第1章分布式发电技术.ppt

1、2020/8/7,第一章 绪论,1-1 分布式发电起源,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,1-3 分布式发电系统中控制和通信技术,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统存在的弊端,不能灵活跟踪负荷的变化。,大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，导致大面积的停电；电力系统越庞大，事故(如雷击)发生的概率越高。,分布式发电指的是通过规模不大(几十千瓦几兆位)、分布在负荷附近的发电设施实现经济、高效、可靠地发电。,一、从集中发电到分布式发电,分布式发电并不是一个全新的概念，直到电能可以完全商业化取代蒸汽、水力、直接燃烧等能量驱动负载之前，所有电能的产

2、生都分布于需要能源的设备或设施附近，以分布式发电方式对负载供电。,从电力工业初期阶段开始，电能一直在与燃油争夺消费者。,燃料油的规模经济使得大范围的市政照明成为可能，然而规模经济并不能对油灯的缺点起任何作用。,爱迪生建立了第一个电力系统，该系统仿照燃油照明工业，能量的输送通过虚拟的管道给灯丝而不是给油灯提供能量。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,为减少生产单位功率电能费用，电能不可避免地采用了集中生产、分配和系统管理的方式。,最初的电力系统建立在空旷的区域，没有任何服务设施，系统是孤立的，不与任何其他系统连接。,到了20世纪20年代末期，电力网络一个又一个相互连接，并带来了明显的优点

3、，如共享峰值负荷、能量互为备用等，使得系统的规模不断的增大。,电力系统规模的扩大并没有限制技术的进步，最初为太空飞船开发的燃料电池，为喷气式飞机提供动力的涡轮发动机，太阳能发动机、光伏发电系统和风力发电系统等绿色能源在电力和能源市场上找到了自己的位置。,迅速发展的通信技术和微处理器技术为新的发电方式提供了所需要的监测、传输和分配结构。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,二、分布式发电概述,分布式发电技术包含小型燃烧涡轮发电机、往复式内燃发电机、光伏电池阵列和燃料电池等。,分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的，可以作为备用发电容量、削峰容量，也可承担系统的基本负荷，还可实现热电联产同

4、时为用户提供电能和热能。,对于电力系统的运行，分布式发电还可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备等作用。,分布式发电技术的应用对环境污染减少也起着重要的作用。,在市场经济的推动下，电力结构的调整激励人们考虑分布式发电技术。,在电力结构的重组中，中枢电力设施遭受着非常繁重的费用负担，而采用分布式发电技术可避免这些费用。,在旋转动能贮备容量较小、工业和商业用户的用电和输配电受到潮流限制的地区，可优先发展分布式发电。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,推动分布式发电技术发展的另一个因素是日益紧张的能源。,分布式发电技术是一个具有一定破坏性的技术，如果采用陈旧的

5、技术，则可能使得其经济或技术性能比传统的集中发电技术还差。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,1.内燃发电机组,柴油机和四冲程汽油发动机具有最丰富的实际运行经验，其单机价格在所有分布式发电技术中是最低的。,采用内燃发动机的主要缺点如下：,维护费用在所有的分布式发电技术中为最高。,氧化氮的排量在所有分布式发电技术中最高。,噪声太大，主要为低频噪声，比其他分布式发电更难控制，采用适当的技术减小是可能的。,内燃发电机组的优点是：,安装费用最少。,效率比较高，可达32%36%。,在建筑物中可实现热电联产。,模块化设计非常好，具有几乎可以与任何建筑物内的负荷匹配的机组(千瓦兆瓦级)，带部分负荷时

6、的效率高。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,2. 微型涡轮发电机组,微型涡轮发动机是布雷顿发动机，采用空气和天然气产生轴向的机械功率。,图中涡轮发动机采用双轴结构，也可采用单轴结构，即在一个加长的轴上同时带有压缩机和负荷。,电能可由安装在微型涡轮发动机输出轴上的永磁发电机或通过减速齿轮机构传动的同步发电机产生。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,下图为10kW微型涡轮发电机，图中没有包含回流换热器。,在大部分涡轮发电机组中都采用回流换热器，因为大约一半的工作流体的热能可从燃烧气体的排气中转换回来。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,没有回流换热器时，微型涡轮发电机的总

7、效率只有15% 17%，而当采用85%的回流换热器时，微型涡轮发电机的总效率可达33%。,不带回流换热器的微型涡轮发电机其燃烧室只能产生较小的电能，其热能可供给热力系统，组成热电联产系统。,微型涡轮发电机组吸引人的性能为安装费用低、效率高(30%33%)、废气排量适中、在工业和建筑物中可实现热电联产以及优良的模块化结构。,3. 光伏电池阵列,光伏电池直接将太阳光中充满能量的光子转换为电能。,光伏电池系统主要优点是无废气排放、没有化石燃料消耗、与建筑物集成的模块可联合生产低温热能为房间供暖、模块化结构、几乎不用维护及优良的带部分负荷效率等。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,4. 燃料电

8、池,燃料电池是将氢和氧不经燃烧，而是通过催化剂直接产生电能的装置。,燃料电池的种类有：磷酸燃料电池，其运行温度为150；质子交换膜燃料电池，运行温度为94；熔融碳酸盐燃料电池，运行温度为650；固体氧化物燃料电池，运行温度为700。,目前燃料电池生产电能的费用太高，不能与常规发电系统生产的电能竞争，随着批量生产的实现，价格将下降很多。,燃料电池是除了可更新能源外唯一真正清洁的生产电能的方式。,2020/8/7,1-1 分布式发电起源,制约燃料电池应用的关键问题是价格太高、氢气的大规模生产、不确定的维护费用以及某些燃料电池不能承受建筑物内负荷变化的暂态响应等因素。,燃料电池主要的优点有：副产品是

9、水、氧化氮的排量非常低、效率非常高，可达50%60%以及优良的模块化结构等。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,一、分布式发电的经济性,经济性是分布式发电设计评估和系统运行应重点考虑的问题，因为它是回答下述最基本问题的工具：,分布式发电系统到底应该多大，它是否能够承担所有的电气负荷，还是只承担平均负荷。,分布式发电生产的电能价格如何，能否与其他能量资源竞争。,拥有分布式发电系统的经济利益如何，是否值得投资。,对于一栋建筑物所需电力和燃油消耗率，是否值得安装一套分布式发电系统。,分布式发电系统的费用包括两项：,初期投资建立一个分布式发电系统的费用，例如建立一套微型涡轮发电机

10、系统的一次性投资。,运行费用维持和运行一套系统的费用，例如一套微型涡轮发电机系统的年维护和运行费用。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,系统的赢利应根据分布式发电系统的经济寿命来累计。,假设一个100kW的分布式发电系统以额定容量运行一年(8760h)之中的8000h，如果电力系统的电价为0.05$/kWh，则此分布式发电系统的年赢利为,B=(100kW8000h/年)0.05$/kWh=40,000$/年,安装该系统的费用为1200$/kW，或总费用为120 000$。,如果所有费用按8年来支付，则年付款(不考虑利息)为,A=120,000$/8=15 000$/年,从

11、表面上来看，采用该分布式发电系统的年赢利为25 000$。,上述粗略计算忽略了下述一些关键的因素：,现金的花费，如果8年的年利率为8%，则将增加年费用6000$。,设备的维护费用取决于采用的技术，可能每年要增加7000$。,燃料费用取决于当地的燃料价格，可能每年要增加3000 4000$。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,因此考虑了所有的费用后，本来是切实可行的项目就达到了差不多投资和赢利平衡的边缘。,如果分布式发电系统产生的热能可就地利用的话，将减少电能生产相关的燃料费用三分之二左右；如果政府支持分布式发电系统，投资的贷款利率可能降低。结合上述有利因素，分布式发电的经

12、济性还是很有吸引力的。,评价分布式发电系统的经济性可采用下述三个指标：,偿还周期。,内部返回率，定义为分布式发电系统为其拥有者产生的收入率。,生存周期费用。,在生存周期费用和内部返回率中考虑的费用主要有现金的花费、分布式发电系统投资费用、维护费用、保险费用、运行费用、燃料费用和税。而收入主要为电费、热能费、电能质量改善相关赢利、分布式发电系统能够提供的其他辅助服务以及环境方面的收益等。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,二、能源与环境的关系,分布式发电技术具有的潜在的环境方面的优势可能是其进入受保护的电力市场的关键因素。,传统的电力工业是空气污染的主要根源。,占67%发电

13、量的化石燃料电厂释放的气体中，直接对人类健康有害的成分有二氧化硫、氧化氮、灰尘、挥发性的有机成分、一氧化碳以及包括铅和水银的各种重金属等。,在太阳光和热的作用下，挥发性的有机成分与氧化氮化合将形成臭氧。,其他气体可能对环境存在间接的影响，如二氧化碳对全球气温变暖的影响。,除燃料对环境的影响外，电厂的厂址对空气污染的影响也非常大，当考虑电厂厂址周围环境时，厂址的选择是非常重要的，因为处于下风的地区将存在大范围的空气污染。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,经过许多年按计划经济市场结构的运行，电力工业面临巨大变革，包括新的发电和输电技术以及与竞争和规章有关的政策的转变。,电力

14、工业的重组可减小和转变政府在该行业的作用，总的意图是促进经济的发展。,单纯从经济效益方面的考虑可能将导致在其他方面付出更大的代价。,与电力工业重组相关的环境方面，竞争的电力市场可能导致污染排放的增加。,电力工业重组相关的环境方面，竞争的电力市场可能导致令人讨厌的污染排放的增加。,电力工业的重组与因而产生的环境影响之间的关系不是简单的关系，最终产生的环境方面的效果取决于对下述两个方面的动态过程的平衡所作出的决定：,第一个方面是电力需求的平衡。,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,第二个方面是或者采用当前使用的环境保护规章制度，或者促进将来的环境保护规章制度的颁发的决定。,三、

15、分布式发电技术的环境属性,2020/8/7,1-2 分布式发电与经济和环境的关系,在与分布式发电技术有关的气体、液体和固体物质的排放中，分布式发电系统的空气排放质量在允许的环境保护标准下，可能是影响项目实施的最强烈的因素。,不同分布式发电技术的空气污染排放相差很大，燃料电池是最清洁的，然后是微型涡轮发电机组和内燃发电机组。,与常规的发电技术相比，分布式发电设备的每千瓦小时的空气污染排量减小了很多。,2020/8/7,1-3 分布式发电系统中控制和通信技术,对于优化的市场运行，即在一个公开的市场中，可从不同分布式电源买电和卖电这样新涌现的能源竞争环境，分布式电源的集中管理和控制是必不可少的。,电

16、力公司一般都装配了可对整个系统实现中央集中控制的SCADA系统，这些系统是专门设计的，已经在系统中运行了很长的时间。这些系统不是为动态分布式发电市场而设计。,管理分布式发电的通信和控制技术必须解决多个供应商、动态用户、市场产生的容量以及变化的发电资源等方面带来的问题。,一、分布式智能控制,在当今的电力工业中，中央电厂仍将继续起到非常重要的作用，但对更小型的、清洁的分布式发电的需求在不断地增加，这样的系统需采用先进的电力电子控制技术。,分布式发电系统复杂的连接关系将带来大量的信息和功率交换，采用先进的电力电子控制技术处理这些信息是绝对基本的需要。,2020/8/7,1-3 分布式发电系统中控制和

17、通信技术,从信息处理的方面来看，应设计能与分布式、多用户和动态分布式电源管理特性匹配的通信和控制系统。,分布式智能控制的第一步：卖主通过建立网络服务器将他们的产品在互联网上销售，网络服务器为个人的资产提供远距离监视和控制接口的能力。,分布式智能控制的第二步：将许许多多不同的卖主组成的系统实现集中和协调的运行控制，进一步开发分布式计算、嵌入式控制和广域通信寻址等技术。,分布式智能控制的第三步：开发普遍适应的平台，将用户所需的服务送到用户手中，而互联网提供了最广泛有效和增长最快速的平台。,二、分布式发电通信和控制系统可采用的技术,1. 分布式控制,分布式控制是指用于解决由很多很小的互相关联的子问题

18、组成的复杂控制问题的概念和技术，在问题的解中，子问题涉及到一定程度的协同过程。,2020/8/7,1-3 分布式发电系统中控制和通信技术,分布式控制系统适合于具有上百个变量的大规模系统，分布式控制的典型应用是设计故障容错系统，在这样的系统中，单个子系统的故障不会导致整个系统的灾难性崩溃。,智能控制：主要目的是在一个复杂的系统中，增强控制器的能力和适应性，使系统从具有随动功能转变为具有过程管理和过程调整等功能。,2. 分布式计算,基于代理的分布式计算：采用自激励的计算过程。,软件代理的一个重要特性是能够带着它们的数据和执行状态在网络中迁移。,在计算机网络中，三个主要接收信息的方法：,客户软件(如网络浏览器)可直接通过固定的标准通信协议接收信息。,客户和信息源之间的中介软件可提供信息的摘要。,