分布式电源的发展与应用

分布式电源的发展与应用

由于能源短缺和污染日益严重，所有国家都在寻找减少污染和使用率高的能源使用方法。具有能源利用效率高、环境负面影响小等特点，能提高能源供应的可靠性和经济效益。越来越多的国家重视分布式电源技术，这克服了传统集中电网的许多弱点，成为能耗补充的传统方式。1w之间的能源关系分布式电源(DG)是位于用电点附近的小型模块化电力能源,它靠近用户现场以满足特定用户的需要,支持现存配电网的经济运行,一般容量在几千瓦到50MW之间.根据美国能源署的定义,它是产生或储存电能的系统,通常位于用户附近,包括生物能发电、燃气轮机、太阳能发电和光伏电池、燃料电池、风能发电、微型燃气轮机、内燃机,以及存储控制的技术.分布式能源可以连接电网,也可以独立工作.分布式电源的一次能源一般是气体燃料,各种可再生能源;二次能源是分布在用户侧的冷、热、电等.它将电力、热力、制冷和蓄能技术相结合,直接满足用户对能量的需求,实现能源的梯级利用,以提高能源的利用率,节约能源,保护环境.2几种分布式电源的优点(1)分布式电源网损降低明显分布式电源与传统的大电网供电有两个明显的区别:一是传统大电网电源和用电负荷距离非常远,一般都要通过远距离输送给用户,而分布式电源则靠近用户现场,因而网损降低明显;二是传统大电网供电模式下能量形式单一,而分布式电源则能够提供多种形式的能量,典型的是冷、热、电三联产,能实现能量的梯级利用,符合“温度对口、梯级利用”的原则,从而大大提高了能源的总体利用效率.(2)发展生物处理系统分布式电源以天然气、轻油等清洁能源和风力、水力、潮汐、地热等可再生能源为发电原料,能够减少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害气体的排放.同时,由于分布式能源系统发电的电压等级比较低,电磁污染比传统的集中式发电要小得多.(3)提高供电可靠性在建设大型电厂的趋势有增无减之时,电网的急速膨胀对供电的安全与稳定带来很大威胁,一旦电厂和输电干线发生故障将导致大面积停电.分布式电源采用性能先进的控制设备,开停机方便、操作简单、负荷调节灵活,与大电网配合可大大提高供电可靠性,弥补其安全稳定性方面的不足,在电网崩溃和意外灾害(地震、暴风雪、人为破坏、战争)情况下可维持重要用户的供电.(4)分布式电源投资和运行成本有利于电力短缺化分布式电源内部通常都设有就地电压调整和无功补偿,从而保证了电能的质量.此外,分布式电源的投资相对大电网、大电厂而言非常小,风险也较小,并且建设周期短,有利于短时间内解决电力短缺的问题.3大力发展分布式能源系统,促进能源与效能的发展由于全球经济的快速发展,近年来各国对能源的需求越来越大,对供电的可靠性、电能的质量提出了更高的要求,但地球上传统的资源越来越少,环境问题越来越突出,于是人们不得不寻求一种更加节约、更加环保的能源供给方法.因此,具有较高能源利用效率的分布式电源获得了快速发展.美国在1978年颁布了公共事业管理政策法后,开始正式推广建设分布式能源系统.目前,美国已经拥有6000多座分布式能源站,仅大学校园就有200多座分布式能源站.英国只有5000多万人口,但是分布式能源站有1000多座.连英国女王的白金汉宫、首相的唐宁街10号官邸,都采用了燃气轮机分布式能源站.俄罗斯采用热电联产的比例占总能耗的33%,美国占50%,而我国只占12.8%.在众多国家中,丹麦是世界上公认的将经济发展、资源消耗和环境保护3方面有机结合的典范,是实现了可持续发展的国家.20多年来,丹麦的国民生产总值翻了一番,但能源消耗却未增加,环境污染也未加剧,其奥妙就在于丹麦积极发展冷、热、电联产,提倡科学用能,扶植分布式能源,靠提高能源利用效率支持国民经济的发展.目前丹麦没有一个火电厂不供热,也没有一个供热锅炉房不发电,将冷、热、电产品的分别生产,变为高科技的冷、热、电联产,使科技进步变成真正的生产力.我国近年来高度重视可再生能源的开发利用,把加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源作为“十一五”时期能源发展的一项重要战略.而对可再生能源利用的有效形式,就是大力发展分布式能源系统——分布式电源.在《中华人民共和国节约能源法》、《关于发展热电联产的规定》、《能源发展“十一五”规划》等法令法规中,明确提出:大力推广热电联产、集中供热;提高热电机组的利用率;发展热能梯级利用技术,热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术,提高热能综合利用率.目前,我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已逐步进入实质性开发实施阶段,在北京、上海、广州等大城市的居民小区、商城楼宇、大学城,都有一批热、电、冷联产示范工程投运.例如:上海浦东国际机场能源中心4000kW燃气轮机热电联供项目;上海黄埔区中心医院1000kW燃气轮机热电联供项目;北京中关村软件园热、电、冷联产项目等.2007年12月12日,中国华电集团新能源发展有限公司与广州大学城能源发展有限公司合资设立广州大学城华电新能源有限公司.该公司投资建设国内最大的分布式能源项目——广州大学城分布式能源,设计装机容量为156MW.4综合常见的分布式电源分布式电源主要包括前端和后端两部分:前端部分主要有蒸汽轮机、内燃机、燃气轮机、燃料电池、生物质能等,蒸汽轮机包括背压式、抽汽式、抽汽冷凝式和冷凝式4种,一般传统的发电厂主要采用冷凝式蒸汽轮机,而背压式和抽汽式蒸汽轮机则用于早期的分布式电源;后端部分主要包括制冷设备和供热设备,而制冷设备的选择是最主要的,当前,制冷设备主要包括电制冷、蒸汽吸收式制冷、余热吸收式制冷和压缩式制冷设备.前端设备和后端设备不同种类的组合就构成了不同形式的分布式电源结构.其总体结构见图1.近年来,人们提出了适用于不同场合、规模和用户的分布式电源结构.其中包括:以内燃机为前端部分的冷、热、电三联供系统;以燃气轮机或微型燃气轮机为前端部分,以烟气型溴化锂吸收式制冷机组为后端部分的分布式电源;以燃气轮机为前端部分,以余热锅炉、热水型溴化锂吸收式制冷机组为后端部分的分布式电源;以燃料电池或生物质能为前端部分的三联供系统.此外,还有一些综合各种类型的分布式电源结构,如在以燃气轮机为前端部分的系统中,在前端部分加入地热能、太阳能和风能的能量转换装置,在后端部分附加电制冷设备等.在分布式电源里,燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平3大部分组成.外界空气经过过滤后,通过压气机增压到一定压力后输送到燃烧室,在燃烧室里和燃料混合燃烧、产生高温高压的燃气进入透平做功,带动与之同轴的发电机发电.发电后,从透平中排放出来的余热烟气温度很高,一般都大于250℃,可作为烟气型吸收式制冷机的驱动热源,也可用来加热余热锅炉产生蒸汽.这种类型的分布式电源的总效率式为:η=η1+kη2(1)式中:η1——燃气轮机效率;η2——制冷机效率;k——制冷机吸收的热量占整个分布式电源总输入热量的份额.对分布式电源效率起关键作用的是燃气轮机的效率,因此,要尽可能选择高效率的燃气轮机.设Q1为燃气轮机获得的热量,m1为在燃气轮机中流动的燃气质量,C1为燃气的平均定压比热,T2为燃气在燃烧室出口的绝对温度,T1为压气机出口空气绝对温度,则:Q1=m1C1(T2-T1)(2)设Q2为燃气轮机排气排出的热量,T3为燃气轮机排气绝对温度,T0为环境绝对温度,则:Q2=m1C1(T3-T0)(3)可得燃气轮机的效率为:η1=Q1−Q2Q1=(T2−T1)−(T3−T0)T2−T1(4)η1=Q1-Q2Q1=(Τ2-Τ1)-(Τ3-Τ0)Τ2-Τ1(4)由式(4)可以看出,为提高燃气轮机的效率,可以提高燃烧室的出口绝对温度,也可降低环境的绝对温度.式(1)的第2部分kη2是利用了燃气轮机排出的低品位能量后所获得的效率,是原有基础上增加的效率,符合能量梯级利用的原理,提高了整个系统的能源利用效率.目前,在实践中运用较多的方案是燃气轮机加上烟气型溴化锂吸收式制冷机组(见图2)和燃气轮机加余热锅炉加蒸汽式溴化锂吸收式制冷机组(见图3).燃气轮机加烟气型溴化锂吸收式制冷机组是目前研究应用最多的.烟气型溴化锂吸收式制冷机组与燃气轮机结合,前者对后者所排放的余热进行回收再利用,所获得的冷量是整个系统能量利用的一个增加值,从而大大提高了能源的利用效率.另外,由于没有采用余热锅炉,所以相对来说结构简单.实验研究表明,一台发电效率为26%的70kW的燃气轮机发电机组,配以烟气型溴化锂吸收式制冷机组对余热进行回收后,总利用效率可达64%,回收的冷量达98kW.在北京部分奥运场馆中就采用了这一方案.燃气轮机加余热锅炉加蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组的方案也是目前较为典型的分布式电源方案.其缺点是结构复杂,能量回收环节多,蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组的COP较低,实际的运行效率在40%左右.其优点是,性能稳定,供能较为可靠.目前上海市黄浦区中心医院就采用了这一方案.5分布电源的并行网络5.1dg对配电网静态电压稳定性的影响近年来,分布式电源快速发展,应用越来越多,在带来巨大节能效果的同时,也出现了许多不良的现象,其中最突出的是分布式电源并网所引起的相关问题.主要问题如下.(1)分布式电源的引入,增加了配电网潮流的不确定性,从而对电力系统继电保护的设置和动作值的整定增加了一定的难度.此外,DG一般是通过10kV馈线接入配电系统,而这一级别的配电系统,一般都采用3段式电流保护,即:瞬时电流速断保护;定时限电流速断保护;过电流保护.但DG的接入可能导致保护装置的灵敏度降低,严重时甚至拒动,也可能导致保护装置误动作,以及相邻线路的瞬时速断保护装置误动作,失去选择性.(2)分布式电源并网时,由于大量电力电子器件应用于分布式电源,所以不可避免地给系统带来大量谐波,谐波的幅度和阶次受到发电方式以及转换器工作模式的影响.同时对电压的稳定性和电压的波形都产生不同程度的影响.(3)分布式电源并网时,会对配电网的静态稳定性产生影响,其影响程度的大小依赖于不同类型的分布式电源.对于采用异步发电机接口的DG,并网时对系统静态电压稳定性具有负面影响,并网位置离系统最薄弱支路越远,负面影响就越小;对于采用无励磁调节的同步发电机接口的DG和采用具有功率控制单元的变换器作为接口的DG,并网时能改善系统的静态电压稳定性,并网位置越靠近系统最薄弱支路,则改善系统静态电压稳定性的程度越显著.为了尽量减小分布式电源并网对系统所产生的不利影响,各个国家都提出了许多解决办法,其中微网技术就是其中较为有效的方法之一.5.2.微网的结构.对于微网的通用解释是:微网是集成多个DG和负荷的独立系统,提供电能和热能,其中大多数DG都是基于电力电子设备提供所要求的灵活性,以确保作为一个单独的集成系统运行.对于大电力系统来说这种控制的灵活性允许微网是一个单独的可控模块,以满足本地负荷的可靠性和安全性需要.微网的结构见图4.微网是一个独立的运行单元,对大电网不会产生大的影响,而且不需要修改大电网的运行策略;利用微网技术可以非常灵活地把DG接入或撤离大电网;微网可以孤立运行,从而大大提高了电网的可靠性.微网可以独立运行也可以并网运行.在并网运行时,微网和传统配电网类似,服从系统调度,可同时利用微网内DG发电和从大电网吸取电能,并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能.当外界大电网出现故障停电或有电力质量问题时,微网可以通过能量管理单元控制主断路器切断与外界联系,微网孤立运行,此时微网内负荷全部由DG供电.当故障解除后,主断路器重新合上,微网重新恢复和主电网同步运行,以保证系统平稳恢复到并网运行状态.而这两种运行模式无缝转换的关键是微网与电网之间的电力电子接口,这种接口可以使分布式电源实现即插即用,同时,可使微网作为一个独立的模块,以尽量减少分布式电源对电网的不利影响.6