分布式发电的种类及前景
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分布式发电的种类及前景
杨培宏，华北电力大学 刘文颖，内蒙古科技大学
摘要:分布式发电具有投资省、损耗低、效率高、系统可靠性高、能源种类多等优点, 将成为21世纪电力工业发展 的方向之一。该文介绍了一种分布式发电系统，该系统由分布式电源、储能装置、AC/DC、DC/DC转换器等4个单 元组成，各单元通过直流总线相联接, 自主控制。直流总线通过DC/AC转换后经变压器直接接在配电网10 kV 线路 上。最后，对未来分布式发电的发展趋势作了展望。 关键词：分布式发电；配电网；储能；DC/AC 中图分类号：TM619 文献标志码：B 文章编号:1003-0867(2007)03-0054-02
分布式发电是指将电力系统以小规模（发电功率在数 千瓦至50 MW的小型模块）、分散式方式布置在用户附 近，可独立地输出电能的系统[2]。 分布式发电的优点，如投资省、系统可靠性高、能源 种类多样等优点。也有研究指出到2010年，新增分布式电 源容量将占新增电源总量的20％[4]。所以说，分布式发电 联合电网运行是今后分布式发电技术发展的必然趋势。 本文提出了一种分布式发电系统，介绍了该系统的基 本结构和工作原理。将该系统与10 kV配电网相联接，实 现与公用电网联合向负荷供电。
图1 分布式发电系统的构成
1 系统的构成
图1示出了本文提出的分布式发电系统构成。其中分
法》正式实施，可再生能源法的配套法规有12个之多，但 有相当部分专家认为，《可再生能源法》没有得到很好的 落实，“务虚的成分太多，落实中出现的问题不少。” 湖南省电力公司电价专家认为，目前风电上网电价存 在三个主要问题：一是风电上网电价过高，投资风电场的 利益难以保护；二是风电在税收方面没有优惠措施，只实 行优惠的关税政策以推动风电机组进口，而仍没有任何关 于风电增值税和所得税方面的优惠措施；三是因风电高于 水电、火电的价差，目前规定在省级电网内分摊，造成开 发风电越多负担越重，这就出现了有风能资源的省级电网 难以承受，而没有风能资源的省级电网却无需负担的“失 衡”。 据了解，目前风电产业存在着两方面不确定性：一方 面风电将以何种方式并网没有明确。目前，国内企业风力 发电成本约在0.46~0.54元/kWh之间，明显高于水电、火 RURAL ELECTRIFICATION 电发电成本。虽然国家制定了相关产业政策，但没有实施 细节，执行起来难度很大。另一方面，风力发电行业没有 建立起长效的市场竞争机制。以风力发电评估成本为例， 个别国内企业竞价发电成本仅为0.39元/kWh。因此出现了 疯抢市场的行为，而现行机制下又无法遏制。
3 风电大发展需要靠政策推进
风电产业将如何实现大发展？一靠政策，二是要自主 发展我国风电装备工业，打破跨国公司的控制。 培育风电产业发展是一项长期目标，需要有效的立法 和产业政策支持，这是解决能源和环境保护问题的关键。 国发改委能源研究所专家认为。 另外，由于我国风电装备工业基础薄弱，跨国公司在 技术品牌等方面加紧对中方进行控制的同时，在研发、采 购、配套、制造、销售等环节也加强对产业链的控制。这 对于国内风电企业，是一种促进。它促进我国风电装备工 业必须自主发展为主，从而打破跨国公司对我国的控制。 中南院风电所专家表示。我国风电装备生产企业——湘潭 电机集团负责人认为，在不可再生能源越来越紧张的时 下，风电作为一个新型产业，发电能力越强，科技含量越 高，风电成本就越低。二者是否能最终达到一个平衡点， 取决于风电成本能否达到接近、低于目前常规电源成本， 能否在能源供应和减排温室气体方面的作用显出其卓越效 果。
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布式发电构成了系统发电部分，分布式发电的技术类型 见表1。储能单元用来解决负载与发电之间的电力供需矛 盾，使系统稳定运行。目前储能系统的形式多样，主要有 蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、电解水制氢储能等。
表1 常见的分布式发电技术类型 发电形式 微型燃气轮机发电 风能发电 太阳能光伏发电 燃料电池 一次能源 化石燃料 可再生能源 可再生能源 化石燃料 输出方式 AC AC DC DC
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型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机、发电机和数字电力 控制器等部分组成, 以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃 料, 具有高可靠、长寿命、低噪声、重量轻、体积小、低 污染、多燃料、低油耗等一系列优点，是目前应用较为广 泛的一种分布式电源。 1.1.2 风能发电 风能发电一般采用异步发电机；但也有采用同步发电 机的，风力机经电磁滑差离合器驱动发电机，效果较好， 输出功率稳定[6]。 对于风力机而言，输出的有功功率由风速决定的，会 随风速的变化而变化，发电机吸收的无功功率也会变化。 为了使输出功率稳定，风力机采用主动失速控制系统[8]， 此系统是将定桨距失速控制与变桨距控制这两种控制方式 结合起来，允许叶片在一个很小的范围内倾斜，能在较宽 的风速范围内输出稳定的功率。 1.1.3 太阳能光伏发电 太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫 光伏电池。太阳能电池发电的原理是光电伏打效应。当太 阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光电 子-空穴对。在电池内电场作用下，光生电子和空穴对被 分离，电池两端出现异性电荷的积累，即产生“光生电 压”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则有 “光电电流”生成，从而获得功率输出。这样，太阳的光 能就直接变成了可以付诸实用的电能。 太阳能发电是由电池组成方阵进行发电，方阵在室外 工作，其输出功率和效率严重地受温度和太阳照度的影 响。通风良好可降低组件的工作温度而提高方阵功率的输 出。 1.1.4 燃料电池 燃料电池是直接将燃料（天然气、煤气、石油等）中 的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成 水的同时进行发电。因实质是化学能发电，其过程简单， 将化学能直接转化为电能，效率较高；而不像传统的火力 发电，将燃料化学能转换为热能，热能转换为机械能，机 械能再转换为电能，发电效率显然不会很高。 燃料电池的工作原理是[10]：在能量水平高的氢与氧结 合产生水时，首先氢气放出电子具有正电荷；同时，氧气 从氢气中得到电子具有负电荷，两者结合成为中性的水。 在氢气和氧气进行化学反应中，发生了电子的转移，把电 子的转移取出，加到外部连接的负载上面，实现了对负载 供电。 1.2 储能系统 基于系统稳定性和经济性的考虑, 分布式发电系统要 存储一定数量的电能, 用以应付突发事件。目前储能技术 RURAL ELECTRIFICATION
分布式发电受地理位置及环境状况等因素的约束，在 进行分布式发电系统规划时，要根据该地区所处的地理位 置环境综合考虑各种衡量指标，从而确定采用何种发电方 式。本文对分布式发电系统作简要地介绍。 系统运行方式取决于分布式发电容量与10 kV所带地 区的负载。当发电容量满足该地区的负荷时，电网可退出 运行，在必要的时候才投入运行。因为目前分布式发电中 应用比较成熟的是风力发电和太阳能发电，而这两种发电 方式受环境的影响较大，输出功率不稳定。同时，就目前 的技术而言，储能系统的容量也是很有限的，不能长时间 提供功率来对应分布式发电容量的不足。在分布式电源和 储能容量不足时，需电网向负荷供电，以满足负荷的需 求；当发电容量不足该地区的负荷时，电网并入系统且正 常运行，两者共同向负荷供电，但尽可能地利用分布式电 源；当发电容量超过该地区的负荷时，电网也并入系统， 分布式发电将多余的电能送向电网。分布式电源的类型应 根据地区
的具体情况选择，可能是一种分布式电源，也可 能是多种分布式电源及其与储能装置组合起来共同发电， 即复合分布式发电。为提高能源的利用率，复合分布式发 电技术已成为分布式发电技术发展的主要趋势之一[5]。储 能装置的容量及类型应根据分布式电源及其负荷的波动程 度作相应的选择。 本文通过一条直流总线将分布式电源与储能系统联系 在一起，彼此相互独立，但各单元又依靠直流总线电压的 大小分工协作，为负载提供稳定的电能。因此，系统中各 单元之间既相互联系，又相互独立，其中某个单元的故障 不会影响其它单元的正常运行。这样控制系统就变得简 单，其关键在于直流总线电压的设定范围和变动方式，从 而决定各单元的运行方式。 1.1 分布式发电的类型 1.1.1 微型燃气轮机发电 微型燃气轮机其单机功率范围为20～500 kW 之间， 正向1 MW 容量等级发展，基本技术特征是采用径流式叶 轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。微
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得到了迅速的发展，为分布式发电（DG ）提供了很大的 空间，主要表现为3个方面[11]：对系统起稳定的作用；适 当的储能可以在DG 单元不能正常运行的情况下起过渡作 用；储能使得不可调度的DG 发电单元能够作为可调度机 组单元运行，提供削峰、紧急功率支持等服务。储能技术 的形式多样，需具体情况作具体的选择。 1.2.1 蓄电池储能 蓄电池是目前在电力系统中应用最有前途的储能装置 之一[12]，分布式发电系统中应用最为广泛。由于技术的限 制，蓄电池也存在投资高、寿命短、环境污染等诸多问 题。但就目前的状况而言，蓄电池仍会在一段时间内得到 广泛应用。 1.2.2 超导储能 超导储能系统将能量存储在由电流超导线圈的直流电 流产生的磁场中，其中的超导线圈浸泡在温度极低的液体 （液态氢等）中，然后封闭在容器中。所以说，一个超导 储能系统包括冷却系统、密封容器以及作为控制用的电力 电子装置。 超导储能系统的超导线圈需放置在温度极低的环境 下，这是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成 功，超导储能的前景不可估量。 1.2.3 飞轮储能 飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动 能的形式存储在高速旋转的飞轮质量中。飞轮储能系统由 飞轮转子、轴承、电动/发电机、电力转换器、真空室等 5个部分组成。就目前来看，使用的飞轮储能系统主要有 高速飞轮系统和低速飞轮系统。高速飞轮系统的飞轮相当 小，但转速极快；低速飞轮系统的飞轮较大，但转速相对 较慢。 1.2.4 电解水制氢储能 这种储能系统需与燃料电池联合应用。在系统运行过 程中，当负荷减小或发电容量增加时，将多余的电能用来 电解水，使氢和氧分离，作为燃料电池的燃料送入燃料电 池中存储起来；当负荷增加时或发电容量不足时，使存储 在燃料电池中的氢和氧进行化学反应直接产生电能，继续 向负荷供电，从而保证供电的连续性。 已形成了年发电量100 GWh的电量，除自用外，还可以送 往北京地区，这种绿色能源的开发是很有潜力的。 储能技术的发展为分布式发电增添了活力，会使分布 式发电技术的进展迈上一个台阶。 因此，分布式发电系统具有广阔的市场，可以预见， 它将是21世纪电力工业发展的主要方向。
3 结束语
分布式发电在电力系统中将发挥重要作用，大规模地 利用分布式发电已是必然趋势。本文提出的分布式发电系 统，应用时需根据地区的具体情况（如地理位置、环境状 况、资源分布等）综合考虑多种因素来合理选择分布式电 源，充分利用当地的资源来发挥分布式发电的优势；采用 直流总线将分布式电源与储能系统联结在一起，为了使控 制系统简单而且控制灵活，响应速度快。储能技术的不断 发展，会促使分布式发电系统更快地发展。同时，分布式 发电与储能技术的结合大大提高了系统的能源利用率，改 善了系统的稳定性、可靠性以及经济性。
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2 分布式发电的前景
分布式发电是集中供电方式技术不可缺少的重要补 RURAL ELECTRIFICATION 充，将成为未来能源领域的一个重要发展方向。我国大力 提倡开发和利用可再生能源，而分布式发电正是响应了国 家政策，意义重大。 我国太阳能和风力资源十分丰富，这为分布式发电技 术的发展提供了平台，创造了条件。像内蒙古的风力发电
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