分布式发电系统技术特点及应用前景展望

2019-01-15伍赛特

通信电源技术 2019年5期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引言

在电气时代的早期阶段，通常采用小型发电站满足当地的供电需求，并通过变压器将电力升压至符合输电网要求的电压等级。输电系统用于输送电能，有时需要进行长距离传输，再通过一系列配电变压器降压供用户使用。输配电线路是被动的，受一定数量的大型集中式供电系统控制。大约从1990年伊始，直接将发电单元连接至配电网的方案再度受到关注，被称为分布式发电或分布式能源[1]。

1 分布式发电系统

在部分国家，主要通过发电单元的功率或与之相连的电网电压等级，来对分布式发电系统进行分类定义。通常，分布式发电可通过其规模、接入电压等级及原动机类型进行具体说明[2]。

将发电单元接入配电网，对于电力系统是一项技术挑战，因为在传统配电网中潮流从高压侧流向低压侧。传统配电网是被动形式的，仅配置较少的测量装置和非常有限的主动控制功能，可自动适应不同负荷组合且无需人工干预。

同时，由于电力需要时刻保持供需平衡，因此分布式发电功率的注入，需要大型集中式发电机组减少相应的功率输出。目前，集中式发电机组不但需实现供电功能，还需提供辅助服务（如电压和频率控制、备用电源等）。此类辅助功能对电力系统的稳定运行至关重要。随着分布式发电的广泛应用，分布式发电系统亦需要提供相应的辅助服务，从而在较少集中式发电机组参与运行的情况下，确保电力系统正常运行[3]。

2 分布式发电系统与传统集中式发电系统的技术竞争

分布式发电系统能否在与集中式发电系统的竞争中拔得头筹，电能的定价是重中之重，即电价如何能在体现发电价值的同时又能体现电源接入不同电压等级配电网的区别。目前，电价的增加主要来自集中式发电系统到用户间的输配电服务所产生的附加费用。

分布式发电系统靠近用户侧，对电网的输配电服务需求较少。本质上，分布式发电系统直接供电给用户，可有效避免附加的输配电成本。然而，这种电网成本的降低主要源于一些发电机组所处的有利地理位置，而在现有的商业和管理构架下，这一优势尚未得到充分认可，导致非传统发电模式与传统发电模式在电力批发市场上纠缠不休，其批发价格可能远远低于近距输电的实际价值[4]。

上述算例对电力需求的处理同样适用。用户从电网合适的位置（即靠近发电系统的位置）获得电能，将降低对电网服务的需求。对大部分用户而言，所获电能的定价都有固定零售利率，偶尔会受用电时间段的影响。发电的总价值取决于许多因素，包括用电时间、地点、同类发电装置的渗透率以及系统输出峰值的时间。

在某些情况下，可再生能源及分布式发电可能导致成本大于收益，但要实现发电价值的最大化这一原则是不变的。如果忽略了这些特殊用电情况（用电时间和地点），将导致电网非最优发展，因为无法体现用户对电网真实全面的影响，最终阻碍新型低碳发电（低碳需求）超越现有发电以及传统电网方案来优化电网发展，致使系统必须依赖愈加昂贵和不必要的电网升级费用和非最优的电网解决方案。

3 智能电网及其技术特点

全球能源政策的日新月异归因于电力供应的需求变化，主要包括以下几个方面：

（1）低碳或零碳排放，以减少温室气体排放和缓和气候变化；

（2）安全且不依赖进口化石原料[5-6]；

（3）经济实惠，价格易于为工业、商业及其他社会各行各业所接受。

相关能源政策的焦点在于引入分布式发电、可再生能源以及热电联产。最近，在谈及电网的未来发展趋势时常提到智能电网一词，其先进概念在于充分利用现代信息通信技术打造安全、灵活、高效的无碳化电力系统。智能电网是智能控制的主动式电网，可以有效将分布式发电融入电力系统。实现智能电网概念的一个重要方面是用户侧的参与。

用户侧的参与是提高电力系统灵活性和可控性的一个重要趋势。可控负荷如电动汽车和储热热泵，将增加可再生能源的消纳。当电费较为昂贵时，电动汽车的蓄电池可以为电网提供电能[7-9]，或用于支持配电网孤岛运行。此外，智能电表的作用以及用户想如何控制其用电负荷并参与电力系统运行，是当前一项重要的研究课题。

智能电网是一种新型电力网络，可以智能化集成所有与之相连的用户（发电机组、负荷或两者兼具），从而高效提供持续、经济和安全的电力。

智能电网采用创新的产品和服务，包括智能监控、通信以及自愈技术，从而可实现：（1）更好地促进各种不同规模和类型发电单元的接入及运行；（2）允许电力消费者参与电力系统的运行优化；（3）为消费者提供更多信息和用电选择；（4）显著降低整个供电系统对环境的影响；（5）提高供电系统的可靠性和安全性。

智能电表是智能电网的重要组成部分，可提高电网中电力潮流和电压的可视化程度，尤其是在目前测量装置数量非常有限的低压电网中。关于智能电网的实现细节仍在研究中，它将因各国不同的情况而异。而智能电网概念对不同类型、不同容量的分布式发电机组所产生的重要影响仍存在一些问题。

4 分布式发电系统的技术特点及其发展意义

一个现代化大型电力系统的常规配置具有诸多优势。大型发电机组运行高效且仅需相对较少的运行人员。与之互联的高压输电网支持在任何时刻可调度最高效的发电设备，以有限的电力损耗实现大量电能的远距离传输，同时尽可能减少电力储备。配电网设计只支持单向的电力潮流，由用户的电力负荷决定其规模。

然而，为了应对气候变化，许多国家制定了增加可再生能源利用和减少电能生产中温室气体排放的雄伟目标。而许多发达国家的气象学家及决策者则认为，温室气体的排放必须减少80%才可能实现到2050年全球平均气温较现在的升幅不超过2 ℃的目标。

与公路运输和民用航空运输等行业相比，电力行业温室气体减排目标的实现更简单直接，因此可能要承担相当大的减排目标份额。目前，世界范围内，大多数政府通过财政手段鼓励可再生能源发电，包括上网电价补贴、配额限制、碳交易和碳税，为可再生能源技术的发展提供了成本效益最大化的专门通道。目前，已成熟的发电技术包括风力发电、小水电、太阳能光伏发电[10]、沼气发电、城市废物利用、生物质能和地热发电。新兴技术包括潮汐能发电、波浪能发电和太阳能热发电。

可再生能源的能量密度比化石燃料低很多，因此其发电单元规模较小且地理位置分布广泛。例如，风力发电需位于风能丰富的地区；而生物质能发电由于燃料能量密度相对较低，受其燃料传输成本限制，规模有限。上述小型发电单元容量通常在50～100 MW，并接入配电网。如果为此类可再生能源发电建设专门的线路[11]，则既不经济也不环保，因此应充分利用原来专为用户负荷供电敷设的配电线路。此外，许多国家可再生能源发电由企业投资建设而非电网规划，同时需依据实际的资源情况生产发电而非集中调度。

热电联产模式可利用热电厂发电产生的余热，用作工业生产或供暖，以此有效提高整体能源效率，目前已得到广泛应用。由于远距离输送热电厂的低温余热并不经济，因此有必要将热电联产电厂建立在热负荷周围。这导致热电联产相对规模较小，地理位置分散，并接入配电网。虽然热电联产机组原则上可以进行集中调度，但其往往是为了满足安装用户的供暖和电力需求，而非公共供电系统的需求。

微型热电联产装置可用于取代家用的燃气供暖锅炉，可使用斯特林或其他热力发动机为住宅供暖和供电。它通常是为了满足住宅供暖或热水的需要，同时可以产生适量的电能来补偿室内的部分用电。而微型热电联产机组接入配电网可直接向电网供电，但这些微型热电联产机组发电经济效益较低，因此在发电方面尚无较高的吸引力。

在分布式发电发展过程中，电力行业的市场结构占有重要地位。虽然丹麦早期采用风力发电和热电联产的垂直一体化模式的电力系统给出了一个有趣的反例，但一般自由化的电力市场环境和开放式的配电网可为分布式发电提供更多的发展机遇。

5 分布式发电系统产生的技术影响

5.1 分布式发电系统对配电系统的经济影响

分布式发电模式改变了电网潮流，并因此改变了电网损耗。如果一个小型的分布式发电安装在大型负荷附近，由于负荷可以从临近的发电单元获得有功或无功功率，所以将降低电网损耗。相反，如果一个大型分布式发电远离负荷，则配电系统损耗可能随之增加，而电网负荷增加导致的电量变化会引起更复杂的情况。

一般情况下，配电网中的高负荷意味着需要运行昂贵的集中式发电装置。因此，任何分布式发电系统在此期间运行都将降低网损，并显著影响电网运营成本。目前，分布式发电系统通常不参与配电网的电压控制。

分布式发电系统也可替代一部分配电网容量。但是，分布式发电尚无法代替辐射状馈线，因为孤岛运行是不允许的，且为了充分利用独立运行的可再生能源发电，还需对电网进行扩展。目前大部分高压配电线路采用成对配置或环网配置，所以分布式发电系统可降低对配电设施的需求。

5.2 分布式发电系统对输电系统的影响

与接入配电系统类似，分布式发电的接入将改变输电系统中的潮流。因此，输电损失也会相应改变，通常会随之减少。而在环形输电网中，电力潮流减少，对设备的要求也会相应降低。

5.3 分布式发电系统对集中式发电的影响

分布式发电对集中式发电的主要影响是降低了集中发电输出功率的平均值，但往往同时也增加了方差。在一个大型电力系统中，通过发电调度可以精确预测用户的用电需求。分布式发电为这些预测带来了更多不确定性，因此可能需要增加备用电源。

目前，可通过预测风速来预测风电场输出功率大小，通过预测热量需求来预测分布式热电联产输出是相对传统的方法。长期以来，对风力发电功率的预测具有诸多技术优势，其对电能交易也具有重要影响。然而，这些预测对传统发电机调度的技术协助微乎其微，因为其对预测的可靠性要求非常高。

由于在传统电力系统中加入了分布式发电系统，其输出功率必须能够置换集中式发电相同功率的输出，以维持整体负荷/发电的功率平衡。在分布式发电输出有限的情况下，影响主要会导致集中式发电减载，但仍需维持运行及可控输出。然而，随着越来越多分布式发电系统的加入，必须断开与集中式发电的连接，从而降低了系统可控性和频率调节能力。类似的结果是，由于集中式发电被替换，无功容量会相应减少，且难以维持输电网的电压分布。

6 分布式发电系统的应用前景展望

目前，分布式发电系统依然被视作一类发电方式，而其较难提供一般电力系统所需的其他辅助服务。其中，部分原因在于分布式发电系统的技术特点，最主要的原因是分布式发电目前的运营和激励机制依然受行政及商业环境限制，即其仅可作为一种能量来源。然而，随着可再生能源发电接入输电网技术要求逐渐应用到大型分布式发电领域，上述情况正在发生改变。

在部分国家，分布式发电及可再生能源发电的渗透已经开始引发电力系统的运行问题，这在丹麦、德国、西班牙等分布式发电及可再生能源发电渗透率较高的国家已有相应报道。至今为止，人们依然在强调将分布式发电并网，以加快各种形式分布式能源的发展，却忽略了将其纳入电力系统的整体运行。

目前，分布式发电并网通常基于免维护策略。该策略符合传统被动配电网的设计和运行需求，导致配电基础设施效率低、投资成本高。传统的配电网允许任意负荷（以及分布式发电系统自身）组合的同时接入，且仍然能为用户提供优质的电能。

此外，分布式发电系统支持被动电网运行和简单的本地发电控制，可在电力生产方面取代集中式发电的位置，而系统控制和安全性仍需通过集中式发电方式来实现。该类并网方式一定程度上限制了分布式发电技术的发展，同时增加了投资和运行成本，破坏了电力系统的完整性和安全性。

因此，分布式发电系统必须承担一部分传统大型发电厂的责任，为保障系统安全运行提供必要的灵活性和可控性。分布式发电系统的接入使得配电系统运营商需发展主动配电网来共同保障系统的安全，以此体现了从传统集中控制到分布式控制模式的转变。

通过将分布式发电和可控负荷充分纳入电网运行，将为系统提供一些原来由集中式发电提供的辅助服务。此时，分布式能源将不仅能够取代集中式发电的作用，还兼具其控制能力，减少了运行维护所需的集中式发电容量。为了实现这一目标，配电网的实际运行将从被动变为主动，需要将现有的控制模式转变为新的分布式控制模式（包括需求侧管理），从而提高系统的控制能力。