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分布式發(fā)電的種類及前景


摘要:分布式發(fā)電具有投資省、損耗低、效率高、系統(tǒng)可靠性高、能源種類多等優(yōu)點(diǎn),將成為21世電力工業(yè)發(fā)展的方向之一。該文介紹了一種分布式發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器等4個(gè)單元組成,各單元通過(guò)直流總線相連接,自主控制。直流總線通過(guò)DC/AC轉(zhuǎn)換后經(jīng)變壓器直接接在配電網(wǎng)10kV線路上。最后,對(duì)未來(lái)分布式發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。關(guān)鍵詞:分布式發(fā)電 配電網(wǎng) 儲(chǔ)能  
      分布式發(fā)電是指將電力系統(tǒng)以小規(guī)模(發(fā)電功率在數(shù)千瓦至50 MW的小型模塊)、分散式方式布置在用戶附近,可獨(dú)立地輸出電能的系統(tǒng)[2>。  
      分布式發(fā)電的優(yōu)點(diǎn),如投資省、系統(tǒng)可靠性高、能源種類多樣等優(yōu)點(diǎn)。也有研究指出到2010年,新增分布式電源容量將占新增電源總量的20%[4>。所以說(shuō),分布式發(fā)電聯(lián)合電網(wǎng)運(yùn)行是今后分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。  
      本文提出了一種分布式發(fā)電系統(tǒng),介紹了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。將該系統(tǒng)與10 kV配電網(wǎng)相聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)與公用電網(wǎng)聯(lián)合向負(fù)荷供電。  
      1 系統(tǒng)的構(gòu)成  
     本文提出的分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中分布式發(fā)電構(gòu)成了系統(tǒng)發(fā)電部分,分布式發(fā)電的技術(shù)類型見(jiàn)表1。儲(chǔ)能單元用來(lái)解決負(fù)載與發(fā)電之間的電力供需矛盾,使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的形式多樣,主要有蓄電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電解水制氫儲(chǔ)能等。  
   分布式發(fā)電受地理位置及環(huán)境狀況等因素的約束,在進(jìn)行分布式發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí),要根據(jù)該地區(qū)所處的地理位置環(huán)境綜合考慮各種衡量指標(biāo),從而確定采用何種發(fā)電方式。本文對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)作簡(jiǎn)要地介紹。  
    系統(tǒng)運(yùn)行方式取決于分布式發(fā)電容量與10 kV所帶地區(qū)的負(fù)載。當(dāng)發(fā)電容量滿足該地區(qū)的負(fù)荷時(shí),電網(wǎng)可退出運(yùn)行,在必要的時(shí)候才投入運(yùn)行。因?yàn)槟壳胺植际桨l(fā)電中應(yīng)用比較成熟的是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電,而這兩種發(fā)電方式受環(huán)境的影響較大,輸出功率不穩(wěn)定。同時(shí),就目前的技術(shù)而言,儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量也是很有限的,不能長(zhǎng)時(shí)間提供功率來(lái)對(duì)應(yīng)分布式發(fā)電容量的不足。在分布式電源和儲(chǔ)能容量不足時(shí),需電網(wǎng)向負(fù)荷供電,以滿足負(fù)荷的需求;當(dāng)發(fā)電容量不足該地區(qū)的負(fù)荷時(shí),電網(wǎng)并入系統(tǒng)且正常運(yùn)行,兩者共同向負(fù)荷供電,但盡可能地利用分布式電源;當(dāng)發(fā)電容量超過(guò)該地區(qū)的負(fù)荷時(shí),電網(wǎng)也并入系統(tǒng),分布式發(fā)電將多余的電能送向電網(wǎng)。分布式電源的類型應(yīng)根據(jù)地區(qū)的具體情況選擇,可能是一種分布式電源,也可能是多種分布式電源及其與儲(chǔ)能裝置組合起來(lái)共同發(fā)電,即復(fù)合分布式發(fā)電。為提高能源的利用率,復(fù)合分布式發(fā)電技術(shù)已成為分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[5>。儲(chǔ)能裝置的容量及類型應(yīng)根據(jù)分布式電源及其負(fù)荷的波動(dòng)程度作相應(yīng)的選擇。  
    本文通過(guò)一條直流總線將分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)系在一起,彼此相互獨(dú)立,但各單元又依靠直流總線電壓的大小分工協(xié)作,為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。因此,系統(tǒng)中各單元之間既相互聯(lián)系,又相互獨(dú)立,其中某個(gè)單元的故障不會(huì)影響其它單元的正常運(yùn)行。這樣控制系統(tǒng)就變得簡(jiǎn)單,其關(guān)鍵在于直流總線電壓的設(shè)定范圍和變動(dòng)方式,從而決定各單元的運(yùn)行方式。  
      1.1 分布式發(fā)電的類型  
      1.1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電  
    微型燃?xì)廨啓C(jī)其單機(jī)功率范圍為20~500 kW之間,正向1 MW容量等級(jí)發(fā)展,基本技術(shù)特征是采用徑流式葉輪機(jī)械(向心式透平和離心式壓氣機(jī))以及回?zé)嵫h(huán)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由微型燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器等部分組成,以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料,具有高可靠、長(zhǎng)壽命、低噪聲、重量輕、體積小、低污染、多燃料、低油耗等一系列優(yōu)點(diǎn),是目前應(yīng)用較為廣泛的一種分布式電源。  
    1.1.2 風(fēng)能發(fā)電  
    風(fēng)能發(fā)電一般采用異步發(fā)電機(jī);但也有采用同步發(fā)電機(jī)的,風(fēng)力機(jī)經(jīng)電磁滑差離合器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),效果較好,輸出功率穩(wěn)定[6>。  
      對(duì)于風(fēng)力機(jī)而言,輸出的有功功率由風(fēng)速?zèng)Q定的,會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化,發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率也會(huì)變化。為了使輸出功率穩(wěn)定,風(fēng)力機(jī)采用主動(dòng)失速控制系統(tǒng)[8>,此系統(tǒng)是將定槳距失速控制與變槳距控制這兩種控制方式結(jié)合起來(lái),允許葉片在一個(gè)很小的范圍內(nèi)傾斜,能在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率。  
    1.1.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電  
    太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽(yáng)能電池,又叫光伏電池。太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理是光電伏打效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí),電池吸收光能,產(chǎn)生光電子-空穴對(duì)。在電池內(nèi)電場(chǎng)作用下,光生電子和空穴對(duì)被分離,電池兩端出現(xiàn)異性電荷的積累,即產(chǎn)生“光生電壓”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載,則有“光電電流”生成,從而獲得功率輸出。這樣,太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。  
    太陽(yáng)能發(fā)電是由電池組成方陣進(jìn)行發(fā)電,方陣在室外工作,其輸出功率和效率嚴(yán)重地受溫度和太陽(yáng)照度的影響。通風(fēng)良好可降低組件的工作溫度而提高方陣功率的輸出。  
      1.1.4 燃料電池  
    燃料電池是直接將燃料(天然氣、煤氣、石油等)中的氫氣借助電解質(zhì)與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在生成水的同時(shí)進(jìn)行發(fā)電。因?qū)嵸|(zhì)是化學(xué)能發(fā)電,其過(guò)程簡(jiǎn)單,將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,效率較高;而不像傳統(tǒng)的火力發(fā)電,將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為電能,發(fā)電效率顯然不會(huì)很高。  
    燃料電池的工作原理是[10>:在能量水平高的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生水時(shí),首先氫氣放出電子具有正電荷;同時(shí),氧氣從氫氣中得到電子具有負(fù)電荷,兩者結(jié)合成為中性的水。在氫氣和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)中,發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移,把電子的轉(zhuǎn)移取出,加到外部連接的負(fù)載上面,實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載供電。   
1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)  
     基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的考慮, 分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲(chǔ)一定數(shù)量的電能, 用以應(yīng)付突發(fā)事件。目前儲(chǔ)能技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,為分布式發(fā)電(DG)提供了很大的空間,主要表現(xiàn)為3個(gè)方面[11>:對(duì)系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用;適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能可以在DG單元不能正常運(yùn)行的情況下起過(guò)渡作用;儲(chǔ)能使得不可調(diào)度的DG發(fā)電單元能夠作為可調(diào)度機(jī)組單元運(yùn)行,提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。儲(chǔ)能技術(shù)的形式多樣,需具體情況作具體的選擇。  
    1.2.1 蓄電池儲(chǔ)能  
    蓄電池是目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最有前途的儲(chǔ)能裝置之一[12>,分布式發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。由于技術(shù)的限制,蓄電池也存在投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問(wèn)題。但就目前的狀況而言,蓄電池仍會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。  
    1.2.2 超導(dǎo)儲(chǔ)能  
    超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)將能量存儲(chǔ)在由電流超導(dǎo)線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中,其中的超導(dǎo)線圈浸泡在溫度極低的液體(液態(tài)氫等)中,然后封閉在容器中。所以說(shuō),一個(gè)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、密封容器以及作為控制用的電力電子裝置。  
    超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的超導(dǎo)線圈需放置在溫度極低的環(huán)境下,這是目前利用超導(dǎo)儲(chǔ)能的瓶頸。一旦超導(dǎo)材料研制成功,超導(dǎo)儲(chǔ)能的前景不可估量。 
 1.2.3 飛輪儲(chǔ)能 
 飛輪儲(chǔ)能是一種新型的機(jī)械儲(chǔ)能方式,它將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)量中。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器、真空室等5個(gè)部分組成。就目前來(lái)看,使用的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有高速飛輪系統(tǒng)和低速飛輪系統(tǒng)。高速飛輪系統(tǒng)的飛輪相當(dāng)小,但轉(zhuǎn)速極快;低速飛輪系統(tǒng)的飛輪較大,但轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢。 
  1.2.4 電解水制氫儲(chǔ)能 
  這種儲(chǔ)能系統(tǒng)需與燃料電池聯(lián)合應(yīng)用。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)負(fù)荷減小或發(fā)電容量增加時(shí),將多余的電能用來(lái)電解水,使氫和氧分離,作為燃料電池的燃料送入燃料電池中存儲(chǔ)起來(lái);當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)或發(fā)電容量不足時(shí),使存儲(chǔ)在燃料電池中的氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能,繼續(xù)向負(fù)荷供電,從而保證供電的連續(xù)性。 
   2 分布式發(fā)電的前景 
   分布式發(fā)電是集中供電方式技術(shù)不可缺少的重要補(bǔ)充,將成為未來(lái)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。我國(guó)大力提倡開發(fā)和利用可再生能源,而分布式發(fā)電正是響應(yīng)了國(guó)家政策,意義重大。 
  我國(guó)太陽(yáng)能和風(fēng)力資源十分豐富,這為分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了平臺(tái),創(chuàng)造了條件。像內(nèi)蒙古的風(fēng)力發(fā)電已形成了年發(fā)電量100 GWh的電量,除自用外,還可以送往北京地區(qū),這種綠色能源的開發(fā)是很有潛力的。 
  儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展為分布式發(fā)電增添了活力,會(huì)使分布式發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展邁上一個(gè)臺(tái)階。 
  因此,分布式發(fā)電系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng),可以預(yù)見(jiàn),它將是21世紀(jì)電力工業(yè)發(fā)展的主要方向。 
  3 結(jié)束語(yǔ) 
  分布式發(fā)電在電力系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用,大規(guī)模地利用分布式發(fā)電已是必然趨勢(shì)。本文提出的分布式發(fā)電系統(tǒng),應(yīng)用時(shí)需根據(jù)地區(qū)的具體情況(如地理位置、環(huán)境狀況、資源分布等)綜合考慮多種因素來(lái)合理選擇分布式電源,充分利用當(dāng)?shù)氐馁Y源來(lái)發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì);采用直流總線將分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起,為了使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且控制靈活,響應(yīng)速度快。儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展,會(huì)促使分布式發(fā)電系統(tǒng)更快地發(fā)展。同時(shí),分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合大大提高了系統(tǒng)的能源利用率,改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。

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