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，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、儲能裝置、AC/DC、DC/DC轉(zhuǎn)換器等4個單元組成，各單元通過直流總線相連接，自主控制。直流總線通過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，對未來分布式發(fā)電的發(fā)展趨勢作了展望。關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電 配電網(wǎng) 儲能 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，可獨立地輸出電能的系統(tǒng)[2>。 分布式發(fā)電的優(yōu)點，如投資省、系統(tǒng)可靠性高、能源種類多樣等優(yōu)點。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，分布式發(fā)電聯(lián)合電網(wǎng)運行是今后分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 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，實現(xiàn)與公用電網(wǎng)聯(lián)合向負荷供電。 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)類型見表1。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。目前儲能系統(tǒng)的形式多樣，主要有蓄電池儲能、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。 分布式發(fā)電受地理位置及環(huán)境狀況等因素的約束，在進行分布式發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃時，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，從而確定采用何種發(fā)電方式。本文對分布式發(fā)電系統(tǒng)作簡要地介紹。 系統(tǒng)運行方式取決于分布式發(fā)電容量與10 kV所帶地區(qū)的負載。當(dāng)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。因為目前分布式發(fā)電中應(yīng)用比較成熟的是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(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，就目前的技術(shù)而言，儲能系統(tǒng)的容量也是很有限的，不能長時間提供功率來對應(yīng)分布式發(fā)電容量的不足。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(dāng)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(dāng)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(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能裝置組合起來共同發(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)展的主要趨勢之一[5>。儲能裝置的容量及類型應(yīng)根據(jù)分布式電源及其負荷的波動程度作相應(yīng)的選擇。 本文通過一條直流總線將分布式電源與儲能系統(tǒng)聯(lián)系在一起，彼此相互獨立，但各單元又依靠直流總線電壓的大小分工協(xié)作，為負載提供穩(wěn)定的電能。因此，系統(tǒng)中各單元之間既相互聯(lián)系，又相互獨立，其中某個單元的故障不會影響其它單元的正常運行。這樣控制系統(tǒng)就變得簡單，其關(guān)鍵在于直流總線電壓的設(shè)定范圍和變動方式，從而決定各單元的運行方式。 1.1 分布式發(fā)電的類型 1.1.1 微型燃氣輪機發(fā)電 微型燃氣輪機其單機功率范圍為20～500 kW之間，正向1 MW容量等級發(fā)展，基本技術(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?zé)嵫h(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,以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料,具有高可靠、長壽命、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，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；但也有采用同步發(fā)電機的，風(fēng)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[6>。 對于風(fēng)力機而言，輸出的有功功率由風(fēng)速決定的，會隨風(fēng)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(fēng)力機采用主動失速控制系統(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，允許葉片在一個很小的范圍內(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 太陽能光伏發(fā)電 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(yīng)。當(dāng)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-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(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)，在生成水的同時進行發(fā)電。因?qū)嵸|(zhì)是化學(xué)能發(fā)電，其過程簡單，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)換為機械能，機械能再轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電效率顯然不會很高。 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，首先氫氣放出電子具有正電荷；同時，氧氣從氫氣中得到電子具有負電荷，兩者結(jié)合成為中性的水。在氫氣和氧氣進行化學(xué)反應(yīng)中，發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，把電子的轉(zhuǎn)移取出，加到外部連接的負載上面，實現(xiàn)了對負載供電。 1.2 儲能系統(tǒng) 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(yīng)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(DG)提供了很大的空間，主要表現(xiàn)為3個方面[11>：對系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用；適當(dāng)?shù)膬δ芸梢栽贒G單元不能正常運行的情況下起過渡作用；儲能使得不可調(diào)度的DG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(wù)。儲能技術(shù)的形式多樣，需具體情況作具體的選擇。 1.2.1 蓄電池儲能 蓄電池是目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最有前途的儲能裝置之一[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(yīng)用。 1.2.2 超導(dǎo)儲能 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)將能量存儲在由電流超導(dǎo)線圈的直流電流產(chǎn)生的磁場中，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，一個超導(dǎo)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(dǎo)儲能系統(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)儲能的瓶頸。一旦超導(dǎo)材料研制成功，超導(dǎo)儲能的前景不可估量。 1.2.3 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(dāng)小，但轉(zhuǎn)速極快；低速飛輪系統(tǒng)的飛輪較大，但轉(zhuǎn)速相對較慢。 1.2.4 電解水制氫儲能 這種儲能系統(tǒng)需與燃料電池聯(lián)合應(yīng)用。在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)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(dāng)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(xué)反應(yīng)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。 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)不可缺少的重要補充，將成為未來能源領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。我國大力提倡開發(fā)和利用可再生能源，而分布式發(fā)電正是響應(yīng)了國家政策，意義重大。 我國太陽能和風(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，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。 儲能技術(shù)的發(fā)展為分布式發(fā)電增添了活力，會使分布式發(fā)電技術(shù)的進展邁上一個臺階。 因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)具有廣闊的市場，可以預(yù)見，它將是21世紀電力工業(yè)發(fā)展的主要方向。 3 結(jié)束語 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。本文提出的分布式發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用時需根據(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合理選擇分布式電源，充分利用當(dāng)?shù)氐馁Y源來發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢；采用直流總線將分布式電源與儲能系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，為了使控制系統(tǒng)簡單而且控制靈活，響應(yīng)速度快。儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，會促使分布式發(fā)電系統(tǒng)更快地發(fā)展。同時，分布式發(fā)電與儲能技術(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)濟性。 |
