分布式發電概述1.1分布式電源的概念分布式發電作為電力行業的第二次物質革命展現在世人面前，但國內外對分布式發電的具體含義仍沒有準確的定義，甚至各國的叫法也大不相同：在英國，稱為嵌入式發電(EmbeddedGeneration)；在北美，稱為分散式發電(DispersedGeneration)；在歐洲和亞洲的部分國家，叫做非集中式發電(DecentralizedGeneration)。分布式發電一般是指發電功率在數千瓦至幾十兆瓦之間的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電單元。分布式發電對電力系統和用戶來說是多用途的，可作為備用發電容量、削峰容量，也可承擔系統的基本負荷，還可實現熱電聯產同時為用戶提供電能和熱能。對于電力系統的運行，分布式發電還可以起到電壓自動調節、電壓穩定、系統穩定、電氣設備的熱起動和旋轉動能貯備等作用[36]。與遠離負荷中心依靠遠距離輸配的傳統電源相比，DG具有如下特點[37]：(1)提高電網的可靠性。DG可作為備用電源為要求不間斷供電的用戶提供電能，當大電網發生故障時，可通過啟動斷開裝置使DG與電網斷開，由DG獨立為用戶供電。(2)緩解能源危機，保護環境。現階段燃煤發電仍是主要的發電手段，燃煤發電不僅消耗能源，而且環境污染較大，DG大量采用可再生能源和清潔能源(如風力發電、太陽能發電和生物能源發電等)，更加環保，還減少了對能源的依賴。(3)投資少，安裝和運營具有更高的靈活性。由于容量及體積均較小，因此易于找到合適的安裝地點，可以方便地為邊遠貧困地區供電。同時，分布式電源多采用性能先進的中小型、微型機組，操作簡單，有靈活的負荷調節能力。(4)經濟性。由于DG可用發電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的階梯利用，從而可提高能源的利用效率(達70%-90%)，此外還可降低初期投資的費用和網損。1.2分布式電源的分類目前，分布式發電研究熱點之一是可再生能源發電技術，包括水力發電、生物質能發電，這些屬于比較成熟的技術，而風力發電、光伏發電、太陽能發電、地熱及海洋能發電等都屬于新興的發電技術。對于使用燃料的分布式發電技術、燃料電池和微型燃氣輪機是目前關注的焦點。下面介紹幾種分布式發電方式。(1)風力發電風力發電技術資源分布廣泛，技術成熟，是近年來發展應用最廣的發電技術。風能作為一種清潔的可再生能源，其蘊量巨大，全球的風能約為1.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。世界風力發電總裝機容量以每年20%～30%的速度增加。2007年全球風電新裝機容量約為2000萬千瓦，累計裝機9400萬千瓦。2008年，風電成為非水電可再生能源中第一個全球裝機超過1億千瓦的電力資源。歐洲和美國在風電市場中占統治地位，其中德國是目前風電裝機最多的國家，裝機容量超過2000萬千瓦。“十五”期間，中國的并網風電也得到了迅速發展。2006年，中國風電累計裝機容量已經達到2600兆瓦，成為繼歐美和印度之后發展風力發電的主要市場之一。到2008年，我國也已建成了250多個風電場，新增風電裝機容量達到7190兆瓦，新增裝機容量增長率達到108%，累計裝機容量躍過13000兆瓦大關。風力發電主要有兩類運行方式[38]：一類是獨立運行供電系統，即在電網未通達的偏遠地區，用小型風電機組為蓄電池充電，在通過逆變器轉換成交流電向終端電器供電，單機容量一般約為100W～10kW；或者采用中型風電機組與柴油發電機或太陽能光電池組成混合供電系統，系統容量一般約為10～200kW，可解決規模較小的社區用電問題。另一類是作為常規電網的電源，與電網并聯運行，聯網風力發電是大規模利用風能的最經濟方式，機組單機容量范圍在200～2500kW之間，既可單獨并網，也可以有多臺，甚至成百上千臺組成風力發電場。風力發電主要是通過原動機(風力機)捕獲風能，并將其轉化為機械能，然后再由發電機將機械能轉化為電能，最后并網運行。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風力發電機一般分為鼠籠式異步發電機、轉差可調的繞線式異步發電機、雙饋異步發電機、低速同步發電機等。按其并網方式將其分為二類：直接并網和通過逆變器并網。通過逆變器并網的風力發電機由于逆變器的自身特性，不可能承受電網短路電流，所以，通過逆變器并網的風機在系統發生故障時，將會迅速關斷，使系統恢復到無DG的狀態。(2)光伏發電光伏發電自20世紀50年代第一塊太陽電池問世以來，從太空應用到地面獨立電源，從屋頂發電到并網電站，經歷半個多世紀后，該產業出現了“井噴式”發展。全球太陽電池產量1996～2006年10年間增長22倍，年復合增長率超過36%。2007年國內太陽能電池的產量約為1100MW，而歐洲、日本和美國產量分別為1062MW，920MW，266MW，中國已成為名副其實的太陽能電池產量世界第一。“十一五”期間，我國在屋頂光伏發電系統方面[39]，以2008年奧運會國家體育場鳥巢226.8KW光伏并網發電系統、國家體育館101.5KW以及五棵松體育館100KW光伏并網發電系統最具代表性，備受關注的上海世博會3MW屋頂光伏并網發電系統目前也已投入使用。在大型光伏并網電站的建設上，以甘肅敦煌10MW、云南昆明石林166MW以及青海柴達木盆地擬建設的GW級光伏并網電站最具代表性和期盼性。光伏發電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉換為電能的直接發電方式，光伏發電系統通常是由由光伏電池板、能量優化控制器、電能存儲及逆變器等環節構成的發電與電能變換系統。光伏系統一般分為兩大類[40]：獨立發電系統和并網發電系統。獨立發電系一般是指供用戶單獨使用的光伏發電系統，包括邊遠地區的村莊供電系統，太陽能戶用電源系統，通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的光伏發電系統。并網發電系統是指與電網系統相連的光伏系統，產生的電能可以輸入電網，可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電[41,42]。帶有蓄電池的光伏并網發電系統通常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統上。并網光伏發電有集中式大型并網光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，目前還沒有太大發展。而分散式小型并網光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發電，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是目前并網光伏發電的主流。熱電聯產與冷熱電三聯產熱電聯產(CombinedheatandPower，簡寫為CHP)是指熱能與電能的聯合生產。CHP系統已在能源密集工業如造紙、紙漿和石油等行業應用了一百多年，滿足了這些行業對于蒸汽和電力的需求。生產電能的動力裝置的排熱與余熱用于工業生產供熱與冬季采暖，使不同品質的能量得到階梯利用。燃煤熱電聯產為的能源利用率達到70%以上，而即便當今世界上最高效率的燃煤發電產廠，也只有50%的效率。為進一步提高能源利用效率，在熱電聯產的基礎上，發展起來了通過鍋爐產生的蒸汽在背壓汽輪機或抽汽汽輪機發電的冷熱電三聯產技術，其排汽或抽汽，除滿足各種熱負荷外，還可做吸收式制冷機的工作蒸汽[43]，生產C冷水用于空調或工藝冷卻，便于減少冷凝損失、降低煤耗、提高能源利用率。(4)微型燃氣輪機發電微型燃氣輪機起源于20世紀60年代，是單機功率為25～300千瓦的小功率燃氣輪機，它能利用天然氣、沼氣、汽油、柴油及烷類氣體等多種燃料。先進的微型燃氣輪機發電技術不僅采用了可調節煙氣回熱燃燒技術，還采用了空氣軸承、永磁發電機、晶體管變頻、智能化程序控制等技術。微型燃氣輪機發電技術己在歐美及日本等國獲得應用。在美國，卡普斯頓公司已制造出65千瓦級微型燃氣輪機發電裝置，發電效率達到26%，年產量1萬臺；霍尼威爾公司開發成功了75千瓦級的發電設備，發電效率為28.5%。日本的多家企業，如東京電力、豐田汽車、三菱重工、出光興產、東京瓦斯和大阪瓦斯等公司，都在使用美國卡普斯頓公司的技術開發熱電并用型系統[44]。微型燃氣輪機在我國也已得到廣泛的重視與應用。目前，在中科學技術部“863”項目支持下，由中國科學院工程熱物理研究所、哈爾濱東安集團、西安交通大學三家單位組成的產學研聯合體已經完成100KW級微型燃氣輪機的樣機[45]設計，并通過了驗收，預計在不久的將來推出市場。微型燃氣輪機(簡稱微燃機)是指發電功率在幾百千瓦以內的小型熱力發動機或動力裝置，由徑流式葉輪機械、單筒形燃燒室和回熱器構成，可分為單軸型和分軸型兩種。大多數微型燃氣輪機由燃氣輪機直接驅動內置式高速發電機，發電機與壓氣機、透平同軸，轉子轉速在50000一120000r/min之間。發電機發出高頻交流電，轉換成高壓直流電后，再轉換為60Hz、480V的交流電。微型燃氣輪機具有可靠性高、壽命長、噪音低、體積小、污染低、油耗低等一系列優點，是目前應用較為廣泛的一種分布式電源。(5)生物質能發電生物質能發電起源于20世紀70年代，自爆發世界性的石油危機后，歐美等國開始積極開發清潔的可再生能源，大力推行農林業剩余物等生物質發電。國外以高效直接燃燒發電為代表的生物質發電在技術上已經成熟。我國生物質發電也有了三十多年的發展歷史，到2006年，我國生物質發電總裝機容量約為2000MW，其中蔗渣發電占了近90%，達到1700MW以上，主要是蔗糖廠蔗渣發電。近年來還發展了一大批秸稈直接燃燒發電廠，也取得了良好的社會效益和環境效益。截至2008年8月，我國累計核準農林生物質發電項目130多個，總裝機容量約3000MW，已有25個生物質直燃發電項目并網發電。從廣義上講，生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有動植物和微生物等。生物質做蘊含的能量稱為生物質能，它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，是一種可再生能源。通常來說生物質能資源包括以下幾類物質：農作物秸稈和水生植物可作燃料使用的部分、合理采伐的薪柴和木材加工的剩余物、能源植物、人畜糞便、有機廢水廢渣、城鎮垃圾等。生物質能發電[46]有多種方式，其基本工藝流程為：生物質能→預處理→生物質能生產裝置→動力機→發電機→發電。目前生物質能發電的主要包括直接燃燒發電、混合燃燒發電、氣化發電、沼氣發電、垃圾發電等五種形式。直接燃燒發電是指將生物質在鍋爐中直接燃燒，生產蒸汽帶動蒸汽輪機及發電機發電，其關鍵技術包括生物質原料預處理、鍋爐防腐、鍋爐的原料適用性及燃燒效率、蒸汽輪機效率等技術[47]。生物質的直接燃燒今后將會是我國生物質能利用的主要方式。混合燃燒發電是指將生物質與煤混合作為燃料發電，對生物質原料預處理的要求較高，在技術方面，混合燃燒發電一般是通過改造現有的燃煤電廠實現的，只需在廠內增加儲存和加工生物質燃料的設備和系統，同時對原有燃煤鍋爐燃燒系統進行適當改造。氣化發電技術是指生物質在氣化爐中轉化為氣體燃料，經凈化后直接進入燃氣機中燃燒發電或者直接進入燃料電池發電。其關鍵技術之一是燃氣凈化，氣化出來的燃氣都含有一定的雜質，包括灰分，焦炭和焦油等，需經過凈化系統把雜質出去，以保證發電設備的正常運行。沼氣發電主要是利用工農業或城鎮生活中的大量有機廢棄物經厭氧發酵處理產生的沼氣驅動發電機組發電。其關鍵技術主要是高效厭氧發酵技術、沼氣內燃機和沼液沼渣綜合利用技術等。垃圾焚燒發電是利用垃圾在焚燒鍋爐中燃燒放出的熱量將水加熱獲得過蒸汽，推動汽輪機帶動發電機發電。(6)燃料電池發電早在1839年W.R.Grove提出了燃料電池的概念，距今已有170多年的歷史了。20世紀60年代以后，燃料電池的研究受到越來越多的管住和重視，發達國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目。20世紀70年代，天津研究所也研制成功了石棉膜型動力排水的航天用氫氧燃料電池系統。在“九五”期間，燃料電池被列入國家重點科技項目攻關計劃，加強了研究開發力度。燃料電池[48]是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置。在燃料電池中，不經過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變為電能。燃料電池不同于常見的干電池與蓄電池，它不是能量儲存裝置，而是一個能量轉化裝置。一方面，需要不斷地向其供應燃料和氧化劑，才能維持連續的發電輸出，供應中斷，發電過程就結束。另一方面，燃料電池可以連續地對自身供給燃料并不斷排出生成物，只要供應不斷，就可以連續地輸出電力。燃料電池系統主要包括發電系統、燃料重整供應系統、氧氣供應系統、水管系統、熱管理系統、直流-交流逆變系統、控制系統、安全系統等。1.3分布式電源的運行方式根據不同用戶的要求，DG有兩種運行方式：并網運行和孤島運行[49,50]。孤島運行是指在一些特殊地理位置，由于連接到大電網的成本很高，DG可作為其獨立電力供應源；在其他更多情況下，考慮到基于可再生能源的DG出力會受到自然條件的影響，為了提高對用戶供電的可靠性，DG應該并入當地配電網絡實現對當地負荷的電力補充。由于DG所采用的技術類型不同，發出的電有工頻交流電、直流電和高頻交流電之分。因此，DG與電力系統相連時，并網方式有直接并網(通過變壓器相聯)和經逆變器并網兩種方式，各種DG的并網方式如表2-1所示。表2-1DG的并網方式Table2-1ThemodeofDGconnectedtopowersystem技術類型輸出并網方式小型燃氣輪機AC直接并網水力發電AC直接并網太陽能熱發電AC直接并網生物質能發電AC直接并網地熱發電AC直接并網潮汐發電AC直接并網風力發電AC直接并網/逆變器并網光伏發電DC逆變器并網燃料電池DC逆變器并網1.3.1并網運行方式并網運行方式是指分布式電源通過PCC點與大電網互聯，與大電網之間有功率交換，當負荷大于分布式電源發電時，微電網從大電網吸收部分電能，反之，當負荷小于分布式電源發電時，微電網向大電網輸出多余電能。分布式發電系統與電力系統之間存在以下四種關系[51]：(1)分布式發電系統獨立運行向附近用戶供電；(2)分布式發電系統獨立運行但與當地電網之間有自動轉換裝置；(3)分布式發電系統與系統并聯運行但對當地電網無輸出；(4)分布式發電系統與系統并聯運行且對當地電網輸出電能。分布式電源的并網系統包括：(1)在分布式電源和電網之間建立起物理聯系設備；(2)分布式電源與外界形成電氣聯系的手段，同時并網可實現分布式電源單元的監視、控制、測量、保護以及調度等功能。圖2-1中虛線框內的組件就是實現分布式電源與電網之間聯系的并網系統。由圖2-1可知一個完整的并網系統可以實現以下功能。圖2-1分布式發電并網結構示意圖，DR為分布式電源Fig.2-1SchematicdiagramofDGconnectedtopowersystem,DR-distributedgeneration1.3.2孤島運行方式孤島運行是指與大電網分開一部分網絡獨立運行，由一個或多個分布式電源供電。孤島是一個沒有調節控制的電力系統，由于發電和供電之間的不平衡且孤島電網中沒有電壓、頻率控制，其特性是不可預知的。孤島運行分為兩種[52,53]：計劃內孤島運行和計劃外孤島運行。計劃外的孤島運行是指在大電網發生故障或其電能質量不符合標準情況下，微電網可以以孤島方式獨立運行。在這種方式下，可以保證微電網自身和大電網的正常運行，從而提高供電的可靠性和安全性，此時，微網的負荷全部由分布式電源承擔。考慮到經濟型，微網可以主動與大電網隔離，獨立運行，稱為計劃內的孤島運行。1.3.3分布式電源運行標準一些工業發達國家已對DG并網的技術標準進行制定。英國電力協會早在1991年就發布了《G59/1嵌入式發電并入地區配電網的推薦技術標準》；加拿大在2003年7月完成了微電源的發展臨時準則，這一準則著重基于逆變器的微電源；