《新能源发电技术第2版》 课件 第10章 分布式发电与能源互补

第10讲分布式发电与能源互补第一部分分布式发电§10.1.1分布式发电的概念分布式发电：在一定的地域范围内，由多个甚至多种形式的发电设备共同发电，以就地满足较大规模的用电要求。相对于集中发电的大型机组而言，其总的发电能力由分布在不同位置的多个中小型电源来实现；相对于过去的小型独立电源而言，其容量分配和布置有一定的规律，满足特定的整体要求。§10.1分布式与互补发电概述区分几个类似的概念：DP，DER，DG。分布式发电一般独立于公共电网而靠近用电负荷，可以包括任何安装在用户附近的发电设施，而不论其规模大小和一次能源的种类。一般来说，分布式电源是集成或单独使用的、靠近用户的小型模块化发电设备，多为容量在50兆瓦以下的小型发电机组。§10.1.1

分布式发电的概念§10.1.2

分布式发电的特点（1）建设容易，投资少单机容量和发电规模都不大，不需要建设大电厂和变电站、配电站，土建和安装成本低，工期短，投资少。（2）靠近用户，输配电简单，损耗小靠近电力用户，一般可直接就近向负荷供电，而不需要长距离的高压输电线，输配电损耗小，建设简单廉价。（3）污染少，环境相容性好可再生能源发电过程污染物排放少，噪声也不大。（4）能源利用效率高可结合冷热电联产，将发电的废热回收用于供热和制冷，科学合理地实现能源的梯级利用。而且距离用电负荷较近，输配电过程中的电能损失和供暖、供热管道的热量损失也相当小。综合利用率可达达70%-90%。（5）运行灵活，安全可靠性有保障小机组的启动和停运快速，灵活。可作为备用电源。（6）联网运行，有提供辅助性服务的能力可与电网联合运行，互为补充，既能提高本身的供电可靠性，还能为大电网提供辅助性的服务。§10.1.2

分布式发电的特点夏季和冬季用电高峰期，冷热电联供可满足季节供热或制冷需要，并节省电力，从而减轻供电压力。美加大停电后，有专家估计，改造美国东北部电网需500亿美元，但只能减少事故发生或减轻事故影响。如果把这些投资用于建设分布式供电系统，至少可以解决1亿千瓦的发电容量，若再考虑供热、制冷及减少的输变电损耗，则可相当于增加2～3亿千瓦的发电装机容量。分布式发电对电网的辅助性服务分布式发电的适用场合分布式发电系统的运行模式：－独立运行多用于大电网覆盖不到的边远地区、农牧区。－联网运行多用于电网中负荷快速增长的区域和某些重要的负荷区域（工厂、医院等），分布式电源与公用电网共同向负荷供电。联网运行将是分布式发电系统未来发展的主要方向。§10.2分布式电源与储能§10.2.1

新能源分布式电源分布式电源就是分散的小规模电源，容量<50MW，包括：(1)天然气分布式能源，主要是热电联产和冷热电联产等。(2)可再生能源分布式发电，主要包括小型水能、太阳能、风能、生物质能、地热能等。(3)废弃资源综合利用，涵盖工业余压、余热、废弃可燃性气体发电和城市垃圾、污泥发电等。常利用基于可再生能源的分布式电源。此外，微型燃气轮机应用广泛——热电联产机组微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，是以天然气、汽油、柴油等为燃料的超小型燃气轮机。微型燃气轮机体积小，重量轻，功率20～500千瓦。成本高于相同功率的柴油发电机组，但维护费用低廉，总体运行费用更低。§10.2.1

新能源分布式电源微型燃气轮机发电的工作原理图§10.2.2分布式发电的储能装置由于自然资源的特性，可再生能源用于发电时其功率输出具有明显的间歇性和波动性，其变化甚是可能是随机的，容易对电网产生冲击，严重时会引发电网事故。为充分利用可再生能源并保障其供电可靠性，就要对这种难以准确预测的能量变化进行及时的控制和抑制。储能装置，就是用来解决这一问题。§10.2.2.1常用的储能技术（1）蓄电池储能蓄电池储能系统由蓄电池、逆变器、控制装置、辅助设备（安全、环境保护设备）等部分组成。可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。性价比很高的铅酸蓄电池最适合应用于分布式发电系统。传统的蓄电池存在初次投资高、寿命短、环境污染等问题。（2）超导储能核心部件是由超导材料制成的超导线圈。通入直流电，线圈中就会形成强磁场，

把电能以磁场能的形式储存起来。由于超导体的电阻几乎为零，电流在超导线圈中循环时产生的功率损耗很小，因而储存的能量不易流失。在外部需要能量时，可以把储存的能量送回电网或实现其它用途。§10.2.2.1常用的储能技术超导特性一般需要在很低的温度下才能维持。一旦温度升高，超导体就变为一般的导体，电流流过时将产生很大的功率损耗，储能的效果也就不复存在了。一般将超导线圈浸泡在温度极低的液体（液氢等），然后封闭在容器中。因此，超导储能系统除了核心部件超导线圈以外，还包括冷却系统、密封容器以及用于控制的电子装置。（2）超导储能§10.2.2.1常用的储能技术是一种机械储能方式。1970s就有了利用高速旋转的飞轮来储存能量，并应用于电动汽车的构想。由于飞轮材料和轴承等关键技术一直没有解决而停滞，1990s以来，高强度的碳纤维材料、低损耗磁悬浮轴承、电力电子学三方面的技术发展，飞轮储能得到快速发展。（3）飞轮储能§10.2.2.1常用的储能技术飞轮储能系统结构图§10.2.2.1常用的储能技术（4）水制氢储能这种储能系统需与燃料电池联合应用。在系统运行过程中，当负荷减小或发电容量增加时，将多余的电能用来电解水，使氢和氧分离，作为燃料电池的燃料送入燃料电池中存储起来；当负荷增加或发电容量不足时，使存储在燃料电池中的氢和氧进行化学反应直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。(详见本书的第9章)§10.2.2.1常用的储能技术（5）超级电容器储能双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来储存能量。这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。法拉第准电容是以准电容-准电容为主要机制，在正极和负极表面分别以金属氧化物的氧化/还原反应为基础或以有机半导体聚合物表面掺杂不同电荷的离子为基础，产生与电极充电电位有关的电容。容量是相同面积双电层电容的10～100倍。§10.2.2.1常用的储能技术（5）超级电容器储能根据电化学电容器的结构及电极上发生反应的不同，超级电容器又可分为对称型和非对称型。如果两个电极的组成相同且电极反应相同，反应方向相反，则被称为对称型；反之则被称为非对称型。非对称型电容器具有比常规电容器更高的比能量和比二次电池更高的比功率。近年来开发出的一种新型的电容器——混合型超级电容器，一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量。其充放电速度、功率密度、内阻、循环寿命等性能主要由电池电极决定。§10.2.2.2储能装置在分布式系统中的作用（1）平衡发电量和用电量（2）充当备用或应急电源某些分布式电源受自然条件影响而减少甚至不能供电时，储能系统就像备用电源，可临时维持供电。此外，基于系统安全性的考虑，分布式发电系统也可以保存一定数量的电能，用以应付突发事件。（3）改善分布式系统的可控性储能系统可调节分布式系统与大电网的能量交换，将难以准确预测和控制的分布式电源，整合为能够按计划输出电能的系统，使其成为可以调度的发电单元，从而减轻对大电网的影响，提高大电网对分布式电源的接受程度。（4）提供辅助服务通过功率波动的抑制和快速的能量吞吐，可明显改善分布式发电系统的电能质量。增强了分布式发电系统可控性，在用电高峰时分担负荷，在发生局部故障时提供紧急功率支持，等等。可见，储能装置在分布式发电系统中是非常重要的。§10.3分布式供电系统和微电网§10.3.1分布式供电系统构成分布式供电系统包含很多分散在各处的分布式电源，种类也往往不只一种，再加上储能装置和附近用电的负荷，其结构可能也相当复杂。§10.3.1分布式供电系统构成分布式供电系统一般由分布式电源、储能设备、分布式供电网络及控制中心和附近的用电负荷构成，如果与公共电网联网运行还包括并网接口。§10.3.1分布式供电系统构成目前，世界上有许多国家或国际组织都在制订关于分布式电源的并网标准，例如IEEE的P1547、加拿大C22.3NO.9、德国中压和低压并网指南、我国Q/GDW480—2010标准等。其中德国的中低压并网标准对DR系统的有功功率控制也进行了详细规定。我国Q/GDW480—2010标准规定分布式电源总容量原则上不宜超过上一级变压器供电区域内最大负荷的25%；分布式电源并网点的短路电流与分布式电源额定电流之比不宜低于10；200kW及以下分布式电源宜接入380V电压等级电网，200kW以上分布式电源宜接入10kV（6kV）及以上电压等级电网。微电网是能够独立运行或者作为一个整体与公共电网联网的分布式供电系统。将分布式发电系统以微电网的形式接入到公共大电网运行，互为补充和支撑，是发挥其效能的最有效方式。用户所需能量由各种分布式电源、冷热电联供系统和公共电网提供，微电网在满足用户供热和供冷需求的前提下，最终以电能作为统一的能源形式将各种分布式能源加以融合，满足特定的电能质量要求和供电可靠性。§10.3.2微电网微电网可看作大电网中的一个可控单元，而不再是多个分散的电源和负荷。§10.3.2微电网微电网和大电网的连接处，称为公共连接点。微电网模式控制器，可实现

并网运行与独立运行

的转换。§10.3.2微电网基于我国的实际情况，我国微电网建设可以分为以下几种类型：（1）城市微电网。我国城市微电网可以依托居民小区、宾馆、医院、商场及办公楼等进行建设，主要以提高供电可靠性和电能质量为目标。城市微电网可以在经济发达地区优先发展。（2）企业微电网一般在中压配电网等级，容量较大，常见于石化、钢铁等大型企业，一般分布在城市的郊区。这类微电网主要满足企业对供电安全性和可靠性的较高要求，同时通过能源的综合利用提高企业的能源利用效率，降低成本，提高效益。（3）偏远农村微电网主要建设在草原、山区等电力需求较低的偏远地区，将传统电力系统延伸到这类地区需要很大的成本。这类微电网以孤岛运行为主，主要靠本地分布式电源提供电能，能够有效解决偏远地区的供电难题。在微电网系统中，孤岛运行和并网运行是两种基本的运行模式。为了更好地发挥分布式发电的优势，应采用一定的控制策略实现微电网孤岛和并网的平稳运行及两者之间的平稳转换。当大电网发生故障并不能立即恢复时，微电网转入孤岛运行，从而保证部分重要负荷的不间断供电，此时对重要负荷的可靠供电放在首要地位，而对于非重要负荷和微网运行的经济优化等放在次要地位，必要时切除或断开非重要负荷以维持微电网中的能量平衡；当故障解除时，通过适当的控制，使微电网重新并网运行。§10.3.3微电网的运行控制§10.3.3微电网的运行控制基于逆变器侧的孤岛检测方法可分为被动检测和主动检测两大类。被动检测是直接监测选定的公共耦合点PCC的参数（电压、频率、谐波等），同时控制逆变器在一定条件下停止并网运行。被动检测法包括过/欠电压、高/低频率保护电路法，电压谐波检测法，电压相位突变法等。主动检测法是指在逆变器控制信号中加入相应的扰动，当电网正常工作时，由于电网的平衡作用，扰动信号几乎不起作用；若出现孤岛，扰动信号的存在会破坏系统的平衡，使得电压、频率等出现明显的变化，如果变化超出所规定的阈值范围，则可检测出孤岛。主动检测法包括功率扰动法，频率扰动法，相位偏移法等。§10.3.3微电网的运行控制微电网并网运行时，微电网内部的各个分布式电源只需控制功率输出以保证微电网内部的功率平衡，而电压和频率由大电网来支持和调节，此时的逆变器可以采用恒功率（PQ）控制方法。§10.3.3微电网的运行控制当微电网孤岛运行时，与大电网的连接断开。此时，需由一个或几个分布式电源来维持微电网的电压和频率。由一个逆变型分布式电源执行恒压恒频（Vf）控制调节微电网频率和电压的情况构成主从结构的微电网；由多个逆变型分布式电源执行下垂（Droop）控制共同调节微电网频率和电压的情况构成对等结构的微电网。其余分布式电源逆变器仍然采用PQ控制方法。近年来，在对等结构微电网的基础上，人们又提出了结构更复杂的微电网分层控制结构（也称多代理控制），由控制器（MGCC）对微电网进行统一的协调控制，并负责微电网与大电网之间的通信与协调；微电源控制器（MC）和负荷控制器（LC）从属于MGCC，分别控制具体的微电源和负荷。1970s就有了分布式电源的概念，美国公共事业管理政策法公布后，正式得以推广，并很快被其它国家接受。“9·11”后，出于对供电安全的考虑，美国等加快分布式供电系统研究和建设的步伐，在很多国家已颇具规模。目前分布式电源站美国有6000多座；英国有1000多座；日本有近5000家，总容量超过600万千瓦。2006年欧盟国家的分布式供电系统达到1.5万个左右。2015年，风能和光伏电力的增长速度在美国能源增速中跃居首位，对美国新增发电能力的贡献达三分之二。分布式发电为减小碳排放量作出了巨大贡献。分布式发电的发展应用分布式发电的发展应用欧盟国家的分布式发电以太阳能光伏、风能和热电联产为主。欧洲风电的发展侧重于分散接入。经有关机构评估表明，仅分布式热电联产就能完成1/3的欧盟节能目标，每年可减少CO2排放1亿吨。日本的分布式发电以热电联产和太阳能光伏发电为主。2006年，热电联产装机容量达到870万千瓦，占日本电力装机4%。光伏分布式发电应用广泛，不仅用于公园、学校、医院、展览馆等公用设施，还开展了居民住宅屋顶光电的应用示范工程。丹麦是世界上能源利用效率最高的国家，80％以上的区域供热能源采用热电联产方式产生。丹麦分布式发电量超过全部发电量的50％。上海、北京、广州等大城市，10多年前就尝试分布式供电，已有成功范例(参见教材)。2005年，我国首个分布式电力技术集成工程中心落户广州，标志着我国分布式供电技术进入实质性发展阶段。截至2013年年底，国家电网公司已经受理2459户、252万千瓦分布式能源并网申请，其中光伏2403户、239万千瓦；生物质、风电、天然气等其他类型56户、13万千瓦。冷热电三联供技术应用最广泛，发展前景较好，我国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂等，都有供电、供暖及制冷需求，而且很多地方配有自备发电设备，这些都为冷热电三联供提供了市场。分布式发电的发展应用§10.6分布式发电工程实例（参见教材P191）国网山东电科院——新能源分布式发电及微电网实验示范工程（风、光、储、辅为一体的多能互补微电网工程，总容量接近500kW）国网山东青岛——国内首个正式并网的居民分布式光伏电源——徐鹏飞的家庭小“发电厂”（总容量2kW）,发电收益超过了其家庭同期使用的电网公司电量的支出，实现了用电、卖电的收支平衡，意味其个人光伏电站开始盈利。美国海上能源岛（容量250MW）第一部分小结分布式能源供电：某些中小型发电装置靠近用户侧安装，它既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可将其并入电力系统低压配电网，与公共电网一起共同为用户提供电能。将分布式发电供能系统以微电网形式接入到大电网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。分布式发电要想在电网中发挥更大的作用还面临很多挑战，需要在很多方面取得突破。本课程配套教材：《新能源发电技术》朱永强赵红月，

机械工业出版社“十三五”国家重点出版物出版规划项目卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材第10讲分布式发电与能源互补第二部分互补发电新能源发电技术有多样性，而且其变化规律不同，在大电网难以到达的边远地区或隐蔽山区，一般可多种电源联合运行，让各种发电方式在一个系统内互为补充，通过其协调配合来提供稳定可靠的、电能质量合格的电力，这种多种电源联合运行的方式，就称为互补发电。既提高可再生能源的可靠性，也可提高能源的综合利用率。§10.1分布式与互补发电概述§10.1.3互补发电的概念§10.1.4

互补发电的特点（1）可再生能源既可充分发挥优势，又能克服本身不足。取自天然、分布广泛、清洁环保等优点仍能体现，季节性、气候性变动造成的能量波动，可以改善。（2）对多种能源协调利用，可提高能源的综合利用率。（3）电源供电质量的提高，对补偿设备的要求降低。单一发电，波动和间歇明显，需大量储能或补偿装置；互补运行，间歇性和波动性已通过相互抵消而大大削弱，储能或功率补偿要求都明显降低。§10.1.4互补发电的特点（4）合理的布局和配置，可充分利用土地和空间。可在有限的面积和空间内最大限度地获取能源。获取相同能量，需占用的土地和空间可大大减少。（5）共用送变电设备和人员，可降低成本，提高运行效率。多个分散电源统一输配和集中管理，可共用设备和人员，减少建设和运行成本。总的发电能力增加，可降低平均运行维护成本。§10.4风能－太阳能互补发电§10.4.1风-光互补的基础我国属季风气候区，很多地区风能和太阳能有天然的季节互补性，太阳能夏季大、冬季小，而风能夏季小、冬季大，适合采用风-光互补发电系统。在一些边远农村地区，风能资源丰富，且太阳能资源充足，联合发电运行是解决供电问题的有效途径。风－光互补发电系统应根据用电情况和资源条件进行容量的合理配置，可以共用储能装置和供电线路等，在保证系统供电可靠性的同时，还能减少占地，降低成本。§10.4.2风-光互补发电系统的结构和配置风－光互补发电系统，一般由风电机组、光伏电池组、储能装置、电力变换装置、直流母线及控制器等部分构成，向各种直流或交流用电负载供电。风－光互补发电系统的发电和储能配置，应考虑： —负荷的用电量及其变化规律； －蓄电池的能量损失和使用寿命； －太阳能和风能的资源情况。根据风力和阳光的变化情况，有三种可能的运行模式：

风电机组单独向负载供电；

光伏电池单独向负载供电；

风电机组和光伏电池联合向负载供电。§10.4.3

风－光互补发电系统的应用与单独风电或光伏相比，风光互补发电有以下优点：－利用资源的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；－保证同样供电时，可大大减少储能蓄电池的容量；－很少或基本不用启动备用电源（如柴油机发电机组）等，可获得较好的社会效益和经济效益。风－光互补是对二者的综合利用，对太阳能和风资源要求都低一些，受自然条件的限制较少，应用地域范围更广。典型实例中国之最：第一个并网的风－光互补发电系统实例2：叶贡多寄宿小学的风－光互补发电系统实例3：西藏单机容量最大的风-光互补发电站小容量的风－光互补式路灯2007年，江苏省常州市蔷薇园起用“风－光互补发电系统”。§10.5其它互补发电系统§10.5.1风能－水力互补发电“三北”等内陆风区，多为冬春风大、夏秋风小，

与夏秋丰水、冬春枯水的水资源正好互补。－可避免在枯水季节水力发电量不足的问题；－可通过共用输配电设备节省建设投资；－是比较经济有效的大规模利用方式。风-水互补发电特点§10.5.2风电或光伏-柴油机互补应用

目前，在很多边远或孤立地区，柴油发电机组是提供必要生活和生产用电的常用发电设备。柴油价格高，运输不便，有时还供应紧张，因而柴油机发电的成本很高，往往还不能保证电力供应的可靠性。在这些边远地区，尤其是高山和海岛，往往太阳能和风能资源比较丰富，可以因地制宜地实现与柴油机联合发电运行。风－柴互补系统的优点－投资回报率高，节油效果明显(30%以上)－规模小，见效快－