分布式發(fā)電技術及和它對電力系統(tǒng)的影響

0 引言

當前我國的供電系統(tǒng)是以“大機組、大電網、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、遠距離輸電和大電網互聯的電力系統(tǒng)自身存在一些弊端：①技術復雜，管理水平要求極高，安全穩(wěn)定性不足。電網上任何一點的故障都可能引起大面積停電和全網的崩潰，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)電過程中產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。隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，近年來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)電廠其花費是巨大的，經濟效益也非常低。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)點而備受關注，它與電網聯合運行可以提高系統(tǒng)的經濟性、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、支持現存配電網的經濟運行或同時滿足這兩方面的要求，且在用戶現場或靠近用戶現場配置功率為數kW到50 MW的小型、與環(huán)境兼容的發(fā)電機組;從更廣泛的定義來看，分布式發(fā)電指的是任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施，包含熱電聯產、冷熱電聯產以及各種蓄能技術等，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：

·任何與配電網相連的發(fā)電設施。

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

·家庭備用發(fā)電機。

·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(tǒng)可靠性。

·用戶現場或靠近用戶現場配置功率為數千瓦到50 MW的小型發(fā)電設施。

·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)電形式的正式稱謂還不統(tǒng)一。在英屬國家，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

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、風能、地熱能、海洋能等發(fā)電形式;另一類稱為利用不可再生能源的DG，主要包括內燃機、熱電聯產、燃動機、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注的幾種分布式發(fā)電技術做介紹：

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)是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將富氫燃料的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與一般的電池相似，見圖1，基本上由電子導電的陰極和陽極及離子導電的電解質構成。在電極與電解質的界面上電荷載體由電子變?yōu)殡x子，在陽極(燃料電池的負極，又稱燃料極)進行氧化反應，燃料擴散通過陽極時失去電子而產生電流。在陰極(燃料電池的正極，又稱空氣極)進行還原反應。當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化為電能和熱能。

按照采用的電解質的類型來分，燃料電池大致可以分為六種：質子交換膜燃料電池(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，能量轉換效率高;②發(fā)電效率可達50%～60%，組成的聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在10～50 Mw規(guī)模即可達到70%以上的發(fā)電效率;③與傳統(tǒng)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，建廠時間短;⑨占地面積小于1 m2，kW;⑩自動化程度高，可實現無人操作。

2。2風力發(fā)電

風力發(fā)電技術是將風能轉化為電能的發(fā)電技術，由于風力發(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。風力發(fā)電形式可分為離網型和并網型。并網型風力發(fā)電是大規(guī)模開發(fā)風電的主要形式，也是近幾年來風電發(fā)展的主要趨勢。并網型風力發(fā)電通常有多臺容量較大的風力發(fā)電機組構成風力發(fā)電機群，稱其為風電場(也稱風力田、風田)一J。因此風電場具有機組大型化(50 kW～2 MW)、集中安裝和控制的特點。風電場的主設備為風力發(fā)電機組，發(fā)電機經變壓器升壓與電力系統(tǒng)相連。并網型風力發(fā)電機組主要由風力機和發(fā)電機構成。

①風力機。風力機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩。對一臺實際的風力機，其捕獲風能轉變?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是風機葉片的掃掠面積(m2)，K是作用于風力機的迎面風速(In，s)， c口是風能轉換效率系數。風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、無需勵磁裝置和電刷、結構簡單尺寸小、堅固耐用、基本上無需維修等優(yōu)點，已成為風力發(fā)電系統(tǒng)的理想設備。

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

2.3太陽能光伏電池

太陽能光伏電池PV(Photovoltaic Cell)發(fā)電技術利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉化為電能。白天發(fā)電的盈余倒送電網，晚間用戶從電網取電。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、維護簡單等優(yōu)點。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(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式為：

其中：I為總輻射強度，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換效率。設在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)電技術相比，微型燃氣輪機的發(fā)電效率較低，滿負荷運行時效率為30%，半負荷運行時效率為10%～15%，然而，若實行熱電聯產，效率可

提高到75%。微型燃氣輪機的特點是體積小、重量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單，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)電日益與大電網聯合運行，給現代電力系統(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，在接入DG之后，配電系統(tǒng)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，使配電網的穩(wěn)態(tài)電壓也發(fā)生變化，原有的調壓方案不一定能滿足接入分布式電源后的配電網電壓要求。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。文獻對異步發(fā)電機、無勵磁調節(jié)能力的同步發(fā)電機和燃料電池等幾種典型DG進行建模，并提出了基于靈敏度補償的配電網潮流計算方法，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)電對配電網電壓的影響主要如下：

①分布式發(fā)電的接入會對配電網饋線上的電壓分布產生重大影響，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的影響。當風電場接入電網后，由于風電場輸入風能變化的隨機性，并且風力發(fā)電大多采用異步發(fā)電機，需從電網吸收大量無功功率，故很容易引起整個電網的電壓穩(wěn)定問題，甚至會導致整個電力系統(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風電場就經常出現電壓穩(wěn)定問題導致電網無法接受風電，強迫風電場停機。

3.2分布式發(fā)電對電能質量的影響

分布式發(fā)電是建立在電力電子技術基礎之上的，大量盼電力電子轉換器增加了大量的非線性負載，將會引起電網電流、電壓波形發(fā)生畸變，引起電網的諧波污染，分布式發(fā)電對電能質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)電方式以及轉換器的工作模式的影響。文獻分析了分布式電源對電能質量的影響，針對大型配電網討論引入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量的潛力，當電網關聯負載較大時，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，提高整個電網的穩(wěn)定性，從而保證了電能質量。

3.3分布式發(fā)電對繼電保護的影晌

大多數配電系統(tǒng)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單性和過電流保護的經濟性，當配電網中接入了分布式電源之后，放射狀網絡將變成遍布電源和用戶互聯的網絡，潮流也不再單向地從變電站母線流向各負荷，因此，分布式發(fā)電將對配電網原有的繼電保護產生較大的影響：

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

2)DG接入配電網后可能會使繼電保護誤動作。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，故障水平的提高要求開關設備的升級，故障水平的降低可能會給過電流保護帶來問題。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行公平競爭，從而為電力用戶提供多種選擇的機會：①不同的電力供應商;②不同時段的用電;③不同的供電質量：④不同計量方式;⑤不同的費率結構;⑥不同的付款方式;⑦不同的用戶側管理計劃;⑨自己發(fā)電或者蓄電。配電網的開放，引入了電力零售市場u7J，電力零售市場上電力供應競爭給企業(yè)自備電廠和用戶自己安裝的分布式電源帶來商機，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從電網受電;②自己發(fā)電，自給自足;③自己發(fā)電并向電網賣電。根據發(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，產生更大的效益，為自己或者附近用戶提供供暖和供電服務。電力零售市場的建立將會確立電力零售機制，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提供電力產品，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)產生上述影響外，還存在一些其他方面的問題，有待于進一步研究，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(guī)和行業(yè)規(guī)范，建立一個普遍適用的DG與配電網的并網標準;同時，為了實現DG系統(tǒng)間以及DG系統(tǒng)與配電網之間的相互協調和對分布式電源的調度，需要涉及到通訊技術、GPS技術、DsP技術以及電力系統(tǒng)的動態(tài)測量和在線檢測技術在分布式發(fā)電中的應用研究等。同時，有時候DG會對電力系統(tǒng)可靠性產生不利的影響，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與配電網的繼電保護配合不好的話，可能使繼電保護誤動作，反而降低系統(tǒng)的可靠性;不適當的安裝地點、容量和連接方式會使配電網可靠性變壞，等等。

4結論

本文介紹了分布式發(fā)電技術及其對電力系統(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，并將與現有的電力系統(tǒng)結合形成一個高效、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，但是未來電力發(fā)展方向將是分布式發(fā)電，歐美一些國家已經認清了形勢，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，當前應該鼓勵更多相關人員加大對分布式發(fā)電的研究力度。