【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 國(guó)大部分地 區(qū)的住宅、商業(yè)大樓、醫(yī)院、公用建筑、工廠來(lái)說(shuō)，都存在供電和供暖或制冷需求，很多都配有備用發(fā)電設(shè)備，這些第 1章 緒論 5 都是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標(biāo)分布式供能系統(tǒng)的廣闊市場(chǎng)。天然氣進(jìn)京和 “西氣東輸 ”工程為發(fā)展小型熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)開(kāi)創(chuàng)了新的機(jī)遇。在中國(guó)，目前工業(yè)領(lǐng)域的熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機(jī)容量約 2021萬(wàn) kW，預(yù)計(jì)到 2021年可達(dá)到 5000萬(wàn)kW，到 2020年可達(dá)到 1億 kW。 小水電通常是指小水電站及與其相配套的小電網(wǎng)的統(tǒng)稱(chēng)。我國(guó)小水電的容量范圍一般是 5萬(wàn)千瓦以下的小型水電站。小水電資源分布廣泛，有些與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，有些分散運(yùn)行?；旧弦?滿(mǎn)足當(dāng)?shù)仉娏π枨鬄橹?，大部分屬于分布式發(fā)電。中國(guó)小水電資源極其豐富，可開(kāi)發(fā)量約 kW，居世界首位。到 2021年底，小水電裝機(jī)達(dá)到 3104萬(wàn)千瓦，向邊遠(yuǎn)地區(qū)提供了大量廉價(jià)的電力。 2021年啟動(dòng)的 “小水電代燃料 ”工程將進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)小水電的發(fā)展 [3]。 光伏發(fā)電容量可任意組合，最適合分散使用。由于光伏發(fā)電成本高，近期大型集中式光伏發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性比較差，主要用于人口分散地區(qū)的離網(wǎng)獨(dú)立電源和城市與建筑物結(jié)合的并網(wǎng)發(fā)電，典型的就是屋頂光伏發(fā)電。屋頂光伏發(fā)電替代的電力成本是電網(wǎng)供電的零售電價(jià)，這是最可能使光伏發(fā)電 的經(jīng)濟(jì)性接近常規(guī)能源供電的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，歐盟、美國(guó)和日本等國(guó)家的光伏發(fā)電發(fā)展很快， 2021年以來(lái)，并網(wǎng)光伏發(fā)電的新增容量已經(jīng)超過(guò)離網(wǎng)的分散光伏發(fā)電。目前中國(guó)的光伏發(fā)電主要還在遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的偏僻地區(qū)作為分散電源應(yīng)用，最近建成了一些城市并網(wǎng)光伏發(fā)電的示范項(xiàng)目，城市建筑光伏發(fā)電的應(yīng)用市場(chǎng)也會(huì)逐步擴(kuò)大。光伏發(fā)電小型分散的特點(diǎn)與分布式發(fā)電的特征一致。預(yù)計(jì)到 2020年，中國(guó)無(wú)電地區(qū)分散電源、商業(yè)用途分散電源和城市并網(wǎng)型光伏發(fā)電的總量可達(dá)到 100萬(wàn) kW[4]。 風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為除水力發(fā)電之外最可靠和清潔的發(fā)電方式。 美國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)剛剛起步。美國(guó)風(fēng)電占美國(guó)電力供應(yīng)的 l％以下，但根據(jù)美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)估計(jì)，在穩(wěn)定的政策支持下，可保持年均 18％的增長(zhǎng)幅度，到 2020年，風(fēng)能至少可以提供 6％以上的全美電力需求量。美國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量在過(guò)去的 5年中平均增長(zhǎng)率達(dá)到 28％，兩位數(shù)的平均增長(zhǎng)既體現(xiàn)了較強(qiáng)的市場(chǎng)需求，同時(shí)也面臨許多挑戰(zhàn)。中國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)的裝機(jī)容量約 kW，截止到 2021年底，全國(guó)風(fēng)能資源豐富的 14個(gè)省 (自治區(qū) )已建成風(fēng)電場(chǎng)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 40座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 1042臺(tái)，總?cè)萘窟_(dá) (以完成整機(jī)吊裝作為統(tǒng)計(jì)依據(jù) )[5]。 含 DG 配電網(wǎng)保護(hù)的研究現(xiàn)狀 分布式電源接入配電網(wǎng)后勢(shì)必會(huì)改變配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流方向，使原來(lái)簡(jiǎn)單的單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)變成復(fù)雜的多電源網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的基于單端電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)保護(hù)和自動(dòng)重合閘裝置也必須做出相應(yīng)的調(diào)整，否則由于分布式電源的存在必定使保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)等問(wèn)題，影響保護(hù)的選擇性和靈敏性，甚至對(duì)配電系統(tǒng)及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成破壞。 分布式電源的容量、類(lèi)型及接入點(diǎn)的差異給配電網(wǎng)中的短路電流的分布帶來(lái)不同的影響，所以定性地分析不同情況下分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)及配電網(wǎng)自動(dòng)裝 置的影響為以后提出更好的繼電保護(hù)解決方案奠定了基礎(chǔ)，新的保護(hù)方案的提出更可以給分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了更廣闊的發(fā)展空間。 由于目前分布式發(fā)電己成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外對(duì)分布式電源的引入對(duì)配網(wǎng)保護(hù)的影響分析做了大量的工作，并提出了很多新的保護(hù)原理。文獻(xiàn)[6]對(duì)接入分布式電源的配電網(wǎng)的穩(wěn)定性、對(duì)繼電保護(hù)的影響以及電能質(zhì)量等方面進(jìn)行了分析介紹；文獻(xiàn) [7][8]具體的分析了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的一系列的影響；文獻(xiàn) [9]提出在原保護(hù)方案的基礎(chǔ)上加裝方向元件和修改定值；文獻(xiàn) [10]提出將故障限流器接入配電網(wǎng)，在 檢測(cè)到故障電流后，通過(guò)快速改變故障線(xiàn)路的阻抗參數(shù)，有效降低故障電流，很好的保證了保護(hù)的選擇性和靈敏性。 論文的主要工作 本文詳細(xì)分析分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響，并進(jìn)行了具體的仿真驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的保護(hù)現(xiàn)狀，提出了幾種適用于含有DG 配電網(wǎng)的保護(hù)方案。論文主要內(nèi)容 為 概述 分布式電源應(yīng)用的意義和它的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，分布式發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀 及 課題的研究意義。 介紹 目前 較為熱門(mén)的四種分布式電源技術(shù)， 及 各種分布式能源的發(fā)第 1章 緒論 7 電原理 、 各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。 定性地分析當(dāng)分布式電源的容量 、類(lèi)型及接入點(diǎn)不同時(shí)，分布式電源對(duì)饋線(xiàn)各處保護(hù)的影響，以及對(duì)前加速重合閘裝置的影響，并利用 MATLAB 仿真軟件搭建 10kV 系統(tǒng)模型對(duì)以上分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 針對(duì)現(xiàn)有配網(wǎng)保護(hù)方案加以改進(jìn)，主要是加裝方向元件和修改定值。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 分布式電源技術(shù) 分布式發(fā)電的概念 目前，國(guó)際上對(duì)于分布式發(fā)電裝置 (Distributed GenerationDG)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范化定義，但是基本的概念是一致的。一般認(rèn)為，分布式電源指的是直接布置在配電網(wǎng)或分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，經(jīng) 濟(jì)、高效、可靠地發(fā)電，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需要或支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。發(fā)電規(guī)模一般不大，大約在幾千瓦至幾十兆瓦。 分布式電源的分類(lèi) 在不同的研究領(lǐng)域 DG 有不同的分類(lèi)方式。一般可以根據(jù) DG 的技術(shù)類(lèi)型，所使用的一次能源及與電力系統(tǒng)的接口技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù) DG 通常所使用的技術(shù)可分為：柴 (汽 )油機(jī)組發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電和燃料電池等。它們所使用的能源有化石燃料、可再生能源及電能儲(chǔ)存元件。 若 DG 與電力系統(tǒng)相連，則可以根據(jù) DG 并網(wǎng)技術(shù)的類(lèi)型分類(lèi)，即直接與系統(tǒng)相聯(lián) (機(jī)電式 )和通過(guò)逆變器 與系統(tǒng)相聯(lián)兩大類(lèi)。若 DG 是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)直接發(fā)出工頻交流電則屬于第一類(lèi)，像小型燃?xì)廨啓C(jī)組發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、水力發(fā)電等：而逆變器型 DG 通常指的是將直流電逆變上網(wǎng)的 DG(如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池及各種電能儲(chǔ)存技術(shù) )和發(fā)出高頻交流電的 DG(如微透平機(jī)組 )。 在 DG 的實(shí)際應(yīng)用中，考慮到 DG 大小對(duì)其在電辦系統(tǒng)中，應(yīng)．用有直接影響，因此按其大小分為小型 (≤100kW）中型 (100kW～ l MW）大型 (≥1 MW)三類(lèi) [11]。 目前，分布式電源研究的熱點(diǎn)之一是可再生能源發(fā)電技術(shù)，其中水力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電屬于比較成熟 的技術(shù)，而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽(yáng)熱發(fā)電、地?zé)峒俺毕l(fā)電等都屬于新興的發(fā)電技術(shù)。對(duì)于使用燃料的分布式發(fā)電技術(shù)，燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)是目前大家比較關(guān)注的焦點(diǎn)。 下面將對(duì)目前比較關(guān)注的幾種分布式發(fā)電技術(shù)的工作原理和運(yùn)行方式第 2章 分布式電源技術(shù) 9 分別做介紹。 燃料電池 燃料電池發(fā)電不同于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其燃料不經(jīng)過(guò)燃燒，而是在催化劑的作用下直接將燃料與空氣或氧氣之類(lèi)的氧化劑相結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在生成水的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因而其實(shí)質(zhì)是化學(xué)能發(fā)電。燃料電池也不同于平時(shí)所說(shuō)的干電池和蓄電池。燃料可以是氫氣、碳?xì)浠衔?、天然氣、甲?甚至汽油等，盡管燃料電池在發(fā)電時(shí)有熱損失，但在室溫下它的轉(zhuǎn)化效率仍能達(dá)到 84％。 燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同單體燃料電池是由正負(fù)兩個(gè)電極以及電解質(zhì)組成。不同的是，一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，電池容量因此受到限制；而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)然，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。 燃料電池可按電解質(zhì)的性質(zhì)可分為：聚合電解質(zhì)膜電池 (PEM)、堿性燃料電池 (AFC)、 磷酸型燃料電池 (PAFC)、固體電解質(zhì)燃料電池 (SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)，其中磷酸型燃料電池最接近商業(yè)化，新一代的熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池則被認(rèn)為最值得推薦用于電力系統(tǒng)的發(fā)電方式。 作為 21 世紀(jì)的一種新型能源，燃料電池的先進(jìn)性和實(shí)用性已經(jīng)得到公認(rèn)，在加大對(duì)燃料電池的開(kāi)發(fā)、研究與利用力度方面盡管還存在一些問(wèn)題，比如電極材料、制造成本、催化劑等問(wèn)題，但是瑕不掩瑜，加快燃料電池發(fā)展必然是世界發(fā)展的總趨勢(shì)。隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟，其在各個(gè)領(lǐng)域的作用會(huì)越來(lái)越明顯，發(fā)展?jié)摿κ志薮?[12]。 微型燃?xì)廨啓C(jī) 微型燃?xì)廨啓C(jī)是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉(zhuǎn)速為 96000 r／ min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)，工作溫度 500℃ ，其發(fā)電效率可達(dá) 30％，實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到 75％。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。微型燃?xì)廨啓C(jī)是目前最成熟、最有競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電設(shè)備之一。微型燃?xì)廨啓C(jī)排放的CO 和 NOx 的體積百分含量都小于 9 610 。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電單元運(yùn)行時(shí)即可在本地監(jiān)控，也可由中心監(jiān)控站 來(lái)管理；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于重量輕，安裝快，可以馬上整機(jī)替換，然后把故障機(jī)組整體運(yùn)往維修中心維修。 其原理 [12]很簡(jiǎn)單，如 21 圖所示 。 渦 輪回 熱 器 永 磁 發(fā) 電 機(jī)廢 氣燃 燒 爐輸 入 燃 料 壓 縮 器大 氣 圖 21 微型燃?xì)廨啓C(jī)原理圖 風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，也是一種清潔能源。和光伏電池一樣，它的輸出功率由風(fēng)能決定。風(fēng)力發(fā)電是目前新能源開(kāi)發(fā)技術(shù)中最成熟、最具規(guī)?；虡I(yè)開(kāi)發(fā)前景的發(fā)電方式。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的原理是：天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片 (形如風(fēng)輪 )，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)中最主要的組成部分是風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪機(jī)多采用水平軸、三葉片結(jié)構(gòu)。葉片的直徑隨單機(jī)容量的增大而加長(zhǎng)，目前世界上最大的旋轉(zhuǎn)葉片的直徑達(dá) 66m，塔架高度達(dá) 80m。功率調(diào)節(jié)是風(fēng)輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前投入運(yùn)行的機(jī)組主要有兩類(lèi)功率調(diào)節(jié)方式：一類(lèi)是定漿距失速控制；另一類(lèi)是變漿距控制。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)按照發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式來(lái)分，主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類(lèi)。目前，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用繞線(xiàn)式異步發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力系統(tǒng)。這是一種比較合適的變速恒頻方案，該結(jié)構(gòu)定子和電網(wǎng)直接 相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過(guò)變換器的功率儀僅是轉(zhuǎn)差功率，雙饋調(diào)速將轉(zhuǎn)差功率回饋到發(fā)電機(jī)軸或者電網(wǎng)，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的。該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電第 2章 分布式電源技術(shù) 11 系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行、與其它發(fā)電方式互補(bǔ)運(yùn)行等。獨(dú)立運(yùn)行是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)蓄電池儲(chǔ)能，再供應(yīng)用戶(hù)使用。這種方式可供電網(wǎng)達(dá)不到的邊遠(yuǎn)農(nóng)村、牧區(qū)、海島等地區(qū)使用，一般單機(jī)容量數(shù)百到數(shù)千瓦。并網(wǎng)運(yùn)行是在風(fēng)力資源豐富地區(qū)，按一定排列方式安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，成為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，發(fā)出的電 能全部經(jīng) 變壓器 （應(yīng)是逆變器吧？） 送至電網(wǎng)， 如圖 22所示。 這是目前風(fēng)力發(fā)電的主要方式 [13]。 風(fēng) 輪 發(fā) 電 機(jī)尾 舵電纜支架充 電 控 制 器蓄 電 池 組逆 變 器 圖 22 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 太陽(yáng)能光伏電池 太陽(yáng)能作為清潔無(wú)污染的新能源方式之一，具有廣闊的發(fā)展前景，在我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電主要以光伏發(fā)電為主。近年來(lái)我國(guó)太陽(yáng)電池的生產(chǎn)能力得到了較大的提高，據(jù)統(tǒng)計(jì)到 2021年底我國(guó)的光伏系統(tǒng)累計(jì)容量達(dá) 40MW，但是多晶硅太陽(yáng)能電池還僅僅處于少量的試生產(chǎn)階段。與國(guó)外相比我國(guó)的光伏生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)研究還有很大的差距，太陽(yáng)能發(fā) 電還處于小規(guī)模利用階段。 太陽(yáng)能發(fā)電可分為太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電兩大類(lèi)。太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，其主要設(shè)備是太陽(yáng)能電池。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 白天發(fā)電的盈余倒送電網(wǎng)，晚間用戶(hù)從電網(wǎng)取電。采用光伏電池發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無(wú)污染、安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。光伏電池的輸出功率受日照強(qiáng)度、電池結(jié)溫等因素的影響，系統(tǒng)的頻率和電壓對(duì)其基本上沒(méi)有影響。光伏發(fā)電容量可任意組合，最適合分散使用。因?yàn)楣夥l(fā)電成本高，大型集中式光伏發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性比較差，所以光伏電池主要用 于人口分散地區(qū)的離網(wǎng)獨(dú)立發(fā)電和城市與建筑物相結(jié)合的并網(wǎng)發(fā)電，典型代表就是屋頂光伏發(fā)電。一般情況下，由若干太陽(yáng)能電池組件按串并聯(lián)方式連接形成較大容量的方陣，稱(chēng)為太陽(yáng)能光伏陣列。 目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電方面主要研究方向包括：晶硅轉(zhuǎn)換速率的研究；薄膜太陽(yáng)能電池和各種新型太陽(yáng)能光