分布式发电与微电网剖析
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200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 World total Developing 世界 countries 发展中国家 EU-25 欧盟25国 China 中国 Germany 德国 USA 美国 Spain 西班牙 India 印度 Japan 日本 Solar PV (grid) 太阳能光伏电池（并网） Geothermal 地热 Biomass 生物能 Wind 风能 Small hydro 小水电
- 29 -
Figure 4: Renewable Power Capacities in 2005 (GW) for Developing Countries, EU, and Top Six Individual Countries (excluding large hydropower) 图4：2005年可再生能源容量(GW), 发展中国家，欧盟和前6名国家 (不含大水电)
偏远地区微网
- 23 -
2 分布式发电和微电网的 兴起和发展
（1）DG兴起的原因 （2）DG的发展现状 （3）微电网研究和应用现状
- 24 -
电力工业发展的历史
产生与兴 起阶段
现代化 工业阶 段
可持续 发展阶 段
和谐、可持续 发展成为发展 目标，传统发 电方式追求清 洁高效，新发 电方式应用高 技术获得发电 、环保、经济 的综合效益 - 25 -
分散式，小容 量发电机，低 电压，小系统 ，交、直流输 电
大机组、大电 厂、大系统、 高电压，资金 密集，技术密 集，高度信息 化；复杂系统 特性突出，石 化能是主要一 次能源
电力工业发展的轨迹
• 能源利用多样化，新发电方式层出不穷，朝着可持续能源 利用方向发展； • 小机组、小电厂、小系统→集中发电大机组（高参数）、 大电厂、高电压、大系统（互联）→分散的小发电系统、 微型电网（联网或不联网）快速发展，成为现代电力系统 的有力补充； • 简单技术→先进技术→高技术 • 电力生产者和消费者的分离与结合； • 电网由单一的供电网，单向输电→ 混合能源网，双向输电
• 国外：
– DR (Distributed Resource)-分布式电源，非直接接入 大输电系统的电源，包括发电机和储能 – DG (Distributed Generation)-分布式发电，是分布式电 源DR的一个子集 – DG（Dispersed Generation) —分散式发电
- 15 -
单机无穷大系统
-6-
单机无穷大系统传递函数框图
-7-
电力系统稳定性与控制
• 送端关注功角稳定性（发电机） • 受端关注电压稳定性 （负荷） • 振荡稳定性及控制
– 低频振荡(0.2~2Hz) – 次同步振荡(略低于50Hz) – 抑制措施
• PSS • HVDC • FACTS
-8-
FACTS控制器
- 19 -
微电网基本结构
微电网的结构示意图如图所示， 它可能组成中压或低压配电网 的一部分，负荷通过分布式电 源供电。根据微电网的运行特 性，微电网可能通过PCC连接到 大电网并网运行，也可与之断 开进入孤网运行模式（Isolated Grid，IG）。当微电网并网的 时候，微电网的运行和控制模式 也在两种状态之间转换，即依赖 于大电网的模式（Grid Dependent， GD）和独立于大电网的模式 （Grid Independent，GI）。 GD与GI模式的区别在于微电网 与大电网之间是否有功率交换。
- 20 -
微电网基本结构
微电网按照结构可以分为三种类型：片区微网、工商业微网、偏远地区微网
片区微电网有两种，一种是城市网络， 另一种则是农村的馈线。前者主要用 于城市的繁华地区，后者则用于农村 电网的计划解列。片区电网的发展动 力是停运管理和整合可再生能源发电 的需求。片区微电网的主要作用在于 降低温室气体的排放；提供对用户多 种能源方式的供给；阻塞管理；延缓 电力网络的升级等。另外，片区微电 网能提供当地无功电压支撑和较高的 电能质量等辅助服务。
新能源发电VS.分布式发电
• 新能源发电→分布式发电：概念和内容上有发展
– DG大多利用新的能源和新型发电技术； – 利于环保； – 电源容量小，电压等级低； – 接近负荷中心，接入配电网； – 电力生产者和消费者合一，功率双向流动；
– 运行方式灵活，可连接于配电网，也可不联网；
– 比集中发电更可靠；在一批小型发电机组成的系统中 发生大的停电（高负荷、风暴、地震、恐怖袭击、战 争）几率较小；
分布式发电的特点
• 分布式发电 (DG) 或分布式能源 (DER) 是一种分散、 非集中式的发电方式，具有以下特点 – 接近终端用户 – 容量很小（几十 kW 至几十 M W） – 以孤立方式或与配电网并网方式，运行在380V 或 10kV – 采用洁净或可再生能源(天然气、沼气、太阳能、 生物质能、风能—小风电、或水能—小水电)
wk.baidu.com-9-
电网分析的相关内容
• • • • • • 网络拓扑 潮流计算 状态估计 稳定性分析 短路计算 … … ….
－－“电力系统博大精深！”
- 10 -
电网的发展方向
• 区域电网互联－－坚强智能电网 • 微型电网（微电网）
– 接入配电网 – 分布式发电（风力、太阳能、生物质…….) – 分布式储能
Load
Hydroelectric plant
Fossil-fuelled plant
Nuclear plant
-4-
电力系统稳定性与控制
• 稳定性 • 电力系统稳定性
– 功角稳定性
• 小干扰稳定性（电源、负荷） • 暂态稳定性（三相短路）
– 电压稳定性（无功平衡） – 频率稳定性（有功平衡）
-5-
分布式发电、储能 与微电网控制
孙衢 自动化学院
主要内容
• • • • 认识电力系统 分布式发电 微电网及其控制 储能技术
-1-
认识电力系统
• 认识“电”
– 电是一种特殊的商品（质量、数量） – 电能不能大规模存储 – 每一瞬间电能的生产和消耗保持平衡 – 负荷曲线（削峰填谷）
-2-
认识电力系统
片区微网
- 21 -
微电网基本结构
工商业微网的用户一般定义为关键负荷 或者敏感负荷，即需要较高等级的供电 可靠性和电能质量。该类微电网能够提 供对多个工商业区域的负荷需求，如大 学校园、购物中心或工业设备。该类微 电网同样可以供给小型的居民负荷，如 一组城市用房或者独立公寓，也可以成 为居民区微电网。该类微电网能够提供 便利且可靠的能量供给，并且能够提供 用户定制的多种分布式电源供电。该类 微电网的主要作用是提供较高的电能质 量；提供不同水平的电能可靠性水平； 整合CHP和需求侧管理。运行方式有GD、 GI和IG，当大电网故障或者电能质量不 满足要求、电价较高或者系统维修时从 GI模式切换到IG模式。
• 认识电网
– 发电、输电（变电、配电）、用电 – 电厂（水电站、火电站、核电站、风电场……) – 钢铁企业…….. – 电网
• 输电网（供电网） 220KV,110KV,35KV,750KV • 配电网 10KV
-3-
认识电力系统
Generation
Transmission
Distribution
- 32 -
2005年太阳能热水器/供热容量（总容量=88GWth）
Brazil 巴西 1.8% Israel 以色列 3.8% Japan 日本 6.0% Turkey 土耳其 6.5% USA 美国 1.8% Australia 澳大利亚 1.4% India 印度 1.3% South Africa 南非 0.5% Other 其他 1.3%
- 26 -
DG兴起的现实原因
（1）电力用户对供电可靠性的更高的要求
– 传统的电网不能提供超过”3个九或4个九”的供电可靠性，这种限制主要是电力 系统不确定、不可控制的事件如天气和设计电网的成本。 – 家庭用户希望达到99.9999%(―6个九”)的可靠性，也就是平均一年停电30秒 – 某些灵敏的电子设备，需要至少99.9999999% %(―9个九”)的供电可靠性
Figure 6: Solar Hot Water/Heating Capacity Existing in 2005 (Total = 88 GWth) 图6：2005年太阳能热水器/供热容量 （总容量＝88 GWth）
EU 欧盟 12.7%
China 中国 63.1%
- 33 -
分布式发电和传统的电网结合起来达到更高的可靠性是可能的； （2）新材料和新型的发电技术为分布式发电提供了技术上的支持； （3）解决能源危机的一个途径；
（4）环保要求；
（5）电力市场要求进行分布式发电，打破垄断
- 27 -
DG的优点
（1）投资和风险：分布式发电本身投资和风险都要很小； （2）安全及可靠性：与电网配合，可以大大提高供电的可 靠性，在电网崩溃或者发生意外灾害（战争、台风、地震、 恐怖活动等）的情况下，继续维持重要用户的供电。 分布式发电可以满足特殊场合的需求，如在大型集会 或庆典场合，安排处于热备用状态的移动分散式发电车， 则可以大大提高供电可靠性。
- 17 -
具有分布式发电的示范配电系统
- 18 -
微电网的定义
微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分 散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能 质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分 散式的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分， 能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电 网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充 分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。
工商业微网
- 22 -
微电网基本结构
利用微电网对这些偏远地区微 电网进行供电，可以利用可再 生能源发电或其他分布式电源 来形成孤立的电网或者独立的 微电网来为偏远地区的居民或 者商业用户供电或热。该类微 电网的主要目的就是为偏远地 区供电，并降低传统化石燃料 的消耗。它具有如下好处：整 合可再生能源发电、降低温室 气体排放和需求侧管理。主要 运行方式为IG。
Source: REN21 Renewables Global Status Report 2006 Update, www.ren21.net
2005年可再生能源容量（GW）
- 30 -
世界风电发展快速
- 31 -
6000
1995-2005年太阳能光伏电池容量（MW）
Source: REN21 Renewables Global Status Report 2006 Update, www.ren21.net
Figure 3: Solar PV, Existing World Capacity, 1990-2005 (MW) 图3：世界太阳能光伏电池容量，1990-2005（MW）
5000
Total 总量 Grid-connected only 仅并网量
4000
3000
2000
1000
0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
- 11 -
- 12 -
微电网典型结构
- 13 -
1 术语和基本概念
(1)分布式发电 (2)新能源发电 (3)微电网
- 14 -
分布式发电的定义
• 国内：
– 分布式发电（Distributed Generation）是指功率不大 （一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、 模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、 高效、可靠的自主智能发电形式。
（3）环保
（4）电力市场：适应电力市场发展需要，多家办电，打破 电力部门垄断
- 28 -
分布式发电优点（续）
（5）经济：能源综合利用，提高能源利用效率（60%90%）。电、冷、热三联产，为能源的综合利用提供了可 能，具有较高的能源利用率。 （6）由于分散式发电装置工作流程简单，参与运行的系统少， 因而启动和停机快速，与电网配合使用时具有良好的调峰 性能，且便于实现全自动控制。（“即用即插式”，“友 好发电方式”） （7）扶贫：解决边远地区供电困难 • 相对于化石能源而言，可再生能源密度较低、分散性强， 不太方便作为集中供电的能源，已开发的可用电量有限。
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Figure 4: Renewable Power Capacities in 2005 (GW) for Developing Countries, EU, and Top Six Individual Countries (excluding large hydropower) 图4：2005年可再生能源容量(GW), 发展中国家，欧盟和前6名国家 (不含大水电)
偏远地区微网
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2 分布式发电和微电网的 兴起和发展
（1）DG兴起的原因 （2）DG的发展现状 （3）微电网研究和应用现状
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电力工业发展的历史
产生与兴 起阶段
现代化 工业阶 段
可持续 发展阶 段
和谐、可持续 发展成为发展 目标，传统发 电方式追求清 洁高效，新发 电方式应用高 技术获得发电 、环保、经济 的综合效益 - 25 -
分散式，小容 量发电机，低 电压，小系统 ，交、直流输 电
大机组、大电 厂、大系统、 高电压，资金 密集，技术密 集，高度信息 化；复杂系统 特性突出，石 化能是主要一 次能源
电力工业发展的轨迹
• 能源利用多样化，新发电方式层出不穷，朝着可持续能源 利用方向发展； • 小机组、小电厂、小系统→集中发电大机组（高参数）、 大电厂、高电压、大系统（互联）→分散的小发电系统、 微型电网（联网或不联网）快速发展，成为现代电力系统 的有力补充； • 简单技术→先进技术→高技术 • 电力生产者和消费者的分离与结合； • 电网由单一的供电网，单向输电→ 混合能源网，双向输电
• 国外：
– DR (Distributed Resource)-分布式电源，非直接接入 大输电系统的电源，包括发电机和储能 – DG (Distributed Generation)-分布式发电，是分布式电 源DR的一个子集 – DG（Dispersed Generation) —分散式发电
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单机无穷大系统
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单机无穷大系统传递函数框图
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电力系统稳定性与控制
• 送端关注功角稳定性（发电机） • 受端关注电压稳定性 （负荷） • 振荡稳定性及控制
– 低频振荡(0.2~2Hz) – 次同步振荡(略低于50Hz) – 抑制措施
• PSS • HVDC • FACTS
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FACTS控制器
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微电网基本结构
微电网的结构示意图如图所示， 它可能组成中压或低压配电网 的一部分，负荷通过分布式电 源供电。根据微电网的运行特 性，微电网可能通过PCC连接到 大电网并网运行，也可与之断 开进入孤网运行模式（Isolated Grid，IG）。当微电网并网的 时候，微电网的运行和控制模式 也在两种状态之间转换，即依赖 于大电网的模式（Grid Dependent， GD）和独立于大电网的模式 （Grid Independent，GI）。 GD与GI模式的区别在于微电网 与大电网之间是否有功率交换。
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微电网基本结构
微电网按照结构可以分为三种类型：片区微网、工商业微网、偏远地区微网
片区微电网有两种，一种是城市网络， 另一种则是农村的馈线。前者主要用 于城市的繁华地区，后者则用于农村 电网的计划解列。片区电网的发展动 力是停运管理和整合可再生能源发电 的需求。片区微电网的主要作用在于 降低温室气体的排放；提供对用户多 种能源方式的供给；阻塞管理；延缓 电力网络的升级等。另外，片区微电 网能提供当地无功电压支撑和较高的 电能质量等辅助服务。
新能源发电VS.分布式发电
• 新能源发电→分布式发电：概念和内容上有发展
– DG大多利用新的能源和新型发电技术； – 利于环保； – 电源容量小，电压等级低； – 接近负荷中心，接入配电网； – 电力生产者和消费者合一，功率双向流动；
– 运行方式灵活，可连接于配电网，也可不联网；
– 比集中发电更可靠；在一批小型发电机组成的系统中 发生大的停电（高负荷、风暴、地震、恐怖袭击、战 争）几率较小；
分布式发电的特点
• 分布式发电 (DG) 或分布式能源 (DER) 是一种分散、 非集中式的发电方式，具有以下特点 – 接近终端用户 – 容量很小（几十 kW 至几十 M W） – 以孤立方式或与配电网并网方式，运行在380V 或 10kV – 采用洁净或可再生能源(天然气、沼气、太阳能、 生物质能、风能—小风电、或水能—小水电)
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电网分析的相关内容
• • • • • • 网络拓扑 潮流计算 状态估计 稳定性分析 短路计算 … … ….
－－“电力系统博大精深！”
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电网的发展方向
• 区域电网互联－－坚强智能电网 • 微型电网（微电网）
– 接入配电网 – 分布式发电（风力、太阳能、生物质…….) – 分布式储能
Load
Hydroelectric plant
Fossil-fuelled plant
Nuclear plant
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电力系统稳定性与控制
• 稳定性 • 电力系统稳定性
– 功角稳定性
• 小干扰稳定性（电源、负荷） • 暂态稳定性（三相短路）
– 电压稳定性（无功平衡） – 频率稳定性（有功平衡）
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分布式发电、储能 与微电网控制
孙衢 自动化学院
主要内容
• • • • 认识电力系统 分布式发电 微电网及其控制 储能技术
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认识电力系统
• 认识“电”
– 电是一种特殊的商品（质量、数量） – 电能不能大规模存储 – 每一瞬间电能的生产和消耗保持平衡 – 负荷曲线（削峰填谷）
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认识电力系统
片区微网
- 21 -
微电网基本结构
工商业微网的用户一般定义为关键负荷 或者敏感负荷，即需要较高等级的供电 可靠性和电能质量。该类微电网能够提 供对多个工商业区域的负荷需求，如大 学校园、购物中心或工业设备。该类微 电网同样可以供给小型的居民负荷，如 一组城市用房或者独立公寓，也可以成 为居民区微电网。该类微电网能够提供 便利且可靠的能量供给，并且能够提供 用户定制的多种分布式电源供电。该类 微电网的主要作用是提供较高的电能质 量；提供不同水平的电能可靠性水平； 整合CHP和需求侧管理。运行方式有GD、 GI和IG，当大电网故障或者电能质量不 满足要求、电价较高或者系统维修时从 GI模式切换到IG模式。
• 认识电网
– 发电、输电（变电、配电）、用电 – 电厂（水电站、火电站、核电站、风电场……) – 钢铁企业…….. – 电网
• 输电网（供电网） 220KV,110KV,35KV,750KV • 配电网 10KV
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认识电力系统
Generation
Transmission
Distribution
- 32 -
2005年太阳能热水器/供热容量（总容量=88GWth）
Brazil 巴西 1.8% Israel 以色列 3.8% Japan 日本 6.0% Turkey 土耳其 6.5% USA 美国 1.8% Australia 澳大利亚 1.4% India 印度 1.3% South Africa 南非 0.5% Other 其他 1.3%
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DG兴起的现实原因
（1）电力用户对供电可靠性的更高的要求
– 传统的电网不能提供超过”3个九或4个九”的供电可靠性，这种限制主要是电力 系统不确定、不可控制的事件如天气和设计电网的成本。 – 家庭用户希望达到99.9999%(―6个九”)的可靠性，也就是平均一年停电30秒 – 某些灵敏的电子设备，需要至少99.9999999% %(―9个九”)的供电可靠性
Figure 6: Solar Hot Water/Heating Capacity Existing in 2005 (Total = 88 GWth) 图6：2005年太阳能热水器/供热容量 （总容量＝88 GWth）
EU 欧盟 12.7%
China 中国 63.1%
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分布式发电和传统的电网结合起来达到更高的可靠性是可能的； （2）新材料和新型的发电技术为分布式发电提供了技术上的支持； （3）解决能源危机的一个途径；
（4）环保要求；
（5）电力市场要求进行分布式发电，打破垄断
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DG的优点
（1）投资和风险：分布式发电本身投资和风险都要很小； （2）安全及可靠性：与电网配合，可以大大提高供电的可 靠性，在电网崩溃或者发生意外灾害（战争、台风、地震、 恐怖活动等）的情况下，继续维持重要用户的供电。 分布式发电可以满足特殊场合的需求，如在大型集会 或庆典场合，安排处于热备用状态的移动分散式发电车， 则可以大大提高供电可靠性。
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具有分布式发电的示范配电系统
- 18 -
微电网的定义
微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分 散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能 质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分 散式的供能网络。微电网是智能电网的重要组成部分， 能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电 网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充 分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。
工商业微网
- 22 -
微电网基本结构
利用微电网对这些偏远地区微 电网进行供电，可以利用可再 生能源发电或其他分布式电源 来形成孤立的电网或者独立的 微电网来为偏远地区的居民或 者商业用户供电或热。该类微 电网的主要目的就是为偏远地 区供电，并降低传统化石燃料 的消耗。它具有如下好处：整 合可再生能源发电、降低温室 气体排放和需求侧管理。主要 运行方式为IG。
Source: REN21 Renewables Global Status Report 2006 Update, www.ren21.net
2005年可再生能源容量（GW）
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世界风电发展快速
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6000
1995-2005年太阳能光伏电池容量（MW）
Source: REN21 Renewables Global Status Report 2006 Update, www.ren21.net
Figure 3: Solar PV, Existing World Capacity, 1990-2005 (MW) 图3：世界太阳能光伏电池容量，1990-2005（MW）
5000
Total 总量 Grid-connected only 仅并网量
4000
3000
2000
1000
0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
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微电网典型结构
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1 术语和基本概念
(1)分布式发电 (2)新能源发电 (3)微电网
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分布式发电的定义
• 国内：
– 分布式发电（Distributed Generation）是指功率不大 （一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、 模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、 高效、可靠的自主智能发电形式。
（3）环保
（4）电力市场：适应电力市场发展需要，多家办电，打破 电力部门垄断
- 28 -
分布式发电优点（续）
（5）经济：能源综合利用，提高能源利用效率（60%90%）。电、冷、热三联产，为能源的综合利用提供了可 能，具有较高的能源利用率。 （6）由于分散式发电装置工作流程简单，参与运行的系统少， 因而启动和停机快速，与电网配合使用时具有良好的调峰 性能，且便于实现全自动控制。（“即用即插式”，“友 好发电方式”） （7）扶贫：解决边远地区供电困难 • 相对于化石能源而言，可再生能源密度较低、分散性强， 不太方便作为集中供电的能源，已开发的可用电量有限。