分布式发电的种类及前景

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连接，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10kV线路上。zui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  
      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。  
      1 系统的构成  
     本文提出的分布式发电系统构成。其中分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。  
   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，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zui有前途的储能装置之一[12>，分布式发电系统中应用zui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。 
　  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。