【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 些年來(lái)，集中式發(fā)電受到它自身缺陷的限制，對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定和安全帶來(lái)了不可忽視的影響。為了解決這類(lèi)問(wèn)題，我們找到了一種可靠、靈活、高效、經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式，即分布式發(fā)電技術(shù)。分布式發(fā)電與集中式發(fā)電相結(jié)合將是 21 世紀(jì)電力工業(yè)的優(yōu)先發(fā)展方向。其不但可以解決集中式發(fā)電投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、調(diào)節(jié)不靈活及事故范圍大等弊端，還能使得日益枯竭的能源危機(jī)和環(huán)境污染得到了較大的改善。 分布式發(fā)電技術(shù)通常是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化且分散布置在 用戶(hù)附近的高效、可靠、清潔、可持續(xù)發(fā)展的發(fā)電技術(shù) [1]。分布式電源 (Distributed Generators, DGs)主要包括微型燃?xì)廨啓C(jī) (Microturbines)、燃料電池 (Fuel Cell)、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等一些新能源領(lǐng)域。按發(fā)電能源是否可再生，可將其分布式發(fā)電分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用不可再生能源的分布式發(fā)電，主要是采用化石燃料作為能源；另一類(lèi)是用可再生能源的分布式發(fā)電，它不會(huì)造成污染，屬于綠色電力。比如：風(fēng)能、太陽(yáng)能都是取之不盡用之不竭的自然資源，其他分布式發(fā)電裝置使用的大多數(shù)如：天然氣、 沼氣、生物質(zhì)能等清潔燃料，而傳統(tǒng)發(fā)電燃料主要是以煤為主；這些裝置還應(yīng)用了現(xiàn)代污染物控制技術(shù)，從而控制廢水、廢渣等的排放量。此外，分布式電源的開(kāi)發(fā)、研究和建設(shè)，還有如下重要的意義： （ 1）因?yàn)槌鞘械拇笠?guī)模發(fā)展，使得新的配電線(xiàn)路走廊開(kāi)辟越來(lái)越困難，而直接在用戶(hù)旁安裝分布式電源是一種很有效的替代方案。 （ 2）對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以依靠當(dāng)?shù)刎S富的自然資源，從而選擇合理的分布式發(fā)電方式能夠有效的節(jié)約籌建投資大的電網(wǎng)。分布式電源設(shè)備，無(wú)論是燃?xì)廨啓C(jī)還是內(nèi)燃機(jī)，都可以供電、供熱（冷）服務(wù)，能夠解決邊遠(yuǎn)山區(qū)、礦區(qū)、旅游 區(qū)的用電問(wèn)題。 （ 3）隨著電力市場(chǎng)的逐步推行，用戶(hù)對(duì)供電可靠性、電能質(zhì)量以及電價(jià)的關(guān)注日益增加，而采用分布式發(fā)電則有利于降低用戶(hù)電價(jià)，提高電能的質(zhì)量和供電的可靠性，同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)多方面的要求，為用戶(hù)用電提供更多的選擇。 （ 4）分布式電源已經(jīng)成為了一種以電網(wǎng)最大經(jīng)濟(jì)為目的調(diào)頻、調(diào)峰的手段，不但可以利用儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)電能力實(shí)現(xiàn)補(bǔ)峰填谷和調(diào)頻，還還可以利用它來(lái)控制電網(wǎng)高峰和低谷時(shí)的發(fā)電功率（除可再生能源外）。 （ 5）隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，從而促進(jìn)了電力負(fù)荷的快 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè) 論文 15 速增長(zhǎng)，導(dǎo) 致了某些地方出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的電力缺口。如果采用集中式發(fā)電來(lái)平穩(wěn)渡過(guò)這一時(shí)期是不可能的，但分布式電源具有投資小、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)就可以滿(mǎn)足電力負(fù)荷增長(zhǎng)后的要求。 （ 6）伴隨新型發(fā)電技術(shù)和新型儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，分布式電源（除可再生能源外）采用熱效率在 65%95%的設(shè)備，增加了能源利用率，從而減少了對(duì)一次能源的消耗。 因?yàn)榉植际诫娫吹囊?，從而電源的?jié)點(diǎn)類(lèi)型出現(xiàn)了 PQ、 PI、 PV、 PQ(V)節(jié)點(diǎn)。另外，因?yàn)橄到y(tǒng)中還有 PV 節(jié)點(diǎn)及少量環(huán)網(wǎng)的存在，使得基于傳統(tǒng)的輻射狀網(wǎng)絡(luò)的前推回代算法已經(jīng)不再適用。 含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算的功能是計(jì)算線(xiàn)路中的功率和電壓，但有時(shí)也用來(lái)評(píng)估其并網(wǎng)后對(duì)配電系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，而且是分析分布式電源對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性影響等其他理論研究工作的基礎(chǔ)，因而研究含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 含分布式電源的配電網(wǎng)研究的現(xiàn)狀 分布式電源的發(fā)展及應(yīng)用概況 分布式發(fā)電方式的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段。 （ 1)早期的電力系統(tǒng)是采用分布式發(fā)電方式，在負(fù)荷附近建立小型容量發(fā)電廠，為用戶(hù)提供小規(guī)模電源。這主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)技術(shù)不發(fā)達(dá)，用電量低； （ 2） 20 世紀(jì)初，隨著技術(shù)的進(jìn)步和負(fù)荷的增加，大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統(tǒng)成為了主流的發(fā)電方式。它的大容量、巨型化發(fā)電能夠滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)社會(huì)的發(fā)展和用戶(hù)的需要。但是，由于近年來(lái)屢屢發(fā)生的電力危機(jī)和大面積停電事故，從而讓我們深深地意識(shí)到龐大的電力系統(tǒng)存在既“笨拙”又“脆弱”的缺點(diǎn)。 （ 3)到了 20 世紀(jì)中晚期，由于用電需求的大量增加，人們愈加了解靈活、可靠的發(fā)電方式的重要性，于是分布式與集中式相結(jié)合，不但能夠克服集中式單一供電的缺點(diǎn)，而且還能夠滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的能源需求和解決環(huán)境污染問(wèn)題。自從上個(gè)世紀(jì) 90 年代以來(lái)，可再生能源已經(jīng)得到了快速發(fā)展，世界上有很多國(guó)家都將可再生能源作為能源政策的基礎(chǔ)，且分布式能源的發(fā)展被世界認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)尺。而在美國(guó)，分布式發(fā)電的輸出功率在 20kW 到 10MW 之間的市場(chǎng)已達(dá) 11 億美元。在美國(guó)加利福尼亞州的分布式電站發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到 4GW5GW ，并且在 20xx 年將 20%的新建辦公、商用建筑都使用“熱電冷三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)功能模式”，對(duì) 5%的現(xiàn)有辦公、商用建筑進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑臁Ｓ《葎t在20xx 年可再生能源發(fā)電比例將要超過(guò) 10%。歐盟各國(guó)以可再生能源為主體的分布式發(fā) 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè) 論文 16 電的發(fā)展更受到矚目。丹麥 將資源消耗、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)這三方面進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，在世界上成為可持續(xù)發(fā)展國(guó)家中的典范?，F(xiàn)在，丹麥已經(jīng)投建了 15 家大型生物直燃發(fā)電廠，提供全國(guó)約 5%的電力供應(yīng)，且年消耗農(nóng)林廢棄物近 150 萬(wàn)噸。近些年來(lái)，德國(guó)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、沼氣、地?zé)帷⑺瓤稍偕茉窗l(fā)電、供熱共 20xx 億 kWh，占據(jù)能源供應(yīng)市場(chǎng)份額的 %，能夠滿(mǎn)足約 1000 萬(wàn)家庭的日常供電需要。日本不但是亞洲能源利用率最高的國(guó)家，而且在全世界也位居前列。日本的分布式發(fā)電是以熱電聯(lián)產(chǎn)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電為主，總裝機(jī)容量約為 3600 萬(wàn) kW，占全國(guó)發(fā)電總裝機(jī) 容量 %。據(jù)相關(guān)資料顯示，日本在 20xx 年全球天然氣貿(mào)易中所占比例大約為 35%，成為了全球第二大液化天然氣消費(fèi)國(guó)。在美國(guó)、歐洲的一些國(guó)家，雖然他們的工業(yè)發(fā)達(dá)，用電負(fù)荷大，分布式電源的發(fā)展要比中國(guó)要早一些，但發(fā)展也還在初始階段。 近年來(lái)我國(guó)政府高度重視可再生能源的利用和開(kāi)發(fā)，將“能源總量控制”的重點(diǎn)集中在煤炭總量的控制上，并納入“十二五”能源規(guī)劃，這標(biāo)志著分布式發(fā)電在我國(guó)將達(dá)到一座新的里程碑。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用已取得了很大進(jìn)展。從風(fēng)電資源開(kāi)發(fā)來(lái)看， 20xx 年底，全國(guó)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī) 容量為 萬(wàn)千瓦，風(fēng)電裝機(jī)容量位居世界第 10 位，已經(jīng)基本掌握單機(jī)容量 750 千瓦以下大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造能力，正在開(kāi)發(fā)兆瓦級(jí)的大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。從太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展來(lái)看，到 20xx 年底，全國(guó)太陽(yáng)能熱水器使用量達(dá)到 5000 萬(wàn)平方米，占全球使用量的 40%以上。太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量達(dá) 1000 萬(wàn)平方米，全真空玻璃管熱水器在世界市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。從沼氣利用來(lái)看，我國(guó)的沼氣技術(shù)開(kāi)發(fā)始于上世紀(jì) 50 年代， 70 和 80 年代得到大規(guī)模發(fā)展，主要用于滿(mǎn)足農(nóng)村居民生活用能。全國(guó)有戶(hù)用沼氣池 1000 多萬(wàn)口，年產(chǎn)沼氣約 30 億立方米。已 建成大中型沼氣工程 1900 多處，年產(chǎn)沼氣約 12 億立方米。 盡管我國(guó)可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了很大進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的要求?？稍偕茉窗l(fā)展緩慢客觀上是風(fēng)力發(fā) 電、太陽(yáng)能發(fā)電的成本難以與化石能源去競(jìng)爭(zhēng)，但從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，關(guān)鍵是促進(jìn)可再生能源發(fā)展的政策力度不夠所至。發(fā)展可再生能源利在社會(huì)，意在長(zhǎng)遠(yuǎn)，可再生能源很難與常規(guī)能源在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)，因此必須通過(guò)輔以特殊的能源政策，反映國(guó)家的意志，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。如今我國(guó)正在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，如何在合理的開(kāi)發(fā)利用可再生能 源和新能源提高能源的利用率，同時(shí)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等是我國(guó)能源工業(yè)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展、支持國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵所在。 分布式電源的潮流算法研究現(xiàn)狀 分布式發(fā)電作為國(guó)際上電力系統(tǒng)的一個(gè)前沿研究方向，對(duì)其研究的重點(diǎn)集中在其對(duì) 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè) 論文 17 電力系統(tǒng)的影響上。含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法的研究主要是對(duì)不同類(lèi)型的分布式電源建立模型，使之能夠模擬到已有的計(jì)算方法中去。它的未來(lái)研究趨勢(shì)是：使得算法能夠處理含不同的分布式電源在不同運(yùn)行狀態(tài)中同時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)，計(jì)算過(guò)程更高效、通用性更好。在近年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)中，研究主要的問(wèn)題有： （ 1）分布式電源模型的建立。因?yàn)榉植际诫娫吹某绷饔?jì)算模型和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組計(jì)算模型不同，使得傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法不能夠適用于含分布式電源的配電網(wǎng)。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)在潮流計(jì)算中一般取為 PQ 節(jié)點(diǎn)、 PV 節(jié)點(diǎn)或平衡節(jié)點(diǎn)。而分布式電源具有特殊性，其節(jié)點(diǎn)能否取為這 3 種類(lèi)型需要全面考慮。正是因?yàn)楦鞣N分布式電源的運(yùn)行方式和控制特性的不確定性，才使得在潮流計(jì)算中如何選取分布式電源的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型有待研究?，F(xiàn)在最常用的方法是通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的分布式電源分別建立模型，使得分布式電源可以用通用的形式加入到配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流計(jì)算中去。 （ 2）含分布式電源配網(wǎng)潮流計(jì)算的算法研究。在直接法的基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式電源本身的特點(diǎn)，文獻(xiàn) [14]提出了一種基于靈敏度矩陣的補(bǔ)償算法，該算法能夠處理 PV節(jié)點(diǎn)，并且還釆用了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣中的元素組成了靈敏度矩陣，使得求取過(guò)程簡(jiǎn)便。 文獻(xiàn)把分布式電源的 PV、 PQ(V)以及 PI 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為前推回代法可處理的 PQ 節(jié)點(diǎn)?？紤]到 PV 節(jié)點(diǎn)難于轉(zhuǎn)化為 PQ 節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn) [15]提出了快速網(wǎng)絡(luò)搜索法，對(duì)戴維南等值阻抗矩陣進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)形成與 PV 節(jié)點(diǎn)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的部分元素來(lái)修正 PV 節(jié)點(diǎn)注入的無(wú)功功率。文獻(xiàn) [16]針對(duì)前推 回代法對(duì) PV 節(jié)點(diǎn)和環(huán)網(wǎng)失效的問(wèn)題，提出了依據(jù)節(jié)點(diǎn)電阻矩陣、節(jié)點(diǎn)電抗矩陣及電壓偏差對(duì) PV 恒定型分布式電源和環(huán)網(wǎng)斷點(diǎn)功率修正方法。 本文主要工作 本文第一章主要敘述了選題背景和分布式電源的配電網(wǎng)的前景和研究意義。 第二章介紹了各種分布式電源。 第三章介紹了配電網(wǎng)的基本算法，并比較了其中的優(yōu)劣性。 第四章在含分布式電源配電網(wǎng)潮流計(jì)算方面，本文分局接口的模型的不同將 DG 分為 PQ, PV, PI 和 PQ(V)等四種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，并為每種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型 DG 建立了潮流計(jì)算模型。在傳統(tǒng)潮流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合各點(diǎn)類(lèi)型 DG 的潮流 計(jì)算模型，提出了適用于含不同類(lèi)型 DG 的配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法，并以 IEEE33 算例驗(yàn)證了算法的可行性。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè) 論文 18 第二章 分布式電源的建模 太陽(yáng)能光伏發(fā)電 太陽(yáng)能是由太陽(yáng)中的氫經(jīng)過(guò)聚變而產(chǎn)生的一種能源，它分布廣泛，可自由利用，取之不盡，用之不竭，是人類(lèi)最終可以依賴(lài)的可持續(xù)的能源之一。太陽(yáng)能是以輻射的形式每秒向太空發(fā)射 l019MW 能量，其中有 22 億分之一的能量投射到地球的表面上。地球上一年接受到的太陽(yáng)輻射能高達(dá) l018kW h，是地球能耗的數(shù)萬(wàn)倍，由此可見(jiàn)太陽(yáng)的能量有多么巨大?，F(xiàn)如今由于能源短缺和環(huán) 境污染，各國(guó)都開(kāi)始迅速大力發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)。美國(guó)提出“太陽(yáng)能先導(dǎo)計(jì)劃”意在降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本，使其 20xx年達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的水平；日本也提出在 2020 年達(dá)到 28GW 的光伏發(fā)電總量計(jì)劃；同時(shí)我國(guó)也大幅增加對(duì)光伏發(fā)電的投入，并降低光伏發(fā)電并網(wǎng)價(jià)格，等等顯示了發(fā)展光伏發(fā)電已經(jīng)成為全世界各國(guó)解決能源與經(jīng)濟(jì)，環(huán)境之間矛盾的最有效的途徑之一。 光伏發(fā)電的工作原理 在自然界中，根據(jù)導(dǎo)電性能和電阻率的大小，可以將物體分為三類(lèi)：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。其中在陽(yáng)光下的半導(dǎo)體 pn 結(jié)器件光電轉(zhuǎn)換效率最高，即在半導(dǎo) 體吸收光能后，在其內(nèi)部可以傳導(dǎo)電流的載流子分布和濃度都將發(fā)生改變，由此產(chǎn)生出電流和電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體 pn 結(jié)上形成新的空穴 電子對(duì)時(shí)，在 pn 結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由 n 區(qū)流向 P 區(qū)，電子由 P 區(qū)流向 n 區(qū)，接通電路后就形成電流。光伏電池正是利用了半導(dǎo)體材料的光電特性，把光能直接轉(zhuǎn)換成電能。 光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為兩種類(lèi)型：（ 1）獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)；（ 2）并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行常用于小容量用戶(hù)或無(wú)電地區(qū)，需要提供蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備；并網(wǎng)運(yùn)行主要用于大容量用戶(hù)如公用建筑、住宅等，一般都是自發(fā)自用， 可以不帶儲(chǔ)能裝置，但必須和商用電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，在國(guó)家電網(wǎng)允許的情況下將多余的電向電力公司出售電力。其中并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)又分為標(biāo)準(zhǔn)型（不能切換為獨(dú)立型）和防災(zāi)型（可切換為獨(dú)立型），顯而易見(jiàn)的是并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。 通常情況下，配電網(wǎng)是利用并網(wǎng)型光伏發(fā)電的有功功率，也就是說(shuō)把太陽(yáng)能通過(guò)光伏組件轉(zhuǎn)換為直流，然后通過(guò)匯流箱和直流配電柜，經(jīng)過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出，再通過(guò)變壓器將電壓升壓輸入更高電壓的配電網(wǎng)中。然而在一些特定的情況下，可以損失一部分輸出的有功功率來(lái)控制逆變器對(duì)配電 系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化，使得電網(wǎng)運(yùn)行更加的經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè) 論文 19 光伏發(fā)電的模型 為了更有效的分析光伏電池的發(fā)電性能以及計(jì)算配電網(wǎng)的潮流數(shù)據(jù)，建立了一種常見(jiàn)太陽(yáng)能光伏電池的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這些數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式，可以反映出太陽(yáng)能光伏電池各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際變化規(guī)律，圖 為硅太陽(yáng)能電池實(shí)際的等效電路。 圖 硅太陽(yáng)能電池實(shí)際的等效電路 通