討論智能電網(wǎng)中分布式電源

　　分布式能源系統(tǒng)的概念是從1978年美國公共事業(yè)管理政策法公布后，在美國開始推廣，然后被其他發(fā)達國家所接受的。分布式能源系統(tǒng)是位于或臨近電力負荷中心，功率在幾十千瓦到幾十兆瓦內(nèi)模塊式的分布在負荷附近的清潔環(huán)保發(fā)電設(shè)施，能夠經(jīng)濟 、高效、可靠地發(fā)電。分布式發(fā)電是區(qū)別于傳統(tǒng)集中發(fā)電、遠距離傳輸、大互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)電形式。分布式能源系統(tǒng)并不是簡單地采用傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，而是建立在自動控制系統(tǒng)、先進的材料技術(shù)、靈活的制造工藝等新技術(shù)的基礎(chǔ)上，具有低污染排放，靈活方便，高可靠性和高效率的新型能源生產(chǎn)系統(tǒng)。組成分布式能源系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)具有如下特點：①高效地利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生成熱和電;②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng);③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。

　　分布式能源可使用天然氣、煤層氣等燃料，也可以利用沼氣、焦爐煤氣等廢氣資源，甚至可利用風能、太陽能、水能等可再生資源。由于目前分布式能源項目多建在城市，故大部分分布式能源的燃料多為天然氣或是柴油。具體而言發(fā)展分布式能源的重要意義有以下幾方面：

　　（1）經(jīng)濟性

　　由于分布式能源可用發(fā)電的余熱來制熱、制冷，因此能源得以合理的梯 級利用，從而可提高能源的利用效率（達70%.90%）。由于分布式電源的并網(wǎng)，減 少或緩建了大型發(fā)電廠和高壓輸電網(wǎng)，緩建了電網(wǎng)而節(jié)約投資。同時，使得輸配電網(wǎng)的潮流減少，相應(yīng)的降低了網(wǎng)損。

　?。?）環(huán)保性

　　因其采用天然氣做燃料或以氫氣、太陽能、風能為能源，故可減 少有害物的排放總量，減輕環(huán)保的壓力：大量的就近供電減少了大容量遠距離高 電壓輸電線的建設(shè)，由此不但減少了高壓輸電線的電磁污染，也減少了高壓輸電 線的征地面積和線路走廊，減少了對線路下樹本的砍伐，有利于環(huán)保。

　?。?）能源利用的多樣性

　　分布式發(fā)電可利用多種能源，如清潔能源（天然氣）、 新能源（氫）和可再生能源（風能和太陽能等），并同時為用戶提供冷、熱、電等多種能源應(yīng)用方式，因此是解決能源危機、提高能源利用效率和能源安全問題的一種很好的途徑。

　?。?）調(diào)峰作用

　　夏季和冬季往往是負荷的高峰時期，此時如采用以天然氣為燃 料的燃氣輪機等冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，不但可解決冬夏季的供冷與冬季的供熱需要，同時也提供了一部分電力，由此可對電網(wǎng)起到削峰填谷作用。此外，也部 分解決了天然氣供應(yīng)時的峰谷差過大問題，發(fā)揮了天然氣與電力的互補作用。

　?。?）安全性和可靠性

　　當大電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時，具有特殊設(shè)計的分布 式發(fā)電系統(tǒng)仍能保持正常運行，由此可提高供電的安全性和可靠性。

　　（6）電力市場問題

　　分布式發(fā)電可以適應(yīng)電力市場發(fā)展的需要、由多家集資辦 電，發(fā)揮電力建設(shè)市場、電力供應(yīng)市場的競爭機制。

　?。?）投資風險分布式發(fā)電的裝機容量一般較小，建設(shè)周期短，因此可避免類 似大型發(fā)電站建設(shè)周期帶來的投資風險。

　?。?）邊遠地區(qū)的供電問題我國許多邊遠及農(nóng)村地區(qū)遠離大電網(wǎng)，因此難以從 大電網(wǎng)向其供電。采用太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電的獨立發(fā)電系 統(tǒng)不失為一種優(yōu)選的方法。

　　就全世界來看，能源利用率越高、環(huán)境保護越好的國家，對于發(fā)展分布式能源技術(shù)的推廣應(yīng)用就越熱衷，支持政策越明確。如丹麥、荷蘭、日本對分布式電源都采取了一系列鼓勵政策;“911事件”后，出于供電安全的考慮，發(fā)達國家都加快了分布式電源建設(shè)的步伐，到到目前為止，英國已有1000多座分布式電源站;美國有6000多座分布式電源站，僅大學校園就有200多座分布式電源站。在眾多國家中，丹麥是世界上公認的經(jīng)濟發(fā)展、資源消耗和環(huán)境保護三方面有機結(jié)合的典范，是實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的國家。20多年來丹麥的國民總產(chǎn)值翻了一番但能源消耗卻未增加，環(huán)境污染也未加劇，其奧妙就在于丹麥積極發(fā)展冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)，提倡科學用能，扶持分布式能源，靠提高能源利用率支持國民經(jīng)濟的發(fā)展。目前丹麥沒有一個火電廠不供熱，也沒有一個供熱鍋爐房不發(fā)電，將冷、熱、電產(chǎn)品的分別生成，變成高科技的冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)，使科技進步變成真正的生產(chǎn)力。

　　據(jù)文獻報道，2010 年之前全球累計新增發(fā)電容量的25%～30%為分布式發(fā)電。美國是世界上開發(fā)新能源和可再生分布式能源發(fā)電最多的國家，也是全球絕大多數(shù)的商用分布式電源設(shè)備的主要提供商。2004 年，美國分布式發(fā)電總?cè)萘繛?7 GW，約占美國國內(nèi)總發(fā)電量的7%，達世界平均水平，據(jù)美國電力科學研究院預測，在2010 年美國新增發(fā)電容量的25%將采用分布式電源，而國家天然氣基金會的估計則高達30%，到2020年有一半以上的新建商用或辦公建筑使用分布式電源，同時到2020年有15%的現(xiàn)有建筑改用分布式電源。歐洲分布式電源的發(fā)展在世界處于領(lǐng)先水平;2000 年，歐盟地區(qū)分布式電源裝機容量為74 GW，而2004年丹麥、荷蘭、芬蘭分布式電源的發(fā)電總量分別占國內(nèi)總發(fā)電量的52%、38%和36%，歐盟預測2020年將達到195 GW，發(fā)電量將達到總發(fā)電量的22%。

　　2、國內(nèi)外分布式發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及預期

　　近年來，分布式發(fā)電技術(shù)以其獨有的環(huán)保性和經(jīng)濟性引起人們越來越多的關(guān)注?；趯Ψ植际侥茉聪到y(tǒng)的這些認識，目前許多國家已經(jīng)制定了宏偉的分布式能源系統(tǒng)研究發(fā)展計劃，并進行了多方面的相關(guān)研究。英國紐卡斯爾大學正在研發(fā)一種綜合的分布式能源系統(tǒng)評估軟件，這種軟件可將理論與工程項目結(jié)合在一起，用于微型燃氣輪機、燃料電池和燃氣內(nèi)燃機驅(qū)動的分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化及監(jiān)控。美國加州大學、ELCOM等機構(gòu)針對分布式能源系統(tǒng)制定了宏偉的研究規(guī)劃。澳大利亞的研究機構(gòu)正在紐卡斯爾建立能源中心，其目的就是提供能源方面最新的研究成果和開發(fā)設(shè)施，對100多個課題組提供技術(shù)支持，展示新能源技術(shù)的應(yīng)用案例。國際能源機構(gòu)（IEA）正在進行一個包括33個國家在內(nèi)的國際性能源技術(shù)研發(fā)合作計劃，進行能源生產(chǎn)、能源消費領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與改進，當前已有 40個研究項目在進行，包括化石燃料技術(shù)、分布式能源系統(tǒng)、終端用戶的能效技術(shù)等等這些項目涉及400多家政府或私人的研究機構(gòu)，年費用為$120000000。

　　在我國，充足保證電力供應(yīng)對經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展必將起到?jīng)Q定性作用，在已建中央電站及電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，大力發(fā)展分布式電源技術(shù)將是我國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢。目前我國對分布式能源系統(tǒng)的研究在國內(nèi)已經(jīng)開始啟動，一些科研機構(gòu)，大學已經(jīng)投入人力、財力進行分布式能源系統(tǒng)的研究。上海理工大學以 Capstone公司生產(chǎn)的C60微型燃氣輪機為核心，結(jié)合補燃余熱鍋爐、補燃吸收式制冷機、蓄冷、蓄熱系統(tǒng)等建設(shè)了示范型“能源島”，用于分布式能源系統(tǒng)的研究。西安交通大學以100kW微型燃氣輪機為核心，建立了以酒店為應(yīng)用對象的分布式能源系統(tǒng)。中科院工程熱物理所也進行了許多分布式能源系統(tǒng)先進系統(tǒng)方式及相關(guān)評價方面的研究。華北電力大學能源的清潔與重點利用實驗室，建立了雙源可逆型供暖（空調(diào)）系統(tǒng)實驗平臺。

　　我國近年來高度重視可再生能源的開發(fā)利用，把加快發(fā)展風能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源作為“十一五”時期能源發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略。而對可再生能源利用的有效形式，就是大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)分布式電源。在《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》、《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》等法令法規(guī)中，明確提出：大力推廣熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱;提高熱電機組的利用率;發(fā)展熱能梯級利用技術(shù)，熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)和熱、電、煤氣三聯(lián)供技術(shù)，提高熱能綜合利用率。

　　在我國過去二十幾年的經(jīng)濟快速發(fā)展中，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)所造成的環(huán)境污染和生態(tài)問題已經(jīng)對我國的可持續(xù)發(fā)展形成了巨大的壓力。我國政府最近開始考慮對能源戰(zhàn)略進行重大調(diào)整，先后做出了西氣東輸，西電東送，加快引進天然氣的決定。國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展要求能源供應(yīng)的保障和電力的超前發(fā)展，加上能效需要提高和環(huán)境、生態(tài)保護方面的壓力，這些都對熱電冷聯(lián)產(chǎn)的分布式能源系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的需求。據(jù)估計，在今后的十幾年內(nèi)，在中國將需要興建成千上萬個分布式能源站，這是前所未有的歷史機遇。當前，正是處于這個歷史階段的開端。但是，如果說從現(xiàn)在開始，分布式能源站會以每年幾百個、甚至上千個的速度發(fā)展，那么，立即便有一系列的問題產(chǎn)生：資金從哪來，技術(shù)依托何在，用戶端的市場如何開拓和將會怎樣發(fā)展，目前政府的政策法規(guī)是否適應(yīng)這個發(fā)展趨勢，誰來做分布式能源建設(shè)開發(fā)主體，如何協(xié)調(diào)分布式能源站同電網(wǎng)公司和天然氣公司的關(guān)系。這些問題對于分布式能源站的發(fā)展是極為現(xiàn)實而又嚴峻的挑戰(zhàn)。目前在北京、上海、廣州等地正在策劃興建的分布式能源站已經(jīng)遇到了這些方面重重的障礙和挑戰(zhàn)。認為分布式能源會自然而然地順利發(fā)展起來，或者認為根本沒辦法克服目前的障礙和挑戰(zhàn)、因而它不可能發(fā)展起來的這兩種看法，都是不符合實際的。我們必須認真地面對當前分布式能源發(fā)展中的機遇和挑戰(zhàn)，研究、制訂好它在中國快速發(fā)展的戰(zhàn)略。

　　目前，我國以天然氣為燃料的分布式能源系統(tǒng)建設(shè)已逐步進入實質(zhì)性開發(fā)實施階段，在我國城鎮(zhèn)，分布式發(fā)電技術(shù)作為集中供電方式技術(shù)的重要補充，將成為一個重要的發(fā)展方向。首推熱電冷三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，因為對于中國大部分地區(qū)的住宅、商業(yè)大樓、醫(yī)院、公用建筑、工廠來說，都存在供電和供暖或制冷需求，很多都配有備用發(fā)電設(shè)備，這些都是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統(tǒng)的廣闊市場。在北京、上海、廣州等大城市的居民小區(qū)、商城樓宇、大學城，都有一批熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)示范工程投運。例如：上海浦東國際機場能源中心 4000 kW 燃氣輪機熱電聯(lián)供項目;上海黃埔區(qū)中心醫(yī)院 1000 kW 燃氣輪機熱電聯(lián)供項目;北京中關(guān)村軟件園熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)項目等。對于廣大經(jīng)濟欠發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)來說，（農(nóng)牧地區(qū)和偏遠山區(qū)），要形成一定規(guī)模的、強大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和很長的時間周期，能源供給嚴重制約這些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。分布式發(fā)電技術(shù)則剛好可以彌補集中式發(fā)電的這些局限性。例如，在我國西北部廣大農(nóng)村地區(qū)風力資源十分豐富，像內(nèi)蒙古已經(jīng)形成了年發(fā)電量1億kWh的電量，除自用外，還可送往北京地區(qū)，這種無污染綠色能源可以減輕當?shù)氐沫h(huán)境污染。

　　總體看來，分布式能源系統(tǒng)的研究在西方先進國家己經(jīng)取得了豐碩的研究成果，研究領(lǐng)域從單獨運行的分布式能源系統(tǒng)，到剛興起不久的分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)的聯(lián)接，已有分布式能源系統(tǒng)運行的豐富經(jīng)驗。而國內(nèi)對分布式能源系統(tǒng)的研究還處于初期階段，分布式能源系統(tǒng)的大規(guī)模利用還有很長的路要走。國內(nèi)外對獨立運行分布式能源系統(tǒng)的研究較多，主要是各種不并網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟評價和評價標準。而對與大電網(wǎng)聯(lián)接的分布式能源系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外的研究均較少，國內(nèi)主要有分布式發(fā)電及其對電力系統(tǒng)的影響，分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響等。

　　3、分布式發(fā)電的分類及能源形式選取建議

　　⑴ 基于化石燃料的分布式發(fā)電技術(shù)

　?、偻鶑褪桨l(fā)動機技術(shù)：用于分布式發(fā)電的往復式發(fā)動機采用四沖程的點火式或壓燃式，以汽油或柴油為燃料，是目前應(yīng)用最廣的分布式發(fā)電方式。但是此種方式會造成對環(huán)境的影響，最近通過對其技術(shù)上的改進，已經(jīng)大大減少了噪音和廢氣的排放污染。

　　②微型燃氣輪機技術(shù)：微型燃氣輪機是指功率為數(shù)百千瓦以下的以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機。但是微型燃氣輪機與現(xiàn)有的其它發(fā)電技術(shù)相比，效率較低。滿負荷運行的效率只有30%，而在半負荷時，其效率更是只有10%～15%，所以目前多采用家庭熱電聯(lián)供的辦法利用設(shè)備廢棄的熱能，提高其效率（可高達75%甚至更高）。微型燃氣輪機的特點是體積小、重量輕、實行熱電聯(lián)產(chǎn)時發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單。它是目前最成熟，最具有商業(yè)競爭力的分布式電源之一。其技術(shù)關(guān)鍵主要是高速軸承、高溫材料、部件加工等。

　?、廴剂想姵丶夹g(shù)：燃料電池是一種在等溫狀態(tài)下直接將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾娀瘜W裝置。燃料電池工作時，不需要燃燒，同時不污染環(huán)境，其電能是通過電化學過程獲得的。在其陽極上通過富氫燃料，陰極上面通過空氣，并由電解液分離這兩種物質(zhì)。在獲得電能的過程中，一些副產(chǎn)品僅為熱、水和二氧化碳等。氫燃料可由各種碳氫源，在壓力作用下通過蒸汽重整過程或由氧化反應(yīng)生成。

　?、?混合式的分布式發(fā)電技術(shù)

　　一個重要的方向是上面提到的熱電冷三聯(lián)產(chǎn)的多目標分布式供能系統(tǒng)，通常簡稱為分布式供能系統(tǒng)。其在生產(chǎn)電力的同時，也能提供熱能或同時滿足供熱、制冷等方面的需求。與簡單的供電系統(tǒng)相比，分布式供能系統(tǒng)可以綜合梯級的科學用能，從而大幅度提高能源利用率、降低環(huán)境污染、改善系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。熱電聯(lián)產(chǎn)有2種情況：

　　①以發(fā)電為主，采用大容量機組，只有少部分余熱得到利用，電力進入高壓輸電網(wǎng)分配，這種熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)歸于集中式發(fā)電;

　?、谝詿岫姡跐M足一定熱負荷需求的前提下，盡量建設(shè)小型供熱機組，電力由用戶自身消化，或在當?shù)嘏潆娋W(wǎng)區(qū)域內(nèi)消化。

　?、?基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)

　　①太陽能光伏發(fā)電技術(shù)：太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點。但是此種分布發(fā)電技術(shù)的成本非常高，所以現(xiàn)階段太陽能發(fā)電技術(shù)還需要進行技術(shù)改進，以降低成本而適合于廣泛應(yīng)用。

　?、陲L力發(fā)電技術(shù)：將風能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，由于風力發(fā)電環(huán)?？稍偕?、全球可行、成本低且規(guī)模效益顯著，已受到越來越廣泛的歡迎，成為發(fā)展最快的新型能源之一。可分為獨立與并網(wǎng)運行兩類，前者為微型或小型風力發(fā)電機組，容量為100W～10kW，后者的容量通常超過150kW，通常有多臺容量較大的風力發(fā)電機組構(gòu)成風力發(fā)電機群，稱其為風電場（也稱風力田、風田），具有機組大型化，集中安裝和控制的特點。近年來，風力發(fā)電技術(shù)進步很快，單機容量在 2MW以下的技術(shù)已很成熟。

　　4、分布式發(fā)電與傳統(tǒng)電網(wǎng)的結(jié)合

　　傳統(tǒng)的大電網(wǎng)在一段時間內(nèi)將和分布式發(fā)電模式共存，互為補充。結(jié)合傳統(tǒng) 電網(wǎng)和分布式發(fā)電的優(yōu)勢，將其合理的整合在一起，具體的聯(lián)網(wǎng)方式有三種方式： （1）將分布式電源輸出由直整流成交流輸出，同時要求與交流大電網(wǎng)保持絕對的同步;（2）將分布式電源轉(zhuǎn)換成交流輸出以后，直接供給某些特定負荷而起到與大電網(wǎng)相互補充的作用。（3）將分布式電源與大電網(wǎng)隔離，完全成為一個獨立的發(fā)電系統(tǒng)。