分布式發(fā)電技術(shù)

楊琦偉 程延昭 劉紅昌 高洪建

一、分布式發(fā)電定義

分布式發(fā)電是由美國在公共事業(yè)管理政策法中公布并正式推廣的，其定義為：一、不同于傳統(tǒng)集中發(fā)電模式，為滿足特定用戶和配電網(wǎng)絡運行的需要，以集散方式分布在用戶附近，發(fā)電功率為數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦的小型模塊式發(fā)電系統(tǒng)。二、不論發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模大小和一次能源的類型，任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施。簡而言之，分布式發(fā)電是指直接布置在配電網(wǎng)或分布在負荷附近的發(fā)電設施，經(jīng)濟、高效、可靠地發(fā)電。

二、分布式發(fā)電技術(shù)種類

（一）燃料電池發(fā)電技術(shù)

燃料電池是一種在等溫狀態(tài)下，直接將存儲在燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的元器件。燃料電池的陰極和陽極由電解質(zhì)隔開，在工作時，不需要燃燒，只需要將燃料和空氣中的氧氣分別送入陽極和陰極，從而發(fā)生電化學反應，在電解質(zhì)的作用下，氫氧離子定向移動，產(chǎn)生電位差在外電路中形成電流，從而發(fā)出低壓直流電。燃料電池在發(fā)電過程中，副產(chǎn)品僅為熱水和少量二氧化碳等。

燃料電池按電解質(zhì)分主要包括磷酸燃料電池、堿性燃燒電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池。其中磷酸燃料電池最接近于商業(yè)化，熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池被推薦應用于電力系統(tǒng)發(fā)電。燃料電池發(fā)電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應堆部分、電力電子換流控制部分。

燃料電池具有以下優(yōu)點：（1）清潔無污染。發(fā)電過程中的排放物對環(huán)境影響幾乎不計。由于無旋轉(zhuǎn)機械部分，因而沒有噪聲污染。（2）發(fā)電效率高。通過熱電聯(lián)產(chǎn)或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的發(fā)電效率幾乎是傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電效率的2倍。（3）適應負荷變化的能力強。（4）安裝周期短、安裝位置靈活，占地少、檢修維護容易。

（二）微型燃氣輪機發(fā)電技術(shù)

微型燃氣輪機是目前最成熟、最有商業(yè)競爭力的分布式發(fā)電設備。它是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的功率范圍在20-500kW的小型燃氣輪機?；炯夹g(shù)特征是采用徑流式葉輪機械（向心式透平和離心式壓氣機）以及回熱循環(huán)。微型燃氣輪機發(fā)電機組由微型燃氣輪機、發(fā)電機和數(shù)字電力控制器等部分組成。為了提高燃料的利用效率，在分布式發(fā)電系統(tǒng)中， 微型燃氣輪機除了為用戶供電外，還同時為用戶供熱，構(gòu)成“熱電并用系統(tǒng)”。 微型燃氣輪機具有五方面的優(yōu)點：（1）體積小、 重量輕。（2）電力市場中建造和運行成本極據(jù)競爭力。（3）發(fā)電效率較高，污染少。（4）高可靠、長壽命、低噪聲、多燃料、低油耗。（5）運行和維護簡單。

（三）太陽能光伏電池發(fā)電技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是光伏電池。它包括一個類似于二極管的在半導體材料中形成的PN結(jié)和一片0.2-0.3mm厚的單晶式或多晶式硅片通過摻入其他雜質(zhì)（硼和磷）產(chǎn)生具有不同電氣性質(zhì)的兩層，在PN結(jié)摻雜了磷原子的負硅片和摻雜了硼原子的正硅片之間建立起電場。光入射到太陽電池上，光子中的能量產(chǎn)生自由電荷載體被電場分開，外接線路上產(chǎn)生電壓，接入負載后有電流流過。太陽能光伏電池發(fā)電的原理是利用半導體的光生伏打效應。通過這一方式太陽光能直接變成了可用的電能。太陽能光伏發(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。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立型和并網(wǎng)型兩種基本類型。獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)需要蓄電池作為儲能單元，將有日照時所發(fā)的剩余電能儲存起來，供日照不足或無日照時使用，它適用于無法與電網(wǎng)相連的偏遠地區(qū)。在有公共電網(wǎng)地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，稱為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將電網(wǎng)作為儲能單元，當日照強時將所發(fā)的剩余電力饋入電網(wǎng)，需要用電時再從電網(wǎng)吸收電力。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點在于省去蓄電池，夏季日照強烈時正是電力需求的高峰時段，同時也正是光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大的時候。因此并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)有助于電力系統(tǒng)的調(diào)峰，由于逆變器要能夠向電網(wǎng)反饋能量，因此并聯(lián)型光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)上比獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)復雜。太陽能光伏發(fā)電具有以下優(yōu)點：（1）不消耗燃料。（2）不受地域限制，規(guī)模靈活。（3）清潔無污染。（4）安全可靠，運行穩(wěn)定。

（四）風力發(fā)電技術(shù)

風能是指太陽幅射造成地球各部分受熱不均勻，引起各地溫差和氣壓不同， 導致空氣運動而產(chǎn)生的能量。廣義上講，風能也是一種太陽能。風力發(fā)電技術(shù)是將風能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，它主要有兩種利用方式，一種是作為獨立電源向偏遠地區(qū)供電，另一種是將多臺風力發(fā)電機組并列運行， 形成風力發(fā)電。

風力發(fā)電具有以下優(yōu)點：（1）環(huán)保性能好，不污染環(huán)境。（2）不耗燃料，不產(chǎn)生溫室氣體。（3）不占耕地，經(jīng)濟性好。

（五）生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)能發(fā)電是將生物質(zhì)能（包括薪材、農(nóng)林作物、生活垃圾污水等）轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動發(fā)電機的能量形式（如燃氣、燃油、酒精等） ，再按照通用的發(fā)電技術(shù)發(fā)電。它具有以下優(yōu)點：（1）能源廉價。（2）減少環(huán)境公害。

（六）地熱發(fā)電技術(shù)

地熱能是來自地球深處的可再生熱能，它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。地熱發(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)， 是將蒸汽的熱能經(jīng)過汽輪機轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能， 然后帶動發(fā)電機發(fā)電。

（七）海洋能發(fā)電技術(shù)

海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水溫差能和海水鹽差能等不同的能源形態(tài)。比較成熟的是潮汐能發(fā)電技術(shù)。它是利用海水漲落及其所造成的水位差來推動水輪機， 再由水輪機帶動發(fā)電機來發(fā)電。

（八）小水力發(fā)電技術(shù)

小水電是指小的水電站及與其相配套的小電網(wǎng)。從形式上分小水電有引水式、堤壩式、混合式和抽水蓄能式四種基本形式。

（九）混合分布式發(fā)電技術(shù)

混合分布式發(fā)電技術(shù)是指兩種或多種分布式發(fā)電技術(shù)及蓄能裝置組合起來， 形成復合式發(fā)電系統(tǒng)。目前熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統(tǒng)， 簡稱為分布式供能系統(tǒng)在生產(chǎn)電力的同時，也能提供熱能或同時滿足供熱、制冷等方面的需求，能夠大幅度提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。

三、分布式發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)

DG與電力系統(tǒng)之間存在以下4 種關(guān)系： ①DG獨立運行向附近用戶供電的方式 ②DG 獨立運行但DG與當?shù)仉娋W(wǎng)之間有自動轉(zhuǎn)換裝置 ③DG與系統(tǒng)并聯(lián)運行但DG 對當?shù)仉娋W(wǎng)無輸出④DG與系統(tǒng)并聯(lián)運行且向當?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能。DG的實際用途不同要求有不同復雜程度的并網(wǎng)系統(tǒng)。DG的并網(wǎng)系統(tǒng)包括兩方面含義： ①在DG和電網(wǎng)之間建立起物理聯(lián)系的設備， 即硬件。②DG與外界形成電氣聯(lián)系的手段。同時， 依托于硬件的這些電氣聯(lián)系方式還可以實現(xiàn)DG單元的監(jiān)視、控制、測量、保護以及調(diào)度等功能 。實際應用中每個DG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)的性能、兼容性和規(guī)范將在一定程度上最終決定DG對電力市場的長期滲透能力?？梢愿鶕?jù)DG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DG。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DG。當DG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DG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。短期內(nèi)并網(wǎng)系統(tǒng)將會存在兩個不同的市場： 一個是定型的、即插即用的適用于居民和小型商業(yè)的機組， 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DG并網(wǎng)設備的制造、安裝和運行都有相應的要求。目前， 世界上有許多國家的組織都在制定關(guān)于DG的并網(wǎng)標準， 如IEEE 的P1547 等。