新能源分布式发电的应用研究现状

1、大众用电2009/43新能源分布式发电的应用研究现状专稿Special Topic近年来,我国火力发电装机容量快速增长,电力消费能源在一次能源中的比重占41.72%,但仍不能满足经济持续高速发展的用电需求,给环境也带来严重污染。在2008年雪灾中,由于我国用电以煤炭为主,雪灾封路后煤炭等燃料运输不便,能源供应需求紧张,部分发电机组被迫停产,大量输电铁塔因覆冰太厚而倒塌,最终导致部分城市电网瘫痪,使国家电网直接财产损失达104.5亿元。而且目前供电系统是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统,由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响,严重时可能引起大面积停

2、电甚至是全网崩溃,另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷的变化,而为短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的,经济效益也非常低,所以电力产业发展面临着新的思路。分布式发电这种环保、高效、灵活的发电方式目前已经被世界各国所重视,成为21世纪电力系统重要的研究方向,分布式电源与区域网并联运行的发展趋势也越来越明显。分布式发电既可以满足电力系统和用户的特定要求,如削峰;又可以提供传统的电力系统无可比拟的可靠性和和经济性。1分布式发电技术分布式发电(Distributed Generation ,DG 是相对于传统的集中式供电方式而言,通常指发电功率在数千瓦至50千瓦,小型模块化且分散布置在用户附近的高效、可靠

3、的发电技术。从更广泛的定义来看,分布式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施,包含热电联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等,而不论这种发电形式的规模大小和一次能源的使用类型。1.1分布式电源种类分布式电源包括功率较小内燃机、微型燃气轮、可再生能源如太阳能发电的光伏电池、燃料电池、风力发电和生物质发电等。1.1.1燃料电池技术燃料电池的工作原理是富含氢的燃料(如天然气、甲醇与空气中的氧气结合生成水,氢氧离子的定向移动在外电路形成电流,类似于电解水的逆过程,它并不燃烧燃料,而是通过电化学的过程将燃料的化学能转化为电能。通常,燃料电池发电厂主要由3部分组成:燃料处理部分、电池反应堆部分、电力电子换流控

4、制部分。目前已研究开发了5种燃料电池:聚合电解质膜电池(PEM 、碱性燃料电池(AFC 、磷酸型燃料电池(PAFC 、固体电解质燃料电池(SOFC 和熔融碳酸盐燃料电池(SOFC ,其中PAFC 是目前技术成熟且已商业化的燃料电池。燃料电池具有巨大的潜在优点:(1其副产品是热水和少量的二氧化碳,通过热电联产或联合循环综合利用热能,燃料电池的发电效率几乎是传统发电厂发电效率的2倍;(2排废量小(几乎为零、清洁无污染、噪音低;(3安装周期短、安装位置灵活,可以省去配电系统的建设。1.1.2风力发电技术风力发电机组从能量转换角度分成2部分:风力机和发电机。风速作用在风力机的叶片上产生转矩,该转矩驱动

5、轮毂转动,通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联,从而发电运行。风力发电技术在新能源领域已经比较成熟,经济指标逐渐接近清洁煤发电。风力发电形式可分为离网型和并网型。并网型风力发电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。并网型风力发电通常有多台容量较大的风力发电机组构成风力发电机群,称其为风电场。因此风电场具有机组大型化(50kW 2MW 、集中安装和控制的特点。风电场的主设备为风力发电机组,发电机经变压器升压与电力系统相连。1.1.3微型燃气轮机技术微型燃气轮机是以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型气轮机,其发电效率可达30%,如实行热电联产,效率可提高

6、到75%。微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单,它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式发电电源。与现有的发电技术相比,微型燃气轮机的发电效率较低,满负荷运行时效率为30%,半负荷运行时效率为10%15%。若实行热电联产,效率可提高到75%。1.1.4光伏电池技术光伏电池是将可再生的太阳能转化成电能的一种发栏目编辑/伍宗辉许珊珊聂继飞Special Topic 专稿电装置。虽然光伏电池与常规发电相比有技术条件的限制,如投资成本高、系统运行的随机性等,但由于它利用的是可再生的太阳能,因此其前景依然被看好。1.1.5生物质发电技术生物质能来源于生物质。生物质能发电是

7、首先将生物质转化为可驱动发电机的能量形式(如燃气、燃油、酒精等,再按照通用的发电技术发电。1.2分布式发电的特点分布式发电由于在效率、灵活、能源多样化、环保、节能等多方面的优越性,加上电力市场化的快速发展,获得广泛的关注,给电力系统运行带来很多优点,弥补了大电网在稳定性方面的不足。当电力系统发生故障时可以提供紧急供电支持,既保证重要用户供电,又可防止系统事故扩大。不仅增加电网机动性,而且改善电能质量,提高供电可靠性。不需要建设配电站,不需要架设长距离输电线路,建设成本较低,并避免投运后增加输配电成本,同时大大降低了输电损耗。分布式供电的环保性能优良,其能源利用率高,可达65%95%(传统能源系

8、统的发电效率为40%左右。分布式电源投资小、占地少,建设周期短,有利于在较短时间内解决电力短缺问题。另外,分布式电源能够同时提供热、电、冷三种能源,并且可以根据用户的特定要求,提供不同温度等级的热量和冷气。2分布式发电中的储能技术2.1储能技术的作用(1能够改善电能质量,维持系统稳定。例如在风力发电中,风速的变化会使原动机输出机械功率发生变化,从而使发电机输出功率产生波动而使电能质量下降。应用储能装置是改善发电机输出电压和频率质量的有效途径,同时增加了分布式发电机组与电网并网运行时的可靠性。可靠的分布式发电单元与储能装置的结合是解决诸如电压跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效手段之

9、一。在分布式发电装置不能正常工作时向用户提供备用电力。在一些特殊情况下,如太阳能发电的夜间,风力发电无风时,储能装置能够起到过渡的作用,持续向用户供电。(2提高分布式发电单元拥有者的经济效益。在电力市场的环境下,分布式发电单元与电网并网运行,有了足够的储存电力,分布式发电单元成为可调度的机组单元,发电单元拥有者可以根据不同情况向电力公司卖电,提供调峰和紧急功率支持等服务,获取最大的经济效益。2.2各种储能技术的应用2.2.1飞轮储能技术飞轮储能技术是一种机械储能方式,利用高速旋转的飞轮来储存能量。由于飞轮材料和轴承问题等关键技术一直没有解决而停滞不前,20世纪90年代以来,由于高强度的碳纤维材

10、料、低损耗磁悬浮轴承、电力电子学三方面技术的发展,飞轮储能器才得以重提,并且得到了快速的发展。2.2.2超导储能技术超导储能系统利用由超导线制成的线圈,将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来,在需要时再将储存的能量送回电网或作它用。2.2.3蓄电池储能技术蓄电池储能系统由电池、直交逆变器、控制装置和辅助设备(安全、环境保护设备等组成,目前在小型分布式发电中应用最为广泛。根据所使用化学物质的不同,蓄电池可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。2.2.4超级容器储能技术超级电容器使用特殊材料制作电极和电解质,这种电容器的存储容量是普通电容器的201000倍,同时又保持了传统电容器释放能量

11、速度快的特点。根据储能原理的不同,可以把超级电容器分为2类:双电层电容器和电化学电容器。除了上述的几种储能方式外,在电力系统中应用较多的储能方式还有抽水蓄能、压缩空气储能等。抽水蓄能在现代电网中大多用来调峰,在集中式发电中应用较多。压缩空气储能不是像蓄电池储能那样的简单储能系统,它是一种调峰用燃气轮机发电厂,对于同样的电力输出,它所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%。3分布式发电对电力系统的影响分布式发电接入配电系统(见附图使得原有的配电系统由一个辐射状网络变为一个高度交叉联结的遍布电源和用户互联的网络,将会对电力系统产生极大的影响。3.1分布式发电电源位置和容量的确定分布式发电的电源位置和容

12、量的确定是设计一个分布式系统不可缺少的前提条件,可根据客户终端所需的容量和所处环境的地理位置,综合考虑各种衡量指标,确栏目编辑/伍宗辉交流负载电能分配直流负载DG控制DG监视测量调度控制DG电能转换/调整当地EPS保护继电器并联转换开关电网地区保护继电器测量仪表附图分布式电源与电网的关系结构图大众用电2009/44大众用电2009/45栏目编辑/伍宗辉定所要采用的发电方式。发电容量不仅要满足负荷正常运行时所需的能量,并对突发事件要有一定的承受能力,可以采用灰色关联、神经网络、小波分析等技术,建立精确负荷模型进行预测。分布式发电电源的位置不仅要考虑周边的能源、交通运输、地理环境等因素,还要考虑其

13、布置合理、使线路损耗尽可能小,从而改善系统的经济性、可靠性和灵活性。同时分布式发电的出现会使电力系统负荷预测、规划和运行与过去相比有更大的不确定性。由于分布式发电的分散性,使得准确预测负荷的增长情况更加困难,从而影响后续规划。另外规划时最优化工具必须能够准确评估分布式发电对所在电网的影响,给出分布式发电的最优位置和规模,使得分布式发电在电网中的逐步渗透过程不会破坏电网运行的安全性和经济性。其次,配电网规划中若出现许多发电机节点,使得在所有可能的网络结构中寻找到最优的网络布置方案(即可以使建造成本、维护成本和电能损耗最小的方案更加困难。3.2分布式发电引发系统潮流、电能质量和运行可靠性的问题分布

14、式发电的出现,改变了配电系统潮流的单向模式并使得潮流无法预测,这种非常规的潮流模式会产生多方面的影响,潮流的改变使得电压调整很难维持,还会导致配电网的电压调整设备,如有载调压变压器、开关电容器组出现异常响应,而且如果从分布式发电流向变电所的潮流足够大时分布式发电附近的设备可能会过负荷,从而影响系统供电可靠性。分布式发电对电力系统的可靠性影响是多方面的,既有积极的一面,也有消极的一面。分布式发电并网后还会对电网提供给其他用户的电能质量产生潜在的影响,这些电能质量问题可以概括为电压调整、电压闪变、电压不平衡、谐波畸变和直流注入等几方面。3.3短路电流、继电保护问题在很多情况下分布式发电接入配电网侧

15、装有逆功率继电器,正常运行时不会向电网注入功率,但当配电系统发生故障时,短路瞬间会有分布式发电的电流注入电网,增加了配电网开关的短路电流水平,可能使配电网的开关短路电流超标。因此,大功率分布式发电接入电网时,必须事先进行电网分析和计算,以确定分布式发电对配电网短路电流水平的影响程度。分布式发电接入配电网后,辐射式的网络将变为遍布电源与用户互联的网络,潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。配电网的根本性的变化使得各种保护定值与机理发生了深刻变化。配电网潮流的不确定性,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。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,随着分布式发电在配电网

16、的渗透,保护系统的设计基础就发生了改变。所以,随着分布式发电应用的日益广泛,有必要调整配电网的保护系统,研究分布式发电的接入容量、位置对配电网保护配合的影响。3.4分布式发电具有提供辅助性服务的能力分布式发电在一些特定的条件下,可实现无功补偿来保持电压稳定,取代自动测量调整装置实现功率损耗的追踪,进行频率控制,防止失步,灵活的调节输出以满足负荷的变化,代替电力系统稳定器,以及实现动态制动等一些辅助性的功能。分布式发电的这些辅助性功能的实现,将会取代大量的电力系统辅助设备,给电网带来很大的经济效益。4分布式发电的未来研究方向分布式发电作为国际上电力系统的一个前沿研究领域,其研究的重点集中在分布式

17、发电对电力系统的影响。(1现有分布式发电技术的完善和新型技术的研发,如开发新的电解质材料和催化剂,提高燃料电池的性能、使用寿命、性能价格比等。(2采用新的算法(如遗传算法等建立分布式发电的等值模型,研究分布式发电的极限功率及其对电力系统稳定的影响,研究分布式电源故障时对电网暂态的影响及相应的控制策略。(3通过负荷灰色预测技术、专家系统预测技术、神经网络预测技术及小波分析预测技术建立精确的随机性负荷模型,从而建立分布式发电的发电量预报。(4以分布式发电的发电量预报为基础,从随机最优控制原理出发,结合智能控制(人工神经网络、模糊控制、遗传算法及现代控制理论,建立分布式发电的自动发电的随机最优控制模型及电压、频率随机自适应控制模型。(5基于全球定位系统(GPS 技术、通讯技术、数字信号处理(DSP 技术以及电力系统的动态测量和在线监测技术,实现含有分布式发电的配电网动态监测、灵活跟踪和调度控制。(6建立新型电力公司