分布式發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

PAGEPAGE4分布式發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)摘要近年來，隨著全球能源緊缺，全球氣候變暖以及出現(xiàn)許多極端天氣，解決能源問題與環(huán)境問題已成為人類的迫切任務(wù)。分布式發(fā)電以其節(jié)能環(huán)保污染小、能量利用率高、可提高電網(wǎng)的可靠性、投資少以及安裝和運營具有更高的靈活性等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注。本文首先介紹了分布式發(fā)電的概念及其特點，然后分析了國內(nèi)外分布式發(fā)電的研究現(xiàn)狀，指出我國發(fā)展分布式發(fā)電的重要意義以及其廣泛的發(fā)展前景，最后提出了我國發(fā)展分布式發(fā)電所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。0引言為應(yīng)對全球能源緊缺、氣候惡化和保護(hù)環(huán)境的需求，全球能源技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注研究的熱點轉(zhuǎn)向風(fēng)能、太陽能新能源領(lǐng)域。目前，我國電力系統(tǒng)已發(fā)展成為以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓、為主要特征的集中供電單一系統(tǒng)，其運行技術(shù)復(fù)雜，管理水平要求高，所使用的一次能源以不可再生的煤炭為主，發(fā)電過程中產(chǎn)生了大量的大氣污染物、溫室氣體和粉塵，對環(huán)境造成了極大的污染；不能充分利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源；大型互聯(lián)電網(wǎng)中，局部故障容易擴(kuò)散，引起大面積停電，對整個電網(wǎng)造成影響?；谝陨显颍植际桨l(fā)電（DistributedGenerationDG）以其節(jié)能環(huán)保污染小、能量利用率高、可提高電網(wǎng)的可靠性、投資少以及安裝和運營具有更高的靈活性等優(yōu)點受到廣泛的關(guān)注，是集中供電的有效的補(bǔ)充。1分布式發(fā)電的概念目前，國際上對分布式發(fā)電沒有統(tǒng)一的概念。國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)將DG定義為:“非經(jīng)規(guī)劃的或中央調(diào)度型的電力生產(chǎn)方式，通常與配電網(wǎng)連接,一般發(fā)電規(guī)模在5MW—100MW”。DG規(guī)模較傳統(tǒng)集中式供電較小，可以向附近的負(fù)荷供電，也可以接入大電網(wǎng)供電。文獻(xiàn)[分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統(tǒng)的影響12]認(rèn)為，分布式發(fā)電DG(DistributedGeneration)指的是為滿足用戶特定的需要、支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行或同時滿足這兩方面的要求，且在用戶現(xiàn)場或靠近用戶現(xiàn)場配置功率為數(shù)kW到50MW的小型、與環(huán)境兼容的發(fā)電機(jī)組；文獻(xiàn)[我國集中供電和分布式供電技術(shù)及其整體協(xié)調(diào)規(guī)劃問題研究13]指出，DG是將指將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(數(shù)千瓦至50MW的小型模塊式)、分散式的方式布置在用戶側(cè)附近，可獨立地輸出電、熱或(和)冷能的系統(tǒng)。2分布式發(fā)電的分類與特點2.2.1分布式發(fā)電的分類根據(jù)不同的分類特點，可將分布式發(fā)電分為不同的類型[分布式發(fā)電及其對配電網(wǎng)的影響4]：根據(jù)技術(shù)類型、可分為風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、小水電、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等；根據(jù)所使用的一次能源可分為可再生能源發(fā)電和非可再生能源發(fā)電；根據(jù)其與電力系統(tǒng)的接口方式可以分為直接與系統(tǒng)相聯(lián)(機(jī)電式)和通過逆變器再與系統(tǒng)相連。目前，研究的熱點之一是可再生能源發(fā)電技術(shù)，其中水力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電屬于比較成熟的技術(shù)，而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽熱發(fā)電、地?zé)峒俺毕l(fā)電等都屬于新興的發(fā)電技術(shù)。表2-1常見的分布式發(fā)電技術(shù)類型一次能源輸出方式與系統(tǒng)的接口風(fēng)力發(fā)電可再生能源DC逆變器光伏發(fā)電可再生能源DC逆變器水力發(fā)電可再生能源AC直接相連地?zé)岚l(fā)電可再生能源AC直接相連小型燃汽輪機(jī)可再生能源,化石燃料AC直接相連燃料電池可再生能源,化石燃料DC逆變器太陽熱發(fā)電可再生能源AC直接相連蓄電池儲能電網(wǎng)或DGDC逆變器電容器儲能電網(wǎng)或DGDC逆變器飛輪儲能電網(wǎng)或DGDC逆變器超導(dǎo)電磁儲能電網(wǎng)或DGDC逆變器具有同步/感應(yīng)發(fā)電機(jī)的往復(fù)式引擎電網(wǎng)或DGAC直接相連2.2.2分布式發(fā)電的特點目前，全球范圍內(nèi)正在進(jìn)行的電力市場化改革使得獨立發(fā)電運營商成為可能,并有機(jī)會進(jìn)入原本被電力系統(tǒng)壟斷的發(fā)電側(cè)電力市場參與電力市場競爭，由此帶來電價的進(jìn)一步合理化，電能質(zhì)量、供電可靠性的提高以及供電服務(wù)質(zhì)量的改善，其直接受益的將是消費者。把經(jīng)濟(jì)實惠最大限度地帶給用戶。"DG的實際用途不同要求有不同復(fù)雜程度的并網(wǎng)系統(tǒng)，表2-2顯示DG所具有的功能及其并網(wǎng)方式。此外，分布式發(fā)電還有以下特點[含有分布式發(fā)電裝置的電力系統(tǒng)研究綜述][分布式發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀1]：1節(jié)能環(huán)保污染小，能量利用率高。由于DG大量采用可再生能源和清潔能源（如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和生物能源發(fā)電等），因而相對火力發(fā)電更加環(huán)保。DG可向其附近的負(fù)荷供電，因而減少了遠(yuǎn)距離輸電的電能損耗，大大提高了能量的利用率。2提高電網(wǎng)的可靠性。由于DG裝置與大電網(wǎng)的接入和斷開具有相對獨立自主性，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時，可通過啟動斷開裝置使DG與大電網(wǎng)斷開，由DG獨立為用戶供電.3投資少，安裝和運營具有更高的靈活性。由于DG裝置的容量及體積均較小，因此易于找到合適的安裝地點，可以方便地為邊遠(yuǎn)地區(qū)供電，同時，分布式電源多采用性能先進(jìn)的中小型微型機(jī)組，操作簡單，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活。表2-2DG的應(yīng)用及其與地區(qū)電力系統(tǒng)之間的聯(lián)系類型 運行方式基本電源聯(lián)合發(fā)電削峰緊急/備用電源偏遠(yuǎn)地區(qū)DG獨立運行向附近的用戶供電√√√DG獨立運行且與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有自動轉(zhuǎn)換裝置√√√√DG與系統(tǒng)并聯(lián)運行但與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無輸出√√√√DG與系統(tǒng)并聯(lián)運行且向當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能√√√√3分布式發(fā)電的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1國外分布式發(fā)電的研究美國近年來發(fā)生了幾次較大的停電事故，使美國電力工業(yè)十分關(guān)注電能質(zhì)量和供電可靠性，因此美國對微電網(wǎng)的研究著重于利用微電網(wǎng)提高電能質(zhì)量和供電可靠性。日本本土資源匱乏，其對可再生能源的重視程度高于其他國家，在微電網(wǎng)方面的研究更強(qiáng)調(diào)控制與電儲能。歐洲希望通過優(yōu)化從電源到用戶的價值鏈來推動和發(fā)展分布式電源。歐洲互聯(lián)電網(wǎng)中的電源大體上靠近負(fù)荷，比較容易形成多個微電網(wǎng)，所以歐洲微電網(wǎng)的研究更多關(guān)注于多個微電網(wǎng)的互聯(lián)問題[國外微電網(wǎng)的研究概況及其在我國的應(yīng)用前景3]。3.1.1美國的分布式發(fā)電研究1999年[微電網(wǎng)在我國電網(wǎng)的應(yīng)用前景5]，可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會CERTS（theConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions）第一次對微電網(wǎng)在可靠性、經(jīng)濟(jì)性及其對環(huán)境的影響等方面進(jìn)行了研究；在2002年，較為完整全面的微電網(wǎng)概念被提出來，CERTS給出的微電網(wǎng)定義是微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時提供電能和熱量；微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制；微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。從美國電網(wǎng)現(xiàn)代化角度來看，提高重要負(fù)荷的供電可靠性，滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求降低成本，實現(xiàn)智能化，將是美國微電網(wǎng)的發(fā)展重點。3.1.2日本日本在微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)方面處于世界領(lǐng)先地位[微電網(wǎng)在我國電網(wǎng)的應(yīng)用前景5]，日本政府十分希望可再生能源，如風(fēng)能和光伏發(fā)電能夠在本國的能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來越大的作用，但是這些可再生能源的功率波動性與電能質(zhì)量和供電的可靠性相矛盾；微電網(wǎng)能夠通過控制可再生能源的輸出和原動機(jī)平衡負(fù)載的波動來達(dá)到電網(wǎng)的能量平衡，例如，配有儲能設(shè)備的智能微電網(wǎng)能夠補(bǔ)償可再生能源斷續(xù)的能量供應(yīng)，因此，從大電網(wǎng)的角度看，該微電網(wǎng)相當(dāng)于一個恒定的負(fù)荷，即不會對電網(wǎng)的潮流分布產(chǎn)生影響。以上這些理念促進(jìn)了微電網(wǎng)在日本的發(fā)展，使日本的微電網(wǎng)研究對于儲能和控制特別重視;有日本學(xué)者提出了靈活可靠性和智能能量供給系統(tǒng)。FRIENDS（FlexibleReliabilityandIntelligentElectricalEnergyDeliverySystem），利用柔性交流輸電系統(tǒng)元件快速靈活的控制性以實現(xiàn)對配電網(wǎng)能量結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。表3-1日本三菱公司對微電網(wǎng)的分類類型發(fā)電容量/MW燃料應(yīng)用場合市場規(guī)模（個）大規(guī)模1000石油或煤工業(yè)區(qū)10-20中規(guī)模100石油或煤、可再生能源工業(yè)園100小規(guī)模10可再生能源小型區(qū)域電網(wǎng)、住宅樓、島嶼和偏遠(yuǎn)地區(qū)30003.1.歐洲的DG研究和發(fā)展[微電網(wǎng)在我國電網(wǎng)的應(yīng)用前景5]主要考慮的是歐洲的環(huán)保要求和電網(wǎng)的穩(wěn)定以及有利于滿足能源用戶對電能質(zhì)量的多種要求等；智能微電網(wǎng)之所以被認(rèn)為是未來電網(wǎng)的有效支撐，它能很好地協(xié)調(diào)電網(wǎng)和DG之間的矛盾，充分發(fā)揮DG的優(yōu)勢；歐洲各國對微電網(wǎng)的研究越來越重視，近幾年來各國之間開展了許多合作和研討。2005年，歐洲提出了智能電網(wǎng)（SmartPowerNetworks）設(shè)想，歐盟微電網(wǎng)項目給出的定義是：利用一次能源，使用微型電源，分為不可控、部分可控和全控三種，并可冷、熱、電三聯(lián)供；配有儲能裝置；使用電力電子裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。歐洲提出通過電力電子設(shè)備將集中供電和分布式發(fā)電相結(jié)合，鼓勵社會參與微電網(wǎng)的建設(shè)。3.2我國分布式發(fā)電研究現(xiàn)狀目前，中國的電網(wǎng)還主要以大機(jī)組、大電網(wǎng)的集中供電為主，分布式發(fā)電在我國處于剛起步階段,但分布式發(fā)電的特點適應(yīng)中國電力發(fā)展的需求與方向,在中國有著廣闊的發(fā)展前景[分布式發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀1]。一方面,充分利用可再生能源發(fā)電對于中國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，開發(fā)西部，解決農(nóng)村用能及邊遠(yuǎn)地區(qū)用電，進(jìn)行生態(tài)建設(shè)等均具有重要意義；另一方面,中國可再生能源總的儲量豐富，發(fā)展?jié)摿κ志薮?。我國的分布式發(fā)電相關(guān)的技術(shù)研究和開發(fā)已經(jīng)廣泛的展開。由于氣候等自然條件以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同，使得我國各地電力負(fù)荷特性差異較大，不同電力系統(tǒng)的具體需求給出具有針對性的解決方案我國微電網(wǎng)按照運行特點主要分為如表2所示的3種典型類型表3-2中國分布式微電網(wǎng)的特點電壓等級容量主要目的微電源類型城市片區(qū)微網(wǎng)中壓配電網(wǎng)（10kV）幾百kW至10MW事故狀態(tài)下保障重要電源供電，確保供電質(zhì)量、可靠性、節(jié)能減排、抗災(zāi)能力補(bǔ)充能源發(fā)電（燃?xì)鈾C(jī)輪、電池）和可再生能源發(fā)電（太陽能）農(nóng)村微網(wǎng)低壓配電網(wǎng)（400V）幾kW至幾百kW利用可再生能源為當(dāng)?shù)毓╇?，促進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)可再生能源發(fā)電（風(fēng)力、太陽能、沼氣發(fā)電）企業(yè)微網(wǎng)中壓配電網(wǎng)（10kV及以上）幾百kW至10MW提高供電質(zhì)量和發(fā)電效率，降低成本傳統(tǒng)電源4分布式發(fā)電接入微網(wǎng)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)由天津大學(xué)承擔(dān)的分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題的973研究計劃擬就分布式發(fā)電需要解決的4個方面的科學(xué)問題進(jìn)行展開：（1）分布式電源的接入，改變了電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將配電系統(tǒng)從簡單的受電網(wǎng)絡(luò)變成了復(fù)雜的有源網(wǎng)絡(luò)。如何協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與微網(wǎng)之間的運行，一方面要確保綠色、環(huán)?？稍偕茉吹某浞掷茫硪环矫嬗忠ＷC系統(tǒng)的電能質(zhì)量、運行穩(wěn)定性與供電可靠性，是當(dāng)前分布式發(fā)電供能技術(shù)應(yīng)用中的一個主要難題，是限制分布式電源滲透率進(jìn)一步提高的主要障礙。（2）配電系統(tǒng)本身具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備類型多樣、負(fù)荷預(yù)測困難等特點，其規(guī)劃問題面臨著很多不確定性因素的影響。由于分布式電源的出力以及微網(wǎng)與配電系統(tǒng)間的交換功率受多種不確定因素的影響，同時分布式電源或微網(wǎng)的投資主體具有多樣性，致使大量分布式電源的接入，因而增加了未來配電系統(tǒng)規(guī)劃工作的復(fù)雜性。（3）當(dāng)前配網(wǎng)保護(hù)與控制裝置的配置方案不能適應(yīng)多分布式電源、多微網(wǎng)接入的方式，已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。此外，大量分布式電源通過逆變裝置并網(wǎng)，勢必會帶來諸多電能的質(zhì)量問題，需要將分布式電源逆變并網(wǎng)裝置的控制與微網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合治理相結(jié)合，保證系統(tǒng)電能質(zhì)量滿足要求。（4）靈活可靠的仿真工具是進(jìn)行分布式發(fā)電供能系統(tǒng)復(fù)雜動態(tài)行為研究的重要手段。在微網(wǎng)全過程的數(shù)字與物理混合仿真中，如何實現(xiàn)電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)到中期、長期過程的全過程仿真是一個極具挑戰(zhàn)性的難題。5結(jié)論分布式發(fā)電作為一種很有發(fā)展前途的新型發(fā)電和能源綜合利用方式，已經(jīng)成為21世紀(jì)電力行業(yè)最主要的發(fā)展方向之一。DG具有節(jié)能、環(huán)保、投資少、占地小的特點，與集中供電相比，分布式電源應(yīng)對高峰期的電力負(fù)荷更加經(jīng)濟(jì)、有效，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。雖然我國現(xiàn)階段主要依靠傳統(tǒng)集中式大電網(wǎng)滿足國民生產(chǎn)生活，但隨著DG技術(shù)的不斷成熟和不可再生能源的緊缺，分布式發(fā)電作為集中供電的一種補(bǔ)充，將會在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。歐美一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對分布式發(fā)電開展了廣泛的研究和應(yīng)用，但是我國還處于剛剛起步階段，因此，需要繼續(xù)的對DG投入大量的精力和物力，鼓勵相關(guān)人員對此進(jìn)行廣泛深入的研究。隨著時代發(fā)展，我國的電力資源尤其是新能源將進(jìn)入一個新