分布式電源的發(fā)展與應(yīng)用

分布式電源的發(fā)展與應(yīng)用

由于能源短缺和污染日益嚴(yán)重，所有國家都在尋找減少污染和使用率高的能源使用方法。具有能源利用效率高、環(huán)境負(fù)面影響小等特點(diǎn)，能提高能源供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。越來越多的國家重視分布式電源技術(shù)，這克服了傳統(tǒng)集中電網(wǎng)的許多弱點(diǎn)，成為能耗補(bǔ)充的傳統(tǒng)方式。1w之間的能源關(guān)系分布式電源(DG)是位于用電點(diǎn)附近的小型模塊化電力能源,它靠近用戶現(xiàn)場以滿足特定用戶的需要,支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,一般容量在幾千瓦到50MW之間.根據(jù)美國能源署的定義,它是產(chǎn)生或儲存電能的系統(tǒng),通常位于用戶附近,包括生物能發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、太陽能發(fā)電和光伏電池、燃料電池、風(fēng)能發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī),以及存儲控制的技術(shù).分布式能源可以連接電網(wǎng),也可以獨(dú)立工作.分布式電源的一次能源一般是氣體燃料,各種可再生能源;二次能源是分布在用戶側(cè)的冷、熱、電等.它將電力、熱力、制冷和蓄能技術(shù)相結(jié)合,直接滿足用戶對能量的需求,實現(xiàn)能源的梯級利用,以提高能源的利用率,節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境.2幾種分布式電源的優(yōu)點(diǎn)(1)分布式電源網(wǎng)損降低明顯分布式電源與傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電有兩個明顯的區(qū)別:一是傳統(tǒng)大電網(wǎng)電源和用電負(fù)荷距離非常遠(yuǎn),一般都要通過遠(yuǎn)距離輸送給用戶,而分布式電源則靠近用戶現(xiàn)場,因而網(wǎng)損降低明顯;二是傳統(tǒng)大電網(wǎng)供電模式下能量形式單一,而分布式電源則能夠提供多種形式的能量,典型的是冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn),能實現(xiàn)能量的梯級利用,符合“溫度對口、梯級利用”的原則,從而大大提高了能源的總體利用效率.(2)發(fā)展生物處理系統(tǒng)分布式電源以天然氣、輕油等清潔能源和風(fēng)力、水力、潮汐、地?zé)岬瓤稍偕茉礊榘l(fā)電原料,能夠減少二氧化碳、一氧化碳、硫化物和氮化物等有害氣體的排放.同時,由于分布式能源系統(tǒng)發(fā)電的電壓等級比較低,電磁污染比傳統(tǒng)的集中式發(fā)電要小得多.(3)提高供電可靠性在建設(shè)大型電廠的趨勢有增無減之時,電網(wǎng)的急速膨脹對供電的安全與穩(wěn)定帶來很大威脅,一旦電廠和輸電干線發(fā)生故障將導(dǎo)致大面積停電.分布式電源采用性能先進(jìn)的控制設(shè)備,開停機(jī)方便、操作簡單、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活,與大電網(wǎng)配合可大大提高供電可靠性,彌補(bǔ)其安全穩(wěn)定性方面的不足,在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害(地震、暴風(fēng)雪、人為破壞、戰(zhàn)爭)情況下可維持重要用戶的供電.(4)分布式電源投資和運(yùn)行成本有利于電力短缺化分布式電源內(nèi)部通常都設(shè)有就地電壓調(diào)整和無功補(bǔ)償,從而保證了電能的質(zhì)量.此外,分布式電源的投資相對大電網(wǎng)、大電廠而言非常小,風(fēng)險也較小,并且建設(shè)周期短,有利于短時間內(nèi)解決電力短缺的問題.3大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng),促進(jìn)能源與效能的發(fā)展由于全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,近年來各國對能源的需求越來越大,對供電的可靠性、電能的質(zhì)量提出了更高的要求,但地球上傳統(tǒng)的資源越來越少,環(huán)境問題越來越突出,于是人們不得不尋求一種更加節(jié)約、更加環(huán)保的能源供給方法.因此,具有較高能源利用效率的分布式電源獲得了快速發(fā)展.美國在1978年頒布了公共事業(yè)管理政策法后,開始正式推廣建設(shè)分布式能源系統(tǒng).目前,美國已經(jīng)擁有6000多座分布式能源站,僅大學(xué)校園就有200多座分布式能源站.英國只有5000多萬人口,但是分布式能源站有1000多座.連英國女王的白金漢宮、首相的唐寧街10號官邸,都采用了燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源站.俄羅斯采用熱電聯(lián)產(chǎn)的比例占總能耗的33%,美國占50%,而我國只占12.8%.在眾多國家中,丹麥?zhǔn)鞘澜缟瞎J(rèn)的將經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源消耗和環(huán)境保護(hù)3方面有機(jī)結(jié)合的典范,是實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的國家.20多年來,丹麥的國民生產(chǎn)總值翻了一番,但能源消耗卻未增加,環(huán)境污染也未加劇,其奧妙就在于丹麥積極發(fā)展冷、熱、電聯(lián)產(chǎn),提倡科學(xué)用能,扶植分布式能源,靠提高能源利用效率支持國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.目前丹麥沒有一個火電廠不供熱,也沒有一個供熱鍋爐房不發(fā)電,將冷、熱、電產(chǎn)品的分別生產(chǎn),變?yōu)楦呖萍嫉睦?、熱、電?lián)產(chǎn),使科技進(jìn)步變成真正的生產(chǎn)力.我國近年來高度重視可再生能源的開發(fā)利用,把加快發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源作為“十一五”時期能源發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略.而對可再生能源利用的有效形式,就是大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)——分布式電源.在《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》、《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》等法令法規(guī)中,明確提出:大力推廣熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱;提高熱電機(jī)組的利用率;發(fā)展熱能梯級利用技術(shù),熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和熱、電、煤氣三聯(lián)供技術(shù),提高熱能綜合利用率.目前,我國以天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)建設(shè)已逐步進(jìn)入實質(zhì)性開發(fā)實施階段,在北京、上海、廣州等大城市的居民小區(qū)、商城樓宇、大學(xué)城,都有一批熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)示范工程投運(yùn).例如:上海浦東國際機(jī)場能源中心4000kW燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供項目;上海黃埔區(qū)中心醫(yī)院1000kW燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供項目;北京中關(guān)村軟件園熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)項目等.2007年12月12日,中國華電集團(tuán)新能源發(fā)展有限公司與廣州大學(xué)城能源發(fā)展有限公司合資設(shè)立廣州大學(xué)城華電新能源有限公司.該公司投資建設(shè)國內(nèi)最大的分布式能源項目——廣州大學(xué)城分布式能源,設(shè)計裝機(jī)容量為156MW.4綜合常見的分布式電源分布式電源主要包括前端和后端兩部分:前端部分主要有蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、生物質(zhì)能等,蒸汽輪機(jī)包括背壓式、抽汽式、抽汽冷凝式和冷凝式4種,一般傳統(tǒng)的發(fā)電廠主要采用冷凝式蒸汽輪機(jī),而背壓式和抽汽式蒸汽輪機(jī)則用于早期的分布式電源;后端部分主要包括制冷設(shè)備和供熱設(shè)備,而制冷設(shè)備的選擇是最主要的,當(dāng)前,制冷設(shè)備主要包括電制冷、蒸汽吸收式制冷、余熱吸收式制冷和壓縮式制冷設(shè)備.前端設(shè)備和后端設(shè)備不同種類的組合就構(gòu)成了不同形式的分布式電源結(jié)構(gòu).其總體結(jié)構(gòu)見圖1.近年來,人們提出了適用于不同場合、規(guī)模和用戶的分布式電源結(jié)構(gòu).其中包括:以內(nèi)燃機(jī)為前端部分的冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng);以燃?xì)廨啓C(jī)或微型燃?xì)廨啓C(jī)為前端部分,以煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組為后端部分的分布式電源;以燃?xì)廨啓C(jī)為前端部分,以余熱鍋爐、熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組為后端部分的分布式電源;以燃料電池或生物質(zhì)能為前端部分的三聯(lián)供系統(tǒng).此外,還有一些綜合各種類型的分布式電源結(jié)構(gòu),如在以燃?xì)廨啓C(jī)為前端部分的系統(tǒng)中,在前端部分加入地?zé)崮?、太陽能和風(fēng)能的能量轉(zhuǎn)換裝置,在后端部分附加電制冷設(shè)備等.在分布式電源里,燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和透平3大部分組成.外界空氣經(jīng)過過濾后,通過壓氣機(jī)增壓到一定壓力后輸送到燃燒室,在燃燒室里和燃料混合燃燒、產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)膺M(jìn)入透平做功,帶動與之同軸的發(fā)電機(jī)發(fā)電.發(fā)電后,從透平中排放出來的余熱煙氣溫度很高,一般都大于250℃,可作為煙氣型吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動熱源,也可用來加熱余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽.這種類型的分布式電源的總效率式為:η=η1+kη2(1)式中:η1——燃?xì)廨啓C(jī)效率;η2——制冷機(jī)效率;k——制冷機(jī)吸收的熱量占整個分布式電源總輸入熱量的份額.對分布式電源效率起關(guān)鍵作用的是燃?xì)廨啓C(jī)的效率,因此,要盡可能選擇高效率的燃?xì)廨啓C(jī).設(shè)Q1為燃?xì)廨啓C(jī)獲得的熱量,m1為在燃?xì)廨啓C(jī)中流動的燃?xì)赓|(zhì)量,C1為燃?xì)獾钠骄▔罕葻?T2為燃?xì)庠谌紵页隹诘慕^對溫度,T1為壓氣機(jī)出口空氣絕對溫度,則:Q1=m1C1(T2-T1)(2)設(shè)Q2為燃?xì)廨啓C(jī)排氣排出的熱量,T3為燃?xì)廨啓C(jī)排氣絕對溫度,T0為環(huán)境絕對溫度,則:Q2=m1C1(T3-T0)(3)可得燃?xì)廨啓C(jī)的效率為:η1=Q1?Q2Q1=(T2?T1)?(T3?T0)T2?T1(4)η1=Q1-Q2Q1=(Τ2-Τ1)-(Τ3-Τ0)Τ2-Τ1(4)由式(4)可以看出,為提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率,可以提高燃燒室的出口絕對溫度,也可降低環(huán)境的絕對溫度.式(1)的第2部分kη2是利用了燃?xì)廨啓C(jī)排出的低品位能量后所獲得的效率,是原有基礎(chǔ)上增加的效率,符合能量梯級利用的原理,提高了整個系統(tǒng)的能源利用效率.目前,在實踐中運(yùn)用較多的方案是燃?xì)廨啓C(jī)加上煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組(見圖2)和燃?xì)廨啓C(jī)加余熱鍋爐加蒸汽式溴化鋰吸收式制冷機(jī)組(見圖3).燃?xì)廨啓C(jī)加煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組是目前研究應(yīng)用最多的.煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合,前者對后者所排放的余熱進(jìn)行回收再利用,所獲得的冷量是整個系統(tǒng)能量利用的一個增加值,從而大大提高了能源的利用效率.另外,由于沒有采用余熱鍋爐,所以相對來說結(jié)構(gòu)簡單.實驗研究表明,一臺發(fā)電效率為26%的70kW的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,配以煙氣型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組對余熱進(jìn)行回收后,總利用效率可達(dá)64%,回收的冷量達(dá)98kW.在北京部分奧運(yùn)場館中就采用了這一方案.燃?xì)廨啓C(jī)加余熱鍋爐加蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的方案也是目前較為典型的分布式電源方案.其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,能量回收環(huán)節(jié)多,蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的COP較低,實際的運(yùn)行效率在40%左右.其優(yōu)點(diǎn)是,性能穩(wěn)定,供能較為可靠.目前上海市黃浦區(qū)中心醫(yī)院就采用了這一方案.5分布電源的并行網(wǎng)絡(luò)5.1dg對配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響近年來,分布式電源快速發(fā)展,應(yīng)用越來越多,在帶來巨大節(jié)能效果的同時,也出現(xiàn)了許多不良的現(xiàn)象,其中最突出的是分布式電源并網(wǎng)所引起的相關(guān)問題.主要問題如下.(1)分布式電源的引入,增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性,從而對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)置和動作值的整定增加了一定的難度.此外,DG一般是通過10kV饋線接入配電系統(tǒng),而這一級別的配電系統(tǒng),一般都采用3段式電流保護(hù),即:瞬時電流速斷保護(hù);定時限電流速斷保護(hù);過電流保護(hù).但DG的接入可能導(dǎo)致保護(hù)裝置的靈敏度降低,嚴(yán)重時甚至拒動,也可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動作,以及相鄰線路的瞬時速斷保護(hù)裝置誤動作,失去選擇性.(2)分布式電源并網(wǎng)時,由于大量電力電子器件應(yīng)用于分布式電源,所以不可避免地給系統(tǒng)帶來大量諧波,諧波的幅度和階次受到發(fā)電方式以及轉(zhuǎn)換器工作模式的影響.同時對電壓的穩(wěn)定性和電壓的波形都產(chǎn)生不同程度的影響.(3)分布式電源并網(wǎng)時,會對配電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,其影響程度的大小依賴于不同類型的分布式電源.對于采用異步發(fā)電機(jī)接口的DG,并網(wǎng)時對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性具有負(fù)面影響,并網(wǎng)位置離系統(tǒng)最薄弱支路越遠(yuǎn),負(fù)面影響就越小;對于采用無勵磁調(diào)節(jié)的同步發(fā)電機(jī)接口的DG和采用具有功率控制單元的變換器作為接口的DG,并網(wǎng)時能改善系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性,并網(wǎng)位置越靠近系統(tǒng)最薄弱支路,則改善系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的程度越顯著.為了盡量減小分布式電源并網(wǎng)對系統(tǒng)所產(chǎn)生的不利影響,各個國家都提出了許多解決辦法,其中微網(wǎng)技術(shù)就是其中較為有效的方法之一.5.2.微網(wǎng)的結(jié)構(gòu).對于微網(wǎng)的通用解釋是:微網(wǎng)是集成多個DG和負(fù)荷的獨(dú)立系統(tǒng),提供電能和熱能,其中大多數(shù)DG都是基于電力電子設(shè)備提供所要求的靈活性,以確保作為一個單獨(dú)的集成系統(tǒng)運(yùn)行.對于大電力系統(tǒng)來說這種控制的靈活性允許微網(wǎng)是一個單獨(dú)的可控模塊,以滿足本地負(fù)荷的可靠性和安全性需要.微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)見圖4.微網(wǎng)是一個獨(dú)立的運(yùn)行單元,對大電網(wǎng)不會產(chǎn)生大的影響,而且不需要修改大電網(wǎng)的運(yùn)行策略;利用微網(wǎng)技術(shù)可以非常靈活地把DG接入或撤離大電網(wǎng);微網(wǎng)可以孤立運(yùn)行,從而大大提高了電網(wǎng)的可靠性.微網(wǎng)可以獨(dú)立運(yùn)行也可以并網(wǎng)運(yùn)行.在并網(wǎng)運(yùn)行時,微網(wǎng)和傳統(tǒng)配電網(wǎng)類似,服從系統(tǒng)調(diào)度,可同時利用微網(wǎng)內(nèi)DG發(fā)電和從大電網(wǎng)吸取電能,并能在自身電力充足時向大電網(wǎng)輸送多余電能.當(dāng)外界大電網(wǎng)出現(xiàn)故障停電或有電力質(zhì)量問題時,微網(wǎng)可以通過能量管理單元控制主斷路器切斷與外界聯(lián)系,微網(wǎng)孤立運(yùn)行,此時微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷全部由DG供電.當(dāng)故障解除后,主斷路器重新合上,微網(wǎng)重新恢復(fù)和主電網(wǎng)同步運(yùn)行,以保證系統(tǒng)平穩(wěn)恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài).而這兩種運(yùn)行模式無縫轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是微網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電力電子接口,這種接口可以使分布式電源實現(xiàn)即插即用,同時,可使微網(wǎng)作為一個獨(dú)立的模塊,以盡量減少分布式電源對電網(wǎng)的不利影響.6