分布式发电与微电网技术

分布式发电与微电网技术

一、分布式发电

分布式发电技术是充分开发和利用可再生能源的理想发生，它具有投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点，可以对未来大电网提供有力补充和有效支撑，是未来电力系统的重要发展趋势之一。

（一）分布式发电的基本概念

分布式发电目前尚未有统一定义，一般认为，分布式发电（Distributed Generation, DG）指为满足终端用户的特殊要求、接在用户侧附近大的小型发电系统。分布式电源（Distributed Resource, DG）指分布式发电与储能装置（Energy Storage，ES）的联合系统（DR=DG+ES）。它们规模一般不大，通常为几十千瓦至几十兆瓦，所用的能源包括天然气（含煤气层、沼气）、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等洁净能源或可再生能源；而储能装置主要为蓄电池，还可能采用超级电容、飞轮储能等。此外，为了提高能源的利用效率，同时降低成本往往采用冷、热、电联供（Combined Cooling、Heat and Power, CCHP）的方式或热电联产（Combined Heat and Power, CHP 或Co-generation）的方式。因此，国内外也常常将冷、热、电等各种能源一起供应的系统称为分布式能源（Distributed Energy Resource, DER）系统，而将包含分布式能源在内是电力系统称为分布式能源电力系统。由于能够大幅提高能源利用效率、节能、多样化地利用各种清洁和可再生能源。未来分布式能源系统是应用将会越来越广泛。

分布式发电直接接入配电系统（380V或10kV配电系统，一般低于66kV电压等级）并网运行较为多见，但也有直接向负荷供电而不与电力系统相联，形成独立供电系统（Stand-alone System），或形成所谓的孤岛运行方式（Islanding Operation Mode）。采用并网方式运行，一般不需要储能系统，但采取独立（无电网孤岛）运行方式时，为保持小型供电系统的频率和电压稳定，储能系统往往是必不可少的。

由于这种发电技术正处于发展过程，因此在概念和名称术语是叙述和采用上尚未完全统一。CIGRE欧洲工作组WG37-33将分布式电源定义为：不受供电调度部门的控制、与77kV以下电压等级电网联网、容量在100MW以下的发电系统。英国则采用“嵌入式发电”（Embedded Generation）的术语，但文献中较少使用。此外，有的国外文献和教科书将容量更小、分布更为分散的（如小型用户屋顶光伏发电及小型户用燃料电池发电等）称为分散发电（Dispersed Generation）。本节所采用的DG和DR的术语，与IEEE1547-2003《分布式电源与电力系统互联》中的定义相同。

目前，分布式发电的概念常常与可再生能源发电和热电联产的概念发生混淆，有些大型的风力发电和太阳能发电（光伏或光热发电）直接接入输电电压等级的电网，则称为可再生能源发电而不称为分布式发电；有些大型热电联产机组，无论其为燃煤或燃气机组，他们直接接入高压电网，进行统一调度，属于集中式发电，而不属于分布式发电。

当分布式电源接入电网并网运行时，在某些情况下可能对配电网产生一定的影响，对需要高可靠性和高电能质量的配电网来说，分布式发电的接入必须慎重。因此需要对分布式发电接入配电网并网运行时可能存在的问题，对配电网的当前运行和未来发展可能产生正面或负面影响进行深入的研究，并采取适当的措施，以促进分布式发电的健康地发展。

（二）发展分布式发电的意义

发展分布式发电系统的必要性和重要意义主要在于其经济性、环保性和节能效益，以及能够提高供电安全可靠性及解决边远地区用电等。

1. 经济性

有些分布式电源，如以天然气或沼气为燃料的内燃机等，发电后工质的余热可用来制热、制冷，实现能源的阶梯利用，从而提高利用效率（可达60%~90%）。此外，由于分布式发电的装置容量一般较小，其一次性投资的成本费用较低，建设周期短，投资风险小，投资回报率高。靠近用户侧安装能够实现就近供电、供热，因此可以降低网损（包括输电和配电网的网损以及热网的损耗）。

2. 环保效益

采用天然气作燃料或以氢能、太阳能、风能为能源，可减少有害物（NO_x、SO_x、CO₂ 等）的排放总量，减轻环保压力。大量的就近供电减少了大容量、远距离、高电压输电线的建设，也减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐。

3. 能源利用的多样性

由于分布式发电可利用多种能源，如洁净能源（天然气）、新能源（氢）和可再生恩能够圆（生物质能、风能和太阳能等），并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，对节约能源具有重要意义。

4. 调峰作用

夏季和冬季往往是电力负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬、夏的供热和供冷的需要，同时能够提供电力，降低电力峰荷，起到调峰的作用。

5. 安全性和可靠性

当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计是分布式发电系统仍能保持正常运行。虽然有些分布式发电系统由于燃料供应问题（可能因泵站停电而使天然气供应中断）或辅机的供电问题，在大电网故障时也会暂时停止运行，但由于其系统比较简单，易于再启动，有利于电力系统在大面积停电后的黑启动，因此可提高供电的安全性和可靠性。

6. 边远地区的供电

许多边远及农村、海岛地区远离大电网，难以从大电网直接向其供电，采用光伏发电、小型风力发电和生物质能发电的独立发电系统是一种优选的方法

（三）分布式发电技术

1. 燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术

燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术是以天然气、煤气层或沼气等为常用燃料，以燃气轮机（Gas Turbine或Combustion Turbine）、内燃机（Gas Engine或Internal Combustion Reciprocating Engines）和微燃机（Micro-Turbine）等为发电动力的发电系统。

（1）燃气轮机。燃气轮机由压缩机、燃烧室和涡轮电机组成。它可以利用天然气、高炉煤气、煤层气等作为燃料。燃气轮机将燃料燃烧时释放出来是热量转换为旋转的动能，再转化为电能输出以供应用。燃气轮机有轻型燃气轮机和重型燃气轮机两种类型。轻型燃气轮机为航空发动机的转型，有点事装机快、体积小、启动快、快速反应性能好、简单循环效率高，适合在电网中调峰、调节或应急备用。重型燃气轮机为工业型燃机，优点是运行可靠、排烟温度高、联合循环效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。

燃气轮机技术十分成熟，其性能也在逐步改进、完善。一般大容量的燃气轮机（如30MW以上）的效率较高，即使无回热利用，效率也可达40%。特别是燃气-蒸汽联合循环发电技术更为完善，目前已有燃气、蒸汽集于一体的单轴机组，装置净效率可提高到58%~60%。这种联合循环式燃气余热的蒸汽轮机具有凝气器、真空泵、冷却水系统等，使结构趋于复杂，因此容量小于10MW的燃气轮机往往不采用燃气—蒸汽联合循环的发电方式。燃气轮机发电的优点是：每兆瓦的输出成本较低，效率高，单机容量大，安装迅速（只需几个月时间），排放污染小，启动快，运行成本低，寿命较长。目前，以天然气为燃料的燃气轮机应用极其广泛。

（2）内燃机。内燃机的工作原理是将燃料与压缩空气混合，点火燃烧，使其推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴驱动发电机发电。

由于较低的初期投资，在容量低于5MW的发电系统，柴油发电机占据了主导地位。然而随着对排放的要求越来越痒，天然气内燃机市场占有量不断提升，其性能也在逐步提高。是效率方面，在相同跑量和转速是条件下，柴油发电机有较高的压缩比，因而具有更高的发电效率。天然气内燃机发电机组最瞬时负荷的反应能力较差，却能较好地对恒定负荷供电。柴油发电机由于其较高的功率密度，在同样的输出功率下，比天然气内燃机发电机体积更小；对于相同的输出功率，柴油发电机比天然气内燃机发电机更经济。然而，由于按产生相同热量比较，天然气较柴油更便宜，因此对于恒定大负荷系统，包括初期投资和运行费用在内，使用天然气发电机可能会更经济。尽管天然气内燃机发电机的效率没有柴油机发电机高，但在热电联供系统中却有更高的效率，各种燃料类型的内燃机发电效率在34%~41%之间、热效率在40%~50%之间，因此总效率可以达到90%，而柴油发电机只有85%。

在分布式发电系统中，内燃机发电技术是较为成熟是一种。它的优点包括初期投资较低，效率较高，适合间歇性操作，且对于热电联供系统有较高的排气温度等。另外，内燃机的后期维护费用也相对低廉。往复式发电技术在低于5MW的分布式发电系统中很有发展前景，其在分布式发电系统中的安装成本大约是集中式发电的一半。除了较低的初期成本和较低的生命周期运营费用外，还具有更高的运行适应性。

目前，内燃机发电技术广泛应用在燃气、电力、供水、制造、医院、教育以及通信等行业。

（3）微燃机。微燃机是指发电功率在几百千瓦以内（通常为100~200kW以下），以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的小功率燃气轮机。燃气轮机与燃气轮机的区别主要为：

1）微燃机输出功率较小，其轴净输出功率比一半低于200kW.

2）微燃机使用单级压气机和单级径流涡轮。

3）微燃机的压比是3:1~4:1，而不是燃气轮机的13:1~15:1.

4）微燃机转子与发电机转子同轴，且尺寸较小。

微燃机发电系统有燃烧系统、涡轮发电系统和电力电子控制系统组成。助燃用的洁净空气通过高压空气压缩机加压同时加热到高温高压，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧，燃烧后的高温高压气体到涡轮机中膨胀做功，驱动发电机，发电机随转轴以很高的速度（5万~10万r/min）旋转，从而产生高频交流电，再利用电力电子装置，将高频交流电通过整流uqi转换为直流电，经逆变器将直流电转换为工频交流电。

微燃机技术主要包括高转速的涡轮转子、高效紧凑是回热器、五液体润滑油的空气润滑轴承、微型无绕线的磁性材料发电机转子、低污染燃烧技术、高温高强去材料及可变频交直流转换的发电控制技术等。

微燃机可长时间工作，且仅需要很少的维护量，可满足用户基本负荷的需求，也可作为备用调峰以及用于废热发电装置。另外，微燃机体积小、重量轻、结构简单、安装方便、发电效率高、燃料适应性强、燃料消耗率低噪声低、振动销、环保性好、使用灵活、启动快、运行维护简单。基本上这些优势，微燃机正得到越来越读哟的应用，特别适合用于微电网中。

2. 光伏（Photo-Voltaic，PV）发电技术

（1）光伏发电技术是一种将太阳光辐射能通过光伏效应、经光伏电池直接转换为电能的发电技术，它向符合直接提供直流电或经逆变器将直流电转变成交流电供人们使用。光伏发电系统除了其核心部件光伏电池、电池组件、光伏阵列外，往往还有能量变换、控制与保护以及能量储存等环节。光伏发电技术经过多年发展，目前已获得很大进展，并在多方面获得应用。目前用于发电系统的光伏发电技术大多为小规模、分散式独立发电系统或中小规模并网式光伏发电系统，基本上均属于分布式发电的范畴。光伏发电系统的建设成本至今仍然很高，发电效率也有待提高，目前商业化单晶硅和多晶硅的电池效率为13%~17%（薄膜型光伏电池的效率为7%~10%），影响了光伏发电技术的规模应用。但由于光伏发电是在白天发电，它所发出的电力与负荷的最大电力需要有很好的相关性，因此今后必将获得大量应用。

（2）单个光伏电池的输出电流、电压和功率只有几安、几伏和几瓦，即使组装组件，将电池串联、并联起来、输出功率也不大。使用时往往将多个组件组合在一起，形成所谓的模块化光伏电池阵列。

光伏发电具有不需燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、维护费用低、由模块组成、可根据需要构成及扩大规模等突出优点，其应用范围十分广泛，如可用于太空航空器、通信系统、微波中继站、光伏水泵、边远地区的无电缺电区以及城市屋顶光伏发电等。光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、储能元件（蓄电池等）、直流-交流逆变器、配电设备和电缆等组成，如下图所示。

光伏发电系统示意图

一般可将光伏发电系统分为小规模分散式独立供电系统和中小规模并网发电系统，以及与小风电和柴油发电机等构成混合供电系统。对于并网系统可不用蓄电池等储能元件，但独立供电系统储能元件是不可缺少的，因此光伏发电系统各部分的作用和功能对不同系统而言并不完全相同。

3. 燃料电池（Fuel Cell）发电技术

燃料电池主要包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、融入碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。燃料电池的分类及特性参见下表：

燃料电池的分类及特性

电池类型	碱性 燃料电池	质子交换膜 燃料电池	磷酸 燃料电池	熔融碳酸盐 燃料电池	固体氧化物 燃料电池
英文名及简称	Alkaline Fuel (Cell) AFC	Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)	Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)	Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)	Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
电解质	KOH	质子交换膜PEM	磷酸	Li2CO3-K2CO3	YSZ (氧化锆等)
电解质形态	液体	固体	液体	液体	固体
燃料气体	H2	H2	H2、天然气	H2、天然气、煤气	H2、天然气、煤气
工作温度（℃）	50~200	60~80	150~220	650	900~1050
应用场合	空间技术、机动车辆	机动车辆，电站，便携式电源	机动车，轻便电源，发电	发电	发电

燃料电池在技术上在技术上尚未完全过关，电池寿命有限，材料价格也较贵。尽管国外已有各种类型和容量的商品化燃料电池可供选择，但目前在国内基本上处于实验室阶段，尚无大规模的国产商业化产品可用。

燃料电池发电技术在电动汽车等领域中有所应用，其基本流程如下图。这种静止型发电技术的发电效率与容量大小几乎无关，因此在小规模分布式发电的应用中有一定的优势，是一种很有前途的未来型发电技术。

燃料电池发电的基本流程

4. 生物质（Biomass）发电技术

生物质发电系统是以生物质为能源的发电工程总称，包括沼气发电、薪柴发电、农作物秸秆发电、工业有机废料和垃圾焚烧发电等，这类发电的规模和特点受生物质能资源的制约。可用于转化为能源的主要生物质能资源包括薪柴、农作物秸秆、人畜粪便、酿造废料、生活和工业的有机废水及有机垃圾等。生物质发电系统装置主要包括：

（1）能源转换装置。不同生物质发电工程的能源转换装置的不同的，如垃圾焚烧电站的转换装置为焚烧炉，沼气发电站的转换装置为沼气池或发酵罐。

（2）原动机。如垃圾焚烧电站用汽轮机，沼气电站用内燃机等。

（3）发电机。

（4）其他附属设备。

生物质发电的工艺流程下图如图

生物质发电系统工艺流程图

生物质发电的优点包括：①生物质是可再生的，因此其能源资源不会枯竭；②粪便、垃圾、有机废弃物对环境是有污染的，大量的农作物秸秆在农田里燃烧会造成大气污染和生产一定的温室效应，如用于发电则可化害为利，变废为保；③由于生物质资源比较分散，不易收集，能源密度低，因此所用发电设备的装机容量一般也较小，比较适合作为小规模的分布式发电体现了发展循环经济和能源综合利用的方针，是能源利用的极好形式，同时也解决了部分电力需求。

5. 风力发电技术

我国自20世纪50年代开始风力发电，最初是用于农村和牧区的家庭自用小风力发电机，之后在新疆、内蒙古、吉林、辽宁等省建立了一些容量在10kW以下的小型风电场，还在西藏、青海等地建立了一些由小型风力发电、光伏发电和柴油机发电共同构成的联合发电系统。这些小型发电系统往往远离大电力系统而分散的独立小电力系统的形式运行，因此可归入分布式发电的范畴。在国外，也有在城市郊区建设少量（几台）大单机容量（1MW以上）的风力发电机组，并接入低压配电网，这些风力发电也可归入分布式发电的范畴。

6. 分布式储能技术

当分布式发电以独立或孤岛方式运行时，储能系统是必不可少的，因此电能储存技术和设备正越来越多受到人们的关注。分布式储能技术主要包括蓄电池、飞轮、超级电容器、电动汽车等。另外，还有利用电加热蓄热砖或蓄热的蓄热储能，以及制冰机冷水储能等。

（四）分布式发电与并网技术

分布式发电接入配电网时，除基本要求外，还需要满足一些其他要求，主要包括对配电网事故情况下的响应要求、电能质量方面的要求、形成孤岛运行方式时的要求、控制和保护方面的要求以及投运试验的要求等。

1. 分布式发电接入配电网的基本要求

（1）与配电网并网时，可按系统能接受的恒定功率因素或恒定无功功率输出的方式运行。分布式发电本身允许采用自动电压调节器，但在运行电压调节时应遵循已有的相关标准和规程，不应造成在公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）处的电压和频率频繁越限，更不应对所联配电网的正常运行造成危害。一般而言，不应由分布式发电承担PCC处的电压调节，该点的电压调节应由电网企业来负担，除非与电网企业达成专门的协议。

（2）采用同期或准同期装置与配电网并网时，不应造成电压过大的波动。

（3）分布式发电的接地方案及相应的保护应与配电网原有的接地方式相协调。

（4）容量达到一定大小（如几百千伏安至1MVA）的分布式发电，应将其连接处的有功功率、无功功率的输出量和连接状态等方面的信息传给配电网的控制调度中心。

（5）分布式发电应配备继电器，以使其能检测何时应与电力系统解列，并在条件允许时以孤岛方式运行。

（6）与配电网间的隔离装置应该是安全是，以免在设备检修时造成人员伤亡。

2. 分布式发电与电能质量

与分布式发电相关的电能质量问题主要考虑以下方面：

（1）供电的暂时中断。许多情况分布式发电设计成当电网企业供电中断时，它可作为备用发电来向负荷供电，较典型的采用柴油发电机作为备用电源。但从主供电源向备用电源转移往往不是一种无缝转移，开关切换需要一定的时间，所以可能仍然存在几点时间的中断。

如果正常运行时，分布式发电与电网企业的主供电电源并列运行，情况有可能好一些，但需要哦付出一定的成本费用，并且还要受到容量和运行方式的限制。如果分布式发电处于热备用状态，且与系统并列运行或同时还带部分负荷，一旦系统出现故障，若分布式发电容量太小，或转移的负荷太大，则可能需要切除部分负荷，也可将负荷分组，在电源转移时仅带少量不可中断的负荷，否则会引起孤立系统电压和频率的下降并越限，无法维持正常运行。

（2）电压调节。由于分布式发电的发电机具有励磁系统，可在一定程度上调节无功功率，从而具有电压调节能力。因此，一般认为分布式发电可以提高配电网馈线的电压调节能力，而且调节速度可能比调节变压器分接头或投切电容器快，但实际上并非完全如此。

当分布式发电远离变电站时，对变电站母线电压的调节能力就很弱；有些发电机采用感应电机（如风力发电机），可能还要吸收无功，而不适用于电压调节；逆变器本身不产生无功功率，需要由其他无功功率设备作补偿；电网企业往往不希望分布式发电对公共连接点处的电压进行调节，担心对自己的无功调节设备产生干扰；在多个分布式发电之间有时也会产生调节时的互相干扰；小容量的分布式发电通常也无能力进行电压调节，而往往以恒定功率因数或恒定无功功率的方式运行；大容量的分布式发电虽然可以用来调节公共连接点处的电压，但必须将有关信号和信息传到配电系统的调度中心，以进行调度和控制的协调。问题是分布式发电的启停往往受用户控制，若要来承担公共连接点处的电影调节任务，一旦停运，公共连接点处的电压调节就有可能成问题。

（3）谐波问题。采用基于晶闸管和线路换相的逆变器的分布式发电会有谐波问题，但采用基于IGBT和电压源换相其的逆变器越来越多，使谐波问题大大缓解。采用后者有时在切换过程中会出现某些频率谐振，在电源波形上也会出现高频的杂乱信号，造成时钟走时不准等。这种情况需要在母线上安装足够容量的电容器，将高频成分滤除。

由于分布式发电的发电机本身有时也会产生3次谐波，如与发电机相连的供电变压器在发电机侧的绕组是星形的，则3次谐波就有可能形成通路。若该绕组是三角形的，则3次谐波会在绕组中相互抵消。

（4）电压暂降。电压暂降（Voltage Dip或Voltage Sag）是最常见的电能质量问题，分布式发电是否有助于减轻电压暂降，取决于其类型、安装位置以及容量大小等。

3. 分布式发电并网的控制和保护

当分布式发电与配电网运行时，有时配电网会出现故障，此时为使其与配电网配合良好，除了配电网本身需要配备一定的控制和保护装置外，分布式发电也应配备能检测出配电网中故障并作出反应的装置和保护继电器。

分布式发电系统应配备什么样的保护装置，与容量的大小和系统的复杂程度有关。但至少应配备有过电压和欠电压继电器，主要检测电网侧扰动，以判断配电系统是否有故障存在。另外，还需配备高/低频继电器，以检测与电网相连的主断路器是否已跳开，即是否已形成孤岛状态，因为主断路器断开后会产生较大的频率偏移。过电流继电器的配置取决于不同类型的分布式发电提供故障电流的能力。有些电力电子型分布式发电在故障时并不能提供较大的短路电流，采用过电流继电器就不合适，对于较大容量的分布式发电和较复杂的系统，处理上述保护装置外，还可配备一些其他继电保护装置，如用于防止发电机因不平衡而损坏的负序电压继电器，防止发电铁磁谐振的瞬时过电压（峰值）继电器，用于检测单相接地故障防止发电机成孤岛运行方式的中性线零序电压继电器，用于控制主断路器闭合的同步继电器。

除了上述主要用于发电机并网的保护装置外，发电机本身也应该安装一些保护装置，如快速检测发电机接地故障的差动接地继电器，以及失磁继电器、逆功率继电器、发电机过电流继电器等。故障时，分布式发电配备的故障检测继电器在经过一定的时延将其与系统解列。

4. 分布式发电并网运行时与电网的相互影响

（1）对电能质量的影响。

1）电压调整。由于分布式发电是由用户来控制的，因此用户将根据自身需要频繁地启动和停运，这会使配电网的电压常常发生波动。分布式发电的频繁启动会使配电线路上的潮流变化大，从而加大电压调整的难度，调节的难度，调节不好会使电压超标。未来的分布式发电可能会大量采用电力电子型设备，电压的调节和控制与常规方式会有很大不同（有功和无功可分别单独调节，用调节晶闸管触发角的方式来条无功，且调节速度非常快），需要相应的控制策略和手段与其配合。若分布式电源为采用异步电机的风电机组，由于需要从配电网吸收无功功率，且该无功功率随风的大小和相应的有功功率变动而波动，使电压调节变得困难。

2）电压闪变。当分布式发电与配电网并网运行时，因由配电网的支撑，一般不易发生电压闪变，但切换成孤岛方式运行时，如无储能元件或储能元件功率密度或能量密度太小，就易发生电压。

3）电压不平衡。如电源为电力电子型，则不适当的逆变器控制策略会产生不平衡电压。

4）谐波畸变和直流注入。店里现在型电源易产生谐波，造成谐波污染。此外，当分布式发电五隔离变压器而与配电网直接相连，有可能向配电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，并使附近机械负荷产生转矩脉动（Torque Ripple）。

（2）对继电器保护的影响。

1）分布式发电须与配电网的继电保护装置配合。配电网中大量的继电保护装置早已存在，不可能做大量的改动，分布式发电必须与之配合并尽可能地适应。

2）可能时重合闸不成功。如配电网的继电保护装置具有重合闸功能时，则当配电网故障时，分布式发电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（快速重合闸时间为0.2~0.5s）。

3）会使保护区缩小。当有分布式发电功率注入配电网时，会使继电器原来的保护区缩小，从而影响继电保护装置的正常工作。

4）使继电保护误动作。传统的配电网大多为放射型的，末端无电源，不会产生转移电流，因而控制开关动作的继电器无须具备方向敏感功能，如此当其他并联分支故障时，会引起安装有分布式发电分支上的继电器误动，造成该无故障分支失去配电网主电源。

（3）对配电网可靠性的影响。分布式发电可能对配电网可靠性产生不利的影响，也可能产生有利的作用，需要视具体情况而定，不能一概而论。

1）不利情况包括：①大系统停电时，由于燃料（如天然气）中断或辅机电源失去，部分分布式发电会同时停运，这种情况下无法提高供电的可靠性。②分布式发电与配电网的继电保护配合不好，可能使继电保护误动，反而使可靠性降低。③不适当的安装地点、容量和连接方式会降低配电网可靠性。

2）有利情况包括：①分布式发电可部分消除输配电的过负荷和堵塞，增加输电网的输电裕度，提高系统可靠性。②在一定的分布式发电配置和电压调节方式下，可缓解电压暂降，提高系统对电压的调节性能，从而提高系统的可靠性。③特殊设计分布式发电可在大电力输配电系统发生故障时继续保持运行，从而提高系统的可靠性水平。

一般而言，人们相信分布式电源系统能支持所有重要的负荷，即当失去配电网电源时，分布式电源会即刻取代它从而保证系统电能质量不下降，但实际上很难做到这一点，除非配备适当且适量的储能装置。燃料电池的反应过程使其本身难以跟随负荷的变化作出快速反应，更不用说在失去配电网电源时保持适当的电能质量，即使是微燃机、燃气轮机等难以平滑地从联网运行方式转变到孤岛运行方式。

（4）对配电系统实时监视、控制和调度方面的影响。传统配电网的实时监视、控制和调度是由电网统一来执行的，由于原先配电网的受端是一个无源的放射形电网，信息采集、开关操作、能源调度等相应比较简单。分布式发电的接入使此过程复杂化。需要增加哪些信息，这些信息是作为监视信息，还是作为控制信息，由谁执行等，均需要依据分布式发电并网规程重新予以审定，并通过具体的分布式发电并网协议最终确定。

（5）孤岛运行问题。孤岛运行往往是分布式电源（分布式发电）需要解决的一个极为重要的问题。一般而言，分布式发电的保护继电器在执行自身的功能时，并不接受来自于任何外部与之所联系统的信息。如此，配电网的断路器可能已经打开，但分布式发电的继电器未能检测出这种状况，不能迅速地作出反应，仍然向部分馈线供电，最终造成系统或人员安全方面的损害，所以孤岛状况的检测尤为重要。

当配电系统采用重合闸时，分布式发电本身的问题也值得关注。一旦检测出孤岛的情况，应将分布式发电迅速地解列。若方配电网的断路器重合时，分布式发电的发电机仍然连接，则由于异步重合带来的冲击，发电机的原动机、轴和一些部件就会损坏。这样，由于分布式发电的存在使配电网的运行策略发生了变化，即那些采用瞬时重合闸是配电网将不得不延长重合闸的间隔时间，以确保分布式发电能有足够的时间检测出孤高状况并将其与系统解列。这说明当配电网故障，分布式发电有可能采取解列运行方式时，解列后再并网时的判同期问题成为减小对配电网和分布式发电本身的冲击所需要可哦了的主要问题，为此必须要有一定的控制策略和手段来给予保证。

（6）其他方面影响。

1）短路电流超标。有些电网企业规定，正常情况下不允许分布式发电功率反送。分布式发电接入配电网侧装有逆功率继电器，正常运行时不会向电网注入功率，但当配电系统发生故障时，短路瞬间会有分布式发电的电流注入电网，增加了配电网开关的短路电流水平，可能使配电网的开关短路电流超标。因此，大容量分布式发电接入配电网时，必须事先进行电网分析和计算，以确定它对配电网短路电流的影响程度。

2）铁磁谐振（Ferro-resonance）。当分布式发电通过变压器、电缆线路、开关与配电网相联时，一旦配电网发生故障（如单相对地短路）而配电网侧开关断开时，分布式发电侧开关也会断开，假如此时分布式发电变压器未接负荷，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，还可能引起大的电磁力，使变压器发出噪声或使变压器损坏。

3）变压器的链接和接地。当分布式发电采用不同的变压器链接方式与配电网相连时，或其接地方式与配电网是接地方式不配合时，就会引起配电网侧和分布式发电侧的故障传递问题及分布式发电的3次谐波传递到配电网侧的问题，而且，分布式发电侧保护继电器也会检测到配电网侧故障而动作，由此可能引起一系列问题。

4）调节配合。配电网电容器投切应与分布式发电的励磁调节配合，否则会出现争抢调节的现象。

5）配电网效益。分布式发电的接入可能使配电网的某些设备闲置或称为备用。例如，当分布式发电运行时，其相应的配电变压器和电缆线路常常因符合小而轻载，这些设备成为了它的备用设备，导致配电网的成本增加，电网企业的效益下降。另外，还可能使配电系统负荷预测更加困难。

对于光伏发电接入电力系统还有一些特殊问题，由于光伏是在白天发电，根据日本和德国的家用光伏发电设备的安装情况和运行经验，大多安装在居民屋顶，且大部分并网运行，但一般并不安装蓄电池等储能设备，如此会产生一定量的反向功率输入电网，此时会由于云层的变化而造成公共连接点的电压波动和电压升高，如与各相负荷连接的光伏发电设备数量不均匀的话，很容易产生不平衡电流和不平衡电压。由此，对于大量安装光伏发电设备的情况下，无功补偿和调节手段显得极为重要。

由此当分布式发电并网运行时，人们很关心它会对配电网产生什么样的影响，采取什么措施可将其负面影响减到最小。分布式发电的影响与其安装的地点、容量以及数量密切相关。配电网馈线上能安装分布式发电的数量，是与电能质量问题密切相关的，也与电压调节能力有关，在将来有大量分布式发电时，通信和控制可能成为关键。

5. 分布式电源并网规程

分布式电源可以独立地带负荷运行，也可与配电网并网运行。一般而言，并网运行对分布式发电的正常运行无论从技术上还是经济上均十分有利，目前分布式发电在电网中的比例越来越大，并网运行的方式逐渐成为了一种普遍的运行方式。当其并网运行时，对与之相联配电网是正常运行会产生一定影响，反之配电网的故障也会直接影响到其本身的正常运行。为使分布式发电可能产生的负面影响减低到最小，并尽可能发挥其积极的作用，同时也为了保证其本身的正常运行，按照一定的规程进行极为重要。为此，世界上的一些发达国家和专门的学会、标准化委员会，如IEEE、IEC以及日本、澳大利亚、英国、德国等纷纷制定相应的并网规则和规程，中国也开展了这方面的工作。

这里特别指出的是IEEE主持制定了IEEE-2003《分布式电源与电力系统互联标准》，并以此作为美国国家层面的标准。该标准于2003年获得批准并发布实施。

IEEE1547规定了10MVA及以下分布式电源并网技术和测试要求，其中包含7个子标准：IEEE1547.1规定了分布式电源接入电力系统的测试程序，于2005年7月颁布；IEEE1547.2是IEEE1547标准的应用指南，提供了有助于理解IEEE1547的技术背景和实施细则；IEEE1547.3是分布式电源接入电力系统的监测、信息交流与控制方面的规范，于2007年颁布实施，促进了一个或多个分布式电源接入电网的协同工作能力，提出了监测、信息交流以及控制功能、参数与方法方面的规范；IEEE1547.4规定了分布式电源独立运行系统设计、运行以及与电网连接的技术规范（目前仍是草案，尚未颁布实施），该标准提供了分布式电源独立运行系统接入电网时的规范，包括与电网解列和重合闸的能力；IEEE1547.5规定了大于10MVA的分布式电源并网的技术规范，提供了设计、施工、调试、验收以及维护方面的要求，目前尚是草案；IEEE1547.6是分布式电源接入配电二级网络时的技术规程，包括性能、运行、测试、安全以及维护方面的要求，目前尚是草案；IEEE1547.7是研究分布式电源接入对配电网影响的方法，目前亦是草案。

日本2001年制定了JEAG9701-2001《分布式电源相容并网技术导则》，对分布式发电的并网起到了很好的指导作用。

（五）分布式发电技术的研发重点与应用前景

1. 分布式发电技术的研究与开发的重点

近年来我国分布式发电工程项目发展较快，就北京、上海、广州等大城市而言，工程相继付诸实施。《可再生能源法》的颁布更促进了各种生物质发电的发展，大量的小型生物质电厂在农村和中小城市接连投运。但相关技术的研究和开发显得有些滞后，因此应加大研究的力度，研制出具有我国自主知识产权的产品和系统并降低他们的成本。此外，由于大多数分布式发电采用与配电网并网运行的方式，因此对未来配电网的规划和运行影响较大，须进行深入研究。这些研究具体包括以下几个方面：

（1）分布式发电系统的数字模型和仿真技术研究。建立根本上发电本身及并网运行的稳态、暂态和动态的数学模型，开发相应的数字模拟计算机程序或实验室动态模型和仿真技术，也可建立户外分布式电源试验场。

（2）规划研究。进行包括分布式发电在内的配电网规划研究，研究分布式发电在配电网中的优化安装位置及规模，对配电网的电能质量、电压稳定性、可靠性、经济性、动态性能等的影响。配电网应规划设计成方便分布式发电的接入并使分布式发电对配电网本身的影响最小。

（3）控制和保护技术研究。研究对大型分布式发电的监控技术，包括分布式发电在内的配电网新的能量管理系统、将分布式发电作为一种特殊的负荷控制、需求侧管理和负荷响应的技术，对配电网继电保护配置的影响及预防措施等。

（4）电力电子技术研究。新型的分布式发电技术常常需要大量的应用电力电子技术，须研究具有电力电子型分布式电源的交/直流变换技术、有功和无功的调节控制技术等。

（5）微电网技术研究。微电网的模拟、控制、保护、能力管理系统和能量储存技术等与常规分布式发电技术有较大不同，须进行专门的研究；还要研究微电网与配电网并网运行以及电网出现故障时微电网与配电网解列和解列后再同步运行问题。

（6）分布式电源并网规程和导则的研究与制定。我国目前尚无国家级分布是电源的并网规程和导则，应尽快加以研究并制定相应的规程和导则，以利于分布式发电（分布式电源）的接入。

2. 分布式电源的应用前景

随着分布式发电技术水平的提高、各种分布式电源设备性能不断改进和效率不断提高，分布式发电的成本也在不断降低，应用范围也将不断扩大，可以覆盖到包括办公楼、宾馆、商店、饭店、住宅、学校、医院、福利院、疗养院、大学、体育馆等多种场所。目前，这种电源在我国仅占较小比例，但可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要补充，而且将在能源综合利用上占有十分重要的地位。

二、微电网

（一）基本设备和技术

分布式电源尽管优点突出，但本身存在一些问题。例如，分布式电源单机接入成本高、控制困难等。同时由于分布式电源的不可控性及随机波动性，其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响。分布式电源相对大电网来说是一个不可控电源，因此目前的国际规范和标准对分布式电源大多采取限制、隔离的方式来处理，以期减小其对大电网的冲击。IEEE P1547标准规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，大大限制了其效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，最大限度地发掘分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势，在21世纪初学者们提出了微电网的概念。

微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制等结合，形成一个单一可控的独立供电系统。它采用了大量的现代电力电子技术，将微型电源和储能设备一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，可以在数秒钟内动作一满足外部输配电网络的需求；对用户来说，微电网可以满足他们特定的需求，如降低馈线损耗、增加本地可靠性、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率等。

微电网或与配电网互联运行，或独立运行（称孤立运行方式），当配电网出现故障而微电网与其解列时，仍能维持微电网自身的正常运行。这种微电网是结构、模拟、控制、保护、能量管理系统和能量储存技术等与常规分布式发电技术有较大不同，须进行专门的研究。

由美国的电力集团（Electric Power Group，EPG）、伯克利劳伦斯国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）等研究机构组成的CERTS（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）合作组织，在美国能源部（Department of Energy，DOE）和加州能源委员会（California Energy Commission）等资助下，对微电网技术开展了专门的研究。CERTS定义的微电网基本概念：这是一种负荷和微电源的集合。该微电源以在一个系统中同时提供电力和热力的方式运行，这些微电源中的大多数必须是电力电子型的，并提供所要求的灵活性，以确保能以一个集成系统运行，其控制的灵活性使微电网能作为大电力系统的一个受控单元，以适应当地负荷对可靠性和安全性的要求。

CERTS定义的微电网提出了一种与以前完全不同的分布式电源接入系统的新方法。传统的方法在考虑分布式电源接入系统时，着重在分布式电源对网络性能的影响。传统方法在IEEE1547-2003中得到充分的体现，即当电网出现问题时，要确保联网的分布式电源自动停运，以免最电网产生不利的影响。而CERTS定义的微电网要设计成当主电网发生故障时微电网与主电网无缝解列或成孤岛运行，一旦故障去除后便可与主电网重新连接。这种微电网的优点是它在与之相连的配电系统中被视为一个自控型实体，保证重要用户电力供应的不间断，提高供电的可靠性，减少馈线损耗，对当地啊电压起支持和校正作用。因此，微电网不但避免了传统的分布式发电对配电网的一些负面影响，还能对微电网接入点的配电网起一定的支持作用。

基于上述概念，微电网中功率范围在100kW以下的微型燃气轮机将得到广泛的应用。它具有转速高（5万~10万/min）、采用空气轴承等特点，所发出的高频（1000Hz左右）交流电需经交流-直流-交流环节变为50Hz工频交流电供给负荷，但燃烧过程产生的NO_x仍将对城市的环保产生不利的影响。燃料电池由于具有高效和低排放的特点，自然也很适合作为微电网的电源，特别是高温MCFC和SOFC比较适用于发电，但目前价格较贵，较少实际应用。光伏发电、小型风电和生物质能发电业是很好的电源选择。蓄电池、飞轮和超级电容器等是微电网重要的储能元件。余热回收装置也是重要的部件之一，正是由于余热的利用提高了能源利用的效率，因为热水或热蒸汽并不像电那样容易而经济地长距离输送，而微电网的结构恰恰能使热源更接近热负荷。

（二）微电网结构

相对电力系统而言，微电网类似于一个独立的控制单元，其中每一个微电源都具有尖端的即拔即插功能。对每一个微电源，最关键的是它本身的接口、控制、保护以及对微电网的电压控制，潮流控制和维持其运行稳定性。 一个重要的功能是微电网的联网运行和孤岛运行方式见的平稳转移。在微网中，为了防止微电网与配电网解列时对微电网内负荷的冲击，微电网的配电结构需重新设计，将不重要的负荷接在同一条馈线上，重要或敏感的负荷接在另外馈线上。接敏感负荷的馈线上装有分布式电源、储能元件及相应的控制、调节和保护设备。如此，在微电网与主网解列时，通过隔离装置可甩去一些不重要负荷，但仍能保证一些重要负荷的正常、连续运行。

微电网具有控制、协调、管理等功能，并有以下系统来实现。

1. 微电源控制器

微电网主要靠微电源控制器来调节馈线潮流、母线电压级与主网的解、并网运行。由于微电源的即拔即插功能，控制主要依赖于就地信号，且相应是毫秒级的。

2. 饱和协调器

饱和协调器既适用于主网的故障，也适用于微电网的故障。当主网故障时，保护协调器要将微电网中重要的负荷尽快地与主网隔离。其某些情况下微电网中重要负荷允许电压短时暂降，在采取一定的补偿措施后可使微电网不与主网分离。当故障发生在微电网内，该保护应该在尽可能小的范围内将故障段隔离。

3. 能量管理器

能量管理器按电压和功率的预先整定值对系统进行调度，相应时间为分钟级。

（三）微电网的控制功能

微电网控制功能基本要求包括：新的微电源接入时不改变原有的设备，微电网解、并列时是快速无缝的，无功功率、有功功率要能独立进行控制，电压暂降和系统不平衡可以校正，要能适应微电网中负荷的动态需求。微电网的控制功能主要有以下几种：

（1）基本的有功和无功功率控制（P-Q控制）。由于微电源大多为电力电子型的，因此有功功率和无功功率的控制、调节科分别进行，可通过调节逆变器的电压幅值来控制无功功率，调节逆变器电压和网络电压的相角来控制用功功率。

（2）基于调差的电压调节。在有大量微电源接入是用P-Q控制是不适宜的，若不进行就地电压控制，就坑内产生电压或无功振荡。而电压控制要保证不会产生电源间的无功环流。在大电网中，由于电源间的阻抗相对较大，不会出现这种情况。微电网中只要电压整定值有小的误差，就可能产生大的无功环流，使微电源的电压值超标。由此要根据微电源所发电流是容性还是感性来决定电压的整定值，发容性电流时电压整定值要降低，发感性电流时电压整定值要升高。

（3）快速负荷跟踪和储能。在大电网中，当一个新的负荷接入时最初的能量平衡依赖于系统的惯性，主要为大型发电机是惯性，此时仅系统频率略微降低而已（几乎无法觉察）。由于微电网中发电及的惯量较小，有些电源（如燃料电池）是响应时间常数又很长（10~200s），因此当微电网与主网解列成孤岛运行时，必须提供蓄电池、超级电容器、飞轮等储能设备，相当于增加一些系统的惯性，才能维持电网的正常运行。

（4）频率调差控制。在微电网成孤岛运行时，要采取频率调差控制，改变各台机组承担负荷比例，已使各自出力在调节中按一定的比例且都不超标。

（四）微电网的保护

微电网结构对继电保护提出了一些特殊的要求，必须考虑的因素主要有以下几点：①配电网一般是放射形的，由于有了微电源，保护装置上流经的电流就可能有单向变为双向；②一旦微电网孤岛运行，短路容量会有大的变化，影响了原有的某些继电保护装置的正常运行；③改变了原有的单个分布式发电接入电网的方式，构成微电网的初衷之一是尽可能地维持一些重要古河在电网故障时能正常运行而不使其供电中断，这些必须采用一些快速动作的开关，以代替原有的相对动作较慢的开关。这些均可能使原有的保护装置和策略发生变化。

（五）微电网并网运行

要根据微电网中负荷的需求来确定保护的方案，也即要根据负荷（如半导体制造工业负荷或一般商业性负荷）对电压变化的敏感程度和控制标准来配置保护。如故障发生在配电网中，则要采用高速开关类隔离装置（Separation Device，SD），将微电网中的重要敏感性负荷尽快地与故障隔离。此时，微电网中的DR（或DER）是不应该跳闸是，以确保故障隔离后仍能对重要负荷正常供电（供热）。当故障发生在微电网中时，除了上述隔离装置协调，以免影响上一级馈线负荷。一旦配电网恢复正常，就应通过测量和比较SD量测电压的幅值和角度，采用自动或手动的方式将电网重新并网运行。如果微电网内仅有一个微电源，当然允许采用手动的方式再同步并网；但若在微电网内多个地点有多个地点有多个微电源，则必须考虑采用自动的方式再同步并网。

（六）微电网孤岛运行

当电网孤岛运行时，为了使所隔离的故障区尽可能小，微电网中保护装置的协调尤为重要。特别需要指出的是，由于微电网的电源大多为电力电子型设备，所发出的电力通过逆变器与网络连接，故障时仅提供很小的短路电流（例如2被于正常负荷电流），难以启动常规的过电流保护装置。因此，保护装置和策略就应相应地修改，如采用阻抗型、零序电流型、差分型或电压型继电保护装置。此外，微电网的接地系统必须仔细设计，以免微电网解列时继电保护误动作。

（七）微电网的能量管理系统

微电网被定义为发电和负荷的集合，而通常负荷不仅包括了电负荷，还包括热和冷负荷，即热电联供和热电冷三联供。因此，微电网不仅要发电，而且要利用发电的余热以提高总体效率。能量管理系统（Energy Management System，EMS）的目的的即为作出决策以最优地利用发电产生的电和热（冷）。该决策的依据为当地设备对热量的需求、气候的情况、电价、燃料成本等。

能量管理系统的调度控制功能：能量管理系统的为整个微电网服务的，即为系统级的，由此首要任务是将设备控制和系统控制加以明确区分，使各自的作用和功能简单明了。微型汽轮机的转速、频率、极端电压、发电机（微电源）的功率因数等应有微电源来控制，他们依据就地信号。CERTS的模型中，EMS只调度系统的潮流和电压。潮流调度时需考虑燃料成本、发电成本、电价、气候条件等。EMS仅控制微电网内某些关键母线的电压幅值，并有多个微电源的控制器配合完成，与配电网相联的母线电压应由所联上级配电网的调度系统来控制。

除了上述基本功能外，EMS还具有其他一些功能，如当微电网与配电网解列后微电网应配备快速切负荷的功能，以使微电网内的发电与负荷平衡；由于微电源同时供给电、热等负荷，调度时应同时兼顾，一般情况下往往采取“以热定点”的原则，即满足用户对热负荷需求的条件下再进行电量的调度；微电网中英配备一些储能设备，如蓄电池、超级电容、飞轮等。

EMS的功能自然首先应针对微电网内需求，如潮流和电压调度、电能质量和可靠性、提高运行的效率和经济性、降低污染排放等，但从长远看它还可对配电网提供一些辅助服务和可靠性服务，特别是微电网作为智能电网的一个组成部分，可起到一定的负荷响应的作用。此外，由于微电网本身位于用户侧，这些用户可能为中心商业区（CBD）、学校、工厂等，它们本来就有供热、通风、空调（Heating Ventilation and Air Conditioning, HVAC）等过程控制系统，未来的EMS有可能成为这些系统以及当地发电、储能等的总调度系统。