分布式發(fā)電的智能并網(wǎng)系統(tǒng)概論

■ 華北電力大學電氣工程學院 章紀鋒

一、分布式發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

分布式發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成見圖1所示，其中，分布式發(fā)電構(gòu)成了系統(tǒng)發(fā)電部分，儲能單元用來解決負載與發(fā)電之間的電力供需矛盾，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)運行方式取決于分布式發(fā)電容量與10KV所帶地區(qū)的負載。當發(fā)電容量滿足該地區(qū)的負荷時，電網(wǎng)可退出運行，在必要的時候才投入運行。在分布式電源和儲能容量不足時，需電網(wǎng)向負荷供電，以滿足負荷的需求。當發(fā)電容量不足該地區(qū)的負荷時，電網(wǎng)并入系統(tǒng)且正常運行，兩者共同向負荷供電，但盡可能地利用分布式電源，當發(fā)電容量超過該地區(qū)的負荷時，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根據(jù)地區(qū)的類型具體選擇。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

二、分布式發(fā)電的并網(wǎng)系統(tǒng)

分布式電源的并網(wǎng)系統(tǒng)包括兩方面含義:在分布式電源和電網(wǎng)之間建立起物理聯(lián)系的設備，分布式電源與外界形成電氣聯(lián)系的手段，同時并網(wǎng)包還可以實現(xiàn)分布式電源單元的監(jiān)視、控制、測量、保護以及調(diào)度等功能。并網(wǎng)系統(tǒng)使得分布式電源(DR)、地區(qū)電力系統(tǒng)以及用戶之間可以互動，并且是它們之間通信和控制的通道。圖1中虛線框內(nèi)的組件就是實現(xiàn)分布式電源與電網(wǎng)之間聯(lián)系的并網(wǎng)系統(tǒng)。由圖1可知一個完整的并網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能。

圖2 分布式發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1、電能轉(zhuǎn)換和調(diào)整。在必要的情況下，電能轉(zhuǎn)換功能將某種類型的電能轉(zhuǎn)換為與常規(guī)電網(wǎng)相同。例如，光伏系統(tǒng)、燃料電池及電池儲能輸出的是直流電，而微透平機組輸出的是高頻交流電，需要轉(zhuǎn)換為與常規(guī)電網(wǎng)電壓和頻率相同的電能電能調(diào)整。改善功能為向負荷提供純凈的交流電提供了基本保障。

2、自治及半自治功能和運行，分布式電源和負荷控制它們控制著的工況和運行及所有的當?shù)刎摵伞９r包括開、停機和調(diào)整功率大小的命令。此功能還可以控制硬件與常規(guī)電網(wǎng)分離。輔助服務包括電壓支持、電壓調(diào)整、運行儲備、提供備用、通信使得分布式電源和當?shù)刎摵煽梢宰鳛檩^大的電力系統(tǒng)的一部分并且相互影響。而測量功能可以給出分布式電源的輸出和當?shù)刎摵傻那鍐巍?/p>

3、實際應用中每個分布式電源的并網(wǎng)系統(tǒng)并不一定包含所有的組件。其具體選擇受市場需求、技術(shù)特性以及相關(guān)規(guī)范和標準的驅(qū)動。并網(wǎng)系統(tǒng)使得分布式電源、地區(qū)電力系統(tǒng)以及用戶之間可以互動。并且是它們之間通信和控制的通道，這種互動在電壓和頻率的調(diào)整無功補償以及故障保護和協(xié)調(diào)時可以非常迅速(毫秒級或幾個周期)。而在向電網(wǎng)輸出電能或為系統(tǒng)擔當削峰任務時較慢(幾秒到幾分鐘)。并網(wǎng)包的性能、兼容性和規(guī)范將在一定程度上最終決定對電力市場的長期滲透能力?？梢愿鶕?jù)分布式電源的特性和所要實現(xiàn)的功能把并網(wǎng)系統(tǒng)分為如下幾種:

（1）逆變器型并網(wǎng)系統(tǒng)，如用于燃料電池、光伏系統(tǒng)和微透平機組等發(fā)出直流或高頻交流電的分布式電源。

（2）具有同步功能的并網(wǎng)系統(tǒng)，用于與地區(qū)電網(wǎng)并聯(lián)運行的分布式電源。當分布式電源擔任削峰、基本電源、聯(lián)合發(fā)電或作為緊急和備用電源時采用此種并網(wǎng)系統(tǒng)。

（3）包含遠方調(diào)度模塊的并網(wǎng)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)可以根據(jù)需要實現(xiàn)對分布式電源的啟停進行實時遠方調(diào)度，這時并網(wǎng)系統(tǒng)還需附加測量、監(jiān)視和控制設備。

并網(wǎng)系統(tǒng)的功能日益增強，但是使用者總是希望并網(wǎng)系統(tǒng)具有高可靠性、高自動化程度的同時保持價格低廉。短期內(nèi)將會存在兩個截然不同的市場一個是定型的、即插即用的適用于居民和小型商業(yè)機組，另一個是面向大型的特定場所的分布式電源盡管存在著市場上的分類，并網(wǎng)技術(shù)不同體系以及不同制造商生產(chǎn)的組件應具有良好的兼容性。為了規(guī)范這些要求和影響，就必須制定得到各方認可的關(guān)于并網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范和標準。這些規(guī)范和標準將對分布式電源并網(wǎng)設備的制造、安裝和運行都有相應的要求。

三、分布式電源的概念和種類

1、分布式電源的概念

分布式電源有時也稱為分散式電源，電力的生產(chǎn)和使用在同一個地點或限制在局部區(qū)域內(nèi)。在集中供電的大電網(wǎng)覆蓋地區(qū)，電力用戶一側(cè)建設的電源點或電力消費限制在配電網(wǎng)內(nèi)的電源點可作為分布式發(fā)電看待，自備電站就是一種分布式發(fā)電。在大電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)，電力由分散的獨立電源或小型獨立電網(wǎng)提供，也可稱為分布式發(fā)電。分布式發(fā)電的主要特征是電力就地消化，與電站規(guī)模、發(fā)電技術(shù)和燃料無關(guān)。分布式供電系統(tǒng)是相對傳統(tǒng)的集中式供電方式而言，一般指為滿足某些終端用戶的需求，接在用戶側(cè)附近的小型發(fā)電機組或發(fā)電及儲能的聯(lián)合系統(tǒng)，規(guī)模不大，一般在幾十千瓦至幾十兆瓦。通常要用天然氣、氫氣、太陽能、風能等具有環(huán)保特性的能源來發(fā)、供電。這種供電技術(shù)是一種可利用多種能源的技術(shù)。所以簡單來講分布式發(fā)電就是在用戶附近配置較小的發(fā)電機組(幾十千瓦到幾十兆瓦)，以滿足特定用戶的需要或支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。這些小的機組包括燃料電池、微型燃氣輪機、光伏電池和風力發(fā)電等。

分布式發(fā)電系統(tǒng)可以由不同的電廠組成，各電廠使用不同的一次能源。分布式電廠可以按照發(fā)電設備的發(fā)電能力或按照其在整個電網(wǎng)中的位置來分類。分布式發(fā)電系統(tǒng)可以定義為:所有不直接與國家電網(wǎng)連接、不由中央配電系統(tǒng)進行配送、不經(jīng)電網(wǎng)調(diào)頻的發(fā)電系統(tǒng)。這個定義和目前對輸電網(wǎng)的定義相符，按照這個定義，輸電網(wǎng)的主要功能是連接發(fā)電廠和配電系統(tǒng)。從這個意義上說，現(xiàn)在只有高壓和超高壓線路才被看作輸電線，這些線路只與10MW以上電廠連接。因此目前認為將來只有10MW以上才可以直接參與電力市場(即:售電)。因此這樣說來，分布式發(fā)電應該包含所有發(fā)電能力在IOMW以下電廠。

2、分布式電源的種類

從廣義上講，分布式發(fā)電的主要特征是電力就地消化，與電站規(guī)模、發(fā)電技術(shù)和燃料無關(guān)。只要符合這一特征的一般均可以成為分布式發(fā)電。故可將其粗略分為兩大類:

（1）發(fā)電性質(zhì)的分布式發(fā)電（見表1）。此類以小型燃氣輪機、光伏發(fā)電等為代表。

（2）儲能性質(zhì)的分布式發(fā)電（見表2）。此類以超導儲能、飛輪儲能等為代表。

1、太陽能光伏電池發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是太陽能電池，又叫光伏電池。太陽能電池發(fā)電的原理是光電伏打效應。當太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光電子一空穴對。在電池內(nèi)電場作用下，光生電子和空穴對被分離，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)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則有“光電電流”生成，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能。太陽能發(fā)電是由電池組成方陣進行發(fā)電，方陣在室外工作，其輸出功率和效率嚴重地受溫度和太陽照度的影響。通風良好可降低組件的工作溫度而提高方陣功率的輸出。光伏電池是將可再生的太陽能轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電裝置。國外開發(fā)的屋頂式光伏電池發(fā)電技術(shù)已得到廣泛的關(guān)注。德國最著名的2000戶屋頂工程，超過2000戶家庭安裝了屋頂式光伏發(fā)電裝置，平均每個分布式發(fā)電單元發(fā)電量達3kw。雖然光伏電池與常規(guī)發(fā)電相比有技術(shù)條件的限制，如投資成本高、系統(tǒng)運行的隨機性等。但由于它利用的是可再生的太陽能，因此其前景依然被看好。蓄電池是目前在電力系統(tǒng)中應用最有前途的儲能裝置之一，分布式發(fā)電系統(tǒng)中應用最為廣泛。由于技術(shù)的限制，蓄電池也存在投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。但就目前的狀況而言，蓄電池仍會在一段時間內(nèi)得到廣泛應用。

?

?

2、風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電機組從能量轉(zhuǎn)換角度分成兩部分:風力機和發(fā)電機。風速作用在風力機的葉片上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動輪毅轉(zhuǎn)動，通過齒輪箱高速軸、剎車盤和聯(lián)軸器再與異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子相聯(lián)，從而發(fā)電運行。它最有希望的應用前景是用于無電網(wǎng)的地區(qū)，為邊遠的農(nóng)村、牧區(qū)和海島居民提供生活和生產(chǎn)所需的電力。風力發(fā)電技術(shù)在新能源領域己經(jīng)比較成熟，經(jīng)濟指標逐漸接近清潔煤發(fā)電。風能發(fā)電一般采用異步發(fā)電機;但也有采用同步發(fā)電機的，風力機經(jīng)電磁滑差離合器驅(qū)動發(fā)電機，效果較好，輸出功率穩(wěn)定。對于風力機而言，輸出的有功功率由風速決定的，會隨風速的變化而變化，發(fā)電機吸收的無功功率也會變化。為了使輸出功率穩(wěn)定，風力機采用主動失速控制系統(tǒng)，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，允許葉片在一個很小的范圍內(nèi)傾斜，能在較寬的風速范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的功率。

四、儲能技術(shù)

基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，用以應付突發(fā)事件。目前儲能技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，為分布式發(fā)電提供了很大的空間，主要表現(xiàn)為3個方面:對系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用;適當?shù)膬δ芸梢栽诜植际诫娫磫卧荒苷＿\行的情況下起過渡作用;儲能使得不可調(diào)度的分布式電源發(fā)電單元能夠作為可調(diào)度機組單元運行，提供削峰、緊急功率支持等服務。儲能技術(shù)的形式多樣，需具體情況作具體的選擇。

1、蓄電池儲能

蓄電池是目前在電力系統(tǒng)中應用最有前途的儲能裝置之一，分布式發(fā)電系統(tǒng)中應用最為廣泛。由于技術(shù)的限制，蓄電池也存在投資高、壽命短、環(huán)境污染等諸多問題。但就目前的狀況而言，蓄電池仍會在一段時間內(nèi)得到廣泛應用。

2、超導儲能

超導儲能系統(tǒng)將能量存儲在由電流超導線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場中，其中的超導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，一個超導儲能系統(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，。超導儲能系統(tǒng)的超導線圈需放置在溫度極低的環(huán)境下，這是目前利用超導儲能的瓶頸。一旦超導材料研制成功，超導儲能的前景不可估量。

3、飛輪儲能

飛輪儲能是一種新型的機械儲能方式，它將能量以動能的形式存儲在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)量中。飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動/發(fā)電機、電力轉(zhuǎn)換器、真空室等5個部分組成。就目前來看，使用的飛輪儲能系統(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)速相對較慢。

4、電解水制氫儲能

這種儲能系統(tǒng)需與燃料電池聯(lián)合應用。在系統(tǒng)運行過程中，當負荷減小或發(fā)電容量增加時，將多余的電能用來電解水，使氫和氧分離，作為燃料電池的燃料送入燃料電池中存儲起來;當負荷增加時或發(fā)電容量不足時，使存儲在燃料電池中的氫和氧進行化學反應直接產(chǎn)生電能，繼續(xù)向負荷供電，從而保證供電的連續(xù)性。

[1]江南，龔建榮，甘德強.考慮諧波影響的分布式電源準入功率計算[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(3)：19-23.

[2]張紅光，張粒子，陳樹勇，等.大容量風電場對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定和阻尼特性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(13)：75-80.

[3]關(guān)宏亮，趙海翔，遲永寧，等.電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風電機組承受低電壓能力的要求[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(7)：78-82

[4]魏曉光，湯廣福，魏曉云，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)[J].電工技術(shù)學報，2007，22(4)：157-162.