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微电网与分布式发电

摘要

个体分布式电源的应用所引起的问题与它解决的问题几乎一样多。采用系统化方法，实现分布式供电的一种更佳途径是将配电及其负载视为子系统或“ 微电网”。这些电源能平行的对电网或独立个体起作用，提供不间断电源服务。当发生重大事件（逆变失败，电压崩溃），系统将从该设备中断开，但也可能当来自电网的电压质量下降到一定标准时，系统故意断开连接。利用来自能源所浪费的热能，将增加整体效率，使这项工程在经济上更有吸引力。威斯康星州大学实验室证实了微电网的内容。

CE数据库科目标题：CHP；分布式发电；孤岛检测方法；换流器；微电网；电力电压频率误差；无功电压误差。

1 简介

经济，技术和环境因素正改变着电力电源和变压器的面貌。由于传统经济比重的失衡导致集中发电设备越来越小，更多的采用分布式发电。分布式发电完成了一个大范围的最优原动力技术，例如内燃机发电机、汽轮机、微型涡轮机、光法发电、燃料电池和风力发电。大多数能源技术像微型涡轮机、光伏发电、燃料电池、有永磁机的汽内燃机都有一个转换器用来与电力分布系统相连接。这些紧急技术产生更少的排泄物，潜在地能更少的消耗传统经济的比例。这些应用程序包括变电站的电力提供，T&D上升的延迟和就地发电。

分布式发电的渗透在美国还没有达到有效的水平。然而这种情况正在快速改变，而且要求关注与在分布系统中高分布式发电渗透有关的问题。独立的分布发电机的任意程序能引起问题跟它所解决的问题一样多。采用系统化方法，实现分布式供电的一种更佳途径是将配电及其负载视为子系统或“ 微电网”。这个方法是允许当地控制的分布式发电从而降低或消除需要中央分配。在这种干扰中，电源与相应的负荷能从分布系统中分离出来，从干扰中隔离智能电网，并不损害传输电网的完整。电源与负荷的蓄意孤岛测验要比电力系统作为一个整体更能提高一个潜在地可靠性。这种紧急发电技术允许发热负荷使用余热来最优取代发电机。这种程序的效率能有整个系统的两倍还多。

大多数电流微电网实现负荷与能源的结合，允许使用蓄意孤岛测试，并尝试使用可使用的余热。这些解决方法取决于复杂的交流与控制，依赖于关键部分并要求广泛的建设工程。这项工作的目的是不必为每一个应用程序提供一个需要详细工程的复杂控制系统。我们的方法是提供基本发电控制，它能为每一个地点工程提供一个即插即用模式而没有交流或约定。

体现在微电网概念的每一个创新是为了明确地实现降低成本和提高更小比率分布式

发电系统的可靠性。这项工作的目的是为了加速实现更小比率分布发电所提供的多种好处，例如它们有能力在需要的情况下提供余热或在一个设备里对一些但不是所有的负荷提供更高的电能质量。从电网的方面看，微电网的概念是有吸引力的，因为它现实的意识到

国家的分布系统是广泛的，衰老的和只能很缓慢的改变。微电网是更深刻的理解分布式发电而不是对分布系统的重新设计或重新管理。

2新型发电技术

由于潜在的低空气排放，分布式电力应用程序使用天然气技术原理。尽管在稳定和短期运行程序中依然使用柴油燃料系统,但目前天然气拥有更好的结合性、价格、和环境。功率密度改进、提高燃油效率、降低排放量带来的经济和环境压力推动了往复式引擎技术。通过更好的设计和控制燃烧过程，天然气发动机的排放已经得到显著改善。先进的稀薄天然气体发动机产生的氮氧化合物（NOx）水平低至50PPMV，这是一个巨大的改善，但在大多数应用程序中仍然需要使用排气催化剂。在利用率目标在50%的情况下为35%。不幸的是，目前高效率低排放还达不到同步。

燃气涡轮发动机是一项重要的新兴技术。它们通过空气轴承和无润滑剂的单周设备进行简单的机械运动。它们是被设计用来结合低成本汽车涡轮增压器提高商业飞机辅助电源的可靠性。这个发电机通常是一个永磁机，运行在一个可变的速度下（50000～100000转/分钟）。这个变量速度的操作需要电力电子接口的电力系统。例子包括:课本上的来自欧洲的制造商Bowman和Turbec生产的30千瓦和60千瓦系统。复杂的燃烧系统、低温度和精益燃料与空气比率导致氮氧化物的排放量减少10 ppmv，还有固有的低碳氧化物的排放。较大的燃气涡轮机、往复式引擎和改良引擎都涉及到更高的温度会导致更多的氮氧化物的生产，燃气涡轮发动机运行使用许多不同的燃料包括天然气和汽油等液体燃料而且效率在28%-30%的范围内。用于燃料电池发电的氢气和氧气，反应只产生水蒸气，氮氧化合物、二氧化碳排放量关联着生产供应氢氧燃料电池的天然气或其他燃料的改革。氢氧电池比燃气涡轮发动机提供更高的效率，排放量更少，但目前还很昂贵。磷酸电池和高温臭氧化物、高温碳酸盐电池已被证实在商业上用于200千瓦范围，并且尤其在分布式应用程序中前景广阔。汽车公司的主要发展努力已经集中在通过用低温质子交换膜（PEM）燃料电池尽可能改革车载汽油和其他常见的氢燃料。如果汽车100美元/千瓦的目标实现，那汽车燃料电池将对固定式发电机产生重大的影响。

3 有关新兴发电技术的问题与利益

控制

分布式发电的一个基本问题是控制大量燃气涡轮发动机的技术难题。例如加利福尼亚州，为了满足DG的目的，这就可能导致在他们的系统中出现120千瓦到100千瓦的发电机组。这一问题是复杂的但传感器的广泛快速发展和一个中心点的复杂控制出现了一个潜在地更大的问题。复杂控制系统的基本问题是，控制部件的故障或软件错误都会导致系统下降。DG只需使用本地信息就自发的可以对各种事件做出反应。由于电压的下降、逆变失败、停电等，发电系统通过使用本地信息切换到独立操作。当随着负荷下降，微发电机组改变了从一个独立频率控制的网络中分出的电力模式时，这将要求微发电机组改变输出电力控制。

传统的发电系统提供的重要启示，在一些新兴控制技术是很有用的。电力系统的概念也同样可以应用于DG操作中。例如用于大型公用事业发电机的电源频率下降和电压控制技术也适用于同样稳定性的小型DG系统。从通信的角度看，只有稳定度饿国家电力电压才需要被优化潮流计算。

公用发电机区域的主要不同在于由于缺少一个大型转子，基于DG的逆变器不能提供需要的瞬时功率。在独立操作中，由于燃料电池对控制信号的反应迟钝，导致负荷跟踪出现问题。一个有微电源群的系统被设计运行在一个孤岛模式下，需要某些形式的存储，以确保初始能的平衡。必要的储存器有各种形式：每个微电源的直流母线上的电池或电容器；直接连接的交流储存设备。确定的微电网使用直流储存在每个电源的直流母线上，以确保有最高水平的可靠性。在这种情况下，失去任何组成部分，一个附加源（N+1）可以确保有完整的基本功能。如果对微电网有一种交流的储存设备，情况就不一样了。

运行与投资

在经济比率上，相比微电源，我们更倾向于分布式发电技术。对于一个微电源，互联保护成本要比一般系统增加多达50%的成本。DG机组每千瓦要比微电源花费晓得多，大约三到五倍，但保护花费依然不变。微电网的概念运行同样成本优势的大型DG机组在一个单一设备接口安放多个微电源。

采用DG可以减少电源与负荷之间的本身、电力的距离，提高改进电压侧面，去除分布与传输的限制，降低损失，提高可能利用的余热，延缓新变压器和大型发电系统的投资。

微电网对欧洲配电系统的贡献是减少了损失，这是一个主要的优势。以葡萄牙为例，在传输损失水平约为1.8%到2%，而在高压和中压分布网中损失约为4%。这就等于总损失大约为6%不含低压分布网络。1999年葡萄牙在低压水平的消耗是18TWh。这就意味着一个大的整合微电源，20%的低压负荷至少可以减少216GWh的损失。为了避免CO的污染，葡萄牙立法机构计算得，每370g可再生资源就会产生1CO/kWh。使用这样的数据，用这样的方法每年大约可以避免80千吨的二氧化碳排放物。因此，在欧洲变压器和分布电网，微发电机可以减少2%～4%的损失，有助于欧洲每年减少2000万吨二氧化碳的排放（Lopes 2003）。

热/冷废热发电的最佳定位

使用通过热电联合或结合冷却暖气和电力（CCHP）产生的余热，这意味着一个完整的能源系统从一种能源，例如天然气，提供了两个电力和有用的热。既然电比热更容易传送，热发电机接近热负荷的位置通常要比热发电机接近电力负荷的位置更有意义。

大多数现有的发电厂，给用户集中或分配、传输电能的能源电力效率都在28%～32%这个范围。这意味着提供发电机的初级能源损失了大约70%。为了减少能源的损失，增加发电厂的能源电力效率或使用余热是很有必要的。

在几亿瓦特等级下，结合电力循环技术能更加接近60%的效率。另一方面，如果来自更低效率（28%～32%）的发电机组的余热能通过热交换器、吸收冷水器或干燥剂除湿被