分布式发电技术的现状与面临的挑战

PAGEPAGE4分布式发电技术的现状与面临的挑战摘要近年来，随着全球能源紧缺，全球气候变暖以及出现许多极端天气，解决能源问题与环境问题已成为人类的迫切任务。分布式发电以其节能环保污染小、能量利用率高、可提高电网的可靠性、投资少以及安装和运营具有更高的灵活性等优点受到广泛的关注。本文首先介绍了分布式发电的概念及其特点，然后分析了国内外分布式发电的研究现状，指出我国发展分布式发电的重要意义以及其广泛的发展前景，最后提出了我国发展分布式发电所面临的技术挑战。0引言为应对全球能源紧缺、气候恶化和保护环境的需求，全球能源技术领域关注研究的热点转向风能、太阳能新能源领域。目前，我国电力系统已发展成为以大机组、大电网、高电压、为主要特征的集中供电单一系统，其运行技术复杂，管理水平要求高，所使用的一次能源以不可再生的煤炭为主，发电过程中产生了大量的大气污染物、温室气体和粉尘，对环境造成了极大的污染；不能充分利用风能、太阳能、生物质能等可再生能源；大型互联电网中，局部故障容易扩散，引起大面积停电，对整个电网造成影响。基于以上原因，分布式发电（DistributedGenerationDG）以其节能环保污染小、能量利用率高、可提高电网的可靠性、投资少以及安装和运营具有更高的灵活性等优点受到广泛的关注，是集中供电的有效的补充。1分布式发电的概念目前，国际上对分布式发电没有统一的概念。国际大电网委员会(CIGRE)将DG定义为:“非经规划的或中央调度型的电力生产方式，通常与配电网连接,一般发电规模在5MW—100MW”。DG规模较传统集中式供电较小，可以向附近的负荷供电，也可以接入大电网供电。文献[分布式发电技术及其对电力系统的影响12]认为，分布式发电DG(DistributedGeneration)指的是为满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在用户现场或靠近用户现场配置功率为数kW到50MW的小型、与环境兼容的发电机组；文献[我国集中供电和分布式供电技术及其整体协调规划问题研究13]指出，DG是将指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的方式布置在用户侧附近，可独立地输出电、热或(和)冷能的系统。2分布式发电的分类与特点2.2.1分布式发电的分类根据不同的分类特点，可将分布式发电分为不同的类型[分布式发电及其对配电网的影响4]：根据技术类型、可分为风力发电、太阳能光伏发电、小水电、燃料电池、微型燃气轮机等；根据所使用的一次能源可分为可再生能源发电和非可再生能源发电；根据其与电力系统的接口方式可以分为直接与系统相联(机电式)和通过逆变器再与系统相连。目前，研究的热点之一是可再生能源发电技术，其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。表2-1常见的分布式发电技术类型一次能源输出方式与系统的接口风力发电可再生能源DC逆变器光伏发电可再生能源DC逆变器水力发电可再生能源AC直接相连地热发电可再生能源AC直接相连小型燃汽轮机可再生能源,化石燃料AC直接相连燃料电池可再生能源,化石燃料DC逆变器太阳热发电可再生能源AC直接相连蓄电池储能电网或DGDC逆变器电容器储能电网或DGDC逆变器飞轮储能电网或DGDC逆变器超导电磁储能电网或DGDC逆变器具有同步/感应发电机的往复式引擎电网或DGAC直接相连2.2.2分布式发电的特点目前，全球范围内正在进行的电力市场化改革使得独立发电运营商成为可能,并有机会进入原本被电力系统垄断的发电侧电力市场参与电力市场竞争，由此带来电价的进一步合理化，电能质量、供电可靠性的提高以及供电服务质量的改善，其直接受益的将是消费者。把经济实惠最大限度地带给用户。"DG的实际用途不同要求有不同复杂程度的并网系统，表2-2显示DG所具有的功能及其并网方式。此外，分布式发电还有以下特点[含有分布式发电装置的电力系统研究综述][分布式发电技术及其应用现状1]：1节能环保污染小，能量利用率高。由于DG大量采用可再生能源和清洁能源（如风力发电、太阳能发电和生物能源发电等），因而相对火力发电更加环保。DG可向其附近的负荷供电，因而减少了远距离输电的电能损耗，大大提高了能量的利用率。2提高电网的可靠性。由于DG装置与大电网的接入和断开具有相对独立自主性，当大电网发生故障时，可通过启动断开装置使DG与大电网断开，由DG独立为用户供电.3投资少，安装和运营具有更高的灵活性。由于DG装置的容量及体积均较小，因此易于找到合适的安装地点，可以方便地为边远地区供电，同时，分布式电源多采用性能先进的中小型微型机组，操作简单，负荷调节灵活。表2-2DG的应用及其与地区电力系统之间的联系类型 运行方式基本电源联合发电削峰紧急/备用电源偏远地区DG独立运行向附近的用户供电√√√DG独立运行且与当地电网有自动转换装置√√√√DG与系统并联运行但与当地电网无输出√√√√DG与系统并联运行且向当地电网输出电能√√√√3分布式发电的国内外研究现状3.1国外分布式发电的研究美国近年来发生了几次较大的停电事故，使美国电力工业十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微电网的研究着重于利用微电网提高电能质量和供电可靠性。日本本土资源匮乏，其对可再生能源的重视程度高于其他国家，在微电网方面的研究更强调控制与电储能。欧洲希望通过优化从电源到用户的价值链来推动和发展分布式电源。欧洲互联电网中的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微电网，所以欧洲微电网的研究更多关注于多个微电网的互联问题[国外微电网的研究概况及其在我国的应用前景3]。3.1.1美国的分布式发电研究1999年[微电网在我国电网的应用前景5]，可靠性技术解决方案协会CERTS（theConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions）第一次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究；在2002年，较为完整全面的微电网概念被提出来，CERTS给出的微电网定义是微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。从美国电网现代化角度来看，提高重要负荷的供电可靠性，满足用户定制的多种电能质量需求降低成本，实现智能化，将是美国微电网的发展重点。3.1.2日本日本在微电网示范工程的建设方面处于世界领先地位[微电网在我国电网的应用前景5]，日本政府十分希望可再生能源，如风能和光伏发电能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用，但是这些可再生能源的功率波动性与电能质量和供电的可靠性相矛盾；微电网能够通过控制可再生能源的输出和原动机平衡负载的波动来达到电网的能量平衡，例如，配有储能设备的智能微电网能够补偿可再生能源断续的能量供应，因此，从大电网的角度看，该微电网相当于一个恒定的负荷，即不会对电网的潮流分布产生影响。以上这些理念促进了微电网在日本的发展，使日本的微电网研究对于储能和控制特别重视;有日本学者提出了灵活可靠性和智能能量供给系统。FRIENDS（FlexibleReliabilityandIntelligentElectricalEnergyDeliverySystem），利用柔性交流输电系统元件快速灵活的控制性以实现对配电网能量结构的优化。表3-1日本三菱公司对微电网的分类类型发电容量/MW燃料应用场合市场规模（个）大规模1000石油或煤工业区10-20中规模100石油或煤、可再生能源工业园100小规模10可再生能源小型区域电网、住宅楼、岛屿和偏远地区30003.1.欧洲的DG研究和发展[微电网在我国电网的应用前景5]主要考虑的是欧洲的环保要求和电网的稳定以及有利于满足能源用户对电能质量的多种要求等；智能微电网之所以被认为是未来电网的有效支撑，它能很好地协调电网和DG之间的矛盾，充分发挥DG的优势；欧洲各国对微电网的研究越来越重视，近几年来各国之间开展了许多合作和研讨。2005年，欧洲提出了智能电网（SmartPowerNetworks）设想，欧盟微电网项目给出的定义是：利用一次能源，使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。欧洲提出通过电力电子设备将集中供电和分布式发电相结合，鼓励社会参与微电网的建设。3.2我国分布式发电研究现状目前，中国的电网还主要以大机组、大电网的集中供电为主，分布式发电在我国处于刚起步阶段,但分布式发电的特点适应中国电力发展的需求与方向,在中国有着广阔的发展前景[分布式发电技术及其应用现状1]。一方面,充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构，保护环境，开发西部，解决农村用能及边远地区用电，进行生态建设等均具有重要意义；另一方面,中国可再生能源总的储量丰富，发展潜力十分巨大。我国的分布式发电相关的技术研究和开发已经广泛的展开。由于气候等自然条件以及产业结构不同，使得我国各地电力负荷特性差异较大，不同电力系统的具体需求给出具有针对性的解决方案我国微电网按照运行特点主要分为如表2所示的3种典型类型表3-2中国分布式微电网的特点电压等级容量主要目的微电源类型城市片区微网中压配电网（10kV）几百kW至10MW事故状态下保障重要电源供电，确保供电质量、可靠性、节能减排、抗灾能力补充能源发电（燃气机轮、电池）和可再生能源发电（太阳能）农村微网低压配电网（400V）几kW至几百kW利用可再生能源为当地供电，促进城镇化建设可再生能源发电（风力、太阳能、沼气发电）企业微网中压配电网（10kV及以上）几百kW至10MW提高供电质量和发电效率，降低成本传统电源4分布式发电接入微网所面临的技术挑战由天津大学承担的分布式发电供能系统的基础理论和关键技术问题的973研究计划拟就分布式发电需要解决的4个方面的科学问题进行展开：（1）分布式电源的接入，改变了电力系统的结构，将配电系统从简单的受电网络变成了复杂的有源网络。如何协调大电网与微网之间的运行，一方面要确保绿色、环保可再生能源的充分利用，另一方面又要保证系统的电能质量、运行稳定性与供电可靠性，是当前分布式发电供能技术应用中的一个主要难题，是限制分布式电源渗透率进一步提高的主要障碍。（2）配电系统本身具有结构复杂、设备类型多样、负荷预测困难等特点，其规划问题面临着很多不确定性因素的影响。由于分布式电源的出力以及微网与配电系统间的交换功率受多种不确定因素的影响，同时分布式电源或微网的投资主体具有多样性，致使大量分布式电源的接入，因而增加了未来配电系统规划工作的复杂性。（3）当前配网保护与控制装置的配置方案不能适应多分布式电源、多微网接入的方式，已经成为广泛应用分布式发电供能系统的技术瓶颈。此外，大量分布式电源通过逆变装置并网，势必会带来诸多电能的质量问题，需要将分布式电源逆变并网装置的控制与微网电能质量的综合治理相结合，保证系统电能质量满足要求。（4）灵活可靠的仿真工具是进行分布式发电供能系统复杂动态行为研究的重要手段。在微网全过程的数字与物理混合仿真中，如何实现电磁暂态、机电暂态到中期、长期过程的全过程仿真是一个极具挑战性的难题。5结论分布式发电作为一种很有发展前途的新型发电和能源综合利用方式，已经成为21世纪电力行业最主要的发展方向之一。DG具有节能、环保、投资少、占地小的特点，与集中供电相比，分布式电源应对高峰期的电力负荷更加经济、有效，得到了广泛的关注和应用。虽然我国现阶段主要依靠传统集中式大电网满足国民生产生活，但随着DG技术的不断成熟和不可再生能源的紧缺，分布式发电作为集中供电的一种补充，将会在配电网中得到广泛的应用。欧美一些发达国家已经对分布式发电开展了广泛的研究和应用，但是我国还处于刚刚起步阶段，因此，需要继续的对DG投入大量的精力和物力，鼓励相关人员对此进行广泛深入的研究。随着时代发展，我国的电力资源尤其是新能源将进入一个新