分布式发电技术现状与研究方向分析

分布式发电(Distributed Generation,DG)指的是为了满足一些特殊用户的需求,支持已有的配电网的经济运行而设计和安装的在用户处或其附近的小型发电机组(一般小于30MW),或坐落在用户附近使得负荷的供电可靠性及电能质量都得到增强,或者由于就地应用热电联产使得效率得到提高的发电形式。

分布式电源在减轻环境的污染,降低终端用户的费用等方面具有一定的优势,同时又具有高效性和灵活性的特点以及满足能源可持续发展的要求。

1 分布式发电技术类型

1.1 分布式发电技术

1.1.1 微型燃气轮机发电技术

微型燃气轮机是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备,具有以下四方面的优点:体积小,重量轻;建造成本和运行成本都极具竞争力;发电效率高,污染少;微型燃气轮机单独用于发电,效率可达30%,可与大型火电厂媲美;若实行热电联产,效率可提高到75%;运行维护简单。微型燃气轮机发电单元运行时既可在本地监控,也可由中心监控站来管理;当出现故障时,由于重量轻,安装快,可以马上整机替换,然后把故障机组整体运往维修中心维修。

1.1.2 燃料电池发电技术

燃料电池可按电解质分为许多类,其中磷酸型燃料电池(pafc)最接近商业化,新一代的熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)和固体氧化物燃料电池(sofc)则被认为最值得推荐用于电力系统发电。

燃料电池具有其潜在价值的优点:效率高且不受负荷变化的影响;适应负荷变化的能力极强;清洁无污染;占地少、建设快、检修维护容易及燃料适应性强等。

1.1.3 太阳能光伏电池发电技术

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。在美国和日本的一些地区,已经有由屋顶式光伏电池发电设备联成的PV(photovolta ic)系统与当地电网相联。白天发电的盈余倒送电网,晚间用户从电网取电,在供电企业和用户间形成了一种新型的关系。

1.1.4 风力发电系统

风力发电是一种干净的可再生能源,它没有常规能源所造成的环境污染,而且技术成熟,单机容量大,建设周期短,完全是一种安全可靠的能源。

1.1.5 生物质能发电系统

世界上生物质资源数量庞大,形式繁多,其中包括薪柴,农林作物,尤其是为了生产能源而种植的能源作物,农业和林业残剩物,食品加工和林产品加工的下脚料,城市固体废弃物等等。

生物能具备下列优点:提供低硫燃料;提供廉价能源;将有机物转化成燃料可减少环境公害(如垃圾燃料);与其他非传统性能源相比较,技术上的难题较少。

1.2 冷热电联产

冷热电联产(CCHP)是-种建立在能的梯级利用概念基础上,将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程-体化的多联产总能系统,目的在于提高能源利用效率,减少碳化物及有害气体的排放。与集中式发电-远程送电比较,CCHP可以大大提高能源利用效率:大型发电厂的发电效率-般为35%~55%,扣除厂用电和线损率,终端的利用效率只能达到30%~47%。而CCHP的能源利用率可达到90%,没有输电损耗。

2 分布式发电研究现状

2.1 分布式发电的规划

分布式发电(DG)的规划需要考虑负荷的需求范围、系统的经济性、可靠性和损耗等电力规划问题。由于接入位置、容量和控制的不合理,分布式电源的的引入,常使配电线路上的负荷潮流变化较大,增加了配电网潮流的不确定性。而分布式电源输出电能明显的随机特性,使变电站的选址、配电网络的接线和投资建设等规划工作更加复杂和不确定。

对分布式电源的规划包括对注入点,注入容量,孤岛划分等方面。研究方法多采用针对某目标函数进行优化求解的方法。目标函数可以设置为例如网络扩建及网损费用最少,约束条件设置为馈线容量极限、馈线电压形态以及三相短路电流等,采用的方法有基因算法,启发式最优算法等。

2.2 对电网稳定性的影响

当电网中存在较多的分布式电源单元或者存在大容量的分布式电源单元时,分布式电源的引入将对系统电压形态、网损、电压闪烁、短路电流、有功及无功潮流、电路元件的热负荷、暂态稳定、动态稳定、电压稳定、频率控制等特性有较大的影响。

2.3 对继电保护的影响

分布式电源接入配电网后,辐射式的网络将变为一种遍布电源和用户互联的网络,潮流也不再单向地从变电站母线流向各负荷。

分布式电源并网运行带来的主要问题是对上游线路保护动作处暑的影响,解决的途径可以选择灵敏度较高的过流保护曲线或适当修改反时限过流动作曲线的形状。还可以设定两条或多条灵敏度不同的动作曲线。因此,在分布式电源频繁投切和线路潮流方向频繁改变的情况下,如何对配电网继电保护装置进行整定和协调,将是一个分成重要的研究课题。

2.4 电能质量分析

分布式电源联网运行主要从两个方面影响电能质量:电压闪变和电压谐波畸变。分布式电源既可能改善,也可能恶化用户的电能质量,取决于特定的情况。通常,加入分布式电源使电网的增加了电网的短路容量,对电能质量是有好处的。但如果接入的分布式电源的容量过大,则有可能在启动和关闭,及输出波动的情况下,造成电网电能质量的下降。输出波动的情况比较典型的例子就是太阳能和风能发电站,它们受天气和时间的影响较大。

电力谐波会对一些设备的运行造成影响,如使变压器过热,线路和电机的寿命下降,还有可能对通信设备造成干扰,甚至有可能发生谐波放大,从而对电力设备的安全造成致命的威胁。

2.5 分布式发电与智能电网

分布式能源是智能电网的基础。智能电网是一种高度自动化的数字化电网,主要体现在:各用户端及电网中各节点均达到实时监控;贯穿整个发输配用电过程中的各节点的双向功率流和信息。即通过集成的宽带通信、自动控制系统以及大量分布式智能等,实现实时市场化交易以及电网中各部门的协调和实时互动。

智能电网的特点如下:自愈和自适应;安全可靠;经济高效;兼容;与用户友好互动。

智能电网的关键技术集中以下几个方面。

参数量测技术。参数量测技术是智能电网基本的组成部件,先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息,以供智能电网的各个方面使用。参数量测技术评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞,并且与用户进行沟通。

智能电网通信技术。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,没有这样的通信系统,任何智能电网的特征都无法实现。

信息管理系统。智能电网中的信息管理系统应主要包括采集与处理、分析、集成、显示、信息安全5个功能。

智能调度技术。智能调度是智能电网建设中的重要环节,智能电网调度技术支持系统则是智能调度研究与建设的核心,它是全面提升调度系统驾驭大电网和进行资源优化配置的能力、纵深风险防御能力、科学决策管理能力、灵活高效调控能力和公平友好市场调配能力的技术基础。

高级电力电子技术。电力电子产业出现了以SVC为代表的柔性交流输电技术,以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术,以高压变频为代表的电气传动技术,以智能开关为代表的同步开断技术,以及以静止无功发生器、动态电压恢复器为代表的用户电力技术等。

分布式能源接入技术。智能电网的核心在于构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统,可对电网与用户用电信息进行实时监控和采集,且采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户,实现对电能的最优配置与利用,提高电网运营的可靠性和能源利用效率。

3 分布式发电未来研究的方向

分布式发电未来研究的重点集中在分布式发电对电力系统的影响。目前,国外单向功率变换技术已经基本成熟,三相大功率变换技术则还有很多值得研究的问题如具有高效率的系统主电路结合设计、低损耗的软开关技术以及单位功率因数的实现技术等。分布式发电具有巨大的潜在市场,应用前景十分广阔。此外,采用新的算法建立分布式发电的等值模型,研究分布式发电的极限功率及其对电力系统稳定的影响,研究分布式电源故障时对电网暂态的影响及相应的控制策略;结合智能控制(人工神经网络、模糊控制、遗传算法)及现代控制理论,建立分布式发电的自动发电的随机最优控制模型及电压、频率随机自适应控制模型;如何实现含有分布式发电的配电网动态监测、灵活跟踪和调度控制都将是电力行业未来研究方向。

摘要：分布式发电由于具有经济性、环保性、利用效率高等特点,现正成为集中供电模式之外的一种发展趋势。本文介绍了分布式发电的技术类型以及研究现状。采用新的算法建立分布式发电的等值模型,研究分布式发电对电力系统稳定的影响及相应的控制策略是分布式发电未来的研究重点和方向。

关键词：分布式发电,冷热电联产,智能电网