分布式发电及其对电力系统的影响

2021-11-22胡芳芳

电气传动自动化 2021年4期

胡芳芳

（长沙理工大学，湖南长沙410000）

从全球环境资源现状来看，资源短缺是未来全人类都可能面临的一大问题。尤其对石油、天然气等不可再生资源的过度摄取，对大量煤油矿地的过度开发，不仅在缩短人类使用这类资源的年限，更极大地增加了环境负担，引发了例如地表塌陷、地震、土地不可逆沙漠化等一系列环境问题。在这种情况下，唯有提升科技水平，不断优化现有能源利用和开采方式，才能有效促进能源的可持续发展，实际解决不合理开发与利用的问题。

具体到能源供电领域，在我国，传统的供电模式是“大机组、大电网、高电压”的集中供电模式，多数城乡区域都采用建设大型发电厂来集中供电的方式来满足居民日益增长的用电需求。与之对应的是另一种发电技术：分布式发电技术。该技术要求发电装置分散在各个电力负荷和配网处，而非全部集中在发电站内部。这一模式一方面可以灵活地根据该片区域用电需求进行发电配置，减少资源浪费，更加环保和节能；另一方面可以解决用电高峰期出现巨型电力负荷所引发的一系列问题，具有更高的经济效益。目前该技术正在逐渐普及，其优势凸显的同时，也产生了一些问题，最主要是对电力系统整体运行的影响。本文对此进行探究，具体分析如下。

1 分布式发电技术概述

1.1 分布式发电技术基本论述

分布式发电的概念界定最早出自于美国，由其命名可知，“分布式”的具体形式是不将发电设备集中布置在一个发电站内，而是按照供电区域划分，分别安装在该区域的电力负荷或配电网络四周。其优势主要体现在“按需供电”的经济节能与“低污染”的环境友好方面。

与传统的集散式发电相比，分布式发电装置不是集中在发电站内部，而是根据需要配置供电设施，在相应的区域内设置不同规格数量的分布式发电电源，不是设置在发电站附近，而是设置在生活区域附近的配电网等。由于分布式发电技术是根据人们对电力需求进行设计的，因此改善了集中式发电的灵活性，大大提高了发电效率和稳定性。但是，分布式发电技术也存在一些缺点，这种技术供电设备容量小，更适合特定地区供电，或者作为集中式发电网络的补充。当前我国分布式发电的运行模式主要有单网和并网两种，孤网模式可以不与其它电网相连，根据自身需要进行改变，充分保证了发电方式的灵活性；而对于并网模式，是通过与现有电力系统相连，以保障人们对电力的需求，因此灵活性较低。

1.2 分布式发电的类型

当前我国的分布式发电技术主要包括太阳能光伏电池发电技术和风力发电技术以及燃料电池发电技术这三种。

燃料电池发电技术较常见，是将燃料所具有的化学能直接转化为电能的一种发电技术。该技术十分成熟，应用范围很广，我们所熟知的天然气、石油、煤炭等资源发电都是通过这一技术原理进行的。

太阳能光伏发电技术利用的是太阳能资源，在特制材料的作用下将太阳能转化为电能。比起燃料资源而言，利用太阳能这种可再生的资源进行发电极大地降低了对有限资源的使用。此外，太阳能发电技术是一种更为简单的技术，没有特殊的附加使用要求，使用时的维修工作也相对简单。例如大城市普遍采用的太阳能路灯，能够将白天吸收的太阳能转化为电能储存起来，在晚上用作照明供电，原理简单，经济效益和环保效率都较高。但太阳能发电对日照强度有较高要求，发电量不稳定。

风力发电技术是利用风力资源来发电的技术。该技术的使用成本十分低，但对自然环境要求较高，且设备的维修较为复杂。其相较于燃料电池发电技术而言最大的优势在于发电资源的可再生力，以及发电过程的零污染性。

1.3 我国分布式发电资源储备情况

1.3.1 天然气资源现况分析

根据《2020年中国能源数据报告》，我国在2019年加大了对天然气的勘发力度，致使我国天然气开发量与存储量均达到最高水平。其中，投资超过3亿元在油气勘发领域，较去年增长四分之一。在常规天然气勘发领域同样硕果累累，于四川盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地发现重要油气田，可建设成为新的大规模储量区。页岩气勘探在四川境内取得突破，在四川南部发现新资源。总体而言，去年一年增加了1.58×1012的地表天然气储量，与2018年相比，增加6.0×1011m3，达到我国有史以来的最高水平。

1.3.2 水资源的现况分析

2010-2019年水资源量总体呈现降低态势，截至2019年底全国水资源总量为29041.0亿m3，同比增加5.75%。此外，全国水资源存在空间分布不平衡的问题，南方区域较北方区域水资源更多，以2019年的数据为例，我国南方四区占有全国近8成水资源总量，北方六区仅占2成。

从行政分布看，西藏自治区水资源总量为4.5×1011m3，远远超过其他省市；四川以2748.9亿米排名第二；广西位列第三；湖南居位四；广东排位五。此外，江西、云南、黑龙江、福建、浙江和贵州的水资源总量超过1.0×1011m3。

1.3.3 风力资源现状分析

据2020年出版的《中国风能太阳能资源年景公报》，2020年全国陆地10m高层年平均风速较常年偏小1.55%，比2019年稍有减少，为正常略偏小年景；在全国陆面70m高层处，19年的全年平均风速为5.4m/s，年均风率为184.5W/m2；在全国陆面100m高层处，年均风速约5.7m/s，与高层70m处差距为小数点后一位的水平。青海、山东、江浙一代、甘肃、上海、宁夏、河南、新疆、河北、安徽、湖北、陕西、北京风能资源偏小；福建、吉林、黑龙江、云南、广西偏大；其他地区接近常年。

1.3.4 太阳能资源现状分析

我国是全国总面积世界排行第三的大国，有大量的太阳能资源可利用，青藏高原一带坐拥着全国最多的太阳能资源，常年的太阳辐射中量在1800～2000KWh/m3；四川盆地太阳能资源最为贫乏，部分地区甚至年总辐射量低于1000KWh/m3。我国依据太阳能资源禀赋将太阳能资源区域划分为四类，由少到多分别为A、B、C、D类。具体太阳能资源区域划分如表1所示。

表1 我国太阳能资源区域划分

2020年前三个月，全国新增光伏发电装机结晶400万KWh，就新增区域而言，增机最多的是华北地区和华南地区，华北地区新增1.2×107Wh，华南地区新增近100万KWh。在发电总量方面，较去年同期增加近2成，达到了5.3×1015Wh。在光机使用时长方面，总使用时长为248h，较2019年第一季度多使用8h。据预测，2020年全国光伏发电量应突破2500亿KWh，图1为预测的2015年至2020年全国光伏发电量。

图1 2015—2020年全国光伏发电量情况预测

2 分布式发电对电力系统的影响

2.1 对电能质量的影响

由分布式发电产生的电流接入电力线路会改变原本的辐射结构，使其由单源结构变成多电源构造。此过程中，具体情境下的电路电流不再与之前相同，整个电网随之产生新的电压，且这种变化并不稳定发生，会由于设备的不同而差别较大。为此，需重新评价主干特性，针对性地提出有效的电压调节预案，解决由于更换发电模式带来的电路不稳定或故障运行。

传统的电力传输网络一般采用放射式结构，确保电流保护经济、操作简单。更换了分布式发电装置之后，改变的是整个配网的构造，之前稳定运行的保护程序也将被破坏，可能导致完全失去运作能力，如继电保护装置失灵或保护系统自动运行出错。

此外，该技术还会引发一个常见的电能质量问题—谐波的产生。由于该技术电流特殊的引入方式，谐波源就是分布式发电产生的电能本身，导致电网周遭的谐波分量受影响而被代入，产生谐波问题，最终使传输中的电能质量受损。

2.2 对主线路系统可靠性的影响

由于分布式电源的电压在十分安全的范围内，没有击穿能力，可放心的进行并网操作。但另一方面，主线路接入分布式电源会降低电力系统的可靠性。当电路有运行问题时，分布式电源立即采取迫使电压下降的方式来应对，此时若要避免产生非同期重合，配电网需配合该操作立即启动跳闸。如果配合失败，就会造成设备的损坏。

另一种情况是分布式电源作为备用电源，此时对主线路系统的可靠性起支持作用。具体而言，电网阻塞能够被消除，超额负荷也会被降低，整个电网安全性将得到提升。

2.3 对配电网规划的影响

将分布式接入引入传输主干网，给整个电网的负荷规划和运行带来很大的不确定性。分布式电源系统产生的电流进入主线路，使电网规划者更难预测电力负荷，严重的是由于分布式电源系统造成的电能损失而影响整个线路规划。

3 分布式发电的在电力系统中的应用优势分析

首先，分布式发电在应用程序发热设置上较传统方式更为灵活。实际应用中，该技术能够做到因地制宜、按需供电，能够实现区域内定制化的电力提供效果，特别是在发电容量的设置上，可以灵活进行修正，精准提供服务。另外，这种发电技术在设施建设上更为简易，它的整体资金需求相对较低，建设的时间也相对较短，从而提高了发电效率。

其次，使用该技术能够一定程度增强电网的可靠性。这一理论依据主要源自分布式发电系统作为备用电源时对整个配电网络发挥的正面支持作用。充当备用电源的情况下，分布发电技术需配合传统发电模式才可以体现出上述优势，相当于是作为集中发电失效时的补充电源，能够在配电运行不稳定时提供Plan B，有效地保障该区域的电力供应，减少停电情况的发生。

最后但也是最重要的一点，是分布式发电技术的环保性。分布式发电系统基本上不会存在任何污染物的排放，对周遭环境较为友好；此外，因为其精准供电的能力，也减少了大量的资源能源浪费。