分布式能源并网运行研究-中电联

2019/8/121分布式能源并网运行研究清华大学电机系朱守真[e-mail]2019/8/122引言第一部分：分布式电源并网技术要求和管理条例第二部分：分布式电源并网运行对电力系统的影响第三部分：分布式电源电价政策和交易模式2019/8/123绿色能源可再生能源太阳能、风能、燃料电池垃圾、沼气、生物质能、地热能、海洋能小型燃气等热电冷联产能源综合利用引言2019/8/1242019/8/125荷兰零能源、零排放建筑2019/8/126作为多功能建筑构件使用的光伏组件•在建筑物上安装的太阳电池的作用不仅仅是发电；•除了发电，首先应当将太阳电池看作是建筑物外墙体上的通用的和和谐一致的建筑材料；•安装在建筑物上的太阳电池应当具有如下功能：–使室内不受天气变化的影响；–防雨；–抗风；–隔热；–隔噪音；–遮阳；–美观；–发电；•要求太阳电池组件应当适合建筑设计师的选择：–标准太阳电池组件–特殊制作的太阳电池组件柏林火车站候车大厅2019/8/127北京南站天津站2019/8/128分布式能源运行结构示意图2019/8/129内燃燃气发电机组热电冷联产系统能源需求较为多样化的用户，同时解决了电能、热能及冷能的供应燃气内燃发电机组属节能环保产品,起到环保,节能,优化能源结构三重效果。该系统燃气综合利用效率可以达到70％以上，运行费用低，热效率高，经济效益显著。2019/8/1210清洁、可再生能源发电的兴起(1)全世界风电装机容量年均增长率是全球增长速度最快的能源欧洲风能协会的计划提前完成。中国“乘风计划”，目标宏伟。（2）太阳能光伏电池（PV）90年代太阳能发电年增长率达17%（3）高温燃料电池：效率可达60％（4）微燃气轮机发电（不同于调峰用燃气轮机发电）（5）其他发电技术生物质能（沼气、垃圾、秸秆）、小水电、余热电厂、热电联供（集中供热汽、水）、地热电站、太空电站、大气发电上述这些新发电方式，全世界目前占发电总量的2％，商用价值有限；2010年占10％；前景远大；2019/8/1211不同燃料类型的能耗2030年世界预计：化石能源70％，水6％，核6％，可再生能源13％，2019/8/1212分布式电源定义分布式电源通常是指分散布置在电力负荷附近的、容量在数千瓦至数十兆瓦之间的、为环境兼容的、节能的发电装置。如燃气轮机、内燃机、太阳光伏、燃料电池、风力发电等。2019/8/1213国外研究和定义2000年，ElectricPowerSystemsResearch杂志，《Distributedgeneration:adefinition》目的：有功；安装位置：配电网或用户侧容量：建议不给出具体的容量限制接入容量依赖于配电网容量和电压等级几kW～300MW送电区域：建议不给出区域限制有些地区的DG白天只给当地配电网供电，晚上负荷低时，向输电网送电。类型：不限制。可以是太阳能、CHP、风力、燃料电池等等IEEE1547，把DG容量限制在10MW及以下2019/8/1214DG并网的定义分布式电源并网运行就是指其在正常的开机状态下，与电网存在电气回路的直接连接，分布式电源和电网的连接点一般称为公共连接点。国内提“并网”一般指电厂向系统送电。国外对并网多用interconnection，同时突出paralleloperation。即DG和电力网络同时运行在ieee提出的观点中，DG应几乎可以在任意位置和电力系统相连。2019/8/1215DG分类按容量分类总容量为数十兆瓦的微型电厂数千瓦至数千千瓦的分布式电源，一般接在用户内部按使用能源分类再生能源，太阳能、水力、风能、地热和生物质能氢气化学反应，燃料电池清洁的不可再生能源，如天然气按使用发电机类型分类同步发电机和异步发电机按接入电网方式分类旋转型接入通过逆变器接入按是否反送功率分类经电网接入点向电网反送功率不经电网接入点向电网反送功率2019/8/1216分布式电源并网的四大瓶颈电网安全性并网技术市场运作效益评价DG并网对分布式电源并网对电网安全的影响分析DG并网的技术规则和管理办法制定对分布式电源并网的经济效益分析相应的电价政策和并网交易模式制定2019/8/1217第一部分分布式电源并网技术要求和管理条例DG并网电压选择DG并网渗透率确定电能质量要求DG机组运行要求2019/8/1218DG并网电压选择数千瓦至数百千瓦在400伏电网数百千瓦至数20兆瓦以下一般在10千伏电网20兆瓦至100兆瓦220千伏变电站的110千伏母线北京城区的配电网中没有35kV这一电压等级，因此DG机组并网只能选择400V、10.5kV、或者更高的110kV三个电压等级。10kV线路典型的输送功率的容量是10MkVA；10.5kV/400V的变压器一般容量在几百kW，最大不超过1000kW。2019/8/1219台湾对并网电压的规定100kW以下的可再生能源发电系统在低压配电网接入，容量在100～10000kW，接入11.4kV容量在20000kW以下，接入22.8kV。2019/8/1220美国加州对并网电压的规定发电机容量(kVA)近似输出功率(kW/MW)最低并网电压40kVa40kW低压单相电压100kVa100kW低压3相电压3,500kVa3.5MW13kV10,000kVa10MW33kV40,000kVa40MW69kV100,000kVa100MW138kV2019/8/1221DG并网渗透率确定在一个受电区域内，DG机组总的装机容量和该区域内总负荷容量的比例要限制在一定范围之内，不能过大。美国德州限制一条馈线DG机组的总容量不能超过最大负荷的25%。2019/8/1222电能质量要求当DG机组并网之后，由于有大系统作为支撑，DG用户的电能质量将得到很大的改善GB12325-90电能质量供电电压允许偏差GB12326-2000电能质量电压波动和闪变GB/T14549-93电能质量公用电网谐波GB/T15543-1995电能质量三相电压允许不平衡度GB/T15945-1995电能质量电力系统频率允许偏差GB/T18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压分布式电源必须满足有关国标和电网公司对电源电能质量管理办法中的规定。2019/8/1223DG机组运行要求平稳启动和停机，不易频繁启停恒功率因数运行是否向系统反送功率允许微型电厂反送功率，10千伏电网上的分布式电源原则上不得向电网反送功率。“并网不上网”模式。国外称为non-export，装机容量小于最小负荷，或者有逆功率保护。审批相对简单。DG所发电能只在用户内部消耗，以电能计量点为分界独立运行DG机组的独立运行方案必须在项目申请时一起提出，并且通过测试独立运行时，DG机组和所带负荷必须与电网脱离2019/8/1224继电保护和解列条件并解列开关一般应安装在分布式电源出线开关，并解列开关须具备自动方式。过、欠电压保护和解列条件超出±7%时，5s解列，低于75%或高于120%，0.5s解列过、欠频保护和解列条件频率低于49Hz时，0.5s解列非全相运行保护防孤岛效应保护方向功率保护为1％的机组容量，持续5s2019/8/1225申报审批流程图DG业主有并网意向，到电力公司有关部门进行可行性咨询，并提供相关技术资料DG项目取得立项审批批文DG业主提交正式申请，并向电力公司提交各种相关资料并网方案审批不符合简单并网要求，需要进一步对电网安全稳定进行仿真计算并网审批流程图（示意）符合简单并网要求并网设备改造设计和研究不需改造可以并网通过改造可以并网进行改造设计改造不成功，并网终止工程实施进行并网投运试验试验合格，批准并网，并制定相关的技术和经济协议DG机组并网运行电力公司批准并网意向业主委托相关单位进行论证，并委托具有资质的设计单位进行接入系统设计并网终止试验失败修改方案或设备2019/8/1226第二部分分布式电源并网运行对电力系统的影响研究2019/8/1227并网影响的研究内容DG并网对配电系统稳态电压的影响；DG并网运行对系统的电能质量（电压波动、谐波、电压不平衡、直流注入方面）的影响；在非正常情况下，DG并网对电力系统的影响。定性给出系统故障时DG对短路容量的贡献及对系统保护设置可能的潜在影响，并定性研究了DG对故障时局部系统稳定性的影响。2019/8/1228对电力系统的积极影响减少配电网投资。DG直接装在用户侧，减少输配电设备的投资,减少输送电的损耗，降低成本；长期角度能延缓或减少新建大型发电厂和远距离输电线。条件允许的话，新增负荷优先由DG来满足；具备削峰填谷、平衡负荷的作用，使现有发电输电设备的备用减少，利用率提高。2019/8/1229DG对电网的不利影响增大了电网的短路容量；增大了线路调压难度；影响继电保护配置；影响电能质量水平。2019/8/1230一、DG并网对配网稳态电压的影响（1）配电系统的稳态电压分布024681012141618200.950.960.970.980.991.001.011.021.031.041.050.00.51.01.52.02.53.0负荷节点电压变化率(%)负荷节点电压(p.u.)负荷节点编号节点电压变化率指标未接入DG，表达式计算接入DG，表达式计算未接入DG，潮流程序计算接入DG，潮流程序计算图并入分布式电源前后馈线的电压分布和节点电压变化曲线表明：接入DG对于系统线路的电压分布有明显的改善作用。2019/8/1231（2）DG出力变化图2DG出力变化引起电压变化的曲线表明：不改变DG接入位置的情况下，电压的支撑由DG输出的总出力决定。总出力越多，渗透率越高，电压支撑就越大，整体电压水平就越高。51015200.950.960.970.980.991.001.011.02负荷节点编号负荷节点电压(p.u.)6543102019/8/1232（3）DG接入位置变化1)DG数量仍为5个2)DG集结在同一节点图DG出力变化引起电压变化的曲线图DG集结在同一节点上的电压分布曲线表明：总出力相同的DG，分布在不同的位置组合，得到的电压分布有着较大的差异。51015200.960.970.980.991.001.011.0219141312负荷节点电压(p.u.)负荷节点1151015200.950.960.970.980.991.001.011.02负荷节点电压(p.u.)负荷节点25222124232019/8/1233一般规律从电压支撑角度，分布式电源有明显的积极作用。这取决合理选择接入地点、合理选取容量并适当调度；DG接入位置与DG相对网络负荷的渗透率大小有关，可行的安装位置可选择为从该点到末端的总负荷等于DG容量的一半；正常情况下，DG应多发有功少发无功，保持高功率因素运行；减少线路电压对分布式发电的依赖；在DG接入地点，应安装适当的无功电压支撑设备，如电容器等，在DG退出运行时投运；2019/8/1234二、DG并网对电能质量的影响2019/8/1235（1）DG与电压波动DG引发电压波动的原因采用感应发电机的DG机组，机组启动的时候会从电网中吸收大量无功，造成电压的跌落；对于一般的DG机组，由于容量小，惯性小，容易受到外界因素变化的影响，如负荷随机性、冲击性波动，会引起DG出力变化，进而引发DG附近节点处的电压发生波动。太阳能发电、风力发电等形式的DG系统的输出随太阳光、风力大小的变化而变化，因此容易造成DG接入点附近的电压波动。2019/8/1236（2）DG与谐波、间谐波DG引发谐波的原因采用逆变器并网的DG机组并网时，由于逆变器中电力电子开关器件频繁开通和关断，在其开通和关断的过程中都会给系统带来围绕开关频率附近的谐波分量；一般的逆变器都选用三相六桥臂的设计方案，这也会带来6脉冲逆变器固有的6n±1次谐波2019/8/1237DG与谐波、间谐波