谷永刚，王 琨，张 波

（1.西北电网有限公司，西安 710048；2.西安供电局，西安 710048；3.杭州市电力局，杭州 310000）

0 引言

随着电力需求迅速增长,以大机组、大电网、高电压为主要特征的大型电网的弊端日益显著。尤其在近年来，世界范围内接连发生了几次大面积停电事故,充分暴露了电网的脆弱性[1-4]，具体表现为以下几个方面：

1）大型互联电网的故障容易扩散，从而导致大面积停电。大电网中某处故障所产生的扰动可能会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停，电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果。

2）大电网的成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求[5]。

3）大型电网对环境保护和土地需求的压力不断地增大。

随着分布式发电（DG）技术的不断进步、能源危机的加剧以及人们对环境的关注，DG日益受到重视。美国电力科学研究院（EPRI）的研究显示，到2010年DG将占到新增发电容量的25%。同时，研究还指出DG今后将占到整个电力市场20%的份额[1]。我国在2007年发布的 《可再生能源中长期规划》中也明确指出，要充分利用水电、沼气、太阳能热利用和地热能等技术成熟、经济性好的分布式可再生能源技术，逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%，2020年达到15%。

本文首先介绍了DG的概念以及分类。然后介绍了几种常用的DG技术，并分析了DG的并网对电力系统的影响。最后对DG技术的应用现状进行了分析。

1 分布式发电概念及特点

目前，对于DG还没有统一的定义。有文献指出，DG是指靠近负荷侧安装某些中小型发电站，它既可以独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可以将其接入配电网络，与公共电网一起为用户提供电能[2-7]。也有文献指出，DG是指功率从几十kW到几百kW,模块式的、分布在负荷附近的清洁环保发电设施,能够经济、高效、可靠地发电。与远离负荷中心依靠远距离输配的传统电源相比，DG具有如下特点[8]：

1）节能环保，污染小。由于DG大量采用可再生能源和清洁能源（如风力发电、太阳能发电和生物能源发电等），因而相对火力发电更加环保。

2）提高电网的可靠性。由于DG装置与大电网的接入和断开具有相对自主性，当大电网发生故障时，可通过启动断开装置使DG与电网断开，由DG独立为用户供电。

3）投资少，安装和运营具有更高的灵活性。由于容量及体积均较小，因此易于找到合适的安装地点，可以方便地为边远地区供电。同时，分布式电源多采用性能先进的中小型、微型机组，操作简单，负荷调节灵活[10]。

2 分布式发电技术及分类

分布式发电系统将各种不同形式的能源转换为电能加以利用。不同的研究领域有不同的分类方法，如按照DG的发电技术可分为：光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电、生物质能发电、燃料电池发电等；根据DG与电力系统并网连接方式可分为直接与系统相联的机电式和通过逆变器与系统相联2大类[11]。下面就几种常用的DG技术进行介绍。

2.1 太阳能发电技术

太阳能光伏发电技术利用半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能[12-13]。太阳能光伏发电根据是否并网可以分为独立运行系统和并网运行光伏系统。独立运行的光伏发电系统需要蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，如牧场的牧民以及高原地区的移动基站等。在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点，但是光伏电池光电转换效率比较低，同时光伏电池的输出功率受日照强度、天气等因素影响，因而光伏发电的成本比较高。

2.2 风力发电技术

风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保等方面的优势,是未来能源电力发展的一个趋势[14-15]。风力发电形式可分为离网型和并网型。离网型风力发电机单机功率从几十W到几十kW不等，可以为边远地区的边防连队哨所及海岛驻军等公共电网覆盖不到的地方提供电能。并网型风力发电场通常由多台大容量风力发电机组成，它们之间通过会流母线，链接到到升压变压器进而接入电网实现并网发电。并网型风力发电场具有大型化、集中安装和控制等特点，是大规模开发风电的主要形式，也是近几年来风电发展的主要趋势。但是风能具有很大的随机性、不可预测性和不可控性，风电场出力波动范围通常较大，速度也较快，对电网安全稳定及正常调度运行造成一定的影响[16-18]。

2.3 微型燃气轮机发电技术

微型燃气轮机发电是指利用小型热力发电机获得电能。微型燃气轮机一般以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料，单机功率范围为25～300 kW。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等[19-20]。但是微型燃气轮机与现有的其它发电技术相比,效率较低。

2.4 燃料电池发电技术

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置[21-22]。燃料电池按电解质可以划分为6个种类，即碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、固体聚合物燃料电池及生物燃料电池。燃料电池具有以下特点:

1）效率高且不受负荷变化的影响；

2）清洁无污染、噪音低；

3）安装周期短、安装位置灵活，可省去配电系统的建设。能量转化效率高，负荷响应快，运行质量高，燃料电池电站占地面积小，建设周期短。但是燃料电池造价昂贵，技术发展还不够完善，并没有开始大规模的应用。

2.5 生物质能发电技术

生物质能是指太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量[23-24]。生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物，其可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。生物质能通常依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等5大类，其具有污染低、分布广泛、总量丰富等诸多优点。生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿t。随着农林业的发展，生物质资源还将越来越多。

3 分布式发电对电网的影响

合理的DG分布可以给系统带来许多效益，如可有效地减小线路损耗、提高系统可靠性、有效地为供电消峰、减少输电阻塞及延缓配电设备投资新建等。但随着DG技术的不断发展[1-2]，DG在配电网的容量和渗透率不断提高，这样以来，DG会给电力系统的运行带来一些问题，如潮流反向、电压不平衡、电网谐波增加、保护误动等[25,30]。

3.1 DG对电力系统规划、负荷预测的影响

DG的加入，使得配电网规划中出现许多发电机节点，这将导致系统的规划与过去相比有更大的不确定性。同时，也使得准确预测负荷的增长情况更加困难,从而影响到后续规划。而合理的规划能够准确评估DG对所在电网的影响，从而给出DG的最优位置和规模，这样就可以达到减小配电网的线路损耗、提高系统可靠性、为供电消峰、减少输电阻塞及延缓配电设备投资新建等目的[31]。因此，为了充分发挥DG的效益，并减小和消除DG对配电网的影响，必须对DG进行合理的规划。

文献[32]基于恒电流负荷模型和恒电流稳态模型,对接有多个DG的放射状链式配电网络的电压分布进行了研究,从电压影响角度初步解决了DG接入位置和注入容量限制的实际应用问题。研究表明从稳态电压角度,分布式电源接入馈线的位置和具体注入容量的大小有较严格的理论依据。

文献[33]介绍了一种可在中低电压等级配电网中确定DG最优位置的算法。该算法考虑了馈线容量极限、馈线电压形态及三相短路电流等技术约束，建立了以网络扩建及网损费用最少的目标函数，采用基因算法对DG的安装位置及容量大小进行寻优。

文献[34]针对远离发电中心、与输电系统弱连接的配电系统，以DG投资费用和向输电网购电费用最小为优化目标，分别对输电网正常运行且价格固定、考虑停运状态和实时电价等3种典型输电网情况下联网DG系统进行规划，并采用启发式算法，得到了各种情况下系统最优供电方案。

上述文献探讨了DG加入之后对配电网规划等的相关问题，但都只是侧重于单一电源结构情况下，DG的接入位置和接入容量对电力系统的影响。由于DG技术和所采用一次能源的多样化，使得如何在配电网中确定合理的DG类型和各种类型的DG之间的协调就成为新出现的而且迫切需要解决的问题。因此DG的广泛应用,使得国家能源政策、能源规划等直接渗透到与DG有关的电力系统规划中,并影响规划的决策过程。

3.2 DG对潮流计算、系统电压的影响

分布式电源接入配电网后，配电系统从放射状结构变为多电源结构，这使得系统的潮流大小和方向都发生了改变[35]。但传统的潮流计算方法由于没有考虑分布式发电的影响，因而计算的结果不再有效。潮流大小和方向的改变同时影响到配电网的稳态电压，使原有的调压方案不一定能满足接入分布式电源后的配电网电压要求。因此，随着DG在配电网中渗透率的不断增加，必须采用新的潮流计算方法来评估和分析分布式电源对电力系统电压的影响，以保证系统的稳定运行。

文献[35]研究了含有风力发电的DG配电网潮流计算问题。文献将每一台风力发电机组的有功出力视为风速的函数，将其无功出力视为有功功率和节点电压的函数，建立了基于异步发电机等值电路的风力发电机组稳态模型，提出了确定并联电容器组初始安装容量、安装组数和实时投切组数的方法。并通过程序嵌入已有的前推回推法潮流计算程序，实现了考虑风力发电机组的配电网潮流计算。文献通过对33节点的计算及分布式发电系统的配电网进行仿真计算验证了该方法和程序的有效性和实用性。文献[36]建立了风力发电和太阳能发电的随机分析模型，并将此模型引入到接有分布式发电的IEEE-34的配电系统中进行随机潮流计算，得到了节点电压概率密度曲线。

文献[37]对分布式发电接入后的配电网以提高全网电压质量、降低网络损耗和抑制电压波动为目标，并计及分布式发电启停的影响，建立了多目标电压优化模型。构造模糊评价函数，将各目标函数值转换为对优化结果的满意度，以便于目标间的比较；利用判断矩阵法，根据各目标间的相对重要性确定权重系数，采用主动禁忌搜索算法求解。仿真结果表明，该方法能兼顾各目标并有效提高全网的电压质量。

文献[38]针对靠近负荷中心的分布式发电系统配电网，研究分布式电源接入放射状链式配电网络前后负荷节点电压的变化。同时针对开式配电网，研究分布式电源接入放射状链式配电网络前后负荷节点电压的变化，并运用潮流程序进行多分布式电源接入后电压分布的计算，提出专门评价节点电压前后变化的指标，全面总结了分布式电源在配电网中接入位置、出力限制等方面的运行规律。研究结果表明只有合理正确运用分布式电源，才能真正发挥电压支撑作用。

文献[39]通过实例计算分析了不同类型的分布式发电设备及其在配网中的不同安装位置对系统静态电压稳定性的影响。文献还对采用的静态电压稳定指标进行了讨论，分析了该指标与系统负荷增长因子之间的关系。

以上文献对含有分布式发电的配电网系统潮流计算问题进行了研究，给出一些新的方法。同时，也对分布式发电对系统的稳态电压的影响进行了分析。而随着分布式发电在配电网中容量的不断增加，以上问题将会更加的突出，还需要进一步的探索。

3.3 运行可靠性、电能质量的影响

分布式发电大量并网相当于给系统接入大量的非线性负载，会给电网注入大量的谐波，同时引起电网电流、电压波形发生畸变，从而导致整个电网的电压稳定性问题。

文献[40]考虑了当前配电系统元件和负荷原始参数的不确定性，采用基于区间计算的配电网可靠性评估算法分析了参数不确定性对配电系统可靠性的影响，并通过对网络进行简化等值提高了计算速度。同时，文章以RBTS-6母线配电系统为例，计算了分布式电源接入前后配电系统可靠性评估的各项区间指标，根据可靠性指标分析了不同接入位置对配电网可靠性的影响，验证了作为备用电源的分布式电源在改善电网可靠性方面的作用。

文献[41]提出利用短路比和刚性率来评估分布式电源对配网供电电压质量影响的方法。同时文章还进一步分析旋转型分布式电源和逆变型分布式电源对系统供电电压的不同影响。分析结果证明在同等渗透率下，逆变型分布式电源对并网节点的电压影响比旋转型更小，向系统提供的短路电流也要远小于旋转型，在同等条件下逆变型分布式电源更加适合应用于密集负荷、高短路容量的城市配电网。文献最后针对逆变型分布式电源抑制供电电压波动的特点，提出电压控制方法，改善了配电网内供电电压质量问题。

3.4 DG对馈线保护、继电保护的影响

DG接入配电网后,辐射式的网络将变为多分布电源和用户互联的网络,潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷[42]。传统的保护系统是在假定配电网是在放射状的基础上设计的，随着DG在配电网的渗透，保护系统的设计基础就发生了改变。同时，馈线潮流的不确定性，也将会给电力系统继电保护装置和动作整定带来一定的难度。文献[43]结合杭州市电力局配网馈线保护的配置及实际应用，详细分析DG引入位置对配电网馈线保护及其动作行为的影响。文献[43-44]研究并总结了DG对系统的继电保护的影响。研究结果表明，DG对系统继电保护主要有以下几个方面：

1）DG运行时可能会引起继电保护的失效。DG产生的故障电流可能会减小流过馈线继电器的电流，从而使继电保护失效。

2）DG接入配电网后可能会使继电保护误动作。相邻馈线的故障有可能会使原本没有故障的馈线跳闸。

3）DG改变了配电网的故障水平。

4 分布式发电的应用现状

分布式发电作为一种具有广阔发展空间的新型发电方式，其能源综合利用方式得到了广泛的应用。发达国家如欧洲、美国、日本等已开始研究并采用多种一次能源形式的结合，探索大电网系统和分布式发电系统相结合的供电方式，以节省电网投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性。欧洲提出要充分利用分布式能源、智能技术、先进电力电子技术等实现集中供电与分布式发电的高效紧密结合,并积极鼓励社会各界广泛参与电力市场,共同推进电网发展。欧洲有些国家已经成功将风力发电的比例提高到10%以上，其中绝大多数是小型、分散式风电。比如丹麦所建设的多数是1万～2万kW的小风电场，全国300多万kW的风机比较均匀地分布在各地，以“就地上网、就地销纳”为主，减小了对电网的影响，提高了电网的安全性。美国电力可靠性技术协会（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS) 最早提出了由分布式发电技术构成的微电网的概念,并成为众多微电网概念中最权威的一个。日本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实,也展开了微电网研究,但其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化电力需求等。

目前，中国的电网还主要以大机组、大电网的集中供电为主，分布式发电在我国处于刚起步阶段,但分布式发电的特点适应中国电力发展的需求与方向,在中国有着广阔的发展前景[45]。一方面,充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义；另一方面,中国可再生能源总的储量丰富，发展潜力十分巨大。我国与分布式发电相关的技术研究和开发已经广泛的展开，由天津大学承担的分布式发电供能系统的基础理论和关键技术问题的“973”研究计划拟就分布式发电需要解决的4个方面的科学问题进行展开：

1）分布式发电的运行特性及高渗透率下与大电网相互作用的机理；

2）含分布式发电新型配电系统的规划理论与方法；

3）含分布式发电的配电系统的保护与控制；

4）分布式发电供能系统综合仿真与能量优化管理方法。

5 结论

分布式发电作为一种很有发展前途的新型发电和能源综合利用方式，已经成为21世纪电力行业最主要的发展方向之一。DG具有节能、环保、投资少、占地小的特点，与集中供电相比，分布式电源应对高峰期的电力负荷更加经济、有效，得到了广泛的关注和应用。虽然我国现阶段主要依靠传统集中式大电网满足国民生产生活，但随着DG技术的不断成熟和不可再生能源的紧缺，分布式发电作为集中供电的一种补充，将会在配电网中得到广泛的应用。欧美一些发达国家已经对分布式发电开展了广泛的研究和应用。但是，我国还处于刚刚起步阶段，因此，需要继续的对DG投入大量的精力和物力，鼓励相关人员对此进行广泛深入的研究。

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