分布式发电的智能并网系统概论

■ 华北电力大学电气工程学院 章纪锋

一、分布式发电系统的构成

分布式发电系统构成见图1所示，其中，分布式发电构成了系统发电部分，储能单元用来解决负载与发电之间的电力供需矛盾，使系统稳定运行。系统运行方式取决于分布式发电容量与10KV所带地区的负载。当发电容量满足该地区的负荷时，电网可退出运行，在必要的时候才投入运行。在分布式电源和储能容量不足时，需电网向负荷供电，以满足负荷的需求。当发电容量不足该地区的负荷时，电网并入系统且正常运行，两者共同向负荷供电，但尽可能地利用分布式电源，当发电容量超过该地区的负荷时，电网也并入系统，分布式发电将多余的电能送向电网。分布式电源的类型应根据地区的类型具体选择。

图1 分布式发电系统的构成

二、分布式发电的并网系统

分布式电源的并网系统包括两方面含义:在分布式电源和电网之间建立起物理联系的设备，分布式电源与外界形成电气联系的手段，同时并网包还可以实现分布式电源单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能。并网系统使得分布式电源(DR)、地区电力系统以及用户之间可以互动，并且是它们之间通信和控制的通道。图1中虚线框内的组件就是实现分布式电源与电网之间联系的并网系统。由图1可知一个完整的并网系统可以实现以下功能。

图2 分布式发电并网结构示意图

1、电能转换和调整。在必要的情况下，电能转换功能将某种类型的电能转换为与常规电网相同。例如，光伏系统、燃料电池及电池储能输出的是直流电，而微透平机组输出的是高频交流电，需要转换为与常规电网电压和频率相同的电能电能调整。改善功能为向负荷提供纯净的交流电提供了基本保障。

2、自治及半自治功能和运行，分布式电源和负荷控制它们控制着的工况和运行及所有的当地负荷。工况包括开、停机和调整功率大小的命令。此功能还可以控制硬件与常规电网分离。辅助服务包括电压支持、电压调整、运行储备、提供备用、通信使得分布式电源和当地负荷可以作为较大的电力系统的一部分并且相互影响。而测量功能可以给出分布式电源的输出和当地负荷的清单。

3、实际应用中每个分布式电源的并网系统并不一定包含所有的组件。其具体选择受市场需求、技术特性以及相关规范和标准的驱动。并网系统使得分布式电源、地区电力系统以及用户之间可以互动。并且是它们之间通信和控制的通道，这种互动在电压和频率的调整无功补偿以及故障保护和协调时可以非常迅速(毫秒级或几个周期)。而在向电网输出电能或为系统担当削峰任务时较慢(几秒到几分钟)。并网包的性能、兼容性和规范将在一定程度上最终决定对电力市场的长期渗透能力。可以根据分布式电源的特性和所要实现的功能把并网系统分为如下几种:

（1）逆变器型并网系统，如用于燃料电池、光伏系统和微透平机组等发出直流或高频交流电的分布式电源。

（2）具有同步功能的并网系统，用于与地区电网并联运行的分布式电源。当分布式电源担任削峰、基本电源、联合发电或作为紧急和备用电源时采用此种并网系统。

（3）包含远方调度模块的并网系统，电力系统可以根据需要实现对分布式电源的启停进行实时远方调度，这时并网系统还需附加测量、监视和控制设备。

并网系统的功能日益增强，但是使用者总是希望并网系统具有高可靠性、高自动化程度的同时保持价格低廉。短期内将会存在两个截然不同的市场一个是定型的、即插即用的适用于居民和小型商业机组，另一个是面向大型的特定场所的分布式电源尽管存在着市场上的分类，并网技术不同体系以及不同制造商生产的组件应具有良好的兼容性。为了规范这些要求和影响，就必须制定得到各方认可的关于并网系统的统一规范和标准。这些规范和标准将对分布式电源并网设备的制造、安装和运行都有相应的要求。

三、分布式电源的概念和种类

1、分布式电源的概念

分布式电源有时也称为分散式电源，电力的生产和使用在同一个地点或限制在局部区域内。在集中供电的大电网覆盖地区，电力用户一侧建设的电源点或电力消费限制在配电网内的电源点可作为分布式发电看待，自备电站就是一种分布式发电。在大电网未覆盖地区，电力由分散的独立电源或小型独立电网提供，也可称为分布式发电。分布式发电的主要特征是电力就地消化，与电站规模、发电技术和燃料无关。分布式供电系统是相对传统的集中式供电方式而言，一般指为满足某些终端用户的需求，接在用户侧附近的小型发电机组或发电及储能的联合系统，规模不大，一般在几十千瓦至几十兆瓦。通常要用天然气、氢气、太阳能、风能等具有环保特性的能源来发、供电。这种供电技术是一种可利用多种能源的技术。所以简单来讲分布式发电就是在用户附近配置较小的发电机组(几十千瓦到几十兆瓦)，以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济运行。这些小的机组包括燃料电池、微型燃气轮机、光伏电池和风力发电等。

分布式发电系统可以由不同的电厂组成，各电厂使用不同的一次能源。分布式电厂可以按照发电设备的发电能力或按照其在整个电网中的位置来分类。分布式发电系统可以定义为:所有不直接与国家电网连接、不由中央配电系统进行配送、不经电网调频的发电系统。这个定义和目前对输电网的定义相符，按照这个定义，输电网的主要功能是连接发电厂和配电系统。从这个意义上说，现在只有高压和超高压线路才被看作输电线，这些线路只与10MW以上电厂连接。因此目前认为将来只有10MW以上才可以直接参与电力市场(即:售电)。因此这样说来，分布式发电应该包含所有发电能力在IOMW以下电厂。

2、分布式电源的种类

从广义上讲，分布式发电的主要特征是电力就地消化，与电站规模、发电技术和燃料无关。只要符合这一特征的一般均可以成为分布式发电。故可将其粗略分为两大类:

（1）发电性质的分布式发电（见表1）。此类以小型燃气轮机、光伏发电等为代表。

（2）储能性质的分布式发电（见表2）。此类以超导储能、飞轮储能等为代表。

1、太阳能光伏电池发电系统

太阳能光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。太阳能电池发电的原理是光电伏打效应。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光电子一空穴对。在电池内电场作用下，光生电子和空穴对被分离，电池两端出现异性电荷的积累，即产生“光生电压”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则有“光电电流”生成，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。太阳能发电是由电池组成方阵进行发电，方阵在室外工作，其输出功率和效率严重地受温度和太阳照度的影响。通风良好可降低组件的工作温度而提高方阵功率的输出。光伏电池是将可再生的太阳能转化成电能的一种发电装置。国外开发的屋顶式光伏电池发电技术已得到广泛的关注。德国最著名的2000户屋顶工程，超过2000户家庭安装了屋顶式光伏发电装置，平均每个分布式发电单元发电量达3kw。虽然光伏电池与常规发电相比有技术条件的限制，如投资成本高、系统运行的随机性等。但由于它利用的是可再生的太阳能，因此其前景依然被看好。蓄电池是目前在电力系统中应用最有前途的储能装置之一，分布式发电系统中应用最为广泛。由于技术的限制，蓄电池也存在投资高、寿命短、环境污染等诸多问题。但就目前的状况而言，蓄电池仍会在一段时间内得到广泛应用。

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2、风力发电系统

风力发电机组从能量转换角度分成两部分:风力机和发电机。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毅转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联，从而发电运行。它最有希望的应用前景是用于无电网的地区，为边远的农村、牧区和海岛居民提供生活和生产所需的电力。风力发电技术在新能源领域己经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电。风能发电一般采用异步发电机;但也有采用同步发电机的，风力机经电磁滑差离合器驱动发电机，效果较好，输出功率稳定。对于风力机而言，输出的有功功率由风速决定的，会随风速的变化而变化，发电机吸收的无功功率也会变化。为了使输出功率稳定，风力机采用主动失速控制系统，此系统是将定桨距失速控制与变桨距控制这两种控制方式结合起来，允许叶片在一个很小的范围内倾斜，能在较宽的风速范围内输出稳定的功率。

四、储能技术

基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。目前储能技术得到了迅速的发展，为分布式发电提供了很大的空间，主要表现为3个方面:对系统起稳定的作用;适当的储能可以在分布式电源单元不能正常运行的情况下起过渡作用;储能使得不可调度的分布式电源发电单元能够作为可调度机组单元运行，提供削峰、紧急功率支持等服务。储能技术的形式多样，需具体情况作具体的选择。

1、蓄电池储能

蓄电池是目前在电力系统中应用最有前途的储能装置之一，分布式发电系统中应用最为广泛。由于技术的限制，蓄电池也存在投资高、寿命短、环境污染等诸多问题。但就目前的状况而言，蓄电池仍会在一段时间内得到广泛应用。

2、超导储能

超导储能系统将能量存储在由电流超导线圈的直流电流产生的磁场中，其中的超导线圈浸泡在温度极低的液体(液态氢等)中，然后封闭在容器中。所以说，一个超导储能系统包括冷却系统、密封容器以及作为控制用的电力电子装置，。超导储能系统的超导线圈需放置在温度极低的环境下，这是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成功，超导储能的前景不可估量。

3、飞轮储能

飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮质量中。飞轮储能系统由飞轮转子、轴承、电动/发电机、电力转换器、真空室等5个部分组成。就目前来看，使用的飞轮储能系统主要有高速飞轮系统和低速飞轮系统。高速飞轮系统的飞轮相当小，但转速极快;低速飞轮系统的飞轮较大，但转速相对较慢。

4、电解水制氢储能

这种储能系统需与燃料电池联合应用。在系统运行过程中，当负荷减小或发电容量增加时，将多余的电能用来电解水，使氢和氧分离，作为燃料电池的燃料送入燃料电池中存储起来;当负荷增加时或发电容量不足时，使存储在燃料电池中的氢和氧进行化学反应直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。

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