分布式發(fā)電技術(shù)及和它對電力系統的影響

0 引言

當前我國的供電系統是以“大機組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的集中式單一供電系統，這種集中發(fā)電、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統自身存在一些弊端：①技術(shù)復雜，管理水平要求極高，安全穩定性不足。電網(wǎng)上任何一點(diǎn)的故障都可能引起大面積停電和全網(wǎng)的崩潰，如1987年的東京大停電和2003年8月14日的美加大停電;②不能滿(mǎn)足當前對環(huán)保的要求和限制。我國當前以火力發(fā)電為主，發(fā)電過(guò)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，并且由于近年來(lái)人們對電磁污染的擔心，建設新的輸電走廊變得極為困難;③集中式發(fā)電不能靈活跟蹤負荷的變化。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和人們生活水平的提高，近年來(lái)出現了夏季和冬季用電的“電荒”，為了這些短暫的峰荷建造新的發(fā)電廠(chǎng)其花費是巨大的，經(jīng)濟效益也非常低。近年來(lái)，分布式發(fā)電憑借其投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，它與電網(wǎng)聯(lián)合運行可以提高系統的經(jīng)濟性、安全性、可靠性和靈活性，并且滿(mǎn)足了可持續發(fā)展的要求，大大減輕了環(huán)保的壓力。

1 分布式發(fā)電的定義

目前，分布式發(fā)電的定義尚未得到統一，一般認為，分布式發(fā)電DG(Distributed Generation)指的是為滿(mǎn)足用戶(hù)特定的需要、支持現存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行或同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面的要求，且在用戶(hù)現場(chǎng)或靠近用戶(hù)現場(chǎng)配置功率為數kW到50 MW的小型、與環(huán)境兼容的發(fā)電機組;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)電形式的規模大小和一次能源的使用類(lèi)型11 J。分布式發(fā)電的一些其它定義如下：

middot;任何與配電網(wǎng)相連的發(fā)電設施。

middot;商業(yè)備用柴油發(fā)電機，例如，醫院和賓館安裝的柴油機。

middot;家庭備用發(fā)電機。

middot;電力公司安裝在變電站的發(fā)電設施，用于提供電壓支持或提高系統可靠性。

middot;用戶(hù)現場(chǎng)或靠近用戶(hù)現場(chǎng)配置功率為數千瓦到50 MW的小型發(fā)電設施。

middot;安裝在負荷中心或靠近負荷中心的發(fā)電設施。

目前，對這一新的發(fā)電形式的正式稱(chēng)謂還不統一。在英屬?lài)?，習慣叫做“嵌入式發(fā)電”(Ernbedded Generation);在北美，叫做“分散式發(fā)電”(Dispersed Generation);在歐洲和亞洲的部分國家，叫做“非集中式發(fā)電”(Decentralized Generation)。

2分布式發(fā)電的分類(lèi)

按發(fā)電能源是否可再生將分布式發(fā)電分為兩類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為利用可再生能源的DG，主要包括太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能、地熱能、海洋能等發(fā)電形式;另一類(lèi)稱(chēng)為利用不可再生能源的DG，主要包括內燃機、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃動(dòng)機、微型燃氣輪機、燃料電池等發(fā)電形式。下面將對目前比較關(guān)注的幾種分布式發(fā)電技術(shù)做介紹：

2.1燃料電池

威廉.格魯夫(W.Grove)于1839年發(fā)明了燃料電池以來(lái)，它的開(kāi)發(fā)使用至今已逾150年了。燃料電池(Fuel cell)是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應方式將富氫燃料的化學(xué)能轉化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與一般的電池相似，見(jiàn)圖1，基本上由電子導電的陰極和陽(yáng)極及離子導電的電解質(zhì)構成。在電極與電解質(zhì)的界面上電荷載體由電子變?yōu)殡x子，在陽(yáng)極(燃料電池的負極，又稱(chēng)燃料極)進(jìn)行氧化反應，燃料擴散通過(guò)陽(yáng)極時(shí)失去電子而產(chǎn)生電流。在陰極(燃料電池的正極，又稱(chēng)空氣極)進(jìn)行還原反應。當外部不斷地輸送燃料和氧化劑時(shí)，燃料氧化所釋放的能量也就源源不斷地轉化為電能和熱能。

按照采用的電解質(zhì)的類(lèi)型來(lái)分，燃料電池大致可以分為六種：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。與常規發(fā)電方式相比燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高;②發(fā)電效率可達50%～60%，組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統在10～50 Mw規模即可達到70%以上的發(fā)電效率;③與傳統的火電機組相比，C02的排出量可減少40%～60%，N0。和Sq的排放量很少;④小型高效，可提高供電可靠性;⑤低噪音、電力質(zhì)量高：⑥適應負荷變化的能力強;⑦燃料電池可使用的燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣、天然氣、汽油、柴油等;⑧模塊化結構，擴容和增容容易，建廠(chǎng)時(shí)間短;⑨占地面積小于1 m2，kW;⑩自動(dòng)化程度高，可實(shí)現無(wú)人操作。

2。2風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉化為電能的發(fā)電技術(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電環(huán)?？稍偕?、全球可行、成本低且規模效益顯著(zhù)，已受到越來(lái)越廣泛的歡迎，成為發(fā)展最快的新型能源之一。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。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電通常有多臺容量較大的風(fēng)力發(fā)電機組構成風(fēng)力發(fā)電機群，稱(chēng)其為風(fēng)電場(chǎng)(也稱(chēng)風(fēng)力田、風(fēng)田)一J。因此風(fēng)電場(chǎng)具有機組大型化(50 kW～2 MW)、集中安裝和控制的特點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)的主設備為風(fēng)力發(fā)電機組，發(fā)電機經(jīng)變壓器升壓與電力系統相連。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)力機和發(fā)電機構成。

①風(fēng)力機。風(fēng)力機通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。對一臺實(shí)際的風(fēng)力機，其捕獲風(fēng)能轉變?yōu)闄C械輸出功率尸。的表達式為：

Pm=o.5pAcpW (1)

其中：p是空氣密度(堍佃3)，A是風(fēng)機葉片的掃掠面積(m2)，K是作用于風(fēng)力機的迎面風(fēng)速(In，s)， c口是風(fēng)能轉換效率系數。風(fēng)力機的整體設計和相應的運行控制策略應盡可能追求cD最大，從而增加輸出功率。

②發(fā)電機。目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機主要有兩種：同步發(fā)電機和異步發(fā)電機，采用最多的是異步發(fā)電機。異步發(fā)電機由于它的低耗、高可靠性、無(wú)需勵磁裝置和電刷、結構簡(jiǎn)單尺寸小、堅固耐用、基本上無(wú)需維修等優(yōu)點(diǎn)，已成為風(fēng)力發(fā)電系統的理想設備。

風(fēng)電具有明顯的環(huán)保效益，可以減少污染氣體的排放量;同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電可用于無(wú)電網(wǎng)的地區，為邊遠的農村、牧區和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。

2.3太陽(yáng)能光伏電池

太陽(yáng)能光伏電池PV(Photovoltaic Cell)發(fā)電技術(shù)利用半導體材料的光電效應直接將太陽(yáng)能轉化為電能。白天發(fā)電的盈余倒送電網(wǎng)，晚間用戶(hù)從電網(wǎng)取電。采用光伏電池發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規模靈活、無(wú)污染、安全可靠、維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。光伏電池的輸出功率受日照強度、電池結溫等因素的影響，不能調度，而且系統的頻率和電壓對其基本上沒(méi)有影響，任意f時(shí)刻其輸出功率表達式為：

其中：I為總輻射強度，單位為w/m2，A為單個(gè)太陽(yáng)能電池組件的面積，單位為m2，叼為電池組件的額定轉換效率。設在f時(shí)刻陣列共有n塊組件正常工作，那么陣列輸出的總功率為nP。

2.4微型燃氣輪機

微型燃氣輪機是指功率為25～75 kW的以天然氣、丙烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機。與現有的發(fā)電技術(shù)相比，微型燃氣輪機的發(fā)電效率較低，滿(mǎn)負荷運行時(shí)效率為30%，半負荷運行時(shí)效率為10%～15%，然而，若實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可

提高到75%。微型燃氣輪機的特點(diǎn)是體積小、重量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡(jiǎn)單，它是目前最成熟，最具有商業(yè)競爭力的分布式電源之一。

3分布式發(fā)電對電力系統的影響由于分布式發(fā)電日益與大電網(wǎng)聯(lián)合運行，給現代電力系統運行與控制帶來(lái)了巨大的影響。

3.1分布式發(fā)電對電力系統電壓的影響分布式電源主要接入配電網(wǎng)，在接入DG之后，配電系統從放射狀結構變?yōu)槎嚯娫唇Y構，潮流的大小和方向有可能發(fā)生巨大改變，使配電網(wǎng)的穩態(tài)電壓也發(fā)生變化，原有的調壓方案不一定能滿(mǎn)足接入分布式電源后的配電網(wǎng)電壓要求。因此必須評估分布式電源對電力系統電壓的影響，以保證在分布式電源應用越來(lái)越多的情況下它們不會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)不良后果。潮流計算是對這種影響進(jìn)行量化分析的主要手段，但傳統的潮流計算方法由于沒(méi)有考慮分布式發(fā)電的影響，因而失效。文獻對異步發(fā)電機、無(wú)勵磁調節能力的同步發(fā)電機和燃料電池等幾種典型DG進(jìn)行建模，并提出了基于靈敏度補償的配電網(wǎng)潮流計算方法，適合包含各種不同DG形式的多電源配電系統。

分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓的影響主要如下：

①分布式發(fā)電的接入會(huì )對配電網(wǎng)饋線(xiàn)上的電壓分布產(chǎn)生重大影響，具體影響與分布式電源的容量大小、接入位置有很大的關(guān)系。

②同樣滲透率(Pene缸嘶on Level)的分布式電源集中在同一節點(diǎn)，對電壓的支持效果要弱于分布在多個(gè)節點(diǎn)上。

③穩態(tài)情況下，由于饋線(xiàn)上傳輸功率減小以及DG輸出的無(wú)功支持，使得沿饋線(xiàn)的各負荷節點(diǎn)處的電壓被抬高。

以上討論的都是分布式電源對配電網(wǎng)的影響。當風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后，由于風(fēng)電場(chǎng)輸入風(fēng)能變化的隨機性，并且風(fēng)力發(fā)電大多采用異步發(fā)電機，需從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，故很容易引起整個(gè)電網(wǎng)的電壓穩定問(wèn)題，甚至會(huì )導致整個(gè)電力系統的電壓崩潰，而并不局限于所在配電系統。例如，美國加州Bakersfield的Seawest風(fēng)電場(chǎng)就經(jīng)常出現電壓穩定問(wèn)題導致電網(wǎng)無(wú)法接受風(fēng)電，強迫風(fēng)電場(chǎng)停機。

3.2分布式發(fā)電對電能質(zhì)量的影響

分布式發(fā)電是建立在電力電子技術(shù)基礎之上的，大量盼電力電子轉換器增加了大量的非線(xiàn)性負載，將會(huì )引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網(wǎng)的諧波污染，分布式發(fā)電對電能質(zhì)量主要有兩個(gè)方面的影響：

①電壓閃變。分布式發(fā)電引起電壓閃變的因素包括：某個(gè)大型分布式單元的啟動(dòng)、分布式單元輸出的短時(shí)劇變以及分布式單元與系統中電壓反饋控制設備相互作用而帶來(lái)的不利影響。

②引入大量諧波。由于大量電力電子器件應用于分布式發(fā)電，所以不可避免地給系統帶來(lái)大量諧波，諧波的幅度和階次受到發(fā)電方式以及轉換器的工作模式的影響。文獻分析了分布式電源對電能質(zhì)量的影響，針對大型配電網(wǎng)討論引入DG后一些重要母線(xiàn)的諧波電壓水平，提出可以在諧波電壓水平較高的母線(xiàn)上安裝特殊濾波器來(lái)抑制諧波。雖然分布式發(fā)電的引入會(huì )造成電壓閃變，并引入大量諧波，但是分布式發(fā)電也存在改善電能質(zhì)量的潛力，當電網(wǎng)關(guān)聯(lián)負載較大時(shí)，分布式發(fā)電可以快速投入使用，使系統盡可能減少故障，提高整個(gè)電網(wǎng)的穩定性，從而保證了電能質(zhì)量。

3.3分布式發(fā)電對繼電保護的影晌

大多數配電系統尤其是在農村，其結構呈放射狀，采用這種結構的主要目的是為了運行的簡(jiǎn)單性和過(guò)電流保護的經(jīng)濟性，當配電網(wǎng)中接入了分布式電源之后，放射狀網(wǎng)絡(luò )將變成遍布電源和用戶(hù)互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )，潮流也不再單向地從變電站母線(xiàn)流向各負荷，因此，分布式發(fā)電將對配電網(wǎng)原有的繼電保護產(chǎn)生較大的影響：

1)DG運行時(shí)可能會(huì )引起繼電保護的失效。DG產(chǎn)生的故障電流可能會(huì )減小流過(guò)饋線(xiàn)繼電器的電流，從而使繼電保護失效。

2)DG接入配電網(wǎng)后可能會(huì )使繼電保護誤動(dòng)作。相鄰饋線(xiàn)的故障有可能會(huì )使原本沒(méi)有故障的饋線(xiàn)跳閘。

3)改變了配電網(wǎng)的故障水平。故障水平提高還是降低取決于運行的分布式電源數量和種類(lèi)，故障水平的提高要求開(kāi)關(guān)設備的升級，故障水平的降低可能會(huì )給過(guò)電流保護帶來(lái)問(wèn)題。因此，若某配電區域的分布式電源容量很大，而使故障電流產(chǎn)生大幅度的變化，則必須提高其斷路器的容量和升級保護裝置。

3.4分布式發(fā)電對電力市場(chǎng)的影響

電力工業(yè)解除管制和電力市場(chǎng)的興起，使得各種分布式發(fā)電方式能夠在統一開(kāi)放的交易市場(chǎng)上進(jìn)行公平競爭，從而為電力用戶(hù)提供多種選擇的機會(huì )：①不同的電力供應商;②不同時(shí)段的用電;③不同的供電質(zhì)量：④不同計量方式;⑤不同的費率結構;⑥不同的付款方式;⑦不同的用戶(hù)側管理計劃;⑨自己發(fā)電或者蓄電。配電網(wǎng)的開(kāi)放，引入了電力零售市場(chǎng)u7J，電力零售市場(chǎng)上電力供應競爭給企業(yè)自備電廠(chǎng)和用戶(hù)自己安裝的分布式電源帶來(lái)商機，擁有分布式電源的用戶(hù)在電力零售市場(chǎng)上面臨三種選擇：①從電網(wǎng)受電;②自己發(fā)電，自給自足;③自己發(fā)電并向電網(wǎng)賣(mài)電。根據發(fā)電競爭市場(chǎng)的電價(jià)信息和零售電力市場(chǎng)的需求信息，用戶(hù)完全可以用活自己的分布式電源，讓它發(fā)揮更大的作用，產(chǎn)生更大的效益，為自己或者附近用戶(hù)提供供暖和供電服務(wù)。電力零售市場(chǎng)的建立將會(huì )確立電力零售機制，任何形式的發(fā)電商都可以作為電力供應商向零售電力市場(chǎng)提供電力產(chǎn)品，在零售市場(chǎng)上公平競爭。

3.5其他影響

分布式電源接入電力系統后，除了會(huì )對系統產(chǎn)生上述影響外，還存在一些其他方面的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步研究，例如，由于分布式發(fā)電的興起，當前需要建立相應的法律、法規和行業(yè)規范，建立一個(gè)普遍適用的DG與配電網(wǎng)的并網(wǎng)標準;同時(shí)，為了實(shí)現DG系統間以及DG系統與配電網(wǎng)之間的相互協(xié)調和對分布式電源的調度，需要涉及到通訊技術(shù)、GPS技術(shù)、DsP技術(shù)以及電力系統的動(dòng)態(tài)測量和在線(xiàn)檢測技術(shù)在分布式發(fā)電中的應用研究等。同時(shí)，有時(shí)候DG會(huì )對電力系統可靠性產(chǎn)生不利的影響，如大系統停電時(shí)有些DG的燃料會(huì )中斷，或供給DG輔機的電源會(huì )失去，DG也會(huì )隨之停運，仍無(wú)法提高供電的可靠性;DG與配電網(wǎng)的繼電保護配合不好的話(huà)，可能使繼電保護誤動(dòng)作，反而降低系統的可靠性;不適當的安裝地點(diǎn)、容量和連接方式會(huì )使配電網(wǎng)可靠性變壞，等等。

4結論

本文介紹了分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統的影響，隨著(zhù)公平競爭的電力市場(chǎng)逐步建立，分布式發(fā)電將擁有越來(lái)越大的市場(chǎng)份額，并將與現有的電力系統結合形成一個(gè)高效、靈活的電力系統，提高整個(gè)社會(huì )的能源利用效率，提高整個(gè)供電系統安全性、穩定性和可靠性。然而，分布式發(fā)電的接入必將給現代電力系統的運行與控制帶來(lái)巨大的影響，必須分析和研究這些影響，從而制定相應的控制措施，為更好地發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢提供指導。

雖然我國的現狀是集中式大電網(wǎng)，但是未來(lái)電力發(fā)展方向將是分布式發(fā)電，歐美一些國家已經(jīng)認清了形勢，對分布式發(fā)電開(kāi)展了廣泛的研究，我國對此的研究還處于剛剛起步的階段，當前應該鼓勵更多相關(guān)人員加大對分布式發(fā)電的研究力度。