分布式发电与微网技术在电力系统的应用

刘卫华

（济南巨能电力工程有限公司）

0 引言

2005年5月25 日，莫斯科南部、西南和东南市区发生大面积停电事故。2007年4月26日哥伦比亚发生大规模停电事故，导致全国80%以上地区的各行业陷入瘫痪达3个多小时，经济损失严重。2012年7月30日，印度遭遇大面积停电，逾3.7亿人受到影响。这是世界上近二十年来发生的较大规模大电网出现的主要问题。网架模式的单一性是这些事故发展的主要原因，传统的发电模式虽然看起来成熟，但是却十分脆弱。这是因为电网中的单链条和环形模式之间常常存在相互影响，一旦某一点发生故障并不能及时修复，就可能导致整个电网的崩溃。因此，为了避免这种情况的发生，人们正在努力寻找途径来加强电网的风险抵御能力，而分布式发电和微网技术可以有效解决这些问题，并为电力系统带来许多优势。

1 分布式发电技术概况

在美国在分布式发电技术方面也取得了重要进展，尤其是在太阳能光伏和风能领域。许多州实施了支持分布式发电的政策，促进了可再生能源的发展和利用。在日本由于资源有限，对分布式发电技术进行了积极探索和应用。太阳能光伏发电、海洋能发电和小型水电站等技术被广泛采用，使得分布式发电在日本成为一种重要的能源供应方式。

近年来，我国积极推动分布式发电技术的发展，取得了显著的进展。分布式发电技术在我国得到了广泛应用，尤其是在乡村、小城镇和远离电网的地区。太阳能光伏发电、风力发电、沼气发电、生物质发电等分布式发电方式被大量采用，提供了可靠的电力供应。分布式发电技术分类如表1。

表1 分布式发电技术的主要技术类型

表2 四种发电方式的经济比较

分布式发电技术是指将发电设备部署在用电负荷点附近或能源资源丰富的地区，实现近距离发电和供电的一种电力供应模式。下面是分布式发电技术的主要几种：

1.1 光伏发电技术

光伏发电技术是指利用光伏效应将太阳能转化为电能的技术。光伏电池是光伏发电技术的核心部分，它能够将太阳能转化为直流电能，主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅等材料制成。为了提高发电效率和功率输出，多个光伏电池被组合在一起形成光伏电池阵列。不同类型的电池阵列配置方式有串联和并联两种，可以根据实际需求进行选择。光伏电池产生的电能为直流电，而大部分电力系统使用的是交流电。逆变器的作用是将光伏电池产生的直流电转换为与电网匹配的交流电，以供应给家庭、工业和商业用电等需求［1］。太阳能跟踪系统可根据太阳的位置和角度来调整光伏电池板的朝向，以最大程度地接收太阳辐射，提高发电效率。光伏发电系统需要实时监测和管理，以确保其安全运行和最大效益。这包括对光伏电池阵列、逆变器、电池储能系统进行实时数据采集、状态监测和故障诊断等。

1.2 风力发电技术

风力发电是通过风力涡轮机（通常称为风力发电机）将风的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。风力涡轮机通常由风轮、传动系统和发电机组成。风轮通过受到风力的作用而转动，传动系统将转动的动力传递给发电机，发电机则将机械能转化为电能。开发风力发电项目时，需要对风能资源进行充分评估和分析，确定适宜的区域和设备类型。风能资源的评估包括风能密度、风速分布等参数的测定和验证。风力涡轮机类型主要有水平轴风力涡轮机和垂直轴风力涡轮机两种类型［2］。水平轴风力涡轮机是目前最常见的类型，其中又分为大型商业风力涡轮机和小型户用风力涡轮机。垂直轴风力涡轮机具有结构简单、适应性强等优点，但在商业应用中较少见。风力发电具有较低的运营成本和较短的能源回收期。它是一种环境友好的能源选择，减少了对化石燃料的依赖，减少了温室气体排放和环境污染。随着风力发电技术的不断发展和成熟，风电场的规模也在不断扩大。现代风力涡轮机的功率 cараcity 增加，风电场可以由多台风力涡轮机组成的风力发电机组，并集中连接到电力系统中。

1.3 微型燃气轮机

微型燃气轮机利用燃气在燃烧室内的高温高压膨胀作用，使得轮盘高速旋转。然后，在轮盘上的涡轮将机械能转化为旋转动能，并通过连接的发电机将其转化为电能。具有体积小、重量轻、启动快、响应速度快等特点。由于其紧凑的结构和高转速运行，微型燃气轮机适用于分布式发电场景，尤其是在对高效能量转换和低排放要求较高的环境中。广泛应用于需要小功率电力供应的领域，如住宅、工业园区、商业建筑、农村地区等。它可以作为独立发电设备，也可以与其他能源系统（如光伏、风能等）相结合，构建微网系统。相比传统的发电设备，微型燃气轮机具有高效率、低排放、燃料适应性强、响应速度快等优势。其高效率可以提供更好的能源利用效果，低排放使得环境影响减少，燃料适应性强意味着可以使用多种类型的燃气，响应速度快可以满足对电力供应的即时需求。随着能源需求的增长和环境保护意识的提高，微型燃气轮机作为一种高效清洁的分布式发电技术，具有广阔的发展前景。同时，随着技术的不断进步，微型燃气轮机的性能和稳定性还将得到进一步提升。

2 微网技术概述

微网技术是指在电力系统中，基于分布式发电和能量储存设备构成的一种小型、自治和可控制的能量管理系统。它通过将分布式发电、能量储存和负载进行互联互通，形成一个相对独立的能源子系统，可以与传统中央化电网进行互动或者在不联网的情况下独立运行。

微网技术具有以下特点：

微网采用分散式发电系统，如太阳能发电、风能发电、生物质能发电等，将电力的产生地点逐渐从传统的中央化电厂转移到用户附近，减少输电损耗和线路压降。微网中集成了能量储存装置，如电池储能系统、超级电容器等，用于储存多余的电能以应对高负荷或紧急情况下的电力需求，提高系统的可靠性和灵活性［4］。微网通过智能能源管理系统实现对整个系统的监测、控制和优化调度，具备灵活性和自主性，可以根据需求进行容量扩增、电力配置和运行控制策略的调整。微网可以在与传统电网断开或自给自足的情况下独立运行，对于偏远地区、岛屿、军事设施和特殊需求场景具有很高的适用性，提供可靠的电力供应。微网还可以与传统中央化电网进行互动，在需求低峰时向中央电网输送多余电能，在需求高峰时从中央电网获取不足的电能，实现能源的共享和优化分配。

3 分布式发电与微网技术对电力系统的影响

3.1 减少传输损耗

传统的中央化电厂通常位于城市远离用户的地方，电能需要通过长距离的输电线路输送到用户区域。而分布式发电将发电设备直接安装在用户附近，使得电能可以更近距离地供应到用户处，因此减少了输电距离。输电线路在输送电能的过程中会存在一定的电阻损耗，这是由于导线电阻造成的。传统中央化电厂的输电线路通常较长，导致输电损耗较大。而分布式发电由于距离用户近，输电距离缩短，减少了输电线路上的电阻损耗，从而有效降低了输电损耗。长距离输电线路容易受到外界环境和电源波动的影响，因此可能造成电能质量的下降，如电压波动、谐波扰动等。分布式发电将发电设备安装在用户附近，可以减少输电线路对电能质量的影响，提高供电稳定性和电能质量。

3.2 提高电力供应可靠性

微网技术将分布式发电系统与能量储存系统结合，当传统电网发生故障或停电时，微网可以自主运行，通过本地的分布式发电和储能系统为用户提供持续稳定的电力供应。这种自主运行的能力大大减少了用户在电网故障期间的停电时间和供电不稳定问题。通过智能电力管理系统对能源的管理和优化调度，能够根据用户需求和供需情况，灵活地调整分布式发电和能源储存系统的配置和运行策略。该能力使得微网能够应对突发负荷、区域断电等情况，保持电力供应的平稳和可靠性。通过分布式发电系统可以通过能量互补和共享的方式，实现能源的高效利用。

3.3 促进清洁能源利用

分布式发电系统利用太阳能、风能等可再生能源进行发电，减少了对有限化石能源的依赖，为电力供应提供了可持续性解决方案。通过微网技术将分布式发电系统整合到电力系统中，可以实现清洁能源的广泛利用，并逐步减少对传统化石能源的需求。可再生能源如太阳能和风能在发电过程中不产生污染物和温室气体，相较于传统化石能源，其碳排放量较低。通过分布式发电系统和微网技术，大规模利用可再生能源可以显著减少环境污染和温室气体排放，对改善空气质量和减缓全球气候变暖具有积极影响。通过微网技术，将分布式发电系统与传统电力系统相互连接和整合。

4 结束语

分布式发电与微网技术在电力系统的应用具有重要意义和广阔前景。通过分布式发电设备的部署和能量储存设备的应用，可以实现电力系统的分布式供电和灵活调度，提高系统的可靠性、稳定性和响应速度。分布式发电和微网技术能够促进能源的可持续利用和能源转型。通过利用分布式发电设备如太阳能光伏、风力发电等清洁能源进行发电，可以减少对传统化石燃料的依赖，降低碳排放，从而推动能源结构的优化和环境保护。