分布式發(fā)電技術(shù)及和它對電力系統(tǒng)的影響

0 引言

當(dāng)前我國的供電系統(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)，這種集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)自身存在一些弊端：①技術(shù)復(fù)雜，管理水平要求極高，安全穩(wěn)定性不足。電網(wǎng)上任何一點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不能滿足當(dāng)前對環(huán)保的要求和限制。我國當(dāng)前以火力發(fā)電為主，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，并且由于近年來人們對電磁污染的擔(dān)心，建設(shè)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(fù)荷的變化。隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，近年來出現(xiàn)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)電廠其花費是巨大的，經(jīng)濟(jì)效益也非常低。近年來，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)點而備受關(guān)注，它與電網(wǎng)聯(lián)合運行可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和靈活性，并且滿足了可持續(xù)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(tǒng)一，一般認(rèn)為，分布式發(fā)電DG(Distributed Generation)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50 MW的小型、與環(huán)境兼容的發(fā)電機(jī)組;從更廣泛的定義來看，分布式發(fā)電指的是任何安裝在用戶附近的發(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(shè)施。

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

middot;家庭備用發(fā)電機(jī)。

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

middot;用戶現(xiàn)場或靠近用戶現(xiàn)場配置功率為數(shù)千瓦到50 MW的小型發(fā)電設(shè)施。

middot;安裝在負(fù)荷中心或靠近負(fù)荷中心的發(fā)電設(shè)施。

目前，對這一新的發(fā)電形式的正式稱謂還不統(tǒng)一。在英屬國家，習(xí)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

按發(fā)電能源是否可再生將分布式發(fā)電分為兩類：一類稱為利用可再生能源的DG，主要包括太陽能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等發(fā)電形式;另一類稱為利用不可再生能源的DG，主要包括內(nèi)燃機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃動機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、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，它的開發(fā)使用至今已逾150年了。燃料電池(Fuel cell)是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將富氫燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與一般的電池相似，見圖1，基本上由電子導(dǎo)電的陰極和陽極及離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)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，在陽極(燃料電池的負(fù)極，又稱燃料極)進(jìn)行氧化反應(yīng)，燃料擴(kuò)散通過陽極時失去電子而產(chǎn)生電流。在陰極(燃料電池的正極，又稱空氣極)進(jìn)行還原反應(yīng)。當(dāng)外部不斷地輸送燃料和氧化劑時，燃料氧化所釋放的能量也就源源不斷地轉(zhuǎn)化為電能和熱能。

按照采用的電解質(zhì)的類型來分，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(guī)發(fā)電方式相比燃料電池具有以下優(yōu)點：①不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高;②發(fā)電效率可達(dá)50%～60%，組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在10～50 Mw規(guī)模即可達(dá)到70%以上的發(fā)電效率;③與傳統(tǒng)的火電機(jī)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(yīng)負(fù)荷變化的能力強(qiáng);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(jié)構(gòu)，擴(kuò)容和增容容易，建廠時間短;⑨占地面積小于1 m2，kW;⑩自動化程度高，可實現(xiàn)無人操作。

2。2風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，由于風(fēng)力發(fā)電環(huán)?？稍偕⑷蚩尚?、成本低且規(guī)模效益顯著，已受到越來越廣泛的歡迎，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(guī)模開發(fā)風(fēng)電的主要形式，也是近幾年來風(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(jī)組構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)群，稱其為風(fēng)電場(也稱風(fēng)力田、風(fēng)田)一J。因此風(fēng)電場具有機(jī)組大型化(50 kW～2 MW)、集中安裝和控制的特點。風(fēng)電場的主設(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。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成。

①風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。對一臺實際的風(fēng)力機(jī)，其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率尸。的表達(dá)式為：

Pm=o.5pAcpW (1)

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

②發(fā)電機(jī)。目前風(fēng)力發(fā)電所采用的發(fā)電機(jī)主要有兩種：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)，采用最多的是異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)由于它的低耗、高可靠性、無需勵磁裝置和電刷、結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、堅固耐用、基本上無需維修等優(yōu)點，已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理想設(shè)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，風(fēng)力發(fā)電可用于無電網(wǎng)的地區(qū)，為邊遠(yuǎn)的農(nóng)村、牧區(qū)和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。

2.3太陽能光伏電池

太陽能光伏電池PV(Photovoltaic Cell)發(fā)電技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。白天發(fā)電的盈余倒送電網(wǎng)，晚間用戶從電網(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(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點。光伏電池的輸出功率受日照強(qiáng)度、電池結(jié)溫等因素的影響，不能調(diào)度，而且系統(tǒng)的頻率和電壓對其基本上沒有影響，任意f時刻其輸出功率表達(dá)式為：

其中：I為總輻射強(qiáng)度，單位為w/m2，A為單個太陽能電池組件的面積，單位為m2，叼為電池組件的額定轉(zhuǎn)換效率。設(shè)在f時刻陣列共有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?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)。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，滿負(fù)荷運行時效率為30%，半負(fù)荷運行時效率為10%～15%，然而，若實行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可

提高到75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的特點是體積小、重量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護(hù)簡單，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(tǒng)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(xiàn)代電力系統(tǒng)運行與控制帶來了巨大的影響。

3.1分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)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(tǒng)從放射狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，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(wěn)態(tài)電壓也發(fā)生變化，原有的調(diào)壓方案不一定能滿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(tǒng)電壓的影響，以保證在分布式電源應(yīng)用越來越多的情況下它們不會給用戶帶來不良后果。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(tǒng)的潮流計算方法由于沒有考慮分布式發(fā)電的影響，因而失效。文獻(xiàn)對異步發(fā)電機(jī)、無勵磁調(diào)節(jié)能力的同步發(fā)電機(jī)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(bǔ)償?shù)呐潆娋W(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(tǒng)。

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)電的接入會對配電網(wǎng)饋線上的電壓分布產(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(jié)點，對電壓的支持效果要弱于分布在多個節(jié)點上。

③穩(wěn)態(tài)情況下，由于饋線上傳輸功率減小以及DG輸出的無功支持，使得沿饋線的各負(fù)荷節(jié)點處的電壓被抬高。

以上討論的都是分布式電源對配電網(wǎng)的影響。當(dāng)風(fēng)電場接入電網(wǎng)后，由于風(fēng)電場輸入風(fēng)能變化的隨機(jī)性，并且風(fēng)力發(fā)電大多采用異步發(fā)電機(jī)，需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，故很容易引起整個電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題，甚至?xí)?dǎo)致整個電力系統(tǒng)的電壓崩潰，而并不局限于所在配電系統(tǒng)。例如，美國加州Bakersfield的Seawest風(fēng)電場就經(jīng)常出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題導(dǎo)致電網(wǎng)無法接受風(fēng)電，強(qiáng)迫風(fēng)電場停機(jī)。

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(chǔ)之上的，大量盼電力電子轉(zhuǎn)換器增加了大量的非線性負(fù)載，將會引起電網(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：某個大型分布式單元的啟動、分布式單元輸出的短時劇變以及分布式單元與系統(tǒng)中電壓反饋控制設(shè)備相互作用而帶來的不利影響。

②引入大量諧波。由于大量電力電子器件應(yīng)用于分布式發(fā)電，所以不可避免地給系統(tǒng)帶來大量諧波，諧波的幅度和階次受到發(fā)電方式以及轉(zhuǎn)換器的工作模式的影響。文獻(xiàn)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后一些重要母線的諧波電壓水平，提出可以在諧波電壓水平較高的母線上安裝特殊濾波器來抑制諧波。雖然分布式發(fā)電的引入會造成電壓閃變，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(dāng)電網(wǎng)關(guān)聯(lián)負(fù)載較大時，分布式發(fā)電可以快速投入使用，使系統(tǒng)盡可能減少故障，提高整個電網(wǎng)的穩(wěn)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(hù)的影晌

大多數(shù)配電系統(tǒng)尤其是在農(nóng)村，其結(jié)構(gòu)呈放射狀，采用這種結(jié)構(gòu)的主要目的是為了運行的簡單性和過電流保護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)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互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負(fù)荷，因此，分布式發(fā)電將對配電網(wǎng)原有的繼電保護(hù)產(chǎn)生較大的影響：

1)DG運行時可能會引起繼電保護(hù)的失效。DG產(chǎn)生的故障電流可能會減小流過饋線繼電器的電流，從而使繼電保護(hù)失效。

2)DG接入配電網(wǎng)后可能會使繼電保護(hù)誤動作。相鄰饋線的故障有可能會使原本沒有故障的饋線跳閘。

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(shù)量和種類，故障水平的提高要求開關(guān)設(shè)備的升級，故障水平的降低可能會給過電流保護(hù)帶來問題。因此，若某配電區(qū)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(hù)裝置。

3.4分布式發(fā)電對電力市場的影響

電力工業(yè)解除管制和電力市場的興起，使得各種分布式發(fā)電方式能夠在統(tǒng)一開放的交易市場上進(jìn)行公平競爭，從而為電力用戶提供多種選擇的機(jī)會：①不同的電力供應(yīng)商;②不同時段的用電;③不同的供電質(zhì)量：④不同計量方式;⑤不同的費率結(jié)構(gòu);⑥不同的付款方式;⑦不同的用戶側(cè)管理計劃;⑨自己發(fā)電或者蓄電。配電網(wǎng)的開放，引入了電力零售市場u7J，電力零售市場上電力供應(yīng)競爭給企業(yè)自備電廠和用戶自己安裝的分布式電源帶來商機(jī)，擁有分布式電源的用戶在電力零售市場上面臨三種選擇：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)賣電。根據(jù)發(fā)電競爭市場的電價信息和零售電力市場的需求信息，用戶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提供供暖和供電服務(wù)。電力零售市場的建立將會確立電力零售機(jī)制，任何形式的發(fā)電商都可以作為電力供應(yīng)商向零售電力市場提供電力產(chǎn)品，在零售市場上公平競爭。

3.5其他影響

分布式電源接入電力系統(tǒng)后，除了會對系統(tǒng)產(chǎn)生上述影響外，還存在一些其他方面的問題，有待于進(jìn)一步研究，例如，由于分布式發(fā)電的興起，當(dāng)前需要建立相應(yīng)的法律、法規(guī)和行業(yè)規(guī)范，建立一個普遍適用的DG與配電網(wǎng)的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn);同時，為了實現(xiàn)DG系統(tǒng)間以及DG系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的相互協(xié)調(diào)和對分布式電源的調(diào)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(tǒng)的動態(tài)測量和在線檢測技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用研究等。同時，有時候DG會對電力系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不利的影響，如大系統(tǒng)停電時有些DG的燃料會中斷，或供給DG輔機(jī)的電源會失去，DG也會隨之停運，仍無法提高供電的可靠性;DG與配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配合不好的話，可能使繼電保護(hù)誤動作，反而降低系統(tǒng)的可靠性;不適當(dāng)?shù)陌惭b地點、容量和連接方式會使配電網(wǎng)可靠性變壞，等等。

4結(jié)論

本文介紹了分布式發(fā)電技術(shù)及其對電力系統(tǒng)的影響，隨著公平競爭的電力市場逐步建立，分布式發(fā)電將擁有越來越大的市場份額，并將與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)結(jié)合形成一個高效、靈活的電力系統(tǒng)，提高整個社會的能源利用效率，提高整個供電系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和可靠性。然而，分布式發(fā)電的接入必將給現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行與控制帶來巨大的影響，必須分析和研究這些影響，從而制定相應(yīng)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(dǎo)。

雖然我國的現(xiàn)狀是集中式大電網(wǎng)，但是未來電力發(fā)展方向?qū)⑹欠植际桨l(fā)電，歐美一些國家已經(jīng)認(rèn)清了形勢，對分布式發(fā)電開展了廣泛的研究，我國對此的研究還處于剛剛起步的階段，當(dāng)前應(yīng)該鼓勵更多相關(guān)人員加大對分布式發(fā)電的研究力度。