分布式发电概述

分布式发电概述1.1分布式电源的概念分布式发电作为电力行业的第二次物质革命展现在世人面前，但国内外对分布式发电的具体含义仍没有准确的定义，甚至各国的叫法也大不相同：在英国，称为嵌入式发电(EmbeddedGeneration)；在北美，称为分散式发电(DispersedGeneration)；在欧洲和亚洲的部分国家，叫做非集中式发电(DecentralizedGeneration)。分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至几十兆瓦之间的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的，可作为备用发电容量、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，分布式发电还可以起到电压自动调节、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[36]。与远离负荷中心依靠远距离输配的传统电源相比，DG具有如下特点[37]：(1)提高电网的可靠性。DG可作为备用电源为要求不间断供电的用户提供电能，当大电网发生故障时，可通过启动断开装置使DG与电网断开，由DG独立为用户供电。(2)缓解能源危机，保护环境。现阶段燃煤发电仍是主要的发电手段，燃煤发电不仅消耗能源，而且环境污染较大，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)，更加环保，还减少了对能源的依赖。(3)投资少，安装和运营具有更高的灵活性。由于容量及体积均较小，因此易于找到合适的安装地点，可以方便地为边远贫困地区供电。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，有灵活的负荷调节能力。(4)经济性。由于DG可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的阶梯利用，从而可提高能源的利用效率(达70%-90%)，此外还可降低初期投资的费用和网损。1.2分布式电源的分类目前，分布式发电研究热点之一是可再生能源发电技术，包括水力发电、生物质能发电，这些属于比较成熟的技术，而风力发电、光伏发电、太阳能发电、地热及海洋能发电等都属于新兴的发电技术。对于使用燃料的分布式发电技术、燃料电池和微型燃气轮机是目前关注的焦点。下面介绍几种分布式发电方式。(1)风力发电风力发电技术资源分布广泛，技术成熟，是近年来发展应用最广的发电技术。风能作为一种清洁的可再生能源，其蕴量巨大，全球的风能约为1.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。世界风力发电总装机容量以每年20%～30%的速度增加。2007年全球风电新装机容量约为2000万千瓦，累计装机9400万千瓦。2008年，风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。欧洲和美国在风电市场中占统治地位，其中德国是目前风电装机最多的国家，装机容量超过2000万千瓦。“十五”期间，中国的并网风电也得到了迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到2600兆瓦，成为继欧美和印度之后发展风力发电的主要市场之一。到2008年，我国也已建成了250多个风电场，新增风电装机容量达到7190兆瓦，新增装机容量增长率达到108%，累计装机容量跃过13000兆瓦大关。风力发电主要有两类运行方式[38]：一类是独立运行供电系统，即在电网未通达的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，在通过逆变器转换成交流电向终端电器供电，单机容量一般约为100W～10kW；或者采用中型风电机组与柴油发电机或太阳能光电池组成混合供电系统，系统容量一般约为10～200kW，可解决规模较小的社区用电问题。另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方式，机组单机容量范围在200～2500kW之间，既可单独并网，也可以有多台，甚至成百上千台组成风力发电场。风力发电主要是通过原动机(风力机)捕获风能，并将其转化为机械能，然后再由发电机将机械能转化为电能，最后并网运行。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机一般分为鼠笼式异步发电机、转差可调的绕线式异步发电机、双馈异步发电机、低速同步发电机等。按其并网方式将其分为二类：直接并网和通过逆变器并网。通过逆变器并网的风力发电机由于逆变器的自身特性，不可能承受电网短路电流，所以，通过逆变器并网的风机在系统发生故障时，将会迅速关断，使系统恢复到无DG的状态。(2)光伏发电光伏发电自20世纪50年代第一块太阳电池问世以来，从太空应用到地面独立电源，从屋顶发电到并网电站，经历半个多世纪后，该产业出现了“井喷式”发展。全球太阳电池产量1996～2006年10年间增长22倍，年复合增长率超过36%。2007年国内太阳能电池的产量约为1100MW，而欧洲、日本和美国产量分别为1062MW，920MW，266MW，中国已成为名副其实的太阳能电池产量世界第一。“十一五”期间，我国在屋顶光伏发电系统方面[39]，以2008年奥运会国家体育场鸟巢226.8KW光伏并网发电系统、国家体育馆101.5KW以及五棵松体育馆100KW光伏并网发电系统最具代表性，备受关注的上海世博会3MW屋顶光伏并网发电系统目前也已投入使用。在大型光伏并网电站的建设上，以甘肃敦煌10MW、云南昆明石林166MW以及青海柴达木盆地拟建设的GW级光伏并网电站最具代表性和期盼性。光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电方式，光伏发电系统通常是由由光伏电池板、能量优化控制器、电能存储及逆变器等环节构成的发电与电能变换系统。光伏系统一般分为两大类[40]：独立发电系统和并网发电系统。独立发电系一般是指供用户单独使用的光伏发电系统，包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网发电系统是指与电网系统相连的光伏系统，产生的电能可以输入电网，可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电[41,42]。带有蓄电池的光伏并网发电系统通常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。热电联产与冷热电三联产热电联产(CombinedheatandPower，简写为CHP)是指热能与电能的联合生产。CHP系统已在能源密集工业如造纸、纸浆和石油等行业应用了一百多年，满足了这些行业对于蒸汽和电力的需求。生产电能的动力装置的排热与余热用于工业生产供热与冬季采暖，使不同品质的能量得到阶梯利用。燃煤热电联产为的能源利用率达到70%以上，而即便当今世界上最高效率的燃煤发电产厂，也只有50%的效率。为进一步提高能源利用效率，在热电联产的基础上，发展起来了通过锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电的冷热电三联产技术，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽[43]，生产C冷水用于空调或工艺冷却，便于减少冷凝损失、降低煤耗、提高能源利用率。(4)微型燃气轮机发电微型燃气轮机起源于20世纪60年代，是单机功率为25～300千瓦的小功率燃气轮机，它能利用天然气、沼气、汽油、柴油及烷类气体等多种燃料。先进的微型燃气轮机发电技术不仅采用了可调节烟气回热燃烧技术，还采用了空气轴承、永磁发电机、晶体管变频、智能化程序控制等技术。微型燃气轮机发电技术己在欧美及日本等国获得应用。在美国，卡普斯顿公司已制造出65千瓦级微型燃气轮机发电装置，发电效率达到26%，年产量1万台；霍尼威尔公司开发成功了75千瓦级的发电设备，发电效率为28.5%。日本的多家企业，如东京电力、丰田汽车、三菱重工、出光兴产、东京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美国卡普斯顿公司的技术开发热电并用型系统[44]。微型燃气轮机在我国也已得到广泛的重视与应用。目前，在中科学技术部“863”项目支持下，由中国科学院工程热物理研究所、哈尔滨东安集团、西安交通大学三家单位组成的产学研联合体已经完成100KW级微型燃气轮机的样机[45]设计，并通过了验收，预计在不久的将来推出市场。微型燃气轮机(简称微燃机)是指发电功率在几百千瓦以内的小型热力发动机或动力装置，由径流式叶轮机械、单筒形燃烧室和回热器构成，可分为单轴型和分轴型两种。大多数微型燃气轮机由燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转子转速在50000一120000r/min之间。发电机发出高频交流电，转换成高压直流电后，再转换为60Hz、480V的交流电。微型燃气轮机具有可靠性高、寿命长、噪音低、体积小、污染低、油耗低等一系列优点，是目前应用较为广泛的一种分布式电源。(5)生物质能发电生物质能发电起源于20世纪70年代，自爆发世界性的石油危机后，欧美等国开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行农林业剩余物等生物质发电。国外以高效直接燃烧发电为代表的生物质发电在技术上已经成熟。我国生物质发电也有了三十多年的发展历史，到2006年，我国生物质发电总装机容量约为2000MW，其中蔗渣发电占了近90%，达到1700MW以上，主要是蔗糖厂蔗渣发电。近年来还发展了一大批秸秆直接燃烧发电厂，也取得了良好的社会效益和环境效益。截至2008年8月，我国累计核准农林生物质发电项目130多个，总装机容量约3000MW，已有25个生物质直燃发电项目并网发电。从广义上讲，生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有动植物和微生物等。生物质做蕴含的能量称为生物质能，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种可再生能源。通常来说生物质能资源包括以下几类物质：农作物秸秆和水生植物可作燃料使用的部分、合理采伐的薪柴和木材加工的剩余物、能源植物、人畜粪便、有机废水废渣、城镇垃圾等。生物质能发电[46]有多种方式，其基本工艺流程为：生物质能→预处理→生物质能生产装置→动力机→发电机→发电。目前生物质能发电的主要包括直接燃烧发电、混合燃烧发电、气化发电、沼气发电、垃圾发电等五种形式。直接燃烧发电是指将生物质在锅炉中直接燃烧，生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电，其关键技术包括生物质原料预处理、锅炉防腐、锅炉的原料适用性及燃烧效率、蒸汽轮机效率等技术[47]。生物质的直接燃烧今后将会是我国生物质能利用的主要方式。混合燃烧发电是指将生物质与煤混合作为燃料发电，对生物质原料预处理的要求较高，在技术方面，混合燃烧发电一般是通过改造现有的燃煤电厂实现的，只需在厂内增加储存和加工生物质燃料的设备和系统，同时对原有燃煤锅炉燃烧系统进行适当改造。气化发电技术是指生物质在气化炉中转化为气体燃料，经净化后直接进入燃气机中燃烧发电或者直接进入燃料电池发电。其关键技术之一是燃气净化，气化出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分，焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂质出去，以保证发电设备的正常运行。沼气发电主要是利用工农业或城镇生活中的大量有机废弃物经厌氧发酵处理产生的沼气驱动发电机组发电。其关键技术主要是高效厌氧发酵技术、沼气内燃机和沼液沼渣综合利用技术等。垃圾焚烧发电是利用垃圾在焚烧锅炉中燃烧放出的热量将水加热获得过蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电。(6)燃料电池发电早在1839年W.R.Grove提出了燃料电池的概念，距今已有170多年的历史了。20世纪60年代以后，燃料电池的研究受到越来越多的管住和重视，发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目。20世纪70年代，天津研究所也研制成功了石棉膜型动力排水的航天用氢氧燃料电池系统。在“九五”期间，燃料电池被列入国家重点科技项目攻关计划，加强了研究开发力度。燃料电池[48]是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。在燃料电池中，不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能。燃料电池不同于常见的干电池与蓄电池，它不是能量储存装置，而是一个能量转化装置。一方面，需要不断地向其供应燃料和氧化剂，才能维持连续的发电输出，供应中断，发电过程就结束。另一方面，燃料电池可以连续地对自身供给燃料并不断排出生成物，只要供应不断，就可以连续地输出电力。燃料电池系统主要包括发电系统、燃料重整供应系统、氧气供应系统、水管系统、热管理系统、直流-交流逆变系统、控制系统、安全系统等。1.3分布式电源的运行方式根据不同用户的要求，DG有两种运行方式：并网运行和孤岛运行[49,50]。孤岛运行是指在一些特殊地理位置，由于连接到大电网的成本很高，DG可作为其独立电力供应源；在其他更多情况下，考虑到基于可再生能源的DG出力会受到自然条件的影响，为了提高对用户供电的可靠性，DG应该并入当地配电网络实现对当地负荷的电力补充。由于DG所采用的技术类型不同，发出的电有工频交流电、直流电和高频交流电之分。因此，DG与电力系统相连时，并网方式有直接并网(通过变压器相联)和经逆变器并网两种方式，各种DG的并网方式如表2-1所示。表2-1DG的并网方式Table2-1ThemodeofDGconnectedtopowersystem技术类型输出并网方式小型燃气轮机AC直接并网水力发电AC直接并网太阳能热发电AC直接并网生物质能发电AC直接并网地热发电AC直接并网潮汐发电AC直接并网风力发电AC直接并网/逆变器并网光伏发电DC逆变器并网燃料电池DC逆变器并网1.3.1并网运行方式并网运行方式是指分布式电源通过PCC点与大电网互联，与大电网之间有功率交换，当负荷大于分布式电源发电时，微电网从大电网吸收部分电能，反之，当负荷小于分布式电源发电时，微电网向大电网输出多余电能。分布式发电系统与电力系统之间存在以下四种关系[51]：(1)分布式发电系统独立运行向附近用户供电；(2)分布式发电系统独立运行但与当地电网之间有自动转换装置；(3)分布式发电系统与系统并联运行但对当地电网无输出；(4)分布式发电系统与系统并联运行且对当地电网输出电能。分布式电源的并网系统包括：(1)在分布式电源和电网之间建立起物理联系设备；(2)分布式电源与外界形成电气联系的手段，同时并网可实现分布式电源单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能。图2-1中虚线框内的组件就是实现分布式电源与电网之间联系的并网系统。由图2-1可知一个完整的并网系统可以实现以下功能。图2-1分布式发电并网结构示意图，DR为分布式电源Fig.2-1SchematicdiagramofDGconnectedtopowersystem,DR-distributedgeneration1.3.2孤岛运行方式孤岛运行是指与大电网分开一部分网络独立运行，由一个或多个分布式电源供电。孤岛是一个没有调节控制的电力系统，由于发电和供电之间的不平衡且孤岛电网中没有电压、频率控制，其特性是不可预知的。孤岛运行分为两种[52,53]：计划内孤岛运行和计划外孤岛运行。计划外的孤岛运行是指在大电网发生故障或其电能质量不符合标准情况下，微电网可以以孤岛方式独立运行。在这种方式下，可以保证微电网自身和大电网的正常运行，从而提高供电的可靠性和安全性，此时，微网的负荷全部由分布式电源承担。考虑到经济型，微网可以主动与大电网隔离，独立运行，称为计划内的孤岛运行。1.3.3分布式电源运行标准一些工业发达国家已对DG并网的技术标准进行制定。英国电力协会早在1991年就发布了《G59/1嵌入式发电并入地区配电网的推荐技术标准》；加拿大在2003年7月完成了微电源的发展临时准则，这一准则着重基于逆变器的微电源；