智能电网中分布式电源

摘要：  近年来，分布式发电技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。基于对分布式能源系统的这些认识，目前许多国家已经制定了宏伟的分布式能源系统研究发展计划，并进行了多方面的相关研究。

关键字：  分布式能源系统，  风能，  太阳能，  分布式电源

1、课题的背景及意义

分布式能源系统的概念是从1978年美国公共事业管理政策法公布后，在美国开始推广，然后被其他发达国家所接受的。分布式能源系统是位于或临近电力负荷中心，功率在几十千瓦到几十兆瓦内模块式的分布在负荷附近的清洁环保发电设施，能够经济 、高效、可靠地发电。分布式发电是区别于传统集中发电、远距离传输、大互联网的发电形式。分布式能源系统并不是简单地采用传统的发电技术，而是建立在自动控制系统、先进的材料技术、灵活的制造工艺等新技术的基础上，具有低污染排放，灵活方便，高可靠性和高效率的新型能源生产系统。组成分布式能源系统的发电系统具有如下特点：①高效地利用发电产生的废能生成热和电;②现场端的可再生能源系统;③包括利用现场废气、废热及多余压差来发电的能源循环利用系统。

分布式能源可使用天然气、煤层气等燃料，也可以利用沼气、焦炉煤气等废气资源，甚至可利用风能、太阳能、水能等可再生资源。由于目前分布式能源项目多建在城市，故大部分分布式能源的燃料多为天然气或是柴油。具体而言发展分布式能源的重要意义有以下几方面：

(1)经济性

由于分布式能源可用发电的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯 级利用，从而可提高能源的利用效率(达70%.90%)。由于分布式电源的并网，减 少或缓建了大型发电厂和高压输电网，缓建了电网而节约投资。同时，使得输配电网的潮流减少，相应的降低了网损。

(2)环保性

因其采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减 少有害物的排放总量，减轻环保的压力：大量的就近供电减少了大容量远距离高 电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电 线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树本的砍伐，有利于环保。

(3)能源利用的多样性

分布式发电可利用多种能源，如清洁能源(天然气)、 新能源(氢)和可再生能源(风能和太阳能等)，并同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，因此是解决能源危机、提高能源利用效率和能源安全问题的一种很好的途径。

(4)调峰作用

夏季和冬季往往是负荷的高峰时期，此时如采用以天然气为燃 料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬夏季的供冷与冬季的供热需要，同时也提供了一部分电力，由此可对电网起到削峰填谷作用。此外，也部 分解决了天然气供应时的峰谷差过大问题，发挥了天然气与电力的互补作用。

(5)安全性和可靠性

当大电网出现大面积停电事故时，具有特殊设计的分布 式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性和可靠性。

(6)电力市场问题

分布式发电可以适应电力市场发展的需要、由多家集资办 电，发挥电力建设市场、电力供应市场的竞争机制。

(7)投资风险分布式发电的装机容量一般较小，建设周期短，因此可避免类 似大型发电站建设周期带来的投资风险。

(8)边远地区的供电问题我国许多边远及农村地区远离大电网，因此难以从 大电网向其供电。采用太阳能光伏发电、风力发电和生物质能发电的独立发电系 统不失为一种优选的方法。

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就全世界来看，能源利用率越高、环境保护越好的国家，对于发展分布式能源技术的推广应用就越热衷，支持政策越明确。如丹麦、荷兰、日本对分布式电源都采取了一系列鼓励政策;“911事件”后，出于供电安全的考虑，发达国家都加快了分布式电源建设的步伐，到到目前为止，英国已有1000多座分布式电源站;美国有6000多座分布式电源站，仅大学校园就有200多座分布式电源站。在众多国家中，丹麦是世界上公认的经济发展、资源消耗和环境保护三方面有机结合的典范，是实现了可持续发展的国家。20多年来丹麦的国民总产值翻了一番但能源消耗却未增加，环境污染也未加剧，其奥妙就在于丹麦积极发展冷、热、电联产，提倡科学用能，扶持分布式能源，靠提高能源利用率支持国民经济的发展。目前丹麦没有一个火电厂不供热，也没有一个供热锅炉房不发电，将冷、热、电产品的分别生成，变成高科技的冷、热、电联产，使科技进步变成真正的生产力。

据文献报道，2010 年之前全球累计新增发电容量的25%～30%为分布式发电。美国是世界上开发新能源和可再生分布式能源发电最多的国家，也是全球绝大多数的商用分布式电源设备的主要提供商。2004 年，美国分布式发电总容量为67 GW，约占美国国内总发电量的7%，达世界平均水平，据美国电力科学研究院预测，在2010 年美国新增发电容量的25%将采用分布式电源，而国家天然气基金会的估计则高达30%，到2020年有一半以上的新建商用或办公建筑使用分布式电源，同时到2020年有15%的现有建筑改用分布式电源。欧洲分布式电源的发展在世界处于领先水平;2000 年，欧盟地区分布式电源装机容量为74 GW，而2004年丹麦、荷兰、芬兰分布式电源的发电总量分别占国内总发电量的52%、38%和36%，欧盟预测2020年将达到195 GW，发电量将达到总发电量的22%。

2、国内外分布式发电发展现状及预期

近年来，分布式发电技术以其独有的环保性和经济性引起人们越来越多的关注。基于对分布式能源系统的这些认识，目前许多国家已经制定了宏伟的分布式能源系统研究发展计划，并进行了多方面的相关研究。英国纽卡斯尔大学正在研发一种综合的分布式能源系统评估软件，这种软件可将理论与工程项目结合在一起，用于微型燃气轮机、燃料电池和燃气内燃机驱动的分布式能源系统的设计、优化及监控。美国加州大学、ELCOM等机构针对分布式能源系统制定了宏伟的研究规划。澳大利亚的研究机构正在纽卡斯尔建立能源中心，其目的就是提供能源方面最新的研究成果和开发设施，对100多个课题组提供技术支持，展示新能源技术的应用案例。国际能源机构(IEA)正在进行一个包括33个国家在内的国际性能源技术研发合作计划，进行能源生产、能源消费领域的技术发展与改进，当前已有40个研究项目在进行，包括化石燃料技术、分布式能源系统、终端用户的能效技术等等这些项目涉及400多家政府或私人的研究机构，年费用为$120000000。

在我国，充足保证电力供应对经济的持续发展必将起到决定性作用，在已建中央电站及电网的基础上，大力发展分布式电源技术将是我国电力系统未来发展的必然趋势。目前我国对分布式能源系统的研究在国内已经开始启动，一些科研机构，大学已经投入人力、财力进行分布式能源系统的研究。上海理工大学以Capstone公司生产的C60微型燃气轮机为核心，结合补燃余热锅炉、补燃吸收式制冷机、蓄冷、蓄热系统等建设了示范型“能源岛”，用于分布式能源系统的研究。西安交通大学以100kW微型燃气轮机为核心，建立了以酒店为应用对象的分布式能源系统。中科院工程热物理所也进行了许多分布式能源系统先进系统方式及相关评价方面的研究。华北电力大学能源的清洁与重点利用实验室，建立了双源可逆型供暖(空调)系统实验平台。

我国近年来高度重视可再生能源的开发利用，把加快发展风能、太阳能、生物质能等可再生能源作为“十一五”时期能源发展的一项重要战略。而对可再生能源利用的有效形式，就是大力发展分布式能源系统分布式电源。在《中华人民共和国节约能源法》、《关于发展热电联产的规定》、《能源发展“十一五”规划》等法令法规中，明确提出:大力推广热电联产、集中供热;提高热电机组的利用率;发展热能梯级利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，提高热能综合利用率。

在我国过去二十几年的经济快速发展中，以煤为主的能源结构所造成的环境污染和生态问题已经对我国的可持续发展形成了巨大的压力。我国政府最近开始考虑对能源战略进行重大调整，先后做出了西气东输，西电东送，加快引进天然气的决定。国民经济的持续快速发展要求能源供应的保障和电力的超前发展，加上能效需要提高和环境、生态保护方面的压力，这些都对热电冷联产的分布式能源系统产生了巨大的需求。据估计，在今后的十几年内，在中国将需要兴建成千上万个分布式能源站，这是前所未有的历史机遇。当前，正是处于这个历史阶段的开端。但是，如果说从现在开始，分布式能源站会以每年几百个、甚至上千个的速度发展，那么，立即便有一系列的问题产生：资金从哪来，技术依托何在，用户端的市场如何开拓和将会怎样发展，目前政府的政策法规是否适应这个发展趋势，谁来做分布式能源建设开发主体，如何协调分布式能源站同电网公司和天然气公司的关系。这些问题对于分布式能源站的发展是极为现实而又严峻的挑战。目前在北京、上海、广州等地正在策划兴建的分布式能源站已经遇到了这些方面重重的障碍和挑战。认为分布式能源会自然而然地顺利发展起来，或者认为根本没办法克服目前的障碍和挑战、因而它不可能发展起来的这两种看法，都是不符合实际的。我们必须认真地面对当前分布式能源发展中的机遇和挑战，研究、制订好它在中国快速发展的战略。

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目前，我国以天然气为燃料的分布式能源系统建设已逐步进入实质性开发实施阶段，在我国城镇，分布式发电技术作为集中供电方式技术的重要补充，将成为一个重要的发展方向。首推热电冷三联产技术，因为对于中国大部分地区的住宅、商业大楼、医院、公用建筑、工厂来说，都存在供电和供暖或制冷需求，很多都配有备用发电设备，这些都是热电冷三联产的多目标分布式供能系统的广阔市场。在北京、上海、广州等大城市的居民小区、商城楼宇、大学城，都有一批热、电、冷联产示范工程投运。例如:上海浦东国际机场能源中心 4000 kW 燃气轮机热电联供项目;上海黄埔区中心医院 1000 kW 燃气轮机热电联供项目;北京中关村软件园热、电、冷联产项目等。对于广大经济欠发达的农村地区来说，(农牧地区和偏远山区)，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供给严重制约这些地区的经济发展。分布式发电技术则刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。例如，在我国西北部广大农村地区风力资源十分丰富，像内蒙古已经形成了年发电量1亿kWh的电量，除自用外，还可送往北京地区，这种无污染绿色能源可以减轻当地的环境污染。

总体看来，分布式能源系统的研究在西方先进国家己经取得了丰硕的研究成果，研究领域从单独运行的分布式能源系统，到刚兴起不久的分布式能源系统与大电网的联接，已有分布式能源系统运行的丰富经验。而国内对分布式能源系统的研究还处于初期阶段，分布式能源系统的大规模利用还有很长的路要走。国内外对独立运行分布式能源系统的研究较多，主要是各种不并网的分布式能源系统的经济评价和评价标准。而对与大电网联接的分布式能源系统的研究，国内外的研究均较少，国内主要有分布式发电及其对电力系统的影响，分布式发电对配电网电压分布的影响等。

3、分布式发电的分类及能源形式选取建议

⑴ 基于化石燃料的分布式发电技术

①往复式发动机技术：用于分布式发电的往复式发动机采用四冲程的点火式或压燃式，以汽油或柴油为燃料，是目前应用最广的分布式发电方式。但是此种方式会造成对环境的影响，最近通过对其技术上的改进，已经大大减少了噪音和废气的排放污染。

②微型燃气轮机技术：微型燃气轮机是指功率为数百千瓦以下的以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。但是微型燃气轮机与现有的其它发电技术相比，效率较低。满负荷运行的效率只有30%，而在半负荷时，其效率更是只有10%～15%，所以目前多采用家庭热电联供的办法利用设备废弃的热能，提高其效率(可高达75%甚至更高)。微型燃气轮机的特点是体积小、重量轻、实行热电联产时发电效率高、污染小、运行维护简单。它是目前最成熟，最具有商业竞争力的分布式电源之一。其技术关键主要是高速轴承、高温材料、部件加工等。

③燃料电池技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，同时不污染环境，其电能是通过电化学过程获得的。在其阳极上通过富氢燃料，阴极上面通过空气，并由电解液分离这两种物质。在获得电能的过程中，一些副产品仅为热、水和二氧化碳等。氢燃料可由各种碳氢源，在压力作用下通过蒸汽重整过程或由氧化反应生成。

⑵ 混合式的分布式发电技术

一个重要的方向是上面提到的热电冷三联产的多目标分布式供能系统，通常简称为分布式供能系统。其在生产电力的同时，也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求。与简单的供电系统相比，分布式供能系统可以综合梯级的科学用能，从而大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性。热电联产有2种情况：

①以发电为主，采用大容量机组，只有少部分余热得到利用，电力进入高压输电网分配，这种热电联产应归于集中式发电;

②以热定电，在满足一定热负荷需求的前提下，尽量建设小型供热机组，电力由用户自身消化，或在当地配电网区域内消化。

⑶ 基于可再生能源的分布式发电技术

①太阳能光伏发电技术：太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。但是此种分布发电技术的成本非常高，所以现阶段太阳能发电技术还需要进行技术改进，以降低成本而适合于广泛应用。

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②风力发电技术：将风能转化为电能的发电技术，由于风力发电环保可再生、全球可行、成本低且规模效益显著，已受到越来越广泛的欢迎，成为发展最快的新型能源之一。可分为独立与并网运行两类，前者为微型或小型风力发电机组，容量为100W～10kW，后者的容量通常超过150kW，通常有多台容量较大的风力发电机组构成风力发电机群，称其为风电场(也称风力田、风田)，具有机组大型化，集中安装和控制的特点。近年来，风力发电技术进步很快，单机容量在2MW以下的技术已很成熟。

4、分布式发电与传统电网的结合

传统的大电网在一段时间内将和分布式发电模式共存，互为补充。结合传统 电网和分布式发电的优势，将其合理的整合在一起，具体的联网方式有三种方式： (1)将分布式电源输出由直整流成交流输出，同时要求与交流大电网保持绝对的同步;(2)将分布式电源转换成交流输出以后，直接供给某些特定负荷而起到与大电网相互补充的作用。(3)将分布式电源与大电网隔离，完全成为一个独立的发电系统。