DG知识帖1——分布式发电的产生背景及定义

小电驴 · 发表于 2009-1-7 17:05:26

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DG产生背景
      当今世界的电力系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的单一供电系统，但是随着社会对电力供应的质量与安全可靠性要求的提高，人们发现大电网已经不能满足这种要求。首先，大电网中任何一处的故障所产生的扰动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电，造成严重的后果。这样的事故在国外时有发生，“美加大停电”就是一个这样的例子；其次，大电网又容易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全；另外，随着电压等级的不断下降、馈线总长度的增大、馈线截面的减小、变压器台数的增多、负载率的降低，配电网的能量损耗在全网能量总损耗中所占份额逐步增加是必然的。目前，中低压配电网优化运行和降损措施对供电企业合理投资、提高经济效益具有重要意义。而分布式电站作为一种可以向负荷区供电的电源，对降低电网损耗也可以起到积极作用。最重要的一点，集中式大电网结构对偏远地区供电造成输电费用过高，有的特殊地区无法铺设电网。因此，大电网系统与分布式电源系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法，有较大的推广价值。
   此外，随着社会的发展，生存环境的恶化和全球变暖现象的严重，现有能源生产对环境的影响作用越来越受人们的重视。由于严峻的环境问题如温室效应、SO2、NOx等有害气体的排放，促使人们追求高效的能源转换、降低有害物质的排放、寻找替代燃料和就地采用能实施能源梯级利用的小规模的分布式发电系统，来适应上述要求。目前，分布式电源研究的热点之一就是可再生能源发电技术。其中水力发电、生物质能发电属于比较成熟的技术；风力发电、光伏发电、太阳热发电、地热及潮汐发电等都属于新兴的发电技术。随着技术的发展、公共环境政策和电力市场的扩大等因素的共同作用使得分布式发电成为新世纪重要的能源选择。
   在我国，随着经济建设的飞速发展，集中式供电网的规模迅速膨胀。这种发展所带来的安全性问题不容忽视。由于各地经济发展很不平衡，对于广大经济欠发达的农村地区来说，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的、强大的集中式供配电网需要巨额的投资和很长的时间周期，能源供应严重制约这些地区的经济发展。而分布式发电（DG）技术刚好可以弥补集中式发电的这些局限性。在中国，DG尚处于起步阶段，但发展很快。小水电和风力发电资源丰富，已经得到广泛的应用。到2002年底，小水电装机容量达到3104万千瓦。截至到2003年底，全国风能资源丰富的14个省(自治区)已建成风电场40座，累计运行风力发电机组1042台，总容量达567.02兆瓦。其他类型的发电技术中国也在积极地研究或商业示范运行。此外，我国十分重视热电联产的发展，到2004年，全国单机6000千瓦及以上热电联产机组容量达48130万千瓦，占全国发电机组总容量的12.26%，在全国总供热量中，热电联产供的蒸汽量占81.96 %，热水量占26.72%。近年来，中国政府大力支持发展可再生能源技术，提出了到2020年中国可再生能源的发展目标、战略布局、建设重点和保障措施。到2020年，水电总装机容量将达到2.9亿千瓦，开发程度达到70%左右，生物质发电达到2000万千瓦，风电达到3000万千瓦、太阳能发电达到200万千瓦，力争使可再生能源发电装机在总电力装机容量的比例达到30%以上。
   通过DG和集中供电系统的配合，形成含分布式供电网络的配电系统，其优点可以总结为：
   （1）分布式配电网络可以弥补大电网安全性的不足，用户可以自行控制相互独立的各个分布式发电系统。当单个分布式电站被破坏时，具有特殊设计的分布式发电系统仍能保持正常运行，由此可提高供电的安全性。
   （2）分布式发电非常适合向农村、牧区、山区、偏远地区的居民和企业供电，可避免大量的输配电设备扩容费用。
   （3）通过合理优化分布式电源在电网位置和容量，改善电网电压和负荷功率因数并使输配电网的潮流减少，增加电网的稳定性，降低系统网损，使得输配电损耗大大降低。
   （4）建设快、运行费用低。由于分布式电源的并网，减少新建配电站以及降低新建配电站所附加的输配电成本，缓建了电网而节约投资。延缓系统的更新速度、增加电网经济性。本身投资和风险都要很小。
   （5）采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，故可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此不但减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的征地面积和线路走廊，减少了对线路下树木的砍伐，有利于环保。
   （6）在分布式电源与电网连接的情况下，电网供电与分布式电源供电可以互为备用电源，提高供电可靠性。对于一些对可靠性要求较高的工业和商业用户，一些受到输配电网络潮流约束的地区，或者对于一些旋转备用边界正在减小，电力短缺的国家，DG机组可以作为后备机组或者紧急备用机组提高系统供电可靠性，减少停电损失；在电网意外事故或解列（战争、人为破坏、地震、暴风雨雪、操作失误等）情况下维持重要用户供应。
   （7）调峰性能好，操作简单。由于参与运行的系统较少，启停快速，便于实现全自动。根据美国分布式发电联合会（DPCA）研究表明分布式能源有潜力占据未来新发电容量的20%，据电力研究机构估计，到2010年，DG市场将达到每年2.5—5GW的容量份额[7]- [8]。在全球范围内，己安装的MV分布式发电装置已经达到300万台，并且以每年超过80000MV的速度递增[9]。但是，DG并不可以在电力系统随心所欲的使用，只有在满足一些约束条件下，对其合理规划和设计，通过选择合适的类型在需要的时候和位置正确的应用，才能发挥其经济作用，环境性能以及使系统获得更好的可靠性[10]。同时，分布式配电网络在发挥优势的同时，会给电力系统运行和稳定性带来许多问题和挑战。因此，研究分布式电源的优化配置及其对电力系统的影响，研究解决问题的方法，为分布式发电与传统电力系统协调运行，发挥它对系统的补充优势也有重要的理论指导意义和实际应用价值。
（8）能源综合利用，提高能源利用效率（60%-90%）。如电、冷、热三联产，为能源的综合利用提供了可能，具有较高的能源利用率。
（9）适应电力市场发展需要，多家办电，打破电力部门垄断
分布式发电装置往往具有有效利用资源和环境友好等特点，与一般意义上的“小机组”己不是同一个概念，这是21世纪世界电力工业的发展方向。在下一个10年左右的时间，分布式发电在传统电力系统中将会有实质性增长。电力工业解除管制、市场法则的导向、分布式发电技术和电力电子技术的发展，使得分布式电力系统将不仅仅停留在概念上，而是会变成现实。
分布式发电的定义
   分布式发电作为一种全新的技术，目前在我国被人们认识并没有多长时间。现实生活中，一些工厂或大型电力用户，他们自备的一些发电机在系统电源停供时，作为一种零时电源使用以提高自身的供电率，这可以作为分布式电源的发展初期阶段。这种方式的应用在国外发达国家己得到很大程度上的应用。在美国、欧洲国家，他们的工业发达，用电负荷大，分布式电源的发展相对中国来说较早一些。
   一般而言，分布式发电分布式发电（Distributed Generation，embedded generation）是与配电系统（6 kV或10kV）并联运行或采用独立小电网的运行方式。分布式发电(DG)本身并非一种全新的发电形式，传统的分布式发电一般指在用户现场或靠近用户现场配置较小的发电组(通常低于30MW)，用以满足特定用户的需要，支持现存配电网的经济运行。例如在医院、矿山等，用户往往自行安装一些小型发电设备作为紧急备用电源，他们把小型柴油发电机组作为停电时的事故备用电源，目的是为增加用电可靠性和安全性；如我国早期燃煤的自备小热电厂，这些也可认为是分布式发电的范畴。但由于其技术性能差或效率低下，或对环保有影响，己被逐渐淘汰或取代。
   目前所谓的分布式发电通常并非指上述的采用柴油发电机组的紧急备用电源或燃煤的自备小热电厂，而是指生物质能(Biomass Energy)、以天然气为燃料的燃气轮机(Gas Turbine，Combustion Turbine Generators)、内燃机(Gas Engine，Internal Combustion Reciprocating Engines and Generators)、微型气轮发电机（Micro- Gas Turbine），光伏电池(Photo-voltaic panel）、以氢气为燃料的燃料电池(Full cell)，风能（Wind Power)发电等的分布式电站。具体的说DG是指功率不大（一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、模块式采用先进信息控制技术的、清洁环保、经济、高效、可靠的自主智能发电形式。由于其能源多样化、环保、节能、高效等多方面的优越性，且随着电力市场化的快速发展，使这种发电技术获得人们越来越多的关注，并在某些方面已获得较大进展（如燃气轮机、微型气轮发电等技术）。
   由于近年来的电力供需矛盾突出，建设大电源、大电网的周期长、耗资大，而分布式电源作为一种快速、有效的解决电荒的手段，其接入配电系统后将带来的巨大运行、经济方面的效益也得到了人们的认可。
分布式发电对整个电力系统有着重大的影响：
（1）对发电、输电系统的影响在于对新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少。首先，新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足;其次，由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷的作用，现有发输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有建设的必要。
（2）对配电系统的影响。配电系统将发生根本性的变化：从一个辐射式的网络变为一个遍布电源和用户互联的网络。配电系统的控制和管理将变得更加复杂。首先，分布式发电的引入会使传统的配电网络规划、运行（如无功补偿、电压控制等）彻底改变；其次，现在正在兴起的配电网自动化和需求侧管理（DSM）内容需要重新加以考虑；再次，分布式电源之间的控制和调度必须加以协调，与分布式发电有关的法律、法规和行业规范也需要妥善制定。可以认为，对这种新型配电系统的研究将成为今后电力科学研究的重点之一。
（3）对整个电力行业的影响。分布式发电的普及将对电力市场的走向和最后格局产生深远的影响。电力公司和用户之间将形成新型的关系。用户可以从电力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司完全采用分布式发电，可以构成一个孤立系统。孤立系统是指与大电网隔离的、利用自备电源供电、独立运行的小型电力系统，主要以小型、相对独立的区域为供电对象，一般存在于偏远海岛、边防地区。对于一些重要场所，如军用机场、港口、军事基地以及对供电可靠性要求高的大型厂矿等，短时电力中断可能造成极大损失。目前，这些场所通常采用双回10 kV或35 kV配网线路与地方大电网联络，联系比较薄弱。一旦发生电网崩溃和意外灾害（例如战争、人为破坏、地震、雪灾），地方电网难以保障这些重要场所可靠地供电。分布式发电技术的出现，为建立可靠和灵活的孤立系统提供了新的选择。
分布式发电的分类
   在不同的研究领域，DG有不同的分类方式。一般可以根据DG的技术类型进行分类。常见的分布式发电如下：
（1）风力发电
   风力发电技术是将风能转化为电能的一种发电技术，它的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。风电是一种绿色的可再生能源，随着我国能源结构的不断调整，风力发电逐渐显示出较好的应用前景。
目前风电机组多为异步发电机，异步发电机在超同步运行情况下以发电方式运行，此时吸收风力机提供的机械能，发出有功功率，同时从电网或电容器吸收无功功率提供其建立磁场所需的励磁电流。同步风力发电机不需要增速传动结构，整体结构简单。随着电力电子变流技术的进步，先进的同步风力发电常采用交—自—交的接入方式，可先把发出的交流变成直流，然后再逆变成工频交流接入用户或电网。这种发电方式的优点是：发电机转速不必与电网频率要求的转速同步。由于其输入功率存在固有的不平衡性，风力发电在一定程度上可起到蓄能作用。一般风力发电机输出的交流电经过整流后向蓄电池组充电，然后通过逆变器连入电网。并网运行是在风力资源丰富的地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发电场，发出的电能全部经变压器送至电网，这是目前风力发电的主要方式。风力发电同其它发电方式互补运行，更增加了其广阔的应用前景。
（2）太阳能光伏发电
   光伏发电是根据光产生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源；大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。
太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片)，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。国产晶体硅电池效率在10%～13%左右，国外同类产品效率约12%～14%。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件。
并网型光伏发电系统是光伏发电系统的主流趋势。并网光伏发电系统可分为住宅用并网光伏发电系统和集中式并网光伏发电系统。前者特点是光伏发电系统的电直接分配给用户负载，多余或不足的电力通过连接网来调节；后者特点是光伏发电系统电被直接输送到电网上，由电网把电力统一分配给各用户。目前住宅用光伏系统在国外己得到大力推广，而集中式并网光伏系统应用尚在发展。
（3）微型燃气机
   微型燃气轮机是一类新型发电机，其功率范围在30～300kW或更小。近年来随着全球范围内的能源与动力需求结构以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度关注。先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了做DG使用外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型DG及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。DG技术的发展为微型燃气轮机技术发展和市场扩展提供了极好的平台。微型燃气轮机技术的发展及其商用推出大大增加了DG面向较小用户的可能性。微型燃气轮机发电装置的紧凑性、可靠性和遥控运行以及环境友好等特点，意味着它们特别适合DG的区域性应用。鉴于我国目前的电力发展及其分布不很均衡以及微型燃气轮机的技术特点及其优越性，微型燃气轮机将在我国得到广泛的重视与应用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输(混合动力汽车)以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注。因此，从国家安全看，发展微型燃气轮机也是非常重要的。
（4）燃料电池
   燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生成水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。燃料可以是氢气、碳氢化合物、天然气、甲醇甚至汽油等，尽管燃料电池在发电时有热损失，但在室温下它的转化效率仍能达到84%。燃料电池的工作原理是电解水的逆过程，即通过氢和氧的化合释放出电能，其排放物是水蒸汽，因而对环境无任何污染。氢气可以由钢瓶供气或由外部燃料处理器用化学方法生成氢混合气体，也可在燃料电池内部从气态碳氢化合物中提取。所需氧气可用氧气瓶或空气供给。根据燃料电池中所用电解质的不同，可将其分为五类。除固体氧化物燃料电池尚处于研究阶段外，其他几种均已开发成功。用作发电设备的燃料电池，在技术上最为成熟的是磷酸燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池的发电效率接近50%，由于其工作温度高，适用于联合循环系统，即将燃料电池产生的废热汽，驱动汽轮机以获得附加的电能，使发电效率达60%～65%。熔融碳酸盐燃料电池已完成试验阶段，不久将在市场上供货。我国在21世纪初要实现的兆瓦级燃料电池示范电站也将采用这一类型的燃料电池。
   随着燃料电池技术的突破和制氢技术的不断进展，燃料电池可以与太阳能光伏电池或风力发电系统构成“太阳能光伏(或风力发电)制氢储能——燃料电池发电系统”，以制氢储能替代传统的蓄电池储能环节。当日照(风源)情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在夜晚或阳光不足(风力不足)时，将储存的氢通过燃料电池再转换为电能，继续向负载供电，从而保证了系统供电的连续性和稳定性。这种系统具有储能密度高，使用寿命长，运行成本低，没有污染等优点。

[ 本帖最后由小电驴于 2009-1-7 17:13 编辑 ]

小电驴 · 发表于 2009-1-7 17:14:43

会陆续推出，有兴趣的兄弟等关注。我也是了解以部分。DG的方向也比较多。

[ 本帖最后由小电驴于 2009-1-7 17:16 编辑 ]

wsz310 · 发表于 2009-1-7 18:35:57

风力发电是不是分布式发电的一种?

小电驴 · 发表于 2009-1-8 10:46:35

如果和配网相联，不直接上输电网就应该是。可以大家发表意见

catcat2008 · 发表于 2009-1-29 09:16:48

风力发电是分布式电源，只是现在集中在一起的大型风电场，接入比较高电压等级。

liubin0733 · 发表于 2009-8-10 16:21:15

据胡学浩介绍，分布式发电只是针对小规模而言，如果是大规模的风力发电就不再属于分布式发电了，而是属于可再生能源集中发电的范畴…本人看了一些英文文献，觉得胡前辈观点言之确凿，有兴趣的可以查查胡前辈论文

蛋蛋 · 发表于 2010-5-23 14:07:34

回复 1# 小电驴

知道蓄电池的成本吗？

ddyuer200435 · 发表于 2010-5-25 10:53:59

回复 7# 蛋蛋

想了解微网

有一些我懂 · 发表于 2010-5-29 16:26:47

进来学习学习，呵呵

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