新能源分布式發(fā)電的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1、大眾用電2009/43新能源分布式發(fā)電的應(yīng)用研究現(xiàn)狀專(zhuān)稿Special Topic近年來(lái),我國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng),電力消費(fèi)能源在一次能源中的比重占41.72%,但仍不能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的用電需求,給環(huán)境也帶來(lái)嚴(yán)重污染。在2008年雪災(zāi)中,由于我國(guó)用電以煤炭為主,雪災(zāi)封路后煤炭等燃料運(yùn)輸不便,能源供應(yīng)需求緊張,部分發(fā)電機(jī)組被迫停產(chǎn),大量輸電鐵塔因覆冰太厚而倒塌,最終導(dǎo)致部分城市電網(wǎng)癱瘓,使國(guó)家電網(wǎng)直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)104.5億元。而且目前供電系統(tǒng)是以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓為主要特征的集中式單一供電系統(tǒng),由于大電網(wǎng)中任何一點(diǎn)的故障所產(chǎn)生的擾動(dòng)都會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成較大影響,嚴(yán)重時(shí)可能引起大面積停

2、電甚至是全網(wǎng)崩潰,另外集中式大電網(wǎng)還不能跟蹤電力負(fù)荷的變化,而為短暫的峰荷建造發(fā)電廠(chǎng)其花費(fèi)是巨大的,經(jīng)濟(jì)效益也非常低,所以電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著新的思路。分布式發(fā)電這種環(huán)保、高效、靈活的發(fā)電方式目前已經(jīng)被世界各國(guó)所重視,成為21世紀(jì)電力系統(tǒng)重要的研究方向,分布式電源與區(qū)域網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。分布式發(fā)電既可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)和用戶(hù)的特定要求,如削峰;又可以提供傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無(wú)可比擬的可靠性和和經(jīng)濟(jì)性。1分布式發(fā)電技術(shù)分布式發(fā)電(Distributed Generation ,DG 是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式供電方式而言,通常指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50千瓦,小型模塊化且分散布置在用戶(hù)附近的高效、可靠

3、的發(fā)電技術(shù)。從更廣泛的定義來(lái)看,分布式發(fā)電指的是任何安裝在用戶(hù)附近的發(fā)電設(shè)施,包含熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)以及各種蓄能技術(shù)等,而不論這種發(fā)電形式的規(guī)模大小和一次能源的使用類(lèi)型。1.1分布式電源種類(lèi)分布式電源包括功率較小內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨?、可再生能源如太?yáng)能發(fā)電的光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電等。燃料電池的工作原理是富含氫的燃料(如天然氣、甲醇與空氣中的氧氣結(jié)合生成水,氫氧離子的定向移動(dòng)在外電路形成電流,類(lèi)似于電解水的逆過(guò)程,它并不燃燒燃料,而是通過(guò)電化學(xué)的過(guò)程將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。通常,燃料電池發(fā)電廠(chǎng)主要由3部分組成:燃料處理部分、電池反應(yīng)堆部分、電力電子換流控制部分。目前已研究開(kāi)發(fā)

4、了5種燃料電池:聚合電解質(zhì)膜電池(PEM 、堿性燃料電池(AFC 、磷酸型燃料電池(PAFC 、固體電解質(zhì)燃料電池(SOFC 和熔融碳酸鹽燃料電池(SOFC ,其中PAFC 是目前技術(shù)成熟且已商業(yè)化的燃料電池。燃料電池具有巨大的潛在優(yōu)點(diǎn):(1其副產(chǎn)品是熱水和少量的二氧化碳,通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能,燃料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電效率的2倍;(2排廢量小(幾乎為零、清潔無(wú)污染、噪音低;(3安裝周期短、安裝位置靈活,可以省去配電系統(tǒng)的建設(shè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能量轉(zhuǎn)換角度分成2部分:風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)速作用在風(fēng)力機(jī)的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)齒輪箱高速軸、剎車(chē)盤(pán)和聯(lián)軸器再

5、與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相聯(lián),從而發(fā)電運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在新能源領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐漸接近清潔煤發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電形式可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的主要形式,也是近幾年來(lái)風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電通常有多臺(tái)容量較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群,稱(chēng)其為風(fēng)電場(chǎng)。因此風(fēng)電場(chǎng)具有機(jī)組大型化(50kW 2MW 、集中安裝和控制的特點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)的主設(shè)備為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器升壓與電力系統(tǒng)相連。微型燃?xì)廨啓C(jī)是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型氣輪機(jī),其發(fā)電效率可達(dá)30%,如實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn),效率可提高到75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行

6、維護(hù)簡(jiǎn)單,它是目前最成熟、最具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式發(fā)電電源。與現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)相比,微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率較低,滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率為30%,半負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率為10%15%。若實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn),效率可提高到75%。光伏電池是將可再生的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)欄目編輯/伍宗輝許珊珊聶繼飛Special Topic 專(zhuān)稿電裝置。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術(shù)條件的限制,如投資成本高、系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)性等,但由于它利用的是可再生的太陽(yáng)能,因此其前景依然被看好。生物質(zhì)能來(lái)源于生物質(zhì)。生物質(zhì)能發(fā)電是首先將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的能量形式(如燃?xì)?、燃油、酒精?再按照通用的發(fā)電技術(shù)發(fā)電。1.2分布式發(fā)電的特點(diǎn)分布

7、式發(fā)電由于在效率、靈活、能源多樣化、環(huán)保、節(jié)能等多方面的優(yōu)越性,加上電力市場(chǎng)化的快速發(fā)展,獲得廣泛的關(guān)注,給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了大電網(wǎng)在穩(wěn)定性方面的不足。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可以提供緊急供電支持,既保證重要用戶(hù)供電,又可防止系統(tǒng)事故擴(kuò)大。不僅增加電網(wǎng)機(jī)動(dòng)性,而且改善電能質(zhì)量,提高供電可靠性。不需要建設(shè)配電站,不需要架設(shè)長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路,建設(shè)成本較低,并避免投運(yùn)后增加輸配電成本,同時(shí)大大降低了輸電損耗。分布式供電的環(huán)保性能優(yōu)良,其能源利用率高,可達(dá)65%95%(傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的發(fā)電效率為40%左右。分布式電源投資小、占地少,建設(shè)周期短,有利于在較短時(shí)間內(nèi)解決電力短缺問(wèn)題。另外,分布式電源

8、能夠同時(shí)提供熱、電、冷三種能源,并且可以根據(jù)用戶(hù)的特定要求,提供不同溫度等級(jí)的熱量和冷氣。2分布式發(fā)電中的儲(chǔ)能技術(shù)2.1儲(chǔ)能技術(shù)的作用(1能夠改善電能質(zhì)量,維持系統(tǒng)穩(wěn)定。例如在風(fēng)力發(fā)電中,風(fēng)速的變化會(huì)使原動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率發(fā)生變化,從而使發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降。應(yīng)用儲(chǔ)能裝置是改善發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑,同時(shí)增加了分布式發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。可靠的分布式發(fā)電單元與儲(chǔ)能裝置的結(jié)合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段之一。在分布式發(fā)電裝置不能正常工作時(shí)向用戶(hù)提供備用電力。在一些特殊情況下,如太陽(yáng)能發(fā)電的夜間,風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)時(shí),儲(chǔ)能裝置

9、能夠起到過(guò)渡的作用,持續(xù)向用戶(hù)供電。(2提高分布式發(fā)電單元擁有者的經(jīng)濟(jì)效益。在電力市場(chǎng)的環(huán)境下,分布式發(fā)電單元與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,有了足夠的儲(chǔ)存電力,分布式發(fā)電單元成為可調(diào)度的機(jī)組單元,發(fā)電單元擁有者可以根據(jù)不同情況向電力公司賣(mài)電,提供調(diào)峰和緊急功率支持等服務(wù),獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。2.2各種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式,利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量。由于飛輪材料和軸承問(wèn)題等關(guān)鍵技術(shù)一直沒(méi)有解決而停滯不前,20世紀(jì)90年代以來(lái),由于高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承、電力電子學(xué)三方面技術(shù)的發(fā)展,飛輪儲(chǔ)能器才得以重提,并且得到了快速的發(fā)展。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)利用由超導(dǎo)線(xiàn)制成的線(xiàn)圈,將電網(wǎng)供

10、電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái),在需要時(shí)再將儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)或作它用。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池、直超級(jí)電容器使用特殊材料制作電極和電解質(zhì),這種電容器的存儲(chǔ)容量是普通電容器的201000倍,同時(shí)又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量速度快的特點(diǎn)。根據(jù)儲(chǔ)能原理的不同,可以把超級(jí)電容器分為2類(lèi):雙電層電容器和電化學(xué)電容器。除了上述的幾種儲(chǔ)能方式外,在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多的儲(chǔ)能方式還有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。抽水蓄能在現(xiàn)代電網(wǎng)中大多用來(lái)調(diào)峰,在集中式發(fā)電中應(yīng)用較多。壓縮空氣儲(chǔ)能不是像蓄電池儲(chǔ)能那樣的簡(jiǎn)單儲(chǔ)能系統(tǒng),它是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠(chǎng),對(duì)于同樣的電力輸出,它所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%。3分布式發(fā)電對(duì)電

11、力系統(tǒng)的影響分布式發(fā)電接入配電系統(tǒng)(見(jiàn)附圖使得原有的配電系統(tǒng)由一個(gè)輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)高度交叉聯(lián)結(jié)的遍布電源和用戶(hù)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生極大的影響。3.1分布式發(fā)電電源位置和容量的確定分布式發(fā)電的電源位置和容量的確定是設(shè)計(jì)一個(gè)分布式系統(tǒng)不可缺少的前提條件,可根據(jù)客戶(hù)終端所需的容量和所處環(huán)境的地理位置,綜合考慮各種衡量指標(biāo),確欄目編輯/伍宗輝交流負(fù)載電能分配直流負(fù)載DG控制DG監(jiān)視測(cè)量調(diào)度控制DG電能轉(zhuǎn)換/調(diào)整當(dāng)?shù)谽PS保護(hù)繼電器并聯(lián)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電網(wǎng)地區(qū)保護(hù)繼電器測(cè)量?jī)x表附圖分布式電源與電網(wǎng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖大眾用電2009/44大眾用電2009/45欄目編輯/伍宗輝定所要采用的發(fā)電方式。發(fā)電容量不

12、僅要滿(mǎn)足負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)所需的能量,并對(duì)突發(fā)事件要有一定的承受能力,可以采用灰色關(guān)聯(lián)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等技術(shù),建立精確負(fù)荷模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。分布式發(fā)電電源的位置不僅要考慮周邊的能源、交通運(yùn)輸、地理環(huán)境等因素,還要考慮其布置合理、使線(xiàn)路損耗盡可能小,從而改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性。同時(shí)分布式發(fā)電的出現(xiàn)會(huì)使電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃和運(yùn)行與過(guò)去相比有更大的不確定性。由于分布式發(fā)電的分散性,使得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)負(fù)荷的增長(zhǎng)情況更加困難,從而影響后續(xù)規(guī)劃。另外規(guī)劃時(shí)最優(yōu)化工具必須能夠準(zhǔn)確評(píng)估分布式發(fā)電對(duì)所在電網(wǎng)的影響,給出分布式發(fā)電的最優(yōu)位置和規(guī)模,使得分布式發(fā)電在電網(wǎng)中的逐步滲透過(guò)程不會(huì)破壞電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)

13、濟(jì)性。其次,配電網(wǎng)規(guī)劃中若出現(xiàn)許多發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn),使得在所有可能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中尋找到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)布置方案(即可以使建造成本、維護(hù)成本和電能損耗最小的方案更加困難。3.2分布式發(fā)電引發(fā)系統(tǒng)潮流、電能質(zhì)量和運(yùn)行可靠性的問(wèn)題分布式發(fā)電的出現(xiàn),改變了配電系統(tǒng)潮流的單向模式并使得潮流無(wú)法預(yù)測(cè),這種非常規(guī)的潮流模式會(huì)產(chǎn)生多方面的影響,潮流的改變使得電壓調(diào)整很難維持,還會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓調(diào)整設(shè)備,如有載調(diào)壓變壓器、開(kāi)關(guān)電容器組出現(xiàn)異常響應(yīng),而且如果從分布式發(fā)電流向變電所的潮流足夠大時(shí)分布式發(fā)電附近的設(shè)備可能會(huì)過(guò)負(fù)荷,從而影響系統(tǒng)供電可靠性。分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性影響是多方面的,既有積極的一面,也有消極的一面。

14、分布式發(fā)電并網(wǎng)后還會(huì)對(duì)電網(wǎng)提供給其他用戶(hù)的電能質(zhì)量產(chǎn)生潛在的影響,這些電能質(zhì)量問(wèn)題可以概括為電壓調(diào)整、電壓閃變、電壓不平衡、諧波畸變和直流注入等幾方面。3.3短路電流、繼電保護(hù)問(wèn)題在很多情況下分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)側(cè)裝有逆功率繼電器,正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)向電網(wǎng)注入功率,但當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),短路瞬間會(huì)有分布式發(fā)電的電流注入電網(wǎng),增加了配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)的短路電流水平,可能使配電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)短路電流超標(biāo)。因此,大功率分布式發(fā)電接入電網(wǎng)時(shí),必須事先進(jìn)行電網(wǎng)分析和計(jì)算,以確定分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)短路電流水平的影響程度。分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)后,輻射式的網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)楸椴茧娫磁c用戶(hù)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),潮流也不再單向地從變電站母線(xiàn)流向各

15、負(fù)荷。配電網(wǎng)的根本性的變化使得各種保護(hù)定值與機(jī)理發(fā)生了深刻變化。配電網(wǎng)潮流的不確定性,將會(huì)給電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置和動(dòng)作整定帶來(lái)一定的難度。傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)是在假定配電網(wǎng)是在放射狀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,隨著分布式發(fā)電在配電網(wǎng)的滲透,保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就發(fā)生了改變。所以,隨著分布式發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛,有必要調(diào)整配電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng),研究分布式發(fā)電的接入容量、位置對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)配合的影響。3.4分布式發(fā)電具有提供輔助性服務(wù)的能力分布式發(fā)電在一些特定的條件下,可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)保持電壓穩(wěn)定,取代自動(dòng)測(cè)量調(diào)整裝置實(shí)現(xiàn)功率損耗的追蹤,進(jìn)行頻率控制,防止失步,靈活的調(diào)節(jié)輸出以滿(mǎn)足負(fù)荷的變化,代替電力系統(tǒng)穩(wěn)定器,以及實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)

16、制動(dòng)等一些輔助性的功能。分布式發(fā)電的這些輔助性功能的實(shí)現(xiàn),將會(huì)取代大量的電力系統(tǒng)輔助設(shè)備,給電網(wǎng)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。4分布式發(fā)電的未來(lái)研究方向分布式發(fā)電作為國(guó)際上電力系統(tǒng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域,其研究的重點(diǎn)集中在分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響。(1現(xiàn)有分布式發(fā)電技術(shù)的完善和新型技術(shù)的研發(fā),如開(kāi)發(fā)新的電解質(zhì)材料和催化劑,提高燃料電池的性能、使用壽命、性能價(jià)格比等。(2采用新的算法(如遺傳算法等建立分布式發(fā)電的等值模型,研究分布式發(fā)電的極限功率及其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響,研究分布式電源故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)的影響及相應(yīng)的控制策略。(3通過(guò)負(fù)荷灰色預(yù)測(cè)技術(shù)、專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)測(cè)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)技術(shù)及小波分析預(yù)測(cè)技術(shù)建立精確的隨機(jī)性負(fù)荷模型,從而建立分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)。(4以分布式發(fā)電的發(fā)電量預(yù)報(bào)為基礎(chǔ),從隨機(jī)最優(yōu)控制原理出發(fā),結(jié)合智能控制(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法及現(xiàn)代控制理論,建立分布式發(fā)電的自動(dòng)發(fā)電的隨機(jī)最優(yōu)控制模型及電壓、頻率隨機(jī)自適應(yīng)控制模型。(5基于全球定位系統(tǒng)(GPS 技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理(DSP 技術(shù)以及電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)含有分布式發(fā)電的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、靈活跟蹤和調(diào)度控制。(6建立新型電力公司與用戶(hù)的關(guān)系體系,妥