分布式電源及智能用電技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

APEC研究報告分布式電源及智能用電技術(shù)的現(xiàn)狀及進展2012年6月13日

研究團隊：孫嘉平、張建華、劉文霞、劉念、曾博、張敏、吳林偉、朱星陽、蔣程編寫：張建華審核：孫嘉平

目錄第一章分布式電源及智能配用電技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢 11.1分布式電源和微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 11.2智能配用電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及以后趨勢 101.3微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)研究內(nèi)容 14第二章分布式電源的工作原理 262.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機 262.2 燃氣輪機 362.3 燃料電池 442.4 太陽能光伏發(fā)電 492.5 儲能元件 552.6 分布式電源逆變器操縱模型 66第三章智能配用電系統(tǒng)的功能和規(guī)劃 683.1智能配用電系統(tǒng)的差不多概念 683.2智能配用電系統(tǒng)的差不多構(gòu)成及功能 683.3智能配用電系統(tǒng)的集成規(guī)劃 71第四章日本分布式電源和智能配用電技術(shù)的進展 774.1 有關(guān)政策和智能配用電技術(shù) 784.2 可再生能源的阻礙及解決方法 814.3 智能電表 824.4 新一代能源 834.5 小結(jié) 84第五章中國微電網(wǎng)示范園區(qū)的系統(tǒng)設(shè)計及仿真 855.1 微電網(wǎng)示范園區(qū)簡介 855.2 微電網(wǎng)示范園區(qū)系統(tǒng)設(shè)計 865.3 微電網(wǎng)示范園區(qū)運行仿真分析 87第六章結(jié)論 92

第一章分布式電源及智能配用電技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢1.1分布式電源和微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀歐洲、美國及日本等發(fā)達國家和地區(qū)目前都差不多完成微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究，初步建立了分布式能源和微電網(wǎng)的模型和仿真分析工具，完成了微電網(wǎng)及所構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的操縱和愛護策略、通信協(xié)議等，同時通過實驗室測試和智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)進行了驗證，解決了微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的運行、愛護和經(jīng)濟性分析的差不多理論問題。以后的研究目標(biāo)是進展高級操縱策略，整合多個微電網(wǎng)同智能配電治理系統(tǒng)（DMS）的相互作用，進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，實現(xiàn)現(xiàn)場實驗以進一步驗證操縱策略在實際微網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的運行效果，以及微電網(wǎng)對電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃的阻礙評估等。目前各國一些典型微網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)試驗工程調(diào)研情況如下。北美的微電網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)研究首先，由美國可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS）最早提出的微電網(wǎng)概念，是所有微電網(wǎng)概念中最具代表性的一個。美國CERTS在其微電網(wǎng)概念報告中，對微電網(wǎng)的要緊思想以及關(guān)鍵性技術(shù)問題進行了詳細的概述，講明CERTS微電網(wǎng)兩個要緊部件：靜態(tài)開關(guān)和自治微型電源，并系統(tǒng)闡述了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，操縱方式，繼電愛護以及經(jīng)濟性評價等相關(guān)問題。目前，美國CERTS微電網(wǎng)的初步理論和方法已在美國電力公司沃納特／Walnut微電網(wǎng)測試基地得到了成功驗證。有美國北部電力系統(tǒng)承接的曼德瑞沃/MadRiver微電網(wǎng)是美國的第一個微電網(wǎng)的示范性工程，檢驗了微電網(wǎng)的建模和仿真方法、愛護和操縱策略以及經(jīng)濟效益等，并初步探討制定關(guān)于微電網(wǎng)的治理條例和法規(guī)，成為美國微電網(wǎng)工程的成功范例。同時美國能源部（USA.DepartmentofEnergy）在“Grid2030”進展戰(zhàn)略中，差不多提出一個以微電網(wǎng)的形式安放和利用微型分布式發(fā)電系統(tǒng)得時期性打算，對今后的微電網(wǎng)的進展規(guī)劃進行較為詳盡的闡述。此外，加拿大BC和Quebec兩家水電公司差不多開始開展“微電網(wǎng)”示范性工程的建設(shè)，特不關(guān)于微電網(wǎng)的主動孤網(wǎng)運行進行測試，項目的目標(biāo)是通過合理地安置獨立發(fā)電裝置IPP(IndependentPowerProducer)改善用戶側(cè)供電可靠性。美國的微電網(wǎng)由美國能源部（DOE）和加州能源委員會（CEC）共同資助，從2003年起開始正式研究。美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS）是最聞名的微電網(wǎng)研究機構(gòu)，在2003年為美國能源部和加州能源委員會編寫的《微電網(wǎng)概念》白皮書中最早提出了微電網(wǎng)的概念。那個概念差不多在威斯康辛大學(xué)實驗室的試驗平臺中成功得到了檢驗。為了進一步驗證概念的預(yù)備性與合理性，CERTS于2006年11月份開始進行微電網(wǎng)的示范小區(qū)，在美國電力公司的多蘭技術(shù)中心搭建微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)試驗平臺，如圖1.1所示。圖1.1多蘭技術(shù)中心微電網(wǎng)試驗平臺布局日本分布式電源和微電網(wǎng)的研究日本依照本國資源日益缺乏、負荷需求增長迅速的進展現(xiàn)狀，開展了微電網(wǎng)的研究。目前，日本已在國內(nèi)建立了多個微電網(wǎng)工程。近年來，可再生能源和新能源一直是日本電力行業(yè)關(guān)注的重點之一，為此，新能源與工業(yè)技術(shù)進展組織（NEDO）大力支持一系列微電網(wǎng)示范性工程，并鼓舞可再生和分布式發(fā)電技術(shù)在微電網(wǎng)的應(yīng)用。日本在微電網(wǎng)的網(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)以及微電網(wǎng)集成操縱、熱電冷綜合利用等方面開展的一系列研究，為分布式發(fā)電系統(tǒng)及基于可再生電源的大規(guī)模獨立系統(tǒng)的應(yīng)用提供了較為寬敞的進展空間。NEDO在2003年啟動了含可再生能源的地區(qū)配電網(wǎng)項目，并分不在青森縣、愛知縣和京都縣建立了3個微電網(wǎng)示范小區(qū)。位于青森縣八戶市的示范小區(qū)如圖1.2所示。那個工程全部采納可再生能源（風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能）供給電能和熱能。該工程電源包括生物質(zhì)燃氣發(fā)電機3×170kW，鉛酸蓄電池組2×50kW，光伏發(fā)電80kW，風(fēng)力發(fā)電20kW，共710kW。負荷包括：市政廳360kW，4所中小學(xué)205kW，八戶供水治理局38kW，共603kW。整個微電網(wǎng)通過公共聯(lián)結(jié)點（PCC）與外部大電網(wǎng)連接。在9個月的運行期間，由于建立微電網(wǎng)使可再生能源利用系數(shù)增加，系統(tǒng)從大電網(wǎng)的購電量減少，CO2排放也大幅度降低。在為期1周的獨立運行期間，系統(tǒng)頻率差不多維持在50±0.5Hz范圍內(nèi)，較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。圖1.2青森縣微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)日本在京都縣建立了京都經(jīng)濟能源工程，于2005年12月開始運行。那個系統(tǒng)的電源包括：光伏發(fā)電50kW，風(fēng)力發(fā)電50kW，生物發(fā)電5×80kW，一個250kW的熔融碳酸鹽燃料電池（MCFCs）和一個100kW的蓄電池組。能量操縱中心通過電信網(wǎng)絡(luò)與分布式電源進行通信，從而操縱能量平衡的供需要求。一旦出現(xiàn)能量的不平衡，能夠在5分鐘內(nèi)進行調(diào)節(jié)，而且打算以后要進一步縮短時刻。在仙臺，新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）也建立了一個電能質(zhì)量可靠性服務(wù)的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)，已在2006年完成。那個工程旨在研究多個電能質(zhì)量的可靠性能夠同時滿足一系列用戶的需求。除此之外，私人企業(yè)和部門也展開了微電網(wǎng)的研究。例如清水公司與東京大學(xué)聯(lián)合開發(fā)微電網(wǎng)的操縱系統(tǒng)，差不多在東京的研究中心建立試驗工程。在日本，微電網(wǎng)的技術(shù)體系要緊集中在當(dāng)維持傳統(tǒng)電網(wǎng)供電時如何利用新能源發(fā)電，以及如何提供多重的電能質(zhì)量可靠性。微電網(wǎng)的多領(lǐng)域研究正在檢驗微電網(wǎng)技術(shù)的可行性，然而清潔經(jīng)濟和環(huán)境效益還沒有被考慮到里面去。微電網(wǎng)的經(jīng)濟評價方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)。歐盟的微電網(wǎng)研究從電力市場自身需求、電能安全供給以及環(huán)境愛護等方面綜合考慮，歐洲在2005年提出“智能電網(wǎng)”（SmartGrid）的目標(biāo)，并在2006年出臺該打算的技術(shù)實現(xiàn)方案。作為歐洲2020年及后續(xù)的電力進展目標(biāo)，該打算指出以后歐洲電網(wǎng)具有靈活、可接入、可靠和經(jīng)濟等特點。基于這些特點，歐洲提出要充分使用分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能技術(shù)、先進電力電子技術(shù)等實現(xiàn)集中式供電與分布式發(fā)電的高效整合，并積極鼓舞獨立運營商和發(fā)電商參與電力市場交易，快速推進電網(wǎng)技術(shù)的進展。微電網(wǎng)以其智能型、清潔高效、以及能量的多級多元化應(yīng)用等特點必將成為歐洲以后電網(wǎng)的進展得重要組成部分。目前，歐盟要緊資助和推進兩個微電網(wǎng)項目“Microgrids”和“MoreMicrogrids”，旨在通過拓展和進展微電網(wǎng)的概念增加微型發(fā)電裝置的滲透率，已初步形成微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的運行、操縱、愛護、安全以及通信等差不多理論，并相繼在希臘、德國、西班牙建立了不同規(guī)模的微電網(wǎng)實驗平臺。其中德國太陽能研究所（ISET）建成的微電網(wǎng)實驗室規(guī)模最大，容量達到200kVA，并在事實上驗平臺上設(shè)計安裝了簡單的能量治理系統(tǒng)。而以后歐盟研究要緊集中于可再生微型發(fā)電系統(tǒng)的操縱策略和微電網(wǎng)的規(guī)劃、多微電網(wǎng)治理運行優(yōu)化工具的研發(fā)，技術(shù)和商業(yè)化規(guī)范的制定，示范性微電網(wǎng)測試平臺的推廣，電力系統(tǒng)運行性能的綜合評估，這些為分布式發(fā)電系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)大規(guī)模并入微電網(wǎng)以及傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過渡做好鋪墊。歐盟科技框架（FrameworkProgram,FP）打算是當(dāng)今世界上最大的官方科技打算之一，具有研究水平高、涉及領(lǐng)域廣、投資力度大、參與國家多等特點。歐盟第五框架打算（1998～2002）資助了微電網(wǎng)的開拓性研究，形成了一個以雅典國立科技大學(xué)為首，來自7個歐盟成員國的14個組織的龐大的研究團隊。研究成果包括：（1）完成了分布式能源建模和穩(wěn)態(tài)、動態(tài)分析軟件；（2）形成了微電網(wǎng)獨立和并網(wǎng)運行原則、操縱算法、本地黑啟動策略；（3）明確了分布式能源接口響應(yīng)及其智能化的必要條件以及可靠性量化的方法；（4）完成了微電網(wǎng)接地和愛護方案以及多種功能的實驗室規(guī)模的微電網(wǎng)。隨后在歐盟第六框架打算（2002～2006）的資助下，研究團隊進一步擴大，包括Siemens、ABB在內(nèi)的制造商以及部分歐盟成員國的電力企業(yè)和研究團隊。研究的對象也進展到多個微電網(wǎng)并列運行，目標(biāo)是實現(xiàn)多個微電網(wǎng)在電力市場環(huán)境下的技術(shù)和商業(yè)接入。與此同時，歐盟也建立了多個微電網(wǎng)構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。希臘的CRES公司建立了基斯諾斯島微電網(wǎng)工程，如圖1.3所示。圖1.3基斯諾斯島微電網(wǎng)試驗工程該微電網(wǎng)位于愛琴海南部的基克拉澤斯群島，為12戶居民供電。電源包括10kW的光伏電池、53kWh的蓄電池組和一個5kW的柴油機組。另外約2kW的光伏電池安裝在操縱系統(tǒng)建筑的樓頂上，通過SMA逆變器和32kWh的蓄電池組為監(jiān)測和通信提供電源。住宅區(qū)的電力供應(yīng)是通過3個并聯(lián)的SMA電池逆變器組形成一個可靠的單向回路。電池逆變器組能夠工作在頻率下垂模式：當(dāng)蓄電池組處于低電能狀態(tài)下能夠同意信息流向開關(guān)負荷操縱器；當(dāng)蓄電池組處于飽和情況下能夠限制光伏逆變器組的功率輸出。荷蘭的Continuon公司在Bronsbergen的假日公園里建立了一個微電網(wǎng)工程。那個地區(qū)有超過200戶住處，光伏發(fā)電為315kW。住戶使用4條約400米的饋線與中/低壓變壓器相連。當(dāng)白天負荷較低時，光伏發(fā)出的大部分功率注入中壓網(wǎng)絡(luò)中。在晚間從網(wǎng)絡(luò)輸出以供所需。在光伏發(fā)電時，饋線末端的高電壓和較大的電壓畸變都差不多被考慮到里面去。另外在微電網(wǎng)運行在孤島的模式下，電能質(zhì)量的改善可通過電力電子器件和儲能來解決。德國的MVVEnergie公司在一個大約1200戶居民的生態(tài)區(qū)Mannheim—Wallstadt建立了多個微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的長期試驗點。光伏發(fā)電為30kW，打算以后投入更多的分布式電源。該試驗的第一個目標(biāo)是進行用戶側(cè)負荷治理。在2006年夏季的2個月時刻內(nèi)，超過20戶居民和一個托兒中心加入一個名為“與陽光共浴”的工程中。由于光伏發(fā)電的信息能夠被用戶們獵取，因此當(dāng)用戶直接利用光伏電池發(fā)電時，能夠依照情況轉(zhuǎn)移負荷。結(jié)果顯示，用戶都顯著地轉(zhuǎn)移了負荷：從夜間的高峰時段轉(zhuǎn)向白天的太陽強輻射時段，從陰天時段轉(zhuǎn)向晴天時段。

另外，丹麥的OESTKRAFT公司、意大利的CESI公司、葡萄牙的EDP公司和西班牙的LABEIN公司都在各自國家建立了微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的試驗點，進行微電網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的研究。這些研究成果差不多成為歐盟“智能電網(wǎng)—歐洲以后電網(wǎng)的展望和戰(zhàn)略”的重要組成部分。智能電網(wǎng)打算在2005年啟動，旨在完成對2020年之后歐洲電網(wǎng)進展的展望和戰(zhàn)略部署。作為歐洲以后電網(wǎng)進展的綱領(lǐng)性目標(biāo)，智能電網(wǎng)打算中以后電力系統(tǒng)的要緊框架結(jié)構(gòu)是集中式發(fā)電和遠距離輸電骨干網(wǎng)、地區(qū)輸配電網(wǎng)、以微電網(wǎng)為核心的分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的統(tǒng)一體，能節(jié)約投資、降低能耗、提高能效，提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和供電質(zhì)量，能夠使歐洲電網(wǎng)滿足21世紀(jì)的挑戰(zhàn)和機遇，滿足社會、環(huán)境及政治對能源的需求。中國的微網(wǎng)研究現(xiàn)狀目前，我國在微網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)方面的研究還處于起步時期，在國家科技部“863打算先進能源技術(shù)領(lǐng)域2007年度專題課題”中差不多包括了微電網(wǎng)技術(shù)。目前清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所、天津大學(xué)、河海大學(xué)、東南大學(xué)等單位相繼開始了對微電網(wǎng)的研究。清華大學(xué)與遼寧高科能源集團合作，在國內(nèi)領(lǐng)先將微電網(wǎng)應(yīng)用到實際工程中，積存了豐富的實踐經(jīng)驗和學(xué)術(shù)成果。天津大學(xué)的研究課題“分布式發(fā)電供能系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)研究”獲得了國家973打算項目的資助；河海大學(xué)與英國格拉斯哥卡里多尼亞大學(xué)有著緊密的學(xué)術(shù)合作交流，并共同開展微電網(wǎng)的研究。同時與日本廣島大學(xué)合作，在微電網(wǎng)領(lǐng)域共同開展了許多研究。國家高技術(shù)研究進展打算（863打算）在2007年設(shè)立了我國北方和南方兩個分布式供能及智能配用電系統(tǒng)示范項目：目前國內(nèi)在建的微網(wǎng)示范系統(tǒng)為南方電網(wǎng)公司在深圳建立的南方冷熱電微網(wǎng)智能配用電示范性工程。該工程是基于3臺燃氣輪機的冷熱電三聯(lián)供深圳科技園微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)，另一項是中電投資公司在內(nèi)蒙古呼和浩特市建立的北方冷熱電三聯(lián)供示范性工程，“北方地區(qū)MW級分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集現(xiàn)狀成技術(shù)與示范小區(qū)”；該工程基于2臺燃氣輪機的冷熱電大盛魁三聯(lián)供微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。由此可見，微網(wǎng)及所構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)的特點適合我國電力進展的整體需求與方向，在我國將會有寬敞的前景。因此，研究微網(wǎng)并網(wǎng)運行操縱理論是真正使得微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)應(yīng)用與推廣關(guān)鍵技術(shù)難題。1.2智能配用電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及以后趨勢國外現(xiàn)狀世界上第一個全面應(yīng)用“智能電網(wǎng)”的都市是美國XcelEnergy公司于2008年在科羅拉多州建設(shè)的波爾得市。波爾得市的智能電網(wǎng)是一個高速、實時的雙向通信系統(tǒng)，包括智能變電站和用戶能量操縱系統(tǒng)以及用于網(wǎng)絡(luò)故障快速診斷和糾錯的傳感器；整個電網(wǎng)建立了新的測量系統(tǒng)；城內(nèi)全部家庭安裝智能電能表。都市支持分布式清潔能源的接入，用戶可通過電表優(yōu)先使用太陽能和風(fēng)能等清潔能源；同時，變電站通過升級后可采集到每家每戶的用電情況，一旦出現(xiàn)問題能夠重新配備電力。此外，西班牙電力公司和當(dāng)?shù)卣谀喜慷际蠵uertoRea合作開展了智能都市的試點，啟動于2009年4月啟，打算四年內(nèi)完成。它涉及9000個用戶，1個變電站以及5條中壓線路、65個傳輸線中心，在電網(wǎng)、家庭、計量體系等多個方面對現(xiàn)有電網(wǎng)進行改造。國外關(guān)于智能配用電系統(tǒng)技術(shù)的探討特不豐富，如基于電力光纖到戶的“三網(wǎng)融合”技術(shù)的研究、通信網(wǎng)絡(luò)平臺的構(gòu)造和運營模式的討論，配電自動化的數(shù)據(jù)采集、通信處理和控管一體化等；此外，國外企業(yè)也特不注重關(guān)于智能配用電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，如德國的西門子公司、法國施耐德公司、美國的COOPER公司、摩托羅拉公司、英國ABB公司、日本東芝公司等，均不同程度地涉及配電自動化、智能配用電系統(tǒng)通信技術(shù)等。總的來看，能夠總結(jié)出國外智能配用電系統(tǒng)進展有以下幾個特點：一步到位的“智能配用電系統(tǒng)”試點與部分技術(shù)逐一普及相結(jié)合，尤其是對智能電表的推廣；推進微網(wǎng)工程試點工作，并結(jié)合當(dāng)?shù)匦枨罂紤]分布式能源和微網(wǎng)的進展；通過智能電表和相關(guān)電價政策引導(dǎo)用戶參與需方響應(yīng)，節(jié)約電能，緩解電網(wǎng)壓力；積極開展關(guān)于智能配用電系統(tǒng)前沿技術(shù)的研究和探討等。國內(nèi)現(xiàn)狀及以后趨勢目前，智能用電系統(tǒng)在我國正處于初級試點建設(shè)時期。截止到2011年年底，我國已有數(shù)個正在建設(shè)中或立即建成投入運行的智能配用電園區(qū)。本部分重點選取北京、天津、上海及江西等四個具有代表性的示范工程以介紹智能配用電園區(qū)在我國的進展現(xiàn)狀。2009年5月，國網(wǎng)信息通信有限公司分不在北京蓮香園小區(qū)和阜成路95號院設(shè)立了兩個智能電網(wǎng)用戶服務(wù)試點。蓮香園項目智能電網(wǎng)用戶服務(wù)系統(tǒng)通過使用光纖復(fù)合低壓電纜，在電力線入戶的同時達到了光纖入戶，從而實現(xiàn)了實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向?qū)崟r交互。實現(xiàn)的要緊功能包括三表（水、電、氣）信息抄收、雙向?qū)崟r通信、家電治理、響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰要求、提供社區(qū)服務(wù)、安防服務(wù)、實現(xiàn)電力網(wǎng)、信息網(wǎng)和通信網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”。其樓頂還安裝了8塊太陽能電池板，不僅可滿足家中的用電需求，如發(fā)電量仍有富余，則可送入電網(wǎng)，賺取發(fā)電上網(wǎng)費用。同時小區(qū)微電網(wǎng)還具備遠程操縱功能，能夠進行遠程拉合閘操縱，便于中斷與分布式發(fā)電并網(wǎng)，確保檢修安全。在電網(wǎng)有電的情況下，能夠跟蹤電網(wǎng)的頻率、幅值和相位，選擇合適的時刻并網(wǎng)。2011年9月19日，國際上目前覆蓋區(qū)域最廣、功能最齊全的智能電網(wǎng)示范區(qū)——中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程成功投運，這也是我國首個智能電網(wǎng)綜合示范工程。中新天津生態(tài)城智能配用電園區(qū)位于天津濱海新區(qū)，毗鄰天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、天津港、海濱休閑旅游區(qū)，地處塘沽區(qū)、漢沽區(qū)之間，總面積約31平方千米，規(guī)劃居住人口35萬。該示范工程通過6千瓦的風(fēng)電和30千瓦的光伏、以及60千瓦時的儲能裝置構(gòu)建成一個小型微網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)度六大環(huán)節(jié)，包括分布式電源接入、儲能系統(tǒng)、智能電網(wǎng)設(shè)備綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能變電站、配電自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測和操縱、用電信息采集系統(tǒng)、智能用電小區(qū)/樓宇、電動汽車充電設(shè)施、通信信息網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)智能運行可視化平臺及智能供電營業(yè)廳12個子項工程。項目投運后能夠滿足區(qū)域內(nèi)可再生能源利用比例不低于20%；智能電能表覆蓋率100%，供電可靠率99.999%的要求，達到國際領(lǐng)先水平。此外，當(dāng)前智能電網(wǎng)一些前沿技術(shù)在該項目中得到充分的體現(xiàn)，如全國首個融合光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及先進儲能技術(shù)的較為完整的微網(wǎng)系統(tǒng)，填補了我國微網(wǎng)分布式電源接入技術(shù)和微網(wǎng)操縱技術(shù)領(lǐng)域的空白，因此具有重要的示范意義。到2020年，生態(tài)城將全部采納清潔能源和綠色建筑，太陽能、海水發(fā)電、風(fēng)能在內(nèi)的各種可再生能源的替代電量約占整個生態(tài)城用電量24.62%；同時，中新生態(tài)城智能電網(wǎng)選擇鋰離子電池為要緊儲能裝置，建設(shè)集中儲能站，有效地保證風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電的輸出，同時“削峰填谷”地提高利用能源效率；為配合生態(tài)城綠色交通規(guī)劃，至2015年生態(tài)城內(nèi)將建設(shè)3座大型充電站，3座中型充電站和300座交流充電樁。按照生態(tài)城的規(guī)劃方案，智能用電小區(qū)將實現(xiàn)水、氣、電“三表結(jié)合”和有線、電話、互聯(lián)網(wǎng)、電力網(wǎng)的“四網(wǎng)融合”此外，上海世博園是另一個具有代表性的智能配用電園區(qū)示范工程，也是我國首個真正意義上的智能電網(wǎng)示范園區(qū)。該工程包括新能源接入、儲能系統(tǒng)、智能變電站、配電自動化系統(tǒng)、故障搶修治理系統(tǒng)、電能質(zhì)量檢測、用電信息采集系統(tǒng)、智能樓宇/小區(qū)以及電動汽車充放電站等9個示范工程，此外還包括智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、信息平臺、智能輸電以及可視化展示等4個演示工程。該工程的特色之處在于：首先，建成了新能源接入綜合系統(tǒng)，覆蓋上海各風(fēng)電場、光伏電站、儲能系統(tǒng)、電動汽車充放電站和部分資源綜合利用（熱電冷三聯(lián)供）機組，實現(xiàn)多種能源形式最優(yōu)互補，提高了資源綜合利用效率；此外，全面實現(xiàn)了配電自動化，使配電網(wǎng)具備自愈功能；最后，該工程還建成了具有雙向有序電能轉(zhuǎn)換模式（V2G）功能的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度和營銷系統(tǒng)的集成，以及車載電池組與電網(wǎng)的雙向能量交換，展示了電動汽車作為移動儲能裝置的寬敞應(yīng)用前景。除上述差不多建成投運的智能配用電園區(qū)外，國家電網(wǎng)公司的另一個有重要意義的智能電網(wǎng)綜合集成技術(shù)研究與示范項目江西共青城智能電網(wǎng)綜合示范工程正在建設(shè)中。試點區(qū)域面積約6.5平方公里，項目一期投資為1.01億元，實施期限為2012年1月到2014年12月。該工程項目的鮮亮特點是將國家電網(wǎng)公司差不多試點成功的智能電網(wǎng)技術(shù)集成到同一平臺展示和應(yīng)用，向系統(tǒng)化、有用化邁進了一步。項目的另一個特點是引入了國際合作。結(jié)合了中芬數(shù)字生態(tài)城和中日智能社區(qū)，在微網(wǎng)、工廠及樓宇能效治理等方面開展國際合作。該項目擬建設(shè)清潔能源接入與儲能系統(tǒng)、配電自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電信息采集、智能小區(qū)、電動汽車充電設(shè)施、互動化營業(yè)廳、應(yīng)急指揮中心、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及通信信息網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)可視化平臺等10個子項。建成后可集中展示智能電網(wǎng)信息化、自動化、互動化的先進特性。通過將先進的智能電網(wǎng)技術(shù)嵌入都市，帶給人們?nèi)碌牡吞忌罘绞剑瑢ζ渌际泻偷貐^(qū)的復(fù)制、推廣，具有顯著的示范效應(yīng)。1.3微網(wǎng)及其構(gòu)建的智能配用電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)研究內(nèi)容微電網(wǎng)的運行微電網(wǎng)系統(tǒng)有與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行兩種運行模式。并網(wǎng)模式是指正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運行時向電網(wǎng)供出多余的電能或是由電網(wǎng)補充自身發(fā)電量的不足。通過微電網(wǎng)的實驗平臺驗證：合理的操縱策略下，微電網(wǎng)能夠并網(wǎng)或孤網(wǎng)運行，并可實現(xiàn)兩種運行狀態(tài)的平滑過渡和轉(zhuǎn)換。孤島運行是指當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或是電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)能夠與主網(wǎng)斷開形成孤島模式，由DGS向微電網(wǎng)內(nèi)的負荷供電。正由于微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運行，才為系統(tǒng)提供了更高的可靠性和供電的不可間斷性。通過PSCAD/EMDTD或是Matlab/PowerSimulik等軟件建立起微電網(wǎng)的動態(tài)模型，針對電磁暫態(tài)特性以及主動（intentional）與被動（unintentional）隔離情況下的孤網(wǎng)運行狀況進行可行性研究，結(jié)果表明基于電力電子接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)以及儲能元件能夠確保微電網(wǎng)運行模式轉(zhuǎn)化的平滑性，減少孤網(wǎng)運行時暫態(tài)阻礙并保證功角穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量。微網(wǎng)及智能配用電系統(tǒng)的操縱微電網(wǎng)相對主網(wǎng)可作為一個模塊化的可控單元，對內(nèi)部能夠提供滿足負荷用戶需求的電能，實現(xiàn)這些功能必須具有良好的微電網(wǎng)操縱和治理，要緊操縱設(shè)備有分布式發(fā)電系統(tǒng)操縱器，可控負荷治理器，中央能量治理系統(tǒng)，繼電愛護裝置。微電網(wǎng)在運行操縱應(yīng)該做到能夠基于本地信息對電網(wǎng)中的事件做出快速獨立的響應(yīng)，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)電壓跌落、故障、停電等，微型分布式發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該利用本地信息自動有效地轉(zhuǎn)換到獨立運行方式，不再同意傳統(tǒng)方式的統(tǒng)一調(diào)度。一般來講，微電網(wǎng)操縱的要緊目標(biāo)是：1）調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)的饋線潮流，對無功和有功進行獨立解耦操縱2）能夠調(diào)節(jié)每個微型電源接口處的電壓，保證電壓的穩(wěn)定性3）孤網(wǎng)運行時，確保每個微型電源能快速響應(yīng)分擔(dān)用戶負荷4）依照故障情況或是系統(tǒng)需要，平滑自主地實現(xiàn)與主網(wǎng)分離、并列或是兩者的過渡轉(zhuǎn)化運行。目前，要緊的微電網(wǎng)操縱方法：1）基于電力電子技術(shù)的即插即用（PlugandPlay）和點對點（PointtoPoint）的操縱：該方法依照微電網(wǎng)操縱目標(biāo)，靈活選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相似的下垂特性曲線（DroopCharacter）作為微型電源的操縱方式，利用頻率有功下垂曲線將系統(tǒng)不平衡的功率動態(tài)分配給各機組來承擔(dān)，保證孤網(wǎng)下微電網(wǎng)內(nèi)電力供需平衡和頻率的統(tǒng)一，具有簡單可靠的特點。然而目前，該方法還沒有考慮到系統(tǒng)電壓與頻率的恢復(fù)問題，即傳統(tǒng)發(fā)電機的二次調(diào)頻問題。因此，當(dāng)微電網(wǎng)遭受到嚴(yán)峻的破壞或是干擾時，系統(tǒng)專門難保證頻率質(zhì)量。另外，該方法是針對電力電子技術(shù)的微型分布式發(fā)電系統(tǒng)操縱，沒有考慮傳統(tǒng)發(fā)電機如小型燃氣輪機或柴油機與微電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)操縱。2）基于功率治理系統(tǒng)的操縱：該方法采納不同的操縱模塊對有功、無功分不進行操縱，較好地滿足了微電網(wǎng)P/Q，V/f等多種操縱方式的要求，尤其是在調(diào)節(jié)功率平衡時，加入了頻率恢復(fù)算法，能夠?qū)ｉT好地滿足頻率質(zhì)量的要求。另外，針對微電網(wǎng)中對無功的不同需求，功率治理系統(tǒng)采納了多種操縱方法并加入無功補償器，進而提高操縱的靈活性并提高了操縱性能。但該方法尚未考慮含有勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的常規(guī)發(fā)電機與含電力電子接口的分布式發(fā)電系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)操縱。3）基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)操縱：該方法將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的多代理技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)操縱系統(tǒng)。代理的自治性、響應(yīng)能力、自發(fā)行為等特點正好滿足微電網(wǎng)分散操縱的需要，提供了一個能夠嵌入各種操縱且無需治理者經(jīng)常參與的系統(tǒng)。以典型的AEN（AutonomousElectricityNetworks）的三級操縱結(jié)構(gòu)為例，一級保證微電網(wǎng)可靠性運行，從而滿足供需平衡，二級結(jié)構(gòu)優(yōu)化電能質(zhì)量并減少電壓、頻率波動，三級結(jié)構(gòu)經(jīng)濟優(yōu)化即邊際成本等值優(yōu)化。然而，目前多代理技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用多集中于對微電網(wǎng)中頻率、電壓等進行操縱的層面。要使多代理技術(shù)在微電網(wǎng)的操縱中發(fā)揮更大的作用，還需大量的工作研究工作。美國通用電氣公司（GE）在美國能源部的資助下建立了微電網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)示范小區(qū)。這項工程旨在開發(fā)和檢驗微電網(wǎng)的能量操縱治理系統(tǒng)框架，為微電網(wǎng)更廣泛的應(yīng)用提供統(tǒng)一的操縱、愛護和能量治理標(biāo)準(zhǔn)，如圖1.4所示。目前這項工程差不多進行到了第二時期。同時美國也積極對微電網(wǎng)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用開展研究，在軍事基地內(nèi)建立能量保證工程（EnergySuretyProject），以提高國防工程的供電可靠性。圖1.4GE微網(wǎng)智能配用電系統(tǒng)的能量操縱治理框架美國能源部將微電網(wǎng)視為以后電力系統(tǒng)的三大基礎(chǔ)技術(shù)之一，并列入美國“Grid2030—電力下一個百年的國家展望”打算中。該打算于2003年7月提出，是美國電力改革的綱領(lǐng)性文件，要緊對美國以后電力系統(tǒng)進行展望，并確定各項研究開發(fā)工作的時期性目標(biāo)。微電網(wǎng)將是美國以后進展的目標(biāo)。以后微網(wǎng)及智能配用電操縱系統(tǒng)的研究方向應(yīng)集中于如下幾個方面：1）不同種微型分布式發(fā)電系統(tǒng)的運行和操縱，包括間歇式和可控式以及常規(guī)模式和基于變流器模式；2）微電網(wǎng)在獨立運行模式與并網(wǎng)運行模式下，智能型頻率、電壓操縱策略的可行性研究。3）微電網(wǎng)的分散操縱方法以及多分散操縱器的協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，要求每個分布式發(fā)電系統(tǒng)依照自己局部的相關(guān)信息進行獨立的電壓調(diào)節(jié)和頻率操縱，并按照特定的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化多個分散操縱器的性能，使得系統(tǒng)的總體性能得到最優(yōu)，并滿足各種運行環(huán)境下對電壓和頻率操縱的要求。微電網(wǎng)的繼電愛護微電網(wǎng)的愛護與傳統(tǒng)愛護方式有著全然上的不同：1）潮流的雙向流通2）微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行兩種情況下，由于饋線分布著多個分布式發(fā)電系統(tǒng)，短路電流大小有專門大不同。因此，如何在兩種運行狀態(tài)下，對微電網(wǎng)內(nèi)部故障做出響應(yīng)以及在并網(wǎng)情況下快速感知主網(wǎng)的故障，同時保證愛護的選擇性、快速型、可靠性與靈敏性，這是微電網(wǎng)愛護技術(shù)的關(guān)鍵和難點。在孤網(wǎng)情況下，微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源所能提供的故障電流大小僅為正常電流的兩倍或更小，傳統(tǒng)的電流愛護裝置已不能做出正常響應(yīng)或是需要幾十秒才能做出反應(yīng)，這差不多無法滿足微電網(wǎng)愛護的要求，因此需要采納更為先進的故障診斷方式。目前，針對單相接地故障與線間故障，有專家提出了對稱電流重量檢測的愛護策略。該方法能夠以超過一定閥值的零序電流重量和負序電流重量作為主愛護的啟動值，將傳統(tǒng)過電流愛護相結(jié)合取得良好的效果。關(guān)于微電網(wǎng)主動孤網(wǎng)的情況，文獻提出了利用三相電壓源變流器進行主動式孤島檢測技術(shù)。通過電壓源的電流操縱器的d軸，或是q軸對系統(tǒng)注入一個擾動信號，進行檢測。通過對d軸注入信號能調(diào)節(jié)電壓的幅值，然而這種方法會對系統(tǒng)造成頻率偏移。發(fā)電機和負荷類型容量關(guān)于愛護的深刻阻礙、各種類型分布式發(fā)電系統(tǒng)（傳統(tǒng)小型發(fā)電機與基于換流器的微型電源）、儲能元件對愛護的阻礙以及微電網(wǎng)在兩種不同運行方式和不同拓撲網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下關(guān)于愛護的阻礙等問題均是以后微電網(wǎng)愛護策略中值得研究的問題。微電網(wǎng)的經(jīng)濟性微電網(wǎng)的經(jīng)濟性是微電網(wǎng)技術(shù)的推廣和進展的重要依據(jù)。在經(jīng)濟性運行方面，微電網(wǎng)能夠在調(diào)度原則、電能交易、資源優(yōu)化配置方面參考大電網(wǎng)運行的知識與經(jīng)驗，進行優(yōu)化設(shè)計。更重要的是，微電網(wǎng)本身具有專門多獨特的優(yōu)勢比如針對網(wǎng)內(nèi)不同用戶要求，提供不同水平的電能質(zhì)量和可靠性服務(wù)，向外饋送電能甚至提供黑啟動能力等輔助服務(wù)等。從目前的研究來看，微電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟性要緊體現(xiàn)在以下三個方面：1）微電網(wǎng)本身的投資及運行的優(yōu)化微電網(wǎng)優(yōu)化能夠從微電網(wǎng)的能量治理系統(tǒng)完成。能量治理系統(tǒng)使用當(dāng)?shù)匦畔頋M足當(dāng)?shù)氐臒?、電、冷的需求、電能質(zhì)量的要求、主網(wǎng)的專門要求、需求側(cè)治理要求等，從而決定微電網(wǎng)分布式發(fā)電系統(tǒng)的配置運行以及配網(wǎng)所需提供的電能總量。2）微電網(wǎng)經(jīng)濟效益評估和量化微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益評估和量化是微電網(wǎng)投資及運行運化的直接表現(xiàn)方式和衡量手段。目前，尚未有效方法將微電網(wǎng)對用戶、電力部門以及社會效益全面量化。隨著微電網(wǎng)研究的不斷深入進展，微電網(wǎng)經(jīng)濟量化的不確定性將成為重要的研究課題；3）微電網(wǎng)新的經(jīng)濟特性微電網(wǎng)的經(jīng)濟最優(yōu)化問題和傳統(tǒng)電網(wǎng)有著專門大的不同，微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電單元，電力電子操縱設(shè)備，儲能元件改變了配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及潮流特性，致使微電網(wǎng)規(guī)劃不僅要滿足電網(wǎng)規(guī)劃的要求，還要考慮到微電網(wǎng)自身的一些新特性。高級配電自動化技術(shù)智能配電網(wǎng)系統(tǒng)是智能配用電園區(qū)的重要組成部分，它以靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和高可靠性、高安全性的通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，支持靈活自適應(yīng)的故障處理和自愈，可滿足高滲透率的分布式電源和儲能元件接入的要求，及用戶對電能質(zhì)量的要求。高級配電自動化則是實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵性支撐技術(shù)。高級配電自動化包括運行自動化及治理自動化。前者包括配電運行監(jiān)視與操縱、自動故障隔離與配電網(wǎng)自愈等內(nèi)容，是本地自動化、現(xiàn)場設(shè)備遠程監(jiān)控與成熟應(yīng)用分析軟件的有效結(jié)合；后者包括設(shè)備治理、停電治理等。高級配電自動化需要要緊依托于以下兩個方面的技術(shù)進展：1）基于SOA的智能配電網(wǎng)體系架構(gòu)建設(shè)智能配電網(wǎng)集合了眾多先進技術(shù)與先進設(shè)備。在運行過程中，不同種類的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件相互交錯，使治理者不得不面臨復(fù)雜的操作環(huán)境。因此，十分必要建立具有公共屬性的編程接口和互操作協(xié)議。SOA憑借其松耦合特性，使電網(wǎng)企業(yè)能夠按照模塊化的方式添加新服務(wù)或更新現(xiàn)有服務(wù)，以滿足新的業(yè)務(wù)需要，進而為電網(wǎng)企業(yè)構(gòu)建智能配電網(wǎng)統(tǒng)一平臺提供了更加靈活的方式，從而真正消除了信息孤島，實現(xiàn)了信息共享。2）企業(yè)集成總線設(shè)計針對上述復(fù)雜的多源信息集成，假如用傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法，必須開發(fā)多個接口，如此不僅使系統(tǒng)變得十分復(fù)雜，而且系統(tǒng)維護也會相當(dāng)困難。因此，有必要提出一種全方位解決方案，即企業(yè)集成總線（ESB）。ESB提供給用戶集中的信息治理及獵取能力，同時也使用戶能夠從多數(shù)據(jù)源獵取實時信息，為數(shù)據(jù)治理和內(nèi)容公布提供全面的解決方案，其核心功能包括：從異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成多種格式的信息，包括數(shù)據(jù)庫記錄、分散的應(yīng)用系統(tǒng)、字處理文檔等；集中治理、加工信息，通過單個視圖組織信息。使用XML定義關(guān)聯(lián)信息并公布信息給工作人員或應(yīng)用程序；充分利用現(xiàn)有信息基礎(chǔ)，包括已有的數(shù)據(jù)庫治理系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫、企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)以及配電自動化系統(tǒng)。電動汽車充放電技術(shù)電動汽車作為智能配用電園區(qū)中的移動儲能單元，一方面在電網(wǎng)高峰負荷時段由車載電池向電網(wǎng)傳輸電能，而在電網(wǎng)低谷時段由電網(wǎng)為電動汽車車載電池進行充電，能夠有效降低電網(wǎng)峰谷差，降低傳統(tǒng)調(diào)峰備用容量，提高電網(wǎng)利用效率。同時，電動汽車還能完成需求響應(yīng)等電網(wǎng)輔助服務(wù)，進一步提高電網(wǎng)配電效率。另一方面，電動汽車還能夠有助于配電網(wǎng)吸納波動性的可再生能源分布式電源的發(fā)電容量。同時，通過低谷時段較低電價充電以及高峰時段較高電價放電獵取直接的經(jīng)濟效益。上述目標(biāo)的實現(xiàn)需要借助于電動汽車充放電設(shè)備及治理系統(tǒng)的開發(fā)與研制。電動汽車充放電設(shè)備及治理系統(tǒng)的要緊功能是為電能互動及信息互動提供實時的信息交換平臺，通過監(jiān)控車輛能量狀態(tài)、電網(wǎng)運行狀態(tài)、電網(wǎng)電價及輔助服務(wù)計費信息等，為電能依照電網(wǎng)或者電動汽車的需要合理優(yōu)化雙向流淌提供信息支持。由于電動汽車接入電網(wǎng)的分散性，由智能電網(wǎng)雙向互動服務(wù)系統(tǒng)直接與電動汽車通信并操縱其充放電的操作難以直接實現(xiàn)，因此需要在智能電網(wǎng)雙向互動服務(wù)系統(tǒng)與電動汽車之間建設(shè)電動汽車充放電治理系統(tǒng)作為紐帶，實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)間的實時信息交換，依照雙方需求合理操縱電動汽車的充放電操作。從硬件角度來看，需要并行研究交流及直流充放電樁。前者要緊用于為智能配用電園區(qū)內(nèi)帶有車載充放電機的小型電動乘用車進行充電服務(wù)，后者則要緊針對環(huán)衛(wèi)、公交等社會公共服務(wù)用車提供服務(wù)。充放電樁需要具有智能充放電操縱功能，能夠與充放電治理系統(tǒng)及電動汽車通信，實時掌握電網(wǎng)運行狀態(tài)與電動汽車的儲能狀態(tài)，智能地操縱電動車的充放電操作。從軟件角度來看，需要開發(fā)先進的電動汽車充放電治理系統(tǒng)，一方面能夠通過充放電設(shè)備與電動汽車通信；另一方面與智能電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)通信，綜合電動汽車與電網(wǎng)的實時狀態(tài)，依照雙方需求合理操縱電動汽車的充放電操作。該系統(tǒng)能夠負責(zé)同一停車區(qū)域的交流充放電樁的統(tǒng)一調(diào)度治理，也能夠負責(zé)一個集中充放電站內(nèi)的直流充放電機的統(tǒng)一調(diào)度治理。用電信息采集技術(shù)及高級量測體系“互動性”是智能配用電園區(qū)的最大特征，因此用電信息采集及高級量測系統(tǒng)的建設(shè)是實現(xiàn)配用電智能化的關(guān)鍵性技術(shù)。用電信息采集系統(tǒng)是高級量測體系構(gòu)建的基礎(chǔ)，而高級量測體系又是用電信息采集系統(tǒng)的拓展。兩者聯(lián)系緊密，相輔相成。用電信息采集系統(tǒng)是指對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現(xiàn)用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質(zhì)量監(jiān)測、用電分析及治理等功能。用電信息采集系統(tǒng)要緊面向電力用戶、電網(wǎng)關(guān)口等，實現(xiàn)購電、供電及售電3個環(huán)節(jié)信息的實時采集、統(tǒng)計和分析，達到購、供、售電環(huán)節(jié)實時監(jiān)控的目的，是智能用電治理、服務(wù)的技術(shù)支持系統(tǒng)，為治理信息系統(tǒng)提供及時、完整、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)用電數(shù)據(jù)。用電信息采集系統(tǒng)從架構(gòu)層面看要緊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理、自動抄表治理、費控治理、有序用電治理、異常用電分析、線/變孫分析、安全防護等功能，覆蓋智能電能表、采集終端、主站軟件、安全加密、本地及遠程通信等多項核心技術(shù)。高級量測體系（AMI）是用來測量、收集、儲存、分析用戶用電信息的完整網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，要緊包括智能電能表、通信網(wǎng)絡(luò)以及量測數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)等。AMI是在雙向計量、雙向?qū)崟r通信、需求響應(yīng)以及用戶用電信息采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用智能電能表等，定時或即時取得用戶的多種量測信息（如電壓、電流等），支持用戶分布式電源與電動汽車接入和監(jiān)控，實現(xiàn)智能電網(wǎng)與電力用戶的雙向互動。高級量測體系由智能裝置、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)治理應(yīng)用軟件及相關(guān)系統(tǒng)組成，在智能電網(wǎng)和電力用戶間建立通信網(wǎng)絡(luò)，集成電網(wǎng)企業(yè)和第三方的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能電能表和智能交互終端是AMI的基礎(chǔ)單元，發(fā)揮著不可或缺的作用，其要緊功能如下：分時段雙向計量電量、電流、電壓、功率及其方向等信息；實現(xiàn)靈活可靠地雙向通信，支持與電網(wǎng)企業(yè)實時通信，支持智能電器的接入與操縱；實現(xiàn)欠費、功率越限、緊急狀態(tài)的遠方斷電等功能；定時或呼喚抄表功能，支持用于光伏發(fā)電、電動汽車充放電機分布式電源設(shè)備等計量信息的抄收；異常用電事件的記錄和報告，包括數(shù)據(jù)篡改、異動及未授權(quán)訪問的預(yù)警及上報等；監(jiān)視操縱機優(yōu)化治理功能，實現(xiàn)用戶分布式電源實時監(jiān)視操縱，電動車用電治理以及微電網(wǎng)優(yōu)化用電治理等。

第二章分布式電源的工作原理雙饋風(fēng)力發(fā)電機雙饋風(fēng)力發(fā)電機的差不多原理雙饋異步發(fā)電機能夠看作是一個具有打開的繞線式轉(zhuǎn)子接有外加電壓源的傳統(tǒng)異步發(fā)電機，外加電壓源通過變頻器引入，變頻器對轉(zhuǎn)子回路電流實現(xiàn)頻率、幅值和相位的調(diào)節(jié)，起到勵磁電源的作用。雙饋發(fā)電機除通過定子向電網(wǎng)饋入功率之外，還通過部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，并能夠通過變頻器的操縱對整個雙饋電機的有功功率和無功功率分不進行操縱。雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度nr、轉(zhuǎn)子外加勵磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相關(guān)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度ne與定子同步磁場的旋轉(zhuǎn)速度ns之間的關(guān)系為（2-1）當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率即可保證發(fā)電機定子端輸出工頻電能，當(dāng)雙饋發(fā)電機次同步運行時，轉(zhuǎn)子勵磁電流相序與定子電流相同；當(dāng)發(fā)電機超同步運行時，轉(zhuǎn)子勵磁電流相序則與定子電流相反；當(dāng)發(fā)電機同步運行時，轉(zhuǎn)子進行直流勵磁。采納這種交流勵磁變速恒頻的雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)有如下優(yōu)點：（1）同意原動機在一定范圍內(nèi)變速運行，簡化了調(diào)整裝置，減少了調(diào)速時的機械應(yīng)力。同時使機組操縱更加靈活、方便，提高了機組的運行效率。（2）調(diào)節(jié)勵磁電流幅值和相位，可調(diào)節(jié)發(fā)出的有功和無功功率。應(yīng)用矢量操縱可實現(xiàn)有功和無功功率的獨立調(diào)節(jié)。正因為以上優(yōu)點，使得交流勵磁雙饋發(fā)電機成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主流發(fā)電機。雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)雙饋風(fēng)力發(fā)電機如圖2.1所示。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機中，發(fā)電機的定子側(cè)直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采納三相對稱繞組，通過交—直—交變頻器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機交流勵磁，勵磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其中勵磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實現(xiàn)四象限運行。電網(wǎng)側(cè)換流器的要緊任務(wù)是保證電流波形和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線電壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的要緊任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及為轉(zhuǎn)子回路提供勵磁，調(diào)節(jié)定子無功功率。風(fēng)輪機采納變槳距操縱，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，槳距角為0o，采納最大功率跟蹤策略來實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕捉；當(dāng)風(fēng)速增加到大于額定風(fēng)速時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定功率附近。但由于風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)動慣量較大，因此，變槳距裝置動作具有一定的時延。圖2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機及操縱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型空氣動力學(xué)模型由風(fēng)輪機的空氣動力學(xué)知識能夠得出風(fēng)輪機的輸出功率為（2-2）其中，為空氣密度，為風(fēng)輪機葉片的半徑，為葉片的掃略面積，為風(fēng)速，為風(fēng)能利用系數(shù)。為表征風(fēng)輪機效率的重要參數(shù)，是風(fēng)輪機葉尖速比和槳葉節(jié)距角的函數(shù)，可表示為。依照貝茨理論，風(fēng)輪機最大的風(fēng)能利用系數(shù)為0.593。此外，葉尖速比即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比，可表示為（2-3）其中為葉片旋轉(zhuǎn)的角速度。關(guān)于給定的葉尖速比和葉片槳距角，可用下式計算風(fēng)能利用系數(shù)：（2-4）其中由上式依照不同的、計算得到的，也即變槳距風(fēng)輪機的性能曲線如圖2.2所示。圖2.2變槳距風(fēng)輪機性能曲線由圖2.2能夠明白，當(dāng)槳距角為恒定值時，的大小與有關(guān)，且僅有一個使最大的葉尖速比，稱之為最佳葉尖速比，現(xiàn)在的角速度為最佳轉(zhuǎn)速。因此當(dāng)恒定時，可用任一條曲線描述定槳距風(fēng)輪機的運行特性。在某一固定的風(fēng)速下，隨著風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的變化，葉片旋轉(zhuǎn)的角速度發(fā)生大變化，也會相應(yīng)地變化，從而使風(fēng)輪機的輸出機械功率發(fā)生變化。由式（2-2）和（2-3），能夠得到風(fēng)輪機輸出功率和風(fēng)輪機角速度之間的表達式如下。（2-5）其中要想使風(fēng)輪機保持最大的功率轉(zhuǎn)換效率，必須保證葉尖速比始終為最佳葉尖速比，因此將隨著風(fēng)速的變化而變化。將不同風(fēng)速時的最大功率點連接起來，即可得到風(fēng)輪機的最佳功率曲線，其功率表達式為（2-6）槳距角操縱模型槳距操縱系統(tǒng)通過操縱風(fēng)輪機槳葉角度改變槳葉相關(guān)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)輪機從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能。變槳距操縱在不同的情況下采納不同的策略：（a）當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，變槳距角操縱用于風(fēng)電機組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機組發(fā)出盡可能多的電能。關(guān)于變速風(fēng)電機組，其功率尋優(yōu)能夠通過風(fēng)電機組的變速來實現(xiàn)，因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳距角通常保持在0o附近，由圖2.2能夠看出，當(dāng)為0時最大。（b）當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，變槳距裝置動作，槳距角增大，將風(fēng)輪機的機械功率限制在額定功率附近，同時能夠愛護風(fēng)電機組機械結(jié)構(gòu)可不能過載及幸免風(fēng)電機組機械損壞的危險。雙饋機的變槳距操縱模型采納所使用的電力系統(tǒng)仿真軟件PSACD中的風(fēng)輪機操縱模型，其傳遞函數(shù)如圖2.3所示。圖2.3變槳距操縱的傳遞函數(shù)其中，為電機機械角速度，當(dāng)發(fā)電機類型是異步機時，不需要考慮此變量。為速度參考值，為功率參考值（p.u），為以電機容量為基準(zhǔn)的輸出功率標(biāo)幺值，為增益，、分不為比例增益和積分增益，為增益乘數(shù)，為葉片操縱器增益積分。此外，MOD2適用于水平軸旋轉(zhuǎn)的3葉片風(fēng)輪，而MOD5適用于水平軸旋轉(zhuǎn)的2葉片風(fēng)輪。輸入信號為風(fēng)電機組發(fā)出有功功率的測量值，與最大功率參考值相比較后得出誤差信號，輸入PI操縱器，產(chǎn)生槳距角參考值，再與實際的槳距角比較，槳距角誤差信號輸入到槳距角操縱系統(tǒng)的伺服機構(gòu)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為簡化分析和應(yīng)用于矢量操縱變化，通過坐標(biāo)變換的方法對雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型進行簡化。其坐標(biāo)變換如圖2.4所示。（a）三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系（b）兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖2.4坐標(biāo)變換在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙饋異步發(fā)電機的方程如下所示。電壓方程：（2-7）其中下標(biāo)為的表示定子量，下標(biāo)為的表示轉(zhuǎn)子量，表示同步角速度。磁鏈方程：（2-8）其中，為定、轉(zhuǎn)子間互感峰值。轉(zhuǎn)矩方程：（2-9）轉(zhuǎn)子運動方程：（2-10）其中表示雙饋發(fā)電機的慣性時刻常數(shù)，表示阻尼系數(shù)。通過以上9個方程的聯(lián)立求解可精確描述雙饋發(fā)電機的全部動態(tài)行為。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的矢量操縱策略：由于雙饋機的定子接在頻率恒定的大電網(wǎng)上，定子電阻比電抗小的多，定子電阻上的壓降遠遠小于定子的端電壓，通常能夠忽略定子繞組電阻。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，忽略定子繞組電阻后，發(fā)電機的定子磁鏈與定子端電壓矢量之間的相位差正好是90o。若以定子磁鏈定向，取定子磁鏈?zhǔn)噶糠较驗橥阶鴺?biāo)系軸，則定子電壓矢量將落在超前軸90o的軸上，如此能夠進一步簡化雙饋機的數(shù)學(xué)模型，從而得到矢量操縱所需的操縱方程。（2-14）式（2-14）構(gòu)成了雙饋異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器矢量操縱的數(shù)學(xué)模型。由上式可見，當(dāng)定子磁鏈或定子電壓保持恒定時，定子有功功率與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩重量irq成正比，而定子無功功率則完全由轉(zhuǎn)子電流的勵磁重量ird決定。轉(zhuǎn)子換流器矢量操縱實現(xiàn)了定子有功功率和無功功率操縱的解耦，或者講實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子勵磁操縱的解耦，這確實是轉(zhuǎn)子變流器矢量操縱的目的。操縱量為轉(zhuǎn)子電流時矢量操縱結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5轉(zhuǎn)子側(cè)換流器矢量操縱結(jié)構(gòu)圖一般操縱策略中，為實現(xiàn)雙饋發(fā)電機組的單位功率因數(shù)操縱，設(shè)定定子側(cè)無功功率的參考值為0。在最大風(fēng)能跟蹤策略實現(xiàn)中，將發(fā)電機轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速ωr_ref的偏差通過PI操縱得到轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩重量，其中ωr_ref是依照風(fēng)速與機組運行情況確定的對應(yīng)最大捕獲風(fēng)能的轉(zhuǎn)速。電網(wǎng)側(cè)換流器的操縱采納基于電網(wǎng)電壓定向的矢量操縱方案，此矢量操縱方案用于電網(wǎng)與電網(wǎng)側(cè)換流器之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的解耦操縱。圖2.6即為網(wǎng)側(cè)換流器的結(jié)構(gòu)圖。圖2.6網(wǎng)側(cè)換流器電路結(jié)構(gòu)示意圖網(wǎng)側(cè)換流器的矢量操縱結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。網(wǎng)側(cè)換流器矢量操縱用于維持直流母線電壓在一個恒定值，而與轉(zhuǎn)子功率的方向與大小無關(guān)，并依照整個風(fēng)電機組對無功功率的要求對參考值進行操縱。一般操縱策略中，為充分利用變頻器的操縱能力并發(fā)盡可能多的有功功率，通常設(shè)定電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)換流器之間沒有無功功率的交換，即網(wǎng)側(cè)換流器保持單位功率因數(shù)運行。圖2.7網(wǎng)側(cè)換流器矢量操縱結(jié)構(gòu)燃氣輪機微型燃氣輪機發(fā)電技術(shù)先進微型燃氣輪機（MicroturbineGenerator）是一種新進展起來的小型熱力發(fā)動機，由燃氣輪機、壓氣機、燃燒室、回?zé)崞鳌l(fā)電機及電力操縱部分組成，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料。其差不多結(jié)構(gòu)特點是采納徑流式葉輪機械向心式渦輪機和離心式壓氣機，在轉(zhuǎn)子上兩者葉輪為背靠背結(jié)構(gòu)，采納高效板式回?zé)崞?，采納空氣軸承不需要潤滑油系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡單，燃氣輪機和發(fā)電機一體設(shè)計，使整臺燃氣輪機發(fā)電機組的尺寸顯著減小，重量減輕，優(yōu)點顯著。微型燃氣輪機要緊包括以下四個部分：1）微型燃氣輪機：這種特不小的高速燃氣輪機是采納了簡單的徑向設(shè)計原理和循環(huán)回?zé)峒夹g(shù)，更加簡單可靠，維修成本更低，振動更小，排放更低，結(jié)構(gòu)更緊湊。它的要緊組成部分為單級徑向壓縮機、低排放環(huán)型燃燒器、單級徑向透平、壓比和空氣軸承或雙潤滑油系統(tǒng)軸承。2）高速交流發(fā)電機：高速發(fā)電機和微型透平燃機處于同一根軸上，由于它特不小能夠裝進燃機機械裝置中，從而組成一個結(jié)構(gòu)緊湊的高轉(zhuǎn)速的透平交流發(fā)電機組。3）高效回流換熱器：高效低成本耐用的熱交換器用來增加燃氣輪機的效率，使其達到能夠和往復(fù)發(fā)電機組系統(tǒng)競爭的程度，其功能是先預(yù)熱燃燒室需使用的空氣，減少燃料消耗。4）電力變換操縱器：發(fā)電機輸出的高頻頻率為電能，必須轉(zhuǎn)換成或交流電能。由微型處理機操縱的電力電子變換裝置可進行輸出頻率和電壓的轉(zhuǎn)換，以便提供不同質(zhì)量和特性的電能。電力電子變換裝置可依照負荷的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，也可依照外部電網(wǎng)負荷變化運行，或可做為獨立電源系統(tǒng)運行微型操縱器還能夠進行遠程治理、操縱和監(jiān)測。由于微型燃氣輪機有以上顯著特點，微型燃氣輪機的應(yīng)用專門廣，可用于分布式發(fā)電及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和微型燃氣輪機—燃料電池聯(lián)合系統(tǒng)等。因而，先進微型燃氣輪機技術(shù)的得到了國內(nèi)外的普遍重視。微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型高速單軸結(jié)構(gòu)微型燃氣輪機是微型燃氣輪機的主流產(chǎn)品，是目前最為常用的小型熱電聯(lián)產(chǎn)的動力機組。當(dāng)微電網(wǎng)中采納單軸高速結(jié)構(gòu)的微型燃氣輪機時，機組運行狀態(tài)、操縱方法等因素對其動態(tài)特性產(chǎn)生一定的阻礙，即能夠按照給定的有功和無功進行操縱，又能夠方便地實現(xiàn)V/f操縱保證微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時頻率和電壓的穩(wěn)定性。本章將對高速單軸結(jié)構(gòu)的微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)模型、各種運行特點以及操縱策略進行了詳細的分析。單軸結(jié)構(gòu)微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高的特點。典型的單軸MT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。系統(tǒng)包括微型燃氣輪機、永磁同步發(fā)電機、電力電子轉(zhuǎn)換裝置、供熱和制冷機組。燃料操縱系統(tǒng)將燃氣輸送至燃燒室，并與壓縮機送至的高壓氣體充分燃燒，形成驅(qū)動壓縮機和發(fā)電機的高品質(zhì)燃氣。通常燃氣渦輪旋轉(zhuǎn)速度高達50000轉(zhuǎn)/分鐘~120000轉(zhuǎn)/分鐘，需要采納高能永磁材料（如釹鐵硼材料或釤鈷材料）的永磁同步發(fā)電機，其產(chǎn)生的高頻交流電通過電力電子變流裝置轉(zhuǎn)化為工頻交流電輸送到配網(wǎng)中供用戶使用。微型燃氣輪機系統(tǒng)中發(fā)電部分排出的高溫尾氣能夠用來預(yù)熱進入燃燒室的壓縮空氣，從而減少燃燒過程中的燃料消耗，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率?；?zé)崞髋懦龅奈矚饽軌蛲ㄟ^溴化鋰制冷機或熱交換器滿足冷、熱負荷的需求。圖2.8微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)微型燃氣輪機采納徑流式葉輪機械或空氣軸承，結(jié)構(gòu)簡單、機組尺寸小，可產(chǎn)生大量品質(zhì)極佳的余熱煙氣，其溫度在500℃目前，微型燃氣輪機系統(tǒng)要緊有兩種結(jié)構(gòu)類型，一種為單軸（single-shaft）結(jié)構(gòu)，另一種為分軸（split-shaft）結(jié)構(gòu)。單軸結(jié)構(gòu)微型燃氣輪機中燃氣渦輪與發(fā)電機同軸，因此發(fā)電機轉(zhuǎn)速專門高，需采納電力電子器件進行整流逆變；分軸結(jié)構(gòu)微型燃氣輪機動力渦輪與燃氣渦輪采納不同轉(zhuǎn)軸，通過變速齒輪與發(fā)電機相連，由于降低了發(fā)電機轉(zhuǎn)速，因此能夠直接并網(wǎng)運行。本課題以Rowen所提出的單軸單循環(huán)重負荷的燃氣輪機為差不多模型，從圖2.9中能夠看出該單軸MT模型要緊由溫度操縱系統(tǒng)、速度操縱系統(tǒng)、加速度操縱以及燃料供給系統(tǒng)組成。該模型已接近完善，本文將采納該模型來表示單軸高速微型徑向透平發(fā)電機的模型，需要指出的是此模型是基于以下條件建立：1）本模型適用于暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)運行條件下，忽略微型燃氣輪機快速的動態(tài)變化，比如啟動，停機，內(nèi)部故障等過程）2）考慮到微型燃氣輪機的機電特性是本文研究的要緊內(nèi)容。而能量回收器僅用于提高熱電效率而對整體模型的動態(tài)響應(yīng)時刻沒有專門大的阻礙，因此不考慮對其進行建模。另外，除溫度操縱采納有名值，微型燃氣輪機的模型及其它操縱模塊均采納是標(biāo)幺值。圖2.9微型燃氣輪機動態(tài)仿真模型1）轉(zhuǎn)速與加速度操縱系統(tǒng)：加速度操縱按照轉(zhuǎn)速調(diào)整變化率調(diào)整燃料基準(zhǔn)，以減少燃氣輪機高溫燃氣通道零件的熱沖擊。將轉(zhuǎn)速的變化率與給定的轉(zhuǎn)速加速度基準(zhǔn)相比較，假如轉(zhuǎn)速變化率大于給定值，則降低加速度操縱值，反之增加加速度操縱值。即加速度操縱系統(tǒng)的功能是限制轉(zhuǎn)速的變化率過大，在燃氣輪機甩負荷以及啟動過程中，加速度操縱系統(tǒng)都將參與操縱。微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)分為有差和無差兩種方式。這兩種方式分不為了適應(yīng)不同的負荷特性而設(shè)計的。在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的情況下，微型燃氣輪機并入微電網(wǎng)時，操縱系統(tǒng)應(yīng)采納有差調(diào)節(jié)方式，以便滿足跟蹤負荷變化的需要，保證微電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性。有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)是1個比例調(diào)節(jié)器，在部分負荷的情況下，微型燃氣輪機要緊速度操縱方式為斜率操縱即有差調(diào)節(jié)，是以轉(zhuǎn)子速度與預(yù)先設(shè)定參考值間的差值作為輸入信號，以速度偏差比例值作為輸出信號。在實際的設(shè)備中，由于存在一些時刻常數(shù)，因此調(diào)節(jié)器實際是一個比例—慣性環(huán)節(jié)，如圖2.10所示：圖2.10速度操縱模型在實際的并網(wǎng)運行中，轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)是調(diào)節(jié)燃氣輪機輸出功率的最差不多的方式。通過調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)（圖2.10），調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)與實際轉(zhuǎn)速之間的偏差，從而改變輸出燃料基準(zhǔn)值，進而達到調(diào)整負荷的目的。另外，加速度操縱系統(tǒng)是為了限制高速運行的微型燃氣輪機在某些專門情況下，如啟動環(huán)節(jié)或突然甩負荷時，轉(zhuǎn)子的角加速度不超過其給定值，減少熱部件的熱沖擊時起作用，以保證機組的安全。2）溫度操縱系統(tǒng)燃氣輪機的透平葉輪和葉片在高溫、高速下工作，材料的強度隨著溫度的上升顯著下降，必須使透平進氣溫度限制在一定范圍內(nèi)。從各國燃氣輪機運行的事故來看，有專門多是由于超溫引起的，因此溫度操縱是燃氣輪機調(diào)節(jié)的要緊特點之一。溫度操縱是通過操縱燃料流量來反映燃氣輪機透平進口溫度，由于溫度的變化劇烈，透平進口燃氣溫度難于測量與操縱。但燃氣輪機的排氣溫度則相對來講測量比較容易，同時與透平進口燃氣溫度成比例，因此一般應(yīng)用燃氣輪機的排氣溫度來間接反映透平進口燃氣溫度。由于透平排氣溫度較低、溫度場均勻，一般在透平出口布置一定數(shù)量的熱電偶，取平均值測得透平排氣溫度，通過透平排氣溫度來操縱透平進氣溫度。溫度操縱的要緊功能是：1）在燃氣溫度超過同意值時，發(fā)出信號去減少燃料量，使燃氣溫度不超過同意值。2）在啟動時把溫度限制在一定溫度以下，暖機結(jié)束時以一定的溫度改變量升溫。3）在尖峰運行或超載運行時能夠提高溫度的限制值。4）和超溫愛護一起，在各通道所測溫度值的差額超過某一定值時發(fā)出警報。溫度操縱系統(tǒng)的要緊作用是限制透平進口溫度，使之保持在一定的溫度之下，以免對透平的進口葉片產(chǎn)生損害。由于進口溫度Tin過高，測量難度大，因此選用排氣溫度Tx進行測量，因此，溫度操縱系統(tǒng)并不是直接對Tin進行操縱，而是對Tx進行操縱，從而實現(xiàn)對Tin進行調(diào)節(jié)。如圖2.11所示，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。輸入信號是熱電偶測量到的排氣溫度信號Tx，然后與額定的排氣溫度Tref進行比較，輸出溫度操縱信號到小值選擇器。只要Tx和Tref之間存在偏差，溫度操縱器就會不斷地積分，使燃料基準(zhǔn)值降低，直到Tx低于Tref為止。在正常運行時，微型燃氣輪機也是通過改變?nèi)剂狭縼聿倏v透平入口溫度不超過其最大設(shè)計值Tmax。圖2.11溫度操縱模型5）燃燒供給系統(tǒng)和燃燒室由上面的轉(zhuǎn)速操縱系統(tǒng)，溫度操縱系統(tǒng)，以及加速度操縱系統(tǒng)均產(chǎn)生一個燃料基準(zhǔn)，這三個燃料基準(zhǔn)命令通過最小值選擇器進行選擇后，最小的燃料基準(zhǔn)命令進入燃料供給系統(tǒng)。由于燃料泵的轉(zhuǎn)速、燃料壓力均與轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，因此限幅后的值乘以實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，就得到實際燃料量信號。與汽輪機不同，微型燃氣輪機需要較大比例的燃料流量來維持自持、空載工況下的正常運行，那個地點取K6=0.23。另外，微型燃氣輪機是通過改變?nèi)剂狭縼聿倏v轉(zhuǎn)速的，通過速比閥，燃料操縱閥的串聯(lián)操縱，達到準(zhǔn)確操縱燃料質(zhì)量流量的目的。關(guān)于燃料量來講，燃燒室只是一個延遲環(huán)節(jié)，如圖2.12所示：圖2.12燃料操縱模型6）壓縮機—透平系統(tǒng)壓縮機—透平機是微型燃氣輪機的重要組成，本質(zhì)是線性非動態(tài)系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子時刻常數(shù)除外）。圖2.13壓縮機—透平機操縱模型如圖2.13所示，單軸燃氣輪機的轉(zhuǎn)矩和排氣溫度是與燃料流量，透平機的轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，其關(guān)系表達式分不為：轉(zhuǎn)矩=KHHV·（Wf-0.23）+0.5·（1-N）（Nm）排氣溫度=TR-700·（1-Wf）+550·（1-N）（℃）（2-26）式中，KHHV與燃燒室中氣流熱焓值或是熱力值相關(guān)的系數(shù)，取值為1.3，TR是排氣溫度基準(zhǔn)，取值為950℃，為燃機轉(zhuǎn)速，Wf為燃料量信號。需要明確的是：轉(zhuǎn)矩方程在100﹪負荷的情況下差不多上是精確的，在其它情況下會存在小于5﹪的誤差，排氣溫度方程相對不是專門精確，但由于溫度操縱只在溫度參考值附近有作用，因此可忽略其阻礙。燃料電池化學(xué)電源俗稱電池，是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過連續(xù)供給燃料能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。燃料電池的工作原理與一般電池相同，也有電解質(zhì)、電極和正負極連接端子等結(jié)構(gòu)，也是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。一般電池中，用來提供化學(xué)能的物質(zhì)在使用一段時刻后，需再次充電才能接著使用，否則需換新；而在燃料電池中只要向電極供給“燃料”和氧化劑，就可連續(xù)不斷地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。它像一個發(fā)電機，一面不斷加入燃料，一面不停發(fā)電。燃料電池發(fā)電是清潔的發(fā)電方式之一。人們把它稱之為繼水電、火電和核電之后的第4種持續(xù)發(fā)電方式。燃料電池發(fā)電由于熱效率比其它火力發(fā)電方式高、無任何污染、燃料來源廣泛等特點，在以后的幾十年中將會得到較大的進展。燃料電池工作原理燃料電池是一種將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電設(shè)備，其化學(xué)反應(yīng)物由外部隨時供給（燃料和氧化物），可連續(xù)輸出電能。燃料電池發(fā)電時，電池的電解質(zhì)（酸、堿、固體氧化物等）將電極隔開，由電池外部將反應(yīng)物（燃料、氧化劑）分不供給電池的陽極和陰極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)（燃料的氧化過程），通過電解質(zhì)傳送帶電離子，產(chǎn)生電位差，引起電子在外電路流淌，形成低壓直流電，同時還產(chǎn)生水和二氧化碳。若連續(xù)供給燃料，電池就可連續(xù)發(fā)電。燃料電池工作原理示于圖2.14。圖2.14燃料電池工作原理圖燃料經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)使化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程與電解水產(chǎn)生氫和氧的反應(yīng)過程相反。以磷酸型電池為例，其反應(yīng)式為:燃料極（陰極）（3-27）空氣級（陽極）（3-28）綜合反應(yīng)（3-29）由上面反應(yīng)式可看出，其反應(yīng)與燃燒的反應(yīng)式相同，只是燃燒時放出熱量。燃料電池的優(yōu)點與缺點燃料電池的優(yōu)點有：1）能量轉(zhuǎn)換效率高由于燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此它沒有像通常的火力發(fā)電機組那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可幸免轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，從而達到較高的發(fā)電效率。其理論效率可達90%以上，供電可靠，噪音小，電能質(zhì)量高，自動化程度高。容量在250kW~5MW的燃料電池發(fā)電效率與先進火電機組的300~500MW的效率相當(dāng)。因此燃料電池是分布式電源的極佳選擇。2）無污染燃料電池在發(fā)電過程中產(chǎn)生的物質(zhì)是水，采取嚴(yán)格的脫硫和分離二氧化碳（）措施，幾乎沒有硫氧化合物和氮氧化合物排放，二氧化碳排放量也極低，且沒有噪聲污染。3）用水少、占地小、建設(shè)周期短燃料電池本體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，是模塊化組裝，占地專門少（如2.85MW碳酸鹽電池占地僅420），且安裝、調(diào)試、運行、操作都簡便，建設(shè)工期短，易于檢修，維護和擴建增容方便。4）燃料多樣化燃料電池所用燃料專門廣泛，它的燃料要緊是氫。除氫之外，凡是含氫量高又易分解的物質(zhì)都可使用，如天然氣、煤化氣、石油、甲醇、乙醇、甲烷等均可。而氧可直接取自空氣。5）承受負荷變化能力強燃料電池有極強的適應(yīng)負荷變化能力，其變化范圍在25％到100％，且電池效率不受阻礙。燃料電池的缺點在于造價較高。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池發(fā)電裝置是綜合能量轉(zhuǎn)換裝置，反應(yīng)過程產(chǎn)生的直流電也可用換流器轉(zhuǎn)換成交流電，產(chǎn)生的熱量可回收外供。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由以下幾部分組成：l）燃料供給轉(zhuǎn)換裝置，即給煤機和煤氣發(fā)生器；2）空氣供給裝置，即空氣壓縮機和過濾器；3）電池本體，即電極、電解質(zhì)和外電路；4）余熱回收裝置，即余熱鍋爐。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如圖2.15所示。圖2.15燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池可獨立運行，也可與燃氣輪機、汽輪機聯(lián)合運行;可建在負荷中心或用戶附近，實行熱電聯(lián)產(chǎn)，也可設(shè)在偏遠地區(qū)或與電網(wǎng)相連。實行燃料電池、燃氣輪機和汽輪機聯(lián)合發(fā)電，可提高燃料利用率和電廠綜合效率（達60%—80%），增加電廠可靠性，降低電能成本。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓方程式如下：（3-30）式中：N——串聯(lián)燃料電池個數(shù)；——單個電池標(biāo)準(zhǔn)電勢；T——溫度；——相應(yīng)氣體的摩爾濃度,最后一項為由于系統(tǒng)緣故的電勢損失。燃料電池輸出的電能為直流,與配電網(wǎng)連接時需要通過逆變器操縱并轉(zhuǎn)化為交流。由圖2.16能夠得到燃料電池輸入電網(wǎng)的有功及無功功率：（3-31）其中X是連接燃料電池與電網(wǎng)的線路阻抗，是配網(wǎng)側(cè)電壓。通過逆變器操縱參量m，來操縱有功無功的輸出，這與常規(guī)發(fā)電機調(diào)節(jié)功率的原理類似，因此在潮流計算中燃料電池能夠當(dāng)作PV節(jié)點來處理。但逆變器的無功輸出是有上限的，當(dāng)處理過程中出現(xiàn)無功越限，則轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點來處理。圖2.16燃料電池接入電網(wǎng)等效圖太陽能光伏發(fā)電概述從能源供應(yīng)的諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)進展戰(zhàn)略的理想綠色能源。全球能源專家們認定，太陽能將成為本世紀(jì)最重要的能源之一。太陽能光伏發(fā)電有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種工作方式，而并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界光伏發(fā)電的趨勢，是光伏技術(shù)步入大規(guī)模發(fā)電時期，成為電力工業(yè)組成部分之一的重大技術(shù)步驟。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和操縱器三部分組成。逆變器將光伏電池所產(chǎn)生的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中，操縱器操縱光伏電池最大功率點跟蹤、操縱逆變器并網(wǎng)的功率和電流的波形，從而使向電網(wǎng)輸送的功率與光伏陣列模塊所發(fā)的最大電能功率相平衡。光伏電池的工作原理光伏電池是以半導(dǎo)體P-N結(jié)上同意太陽光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器。其工作原理是當(dāng)太陽光照耀到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價電子受到太陽光子的沖擊，通過光輻射獵取到超過禁帶寬Eg的能量，脫離共價健的約束從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出專門多處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對。這些被光激發(fā)的電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用，屬于光伏電池能量自動損耗部分。一般希望有更多的光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運動到P-N結(jié)區(qū)，通過P-N結(jié)對少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對方區(qū)域，對外形成與P-N結(jié)勢壘電場方向相反的光生電場。一旦接通外電路，即可有電能輸出。當(dāng)把眾多如此小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構(gòu)成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。圖2.17顯示當(dāng)太陽光子沖擊P-N結(jié)時，光生電能形成過程。圖2.17光伏電池受光照形成電能示意圖如上所述，正是由于靠近P-N結(jié)的光生少數(shù)載流子，在P-N結(jié)的漂移作用下，N區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P區(qū)；P區(qū)的空穴留在P區(qū)，電子流向N區(qū)，構(gòu)成光生電場。光生電場電壓為（3-32）其中、分不電子和空穴密度，為光生少數(shù)載流子密度，為玻爾茲曼常數(shù)（），為電子電荷（），T為絕對溫度。從價帶最上層到導(dǎo)帶最下層間的能量差為禁帶寬度，其幅值用Eg表示，單位為eV。不同材料的禁帶寬度各不相同（）。它決定了物質(zhì)的導(dǎo)電性能，也是衡量光伏電池的一個重要的物理量。禁帶寬度受材料、溫度、半導(dǎo)體摻雜量和P-N結(jié)結(jié)構(gòu)阻礙，其經(jīng)驗公式如下：（3-33）表3.1各半導(dǎo)體材料的禁帶寬度參數(shù)其中為絕對溫度0K時的禁帶寬度，常數(shù)如表3.1所示。鍺（Ge）硅（Si）鎵砷（GaAs）硒銦銅（CIS）碲化鎘（CdTe）0.741.171.52--0.480.470.54--235636204--0.671.111.401.011.44太陽光子的入射能量為：（3-34）其中為普朗克常數(shù)（，f為入射光子頻率，c為光速（，為波長（80％的太陽輻射波長范圍大約在400nm到1500nm之間）。因此一般太陽光子能帶寬度在0.83eV~3.10eV之間。只有當(dāng)入射光子能量大于電子脫離P-N共價鍵束縛的能量時，才能激發(fā)電子從價帶到導(dǎo)帶。而當(dāng)光子能量小于電子脫離P-N共價鍵束縛的能量是，則不能激出電子一空穴對，只能使光伏電池自身加熱。太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型當(dāng)光照恒定時，由于光生電流不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此在等效電路中能夠看作是一個恒流源。光伏電池的兩端接入負載R后，光生電流流過負載，從而在負載的兩端建立起端電壓V。負載端電壓反作用于光伏電池的P-N結(jié)上，產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流。此外，由于太陽能光伏電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率，當(dāng)工作電流流過板子時必定會引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，故引入串聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻越大，線路損失越大，光伏電池輸出效率越低。在實際的太陽能光伏電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在歐至幾歐之間。另外，由于制造工藝的因素，光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時可能會產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕，從而會形成漏電而導(dǎo)致本來要流過負載的光生電流短路掉，因此引入一個并聯(lián)電阻來等效。相關(guān)于串聯(lián)電阻來講，并聯(lián)電阻比較大，一般在1以上。太陽能光伏電池的等效電路如圖2.18所示。圖2.18太陽能光伏電池等效電路由太陽能光伏電池等