分布式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景展望

伍賽特

（上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

在電氣時(shí)代的早期階段，通常采用小型發(fā)電站滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐墓╇娦枨螅⑼ㄟ^(guò)變壓器將電力升壓至符合輸電網(wǎng)要求的電壓等級(jí)。輸電系統(tǒng)用于輸送電能，有時(shí)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，再通過(guò)一系列配電變壓器降壓供用戶(hù)使用。輸配電線(xiàn)路是被動(dòng)的，受一定數(shù)量的大型集中式供電系統(tǒng)控制。大約從1990年伊始，直接將發(fā)電單元連接至配電網(wǎng)的方案再度受到關(guān)注，被稱(chēng)為分布式發(fā)電或分布式能源[1]。

1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

在部分國(guó)家，主要通過(guò)發(fā)電單元的功率或與之相連的電網(wǎng)電壓等級(jí)，來(lái)對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)定義。通常，分布式發(fā)電可通過(guò)其規(guī)模、接入電壓等級(jí)及原動(dòng)機(jī)類(lèi)型進(jìn)行具體說(shuō)明[2]。

將發(fā)電單元接入配電網(wǎng)，對(duì)于電力系統(tǒng)是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)配電網(wǎng)中潮流從高壓側(cè)流向低壓側(cè)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)是被動(dòng)形式的，僅配置較少的測(cè)量裝置和非常有限的主動(dòng)控制功能，可自動(dòng)適應(yīng)不同負(fù)荷組合且無(wú)需人工干預(yù)。

同時(shí)，由于電力需要時(shí)刻保持供需平衡，因此分布式發(fā)電功率的注入，需要大型集中式發(fā)電機(jī)組減少相應(yīng)的功率輸出。目前，集中式發(fā)電機(jī)組不但需實(shí)現(xiàn)供電功能，還需提供輔助服務(wù)（如電壓和頻率控制、備用電源等）。此類(lèi)輔助功能對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。隨著分布式發(fā)電的廣泛應(yīng)用，分布式發(fā)電系統(tǒng)亦需要提供相應(yīng)的輔助服務(wù)，從而在較少集中式發(fā)電機(jī)組參與運(yùn)行的情況下，確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行[3]。

2 分布式發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)

分布式發(fā)電系統(tǒng)能否在與集中式發(fā)電系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌，電能的定價(jià)是重中之重，即電價(jià)如何能在體現(xiàn)發(fā)電價(jià)值的同時(shí)又能體現(xiàn)電源接入不同電壓等級(jí)配電網(wǎng)的區(qū)別。目前，電價(jià)的增加主要來(lái)自集中式發(fā)電系統(tǒng)到用戶(hù)間的輸配電服務(wù)所產(chǎn)生的附加費(fèi)用。

分布式發(fā)電系統(tǒng)靠近用戶(hù)側(cè)，對(duì)電網(wǎng)的輸配電服務(wù)需求較少。本質(zhì)上，分布式發(fā)電系統(tǒng)直接供電給用戶(hù)，可有效避免附加的輸配電成本。然而，這種電網(wǎng)成本的降低主要源于一些發(fā)電機(jī)組所處的有利地理位置，而在現(xiàn)有的商業(yè)和管理構(gòu)架下，這一優(yōu)勢(shì)尚未得到充分認(rèn)可，導(dǎo)致非傳統(tǒng)發(fā)電模式與傳統(tǒng)發(fā)電模式在電力批發(fā)市場(chǎng)上糾纏不休，其批發(fā)價(jià)格可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于近距輸電的實(shí)際價(jià)值[4]。

上述算例對(duì)電力需求的處理同樣適用。用戶(hù)從電網(wǎng)合適的位置（即靠近發(fā)電系統(tǒng)的位置）獲得電能，將降低對(duì)電網(wǎng)服務(wù)的需求。對(duì)大部分用戶(hù)而言，所獲電能的定價(jià)都有固定零售利率，偶爾會(huì)受用電時(shí)間段的影響。發(fā)電的總價(jià)值取決于許多因素，包括用電時(shí)間、地點(diǎn)、同類(lèi)發(fā)電裝置的滲透率以及系統(tǒng)輸出峰值的時(shí)間。

在某些情況下，可再生能源及分布式發(fā)電可能導(dǎo)致成本大于收益，但要實(shí)現(xiàn)發(fā)電價(jià)值的最大化這一原則是不變的。如果忽略了這些特殊用電情況（用電時(shí)間和地點(diǎn)），將導(dǎo)致電網(wǎng)非最優(yōu)發(fā)展，因?yàn)闊o(wú)法體現(xiàn)用戶(hù)對(duì)電網(wǎng)真實(shí)全面的影響，最終阻礙新型低碳發(fā)電（低碳需求）超越現(xiàn)有發(fā)電以及傳統(tǒng)電網(wǎng)方案來(lái)優(yōu)化電網(wǎng)發(fā)展，致使系統(tǒng)必須依賴(lài)愈加昂貴和不必要的電網(wǎng)升級(jí)費(fèi)用和非最優(yōu)的電網(wǎng)解決方案。

3 智能電網(wǎng)及其技術(shù)特點(diǎn)

全球能源政策的日新月異歸因于電力供應(yīng)的需求變化，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）低碳或零碳排放，以減少溫室氣體排放和緩和氣候變化；

（2）安全且不依賴(lài)進(jìn)口化石原料[5-6]；

（3）經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，價(jià)格易于為工業(yè)、商業(yè)及其他社會(huì)各行各業(yè)所接受。

相關(guān)能源政策的焦點(diǎn)在于引入分布式發(fā)電、可再生能源以及熱電聯(lián)產(chǎn)。最近，在談及電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)常提到智能電網(wǎng)一詞，其先進(jìn)概念在于充分利用現(xiàn)代信息通信技術(shù)打造安全、靈活、高效的無(wú)碳化電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)是智能控制的主動(dòng)式電網(wǎng)，可以有效將分布式發(fā)電融入電力系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)概念的一個(gè)重要方面是用戶(hù)側(cè)的參與。

用戶(hù)側(cè)的參與是提高電力系統(tǒng)靈活性和可控性的一個(gè)重要趨勢(shì)?？煽刎?fù)荷如電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)熱熱泵，將增加可再生能源的消納。當(dāng)電費(fèi)較為昂貴時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池可以為電網(wǎng)提供電能[7-9]，或用于支持配電網(wǎng)孤島運(yùn)行。此外，智能電表的作用以及用戶(hù)想如何控制其用電負(fù)荷并參與電力系統(tǒng)運(yùn)行，是當(dāng)前一項(xiàng)重要的研究課題。

智能電網(wǎng)是一種新型電力網(wǎng)絡(luò)，可以智能化集成所有與之相連的用戶(hù)（發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷或兩者兼具），從而高效提供持續(xù)、經(jīng)濟(jì)和安全的電力。

智能電網(wǎng)采用創(chuàng)新的產(chǎn)品和服務(wù)，包括智能監(jiān)控、通信以及自愈技術(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)：（1）更好地促進(jìn)各種不同規(guī)模和類(lèi)型發(fā)電單元的接入及運(yùn)行；（2）允許電力消費(fèi)者參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化；（3）為消費(fèi)者提供更多信息和用電選擇；（4）顯著降低整個(gè)供電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響；（5）提高供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。

智能電表是智能電網(wǎng)的重要組成部分，可提高電網(wǎng)中電力潮流和電壓的可視化程度，尤其是在目前測(cè)量裝置數(shù)量非常有限的低壓電網(wǎng)中。關(guān)于智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)仍在研究中，它將因各國(guó)不同的情況而異。而智能電網(wǎng)概念對(duì)不同類(lèi)型、不同容量的分布式發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的重要影響仍存在一些問(wèn)題。

4 分布式發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展意義

一個(gè)現(xiàn)代化大型電力系統(tǒng)的常規(guī)配置具有諸多優(yōu)勢(shì)。大型發(fā)電機(jī)組運(yùn)行高效且僅需相對(duì)較少的運(yùn)行人員。與之互聯(lián)的高壓輸電網(wǎng)支持在任何時(shí)刻可調(diào)度最高效的發(fā)電設(shè)備，以有限的電力損耗實(shí)現(xiàn)大量電能的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)盡可能減少電力儲(chǔ)備。配電網(wǎng)設(shè)計(jì)只支持單向的電力潮流，由用戶(hù)的電力負(fù)荷決定其規(guī)模。

然而，為了應(yīng)對(duì)氣候變化，許多國(guó)家制定了增加可再生能源利用和減少電能生產(chǎn)中溫室氣體排放的雄偉目標(biāo)。而許多發(fā)達(dá)國(guó)家的氣象學(xué)家及決策者則認(rèn)為，溫室氣體的排放必須減少80%才可能實(shí)現(xiàn)到2050年全球平均氣溫較現(xiàn)在的升幅不超過(guò)2 ℃的目標(biāo)。

與公路運(yùn)輸和民用航空運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)相比，電力行業(yè)溫室氣體減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單直接，因此可能要承擔(dān)相當(dāng)大的減排目標(biāo)份額。目前，世界范圍內(nèi)，大多數(shù)政府通過(guò)財(cái)政手段鼓勵(lì)可再生能源發(fā)電，包括上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼、配額限制、碳交易和碳稅，為可再生能源技術(shù)的發(fā)展提供了成本效益最大化的專(zhuān)門(mén)通道。目前，已成熟的發(fā)電技術(shù)包括風(fēng)力發(fā)電、小水電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電[10]、沼氣發(fā)電、城市廢物利用、生物質(zhì)能和地?zé)岚l(fā)電。新興技術(shù)包括潮汐能發(fā)電、波浪能發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電。

可再生能源的能量密度比化石燃料低很多，因此其發(fā)電單元規(guī)模較小且地理位置分布廣泛。例如，風(fēng)力發(fā)電需位于風(fēng)能豐富的地區(qū)；而生物質(zhì)能發(fā)電由于燃料能量密度相對(duì)較低，受其燃料傳輸成本限制，規(guī)模有限。上述小型發(fā)電單元容量通常在50～100 MW，并接入配電網(wǎng)。如果為此類(lèi)可再生能源發(fā)電建設(shè)專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路[11]，則既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保，因此應(yīng)充分利用原來(lái)專(zhuān)為用戶(hù)負(fù)荷供電敷設(shè)的配電線(xiàn)路。此外，許多國(guó)家可再生能源發(fā)電由企業(yè)投資建設(shè)而非電網(wǎng)規(guī)劃，同時(shí)需依據(jù)實(shí)際的資源情況生產(chǎn)發(fā)電而非集中調(diào)度。

熱電聯(lián)產(chǎn)模式可利用熱電廠(chǎng)發(fā)電產(chǎn)生的余熱，用作工業(yè)生產(chǎn)或供暖，以此有效提高整體能源效率，目前已得到廣泛應(yīng)用。由于遠(yuǎn)距離輸送熱電廠(chǎng)的低溫余熱并不經(jīng)濟(jì)，因此有必要將熱電聯(lián)產(chǎn)電廠(chǎng)建立在熱負(fù)荷周?chē)?。這導(dǎo)致熱電聯(lián)產(chǎn)相對(duì)規(guī)模較小，地理位置分散，并接入配電網(wǎng)。雖然熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組原則上可以進(jìn)行集中調(diào)度，但其往往是為了滿(mǎn)足安裝用戶(hù)的供暖和電力需求，而非公共供電系統(tǒng)的需求。

微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置可用于取代家用的燃?xì)夤┡仩t，可使用斯特林或其他熱力發(fā)動(dòng)機(jī)為住宅供暖和供電。它通常是為了滿(mǎn)足住宅供暖或熱水的需要，同時(shí)可以產(chǎn)生適量的電能來(lái)補(bǔ)償室內(nèi)的部分用電。而微型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組接入配電網(wǎng)可直接向電網(wǎng)供電，但這些微型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益較低，因此在發(fā)電方面尚無(wú)較高的吸引力。

在分布式發(fā)電發(fā)展過(guò)程中，電力行業(yè)的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)占有重要地位。雖然丹麥早期采用風(fēng)力發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的垂直一體化模式的電力系統(tǒng)給出了一個(gè)有趣的反例，但一般自由化的電力市場(chǎng)環(huán)境和開(kāi)放式的配電網(wǎng)可為分布式發(fā)電提供更多的發(fā)展機(jī)遇。

5 分布式發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的技術(shù)影響

5.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)影響

分布式發(fā)電模式改變了電網(wǎng)潮流，并因此改變了電網(wǎng)損耗。如果一個(gè)小型的分布式發(fā)電安裝在大型負(fù)荷附近，由于負(fù)荷可以從臨近的發(fā)電單元獲得有功或無(wú)功功率，所以將降低電網(wǎng)損耗。相反，如果一個(gè)大型分布式發(fā)電遠(yuǎn)離負(fù)荷，則配電系統(tǒng)損耗可能隨之增加，而電網(wǎng)負(fù)荷增加導(dǎo)致的電量變化會(huì)引起更復(fù)雜的情況。

一般情況下，配電網(wǎng)中的高負(fù)荷意味著需要運(yùn)行昂貴的集中式發(fā)電裝置。因此，任何分布式發(fā)電系統(tǒng)在此期間運(yùn)行都將降低網(wǎng)損，并顯著影響電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本。目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)通常不參與配電網(wǎng)的電壓控制。

分布式發(fā)電系統(tǒng)也可替代一部分配電網(wǎng)容量。但是，分布式發(fā)電尚無(wú)法代替輻射狀饋線(xiàn)，因?yàn)楣聧u運(yùn)行是不允許的，且為了充分利用獨(dú)立運(yùn)行的可再生能源發(fā)電，還需對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。目前大部分高壓配電線(xiàn)路采用成對(duì)配置或環(huán)網(wǎng)配置，所以分布式發(fā)電系統(tǒng)可降低對(duì)配電設(shè)施的需求。

5.2 分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)輸電系統(tǒng)的影響

與接入配電系統(tǒng)類(lèi)似，分布式發(fā)電的接入將改變輸電系統(tǒng)中的潮流。因此，輸電損失也會(huì)相應(yīng)改變，通常會(huì)隨之減少。而在環(huán)形輸電網(wǎng)中，電力潮流減少，對(duì)設(shè)備的要求也會(huì)相應(yīng)降低。

5.3 分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)集中式發(fā)電的影響

分布式發(fā)電對(duì)集中式發(fā)電的主要影響是降低了集中發(fā)電輸出功率的平均值，但往往同時(shí)也增加了方差。在一個(gè)大型電力系統(tǒng)中，通過(guò)發(fā)電調(diào)度可以精確預(yù)測(cè)用戶(hù)的用電需求。分布式發(fā)電為這些預(yù)測(cè)帶來(lái)了更多不確定性，因此可能需要增加備用電源。

目前，可通過(guò)預(yù)測(cè)風(fēng)速來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率大小，通過(guò)預(yù)測(cè)熱量需求來(lái)預(yù)測(cè)分布式熱電聯(lián)產(chǎn)輸出是相對(duì)傳統(tǒng)的方法。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率的預(yù)測(cè)具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其對(duì)電能交易也具有重要影響。然而，這些預(yù)測(cè)對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)調(diào)度的技術(shù)協(xié)助微乎其微，因?yàn)槠鋵?duì)預(yù)測(cè)的可靠性要求非常高。

由于在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中加入了分布式發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率必須能夠置換集中式發(fā)電相同功率的輸出，以維持整體負(fù)荷/發(fā)電的功率平衡。在分布式發(fā)電輸出有限的情況下，影響主要會(huì)導(dǎo)致集中式發(fā)電減載，但仍需維持運(yùn)行及可控輸出。然而，隨著越來(lái)越多分布式發(fā)電系統(tǒng)的加入，必須斷開(kāi)與集中式發(fā)電的連接，從而降低了系統(tǒng)可控性和頻率調(diào)節(jié)能力。類(lèi)似的結(jié)果是，由于集中式發(fā)電被替換，無(wú)功容量會(huì)相應(yīng)減少，且難以維持輸電網(wǎng)的電壓分布。

6 分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景展望

目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)依然被視作一類(lèi)發(fā)電方式，而其較難提供一般電力系統(tǒng)所需的其他輔助服務(wù)。其中，部分原因在于分布式發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，最主要的原因是分布式發(fā)電目前的運(yùn)營(yíng)和激勵(lì)機(jī)制依然受行政及商業(yè)環(huán)境限制，即其僅可作為一種能量來(lái)源。然而，隨著可再生能源發(fā)電接入輸電網(wǎng)技術(shù)要求逐漸應(yīng)用到大型分布式發(fā)電領(lǐng)域，上述情況正在發(fā)生改變。

在部分國(guó)家，分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電的滲透已經(jīng)開(kāi)始引發(fā)電力系統(tǒng)的運(yùn)行問(wèn)題，這在丹麥、德國(guó)、西班牙等分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電滲透率較高的國(guó)家已有相應(yīng)報(bào)道。至今為止，人們依然在強(qiáng)調(diào)將分布式發(fā)電并網(wǎng)，以加快各種形式分布式能源的發(fā)展，卻忽略了將其納入電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

目前，分布式發(fā)電并網(wǎng)通?；诿饩S護(hù)策略。該策略符合傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行需求，導(dǎo)致配電基礎(chǔ)設(shè)施效率低、投資成本高。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)允許任意負(fù)荷（以及分布式發(fā)電系統(tǒng)自身）組合的同時(shí)接入，且仍然能為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的電能。

此外，分布式發(fā)電系統(tǒng)支持被動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)行和簡(jiǎn)單的本地發(fā)電控制，可在電力生產(chǎn)方面取代集中式發(fā)電的位置，而系統(tǒng)控制和安全性仍需通過(guò)集中式發(fā)電方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。該類(lèi)并網(wǎng)方式一定程度上限制了分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)增加了投資和運(yùn)行成本，破壞了電力系統(tǒng)的完整性和安全性。

因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)必須承擔(dān)一部分傳統(tǒng)大型發(fā)電廠(chǎng)的責(zé)任，為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行提供必要的靈活性和可控性。分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入使得配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商需發(fā)展主動(dòng)配電網(wǎng)來(lái)共同保障系統(tǒng)的安全，以此體現(xiàn)了從傳統(tǒng)集中控制到分布式控制模式的轉(zhuǎn)變。

通過(guò)將分布式發(fā)電和可控負(fù)荷充分納入電網(wǎng)運(yùn)行，將為系統(tǒng)提供一些原來(lái)由集中式發(fā)電提供的輔助服務(wù)。此時(shí)，分布式能源將不僅能夠取代集中式發(fā)電的作用，還兼具其控制能力，減少了運(yùn)行維護(hù)所需的集中式發(fā)電容量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，配電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行將從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，需要將現(xiàn)有的控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌姆植际娇刂颇Ｊ剑òㄐ枨髠?cè)管理），從而提高系統(tǒng)的控制能力。

7 結(jié) 論

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善與優(yōu)化，分布式發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)有著更加廣闊和美好的應(yīng)用前景，將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)電廠(chǎng)為普通用戶(hù)供給電能，而集中發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)運(yùn)行以提供維持電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性所需的輔助服務(wù)。