，因為它會對整個配電系統設備及用戶端的設備造成不利的影響，因此若系統發生孤島運行，必須迅速檢測出孤島，對孤島采取隔離調制措施，至系統故障消除后方可恢復并網運行。孤島檢測的方法大致分為主動檢測和被動檢測兩大類，被動檢測有諸如過電壓、頻率檢測、諧波檢測等方法，但因往往存在盲區而使其使用范圍受限，文獻[15]在傳統被動式孤島檢測方法ROCOF法和VS法的基礎上，通過適當的整定及其配合，提出了一種新的孤島檢測新方法，可在較短時間內檢測出孤島的存在，具有一定的實用價值。人們在被動檢測的基礎了加上人為擾動提出了主動檢測法，文獻[16]就是在分析電壓相位突變檢測法的基礎上提出述一種新型組合式孤島檢測方法，該法結合了電壓相位突變檢測法和改進型主動電流擾動法的優點，具有反應快、無盲區的優點，這是一種典型的主動孤島檢測方法。

由于分布式電源的加入，整個配電網結構以及配電網中故障電流的分布都發生了改變，從而導致整個配電系統的繼電保護方式也發生了很大的變化，為確保含微網的配電系統在故障消除后能及時快速的恢復供電，這就對繼電保護及其控制都提出了新的要求。文獻[17]認為分布式電源的容量越大，對繼電保護的影響就越大，保護可能失去選擇性，有必要加裝方向元件。文獻[18]認為分布式電源會對配電網短路電流分布和速斷電流保護造成影響，并詳細分析了不同重合閘方式下，分布式電源的接入對配電系統保護協調性所產生的各種可能的影響，給出了各種情況下消除分布式電源的接入對配電網保護設備影響的評判條件。文獻[19]提出一種多Agent技術應用于含分布式電源的自適應保護，利用SCADA系統的通信功能和各Agent之間的協作能力，提高了配電網繼電保護動作的可靠性，通過將不同地點之間的保護信息進行交換和協作，也提高了分布式電源接入后的配電網繼電保護的靈活性。總之，如何使已有的配電網繼電保護系統有效保護分布式電源并網后的配電網是目前人們需要解決的問題。

3 分布式電源的優化配置

3.1 投資成本最小優化模型

分布式電源不同的安裝位置和容量將會影響到配電網的電壓分布與穩定，不合理的安裝位置將會影響電網的安全穩定運行。相關學者從不同優化角度對分布式電源的優化配置進行了研究，主要有費用支出、可靠性、損耗度、節能環保等幾方面。以費用支出為例，一種考慮投資成本最小的常用優化模型目標函數為：

[min f1=mini=1nDG（Ci1+Ci2）Pdi] （1）

式中：[nDG]為可安裝分布式電源節點總數；[Pdi]為安裝在第[i]個節點的分布式電源額定容量；[Ci1]和[Ci2]分別為安裝在第[i]個節點的分布式電源的綜合成本和安裝成本。

文獻[20]提出了以配電網最小年費用作為目標函數的優化模型，其目標函數為：

[minF=min（FN1+FN2）] （2）

[FN1=λ1+γ1i=1n1fi（li）αi+CΔP1τ1max] （3）

[FN2=λ2+γ2i=1n2fi（di）βi+CΔP2τ2max] （4）

式中：[FN1]為線路每年的投資和運行費用之和；[N1]為系統支路總數；[αi]為0～1變量，0表示支路未被選中，1表示支路被選中；[λ1]、[γ1]分別為線路的投資回報率、年運行維護率；[λ2]、[γ2]分別為DG的投資回報率、年運行維護率；[fi（li）]為線路[i]的綜合投資費用；[τ1max]為線路的年最大負荷利用小時數；[C]為單位電價；[FN2]為DG每年的投資及運行費用之和；[fi（di）]為DG的綜合投資費用；[βi]為0～1變量，0表示DG未被選中，1表示DG被選中；[ΔP1]為線路的有功損耗；[ΔP2]為DG的年電能損失量；[τ2max]為DG的年最大利用小時數。

約束條件為：

[UminUUmaxPLPLmaxPDGminPDGPDGmaxmaxPDGiPSmax-PS] （5）

式中：[U]為節點電壓；[PL]為支路有功功率；[PDG]為分布式發電額定容量；[PS]為配電系統向輸電系統購買的實際功率；[PSmax]為配電系統向輸電系統購買的最大功率。以上模型的約束條件中還考慮了分布式電源的總容量約束。

3.2 多目標綜合優化配置模型

更多學者希望能夠從多角度來對分布式電源進行綜合優化，文獻[21]就從低碳費用、電壓安全、有功網損三個指標評估電網效益，建立了分布式發電多目標優化配置模型，達到了減少碳排放、提高系統運行效率和降低有功網損的三重目標。以電壓改善率[λV]、網損改善率[λP]、和環境改善率[λE]三個指標作為目標函數：

[max f（x）=max（λV，λP，λE）] （6）

其中，電壓改善率[λV]為：

[λV=zDGzwDG] （7）

式中：[zDG]和[zwDG]分別為安裝和未安裝DG時的系統[z]指標：

[z=i=1NViLiki] （8）

網損改善率[λP]為：

[λP=Ploss（w_DG）Ploss（DG）] （9）

式中：Ploss（w_DG）和Ploss（DG）分別為安裝和未安裝DG時系統的有功網損。

環境改善率[λE]為：

[λE=ωPiIPi] （10）

式中：[ωPi]為碳污染氣體的權重因子；[IPi]為碳污染氣體的排放指標。

等式約束條件為DG接入配電網后的系統功率平衡方程；不等式約束條件為節點電壓上下限、支路功率最大限、DG容量上下限、旋轉備用約束、N?1安全準則等。

4 展 望

隨著全球智能電網的發展，越來越多的分布式電源集成到電網中，勢必會引起電力工業的另一次革命。我國對分布式發電技術的研究尚處在起步階段，與歐美發達國家相比還存在一定距離，但是在全球日益嚴峻的能源和環境危機大背景下，分布式發電技術是我國電力系統發展的必然方向，工業和學術界應對此充分重視起來，積極借鑒國外先進技術與經驗，加大對分布式發電技術的研究力度，國家也應加快相關政策和法規的制定，為我國分布式發電技術的研究與應用提供堅實的支持與基礎。

參考文獻

[1] 丁明，王敏.分布式發電技術[J].電力自動化設備，2004，24（7）：31?36.

[2] 王建，李興源，邱曉燕.含有分布式發電裝置的電力系統研究綜述[J].電力系統自動化，2005，29（24）：90?97.

[3] 劉楊華，吳政球，涂有慶，等.分布式發電及其并網技術綜述[J].電網技術，2008，32（15）：71?76.

[4] 錢科軍，袁越.分布式發電技術及其對電力系統的影響[J].繼電器，2007，35（13）：25?29.

[5] 張犁，孫農，刑巖.高效率五電平雙降壓式全橋并網逆變器[J].中國電機工程學報，2012，32（12）：28?34.

[6] 嵇保健，洪峰，趙劍鋒.一種不隔離三電平雙Buck光伏并網逆變器[J].中國電機工程學報，2012，32（12）：7?13.

[7] 王成山，李琰，彭克.分布式電源并網逆變器典型控制方法綜述[J].電力系統及其自動化學報，2012，24（2）：12?20.

[8] 唐衛波，夏向陽，冉成科，等.分布式發電中并網逆變器新型復合控制策略[J].微電機，2011，44（11）：72?75.

[9] 張立梅，唐巍.計及分布式電源的配電網前推回代潮流計算[J].電工技術學報，2010，25（8）：123?130.

[10] 何蜀清，彭建春，文明，等.含風電的配電網重構場景模型及算法[J].中國電機工程學報，2010，30（28）：12?18.

[11] 陳昌松，段善旭，殷進軍. 基于神經網絡的光伏陣列發電預測模型的設計[J].電工技術學報，2009，24（9）：153?158.

[12] 蘭征.微網光伏并網及電能質量控制[D].長沙：湖南大學，2011.

[13] 張純，陳民鈾，王振存.微網運行模式平滑切換的控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（20）：1?5.

[14] 李晶，王素華，谷彩連.基于遺傳算法的含分布式發電的配電網無功優化控制研究[J].電力系統保護與控制，2010，38（6）：60?63.

[15] 甘忠，李正天.一種新的分布式發電孤島檢測方法[J].電力系統保護與控制，2011，39（1）：123?127.

[16] 夏向陽，唐衛波，毛曉紅.分布式發電系統的主動式孤島檢測[J].中南大學學報：自然科學版，2012，43（7）：2663?2667.

[17] 胡成志，盧繼平，胡利華，等.分布式電源對配電網繼電保護影響的分析[J].重慶大學學報：自然科學版，2006，29（8）：36?39.

[18] 黃偉，雷金勇，夏翔，等.分布式電源對配電網相間短路保護的影響[J].電力系統自動化，2008，32（1）：93?97.

[19] 胡漢梅，鄭紅，趙軍磊，等.基于配電網自動化的多Agent技術在含分布式電源的配電網繼電保護中的研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（11）：101?105.

[20] 徐玉琴，李雪冬，張繼剛，等.考慮分布式發電的配電網規劃問題的研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（1）：87?91.

[21] 鄧晶，周任軍，鄭思，等.計及低碳效益的分布式發電優化配置[J].電力系統及其自動化學報，2012，24（4）：7?12.

[22] 王守相，王慧，蔡聲霞.分布式發電優化配置研究綜述[J].電力系統自動化，2009，33（18）：110?114.