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智能電網(wǎng)分布式能源系統(tǒng)集成及基礎(chǔ)科學(xué) 解放軍總后勤部某研究所 劉向陽 什么是分布式能源 分布式能源（distributed energy sources，DER)是指分布在用戶側(cè)的能源梯級利用和可再生能源及資源綜合利用設(shè)施，如以太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、沼氣利用等。分布式能源直接安裝在用戶端，盡量減少中間輸送環(huán)節(jié)的損耗，實現(xiàn)對資源利用的最大化。分布式能源是智能電網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)，既可獨立運行，也可并運行，而不管規(guī)模大小、使用什么燃料或應(yīng)用的技術(shù)。由于這種能源利用方式正處于起步階段，無論是國內(nèi)還是國外，在概念及名詞術(shù)語的敘述和采用上均比較混亂。國際分布式能源聯(lián)盟WADE定義“分布式能源”由下列發(fā)電系統(tǒng)組成，而這些系統(tǒng)能夠在消費地點或附近的地方發(fā)電：① 高效利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能來生產(chǎn)熱和電的系統(tǒng)；② 具有現(xiàn)場端的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)；③ 包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不考慮規(guī)模、燃料、技術(shù)及系統(tǒng)是否聯(lián)網(wǎng)等條件。 北京燃?xì)饧瘓F給出的定義為：分布式能源相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言。是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量（數(shù)千瓦 50MW）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。分布式能源的先進技術(shù)包括太陽能利用、風(fēng)能利用、燃料電池和燃?xì)饫錈犭娙?lián)供等多種形式。 分布式能源的系統(tǒng)集成 分布式能源系統(tǒng),相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言。是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng),即將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近,可獨立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)主要包括分布式發(fā)電、分布式儲能、并網(wǎng)技術(shù)和具有潛在功率產(chǎn)品價值的需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)資源。除面向電網(wǎng)的抽水儲能電站外，三者不僅同屬供用電范疇，彼此之間的聯(lián)系也很密切。如分布式發(fā)電與分布式儲能組成功能互補的微網(wǎng)，并可參與需求響應(yīng)資源的負(fù)荷響應(yīng)程序等。 1）分布式發(fā)電 分布式電網(wǎng)發(fā)電可以視為虛擬負(fù)荷的分布式發(fā)電設(shè)備直接由用戶控制啟停。即使接入配電系統(tǒng)，也可不參與自動發(fā)電控制，甚至在配網(wǎng)側(cè)安裝逆功率繼電器，正常時不向電網(wǎng)注入功率。分布式發(fā)電系統(tǒng)自身的特點決定了它不是采用煤作為一次能源，而是大量采用環(huán)境友善的可再生能源。可以說，分布式發(fā)電技術(shù)是與新能源技術(shù)密切相關(guān)的。 由分布式發(fā)電機組構(gòu)成的微網(wǎng)，既可與主網(wǎng)相連也可象孤島那樣自治運行見圖1。此外，由于技術(shù)和自然原因，小型的分布式發(fā)電機組不可能持久穩(wěn)定運行，其產(chǎn)品只能是能量(kWh)而不是功率(kW)。因此，除需研究解決將DG接入主網(wǎng)所引發(fā)的有關(guān)問題外，還需研究解決微網(wǎng)許多特殊的運行問題，如應(yīng)對DG不同業(yè)主的分布決策，微網(wǎng)自由化市場下對DG的智能控制，以及DG除向網(wǎng)絡(luò)售電外的其他任務(wù)(如就地供熱、保持當(dāng)?shù)仉妷阂欢ㄋ?、主網(wǎng)故障時為當(dāng)?shù)刂匾?fù)荷提供后備等)。由于這些問題具有分布自主和不定因素等諸多特點，很難采用集中控制管理。因此，具有分布式問題求解(distributedproblemsolving，DPS)特點的MAS技術(shù)，自然成為解決微網(wǎng)問題的一個新途徑。 2）分布式儲能 基于系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的考慮，分布式發(fā)電系統(tǒng)要存儲一定數(shù)量的電能，這樣既可以穩(wěn)定供電，同時，又能提供備用電力以及提高分布式發(fā)電機組的可調(diào)度性。到目前為止，人們已經(jīng)開發(fā)了多種形式的儲能方式，主要分為化學(xué)儲能和物理儲能。然而，成本過高是限制很多儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中大量推廣應(yīng)用的問題，因此，提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本是今后儲能技術(shù)研究的重要方向。 由分布式發(fā)電和蓄電池( u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r －supply，UPS)分布式儲能組成的微網(wǎng)接入主網(wǎng)時，當(dāng)?shù)刎?fù)荷同時從主網(wǎng)和本地微電源獲取功率，并能排除電網(wǎng)擾動保證電能質(zhì)量。主網(wǎng)供電中斷時，微網(wǎng)能平滑地過渡到孤島運行，隨后再重新接入主網(wǎng)。 顯然，UPS的儲能能力(或者說支持主網(wǎng)停電時間的長短)取決于蓄電池容量的大小。此外，這種直接面向用戶的分布式儲能設(shè)備，本身具有一定的損耗。隨著這類用戶的不斷增加，總投資和損耗將大幅度上升。解決這一問題的辦法，就是統(tǒng)一由供方在饋線上安裝能令眾多用戶受益、具有儲能和補償能力的電能質(zhì)量調(diào)整器(powerqualityconditioner，PQC)?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的PQC，是動態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamicvoltagerestorer，DVR)和配電靜止同步補償器(distributionstaticsynchronouscompensator，DSTACOM)的總稱。 DVR和串聯(lián)接入的PQC的作用是：當(dāng)配網(wǎng)瞬間發(fā)生失壓、欠壓或過壓擾動時予以補償，防止系統(tǒng)對饋線上的負(fù)載產(chǎn)生影響。DSTACOM或并聯(lián)接入的PQC作用是：當(dāng)用戶因非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波、感性負(fù)載大或發(fā)生閃變時予以補償，防止這些擾動通過配網(wǎng)影響到其他用戶。若同時串并聯(lián)接入PQC，則兼有上述雙向補償功能。PQC用于解決瞬間擾動和波形畸變問題時，采用適當(dāng)容量的電容器 作為儲能設(shè)備就已足夠。但若要求DVR不僅補償瞬間失壓，而且起到UPS作用，因DVR與系統(tǒng)具有有功功率交換，其儲能設(shè)備就必須采用高能蓄電池或超導(dǎo)蓄能設(shè)備，并相應(yīng)擴大逆變器的容量。 智能電網(wǎng)所關(guān)注的不僅是風(fēng)險環(huán)境下的自愈，還包括向用戶提供安全優(yōu)質(zhì)的電力。因此，電力電子技術(shù)智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，不僅促使分布式發(fā)電與分布式儲能相結(jié)合提供自愈基礎(chǔ)，還一并解決了無功調(diào)壓、瞬間擾動和波形畸變等電能質(zhì)量問題。 3）并網(wǎng)技術(shù) 在電力系統(tǒng)中引入分布式電源所帶來的運行上的問題包括：調(diào)壓、繼電保護、瞬態(tài)重合閘、電閃、諧波、變壓器接地、孤島檢測等。依據(jù)分布式發(fā)電系統(tǒng)的特點與功能及其與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)之間的關(guān)系，將分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)分為3類，并分析了分布式發(fā)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)規(guī)劃、電能質(zhì)量、繼電保護、可靠性等方面的影響。有關(guān)研究出了利用電抗器高阻抗值的特性，限制分布式電源提供的短路電流，從而有效地解決了分布式電源與保護之間的協(xié)調(diào)性問題。 4）需求響應(yīng)資源對電網(wǎng)而言，分布式發(fā)電的啟?？梢钥闯墒翘摂M負(fù)荷的減少和增加。同樣，負(fù)荷的減少和增加也可等效于虛擬發(fā)電的增減。隨著電力市場的深入發(fā)展，負(fù)荷相當(dāng)于潛在的功率產(chǎn)品的價值正在日益凸現(xiàn)。當(dāng)前，需求響應(yīng)資源正從需求側(cè)管理向需求側(cè)競價(demandsidebidding，DSB)發(fā)展。用戶能夠通過改變自己的用電方式主動參與市場競爭，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟利益，而不象以前那樣被動地按所定價格行事。 DSB產(chǎn)品可以提供各種形式的輔助服務(wù)(頻率控制、電壓控制、備用和黑啟動)、參與可中斷供電合同或峰谷電價計劃、在平衡市場中競價增減出力以及緩解輸配電阻塞等。 智能電網(wǎng)的任務(wù)在于實現(xiàn)需求響應(yīng)資源的系統(tǒng)集成，使之在正常、緊急和恢復(fù)狀態(tài)下協(xié)調(diào)運行。這除了需要研發(fā)有關(guān)DSB市場的各種應(yīng)用，諸如輔助服務(wù)、輸電約束、供電合同、平衡市場以及現(xiàn)貨市場外，還需要研發(fā)正常、緊急、恢復(fù)狀態(tài)下的各種運行軟件，諸如正常狀態(tài)下的直接負(fù)荷控制、固定負(fù)荷消費水平、按通知減負(fù)荷、分布式發(fā)電參與負(fù)荷響應(yīng)程序、緩解輸配電阻塞，緊急狀態(tài)下的頻率控制、電壓控制、備用和黑啟動等。 分布式能源技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué) 分布式能源技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)主要在以下幾個方面： 1、動力與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備。 動力與能源轉(zhuǎn)換設(shè)備主要是指一些基于傳統(tǒng)技術(shù)的完善和新技術(shù)的發(fā)展，包括小型燃?xì)廨啓C、微型燃?xì)廨啓C、燃?xì)鈨?nèi)燃機、斯特林發(fā)動機、燃料電池、微型蒸汽輪機、微型水輪機和微型抽水蓄能電站、太陽能發(fā)電和太陽熱發(fā)電、風(fēng)能、余熱制冷系統(tǒng)、熱泵、能量回收系統(tǒng)等方面。 燃料電池技術(shù)有質(zhì)子交換膜、固體氧化物、熔融硅酸鹽和氫氧重整等多種技術(shù)方式，該技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，污染極小，而且可以同燃?xì)廨啓C技術(shù)整合，發(fā)電效率將可能達到80%，是未來最具有發(fā)展價值的技術(shù)。太陽能發(fā)電和太陽熱發(fā)電，關(guān)鍵是降低成本，同時需要研究與其他能源利用方式和載體進行整合，將太陽熱發(fā)電與沼氣利用整合，將光伏電池與建筑材料整合，利用光導(dǎo)纖維與照明技術(shù)整合等等。風(fēng)力發(fā)電是世界能源發(fā)展的一個重要方向，在大型風(fēng)場大量利用大型風(fēng)機發(fā)電將可以代替現(xiàn)有的火力發(fā)電系統(tǒng)，但是對于居住分散的用戶小型高效的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更加具有普及意義，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要需要解決的是成本、可靠性和蓄能問題。 2、一次和二次能源相關(guān)技術(shù)。 主要是指天然氣系統(tǒng)的優(yōu)化利用、液化天然氣的生產(chǎn)和利用、煤層氣和礦井瓦斯利用、可燃冰、煤地下氣化、地?zé)?、深層海水冷能、水能、沼氣、甲醇、乙醇、氫、壓縮空氣等能源相關(guān)技術(shù)。對于氫的利用將決定人類的未來，如何從水中低成本地重整氫氣將是技術(shù)的關(guān)鍵。礦難中瓦斯爆炸是元兇之一，減少礦工死亡和提高煤層氣和礦井瓦斯資源的利用有著密切關(guān)聯(lián)，利用煤層氣和礦井瓦斯發(fā)電等技術(shù)不僅可以挽救無數(shù)礦工的生命，還能有效減少溫室氣體排放，緩解全球變暖問題。 3、智能控制與群控優(yōu)化技術(shù)。 主要包括分布式能源機組和系統(tǒng)自身的智能化控制、分布式能源與載體的信息互動、分布式能源機組的聯(lián)合控制、遠(yuǎn)程遙控、群控優(yōu)化、智能電網(wǎng)技術(shù)、信息化計量與結(jié)算系統(tǒng)、自動信息發(fā)布系統(tǒng)等技術(shù)。 分布式能源采用模塊化組合設(shè)計，需要對模塊組合聯(lián)合控制，根據(jù)需求變化進行智能調(diào)節(jié)，決定每一模塊 的運行狀態(tài)和模塊之間的調(diào)節(jié)優(yōu)化關(guān)系。必須建立電網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)，對于電網(wǎng)特別是近用戶低壓供電電網(wǎng)的信息化控制，流量平衡控制、網(wǎng)內(nèi)分布式能源智能管制系統(tǒng)、智能保護系統(tǒng)等。 4、綜合系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。 主要包括多種能源系統(tǒng)整合優(yōu)化、將分布式能源與交通系統(tǒng)整合優(yōu)化、分布式能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入研究、蓄能技術(shù)、地源蓄能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)式能源系統(tǒng)等技術(shù)。其中蓄能技術(shù)是通過蓄能技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，解決能源的延時性調(diào)節(jié)問題，提高能源系統(tǒng)的容錯能力，其中包括蓄電、蓄熱、蓄冷和蓄能四個技術(shù)方向。蓄電包括化學(xué)蓄電：電池；物理蓄電：飛輪和水能、氣能。蓄熱包括項變蓄熱、熱水、熱油和蒸汽等多種形式。蓄冷：冰和水。蓄能包括物理蓄能：機械蓄能、水蓄能、以及記憶金屬蓄能等多種方式。 互聯(lián)網(wǎng)式的分布式能源梯級利用系統(tǒng)是未來能源工業(yè)的重要形態(tài)，它是由燃?xì)夤芫W(wǎng)、低壓電網(wǎng)、冷熱水網(wǎng)絡(luò)和信息共同組成的用戶就近互聯(lián)系統(tǒng)，復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的智能化運行、結(jié)算、冗余調(diào)整和系統(tǒng)容錯優(yōu)化。 5、資源深度利用技術(shù)。 主要包括天然氣凝結(jié)水技術(shù)、將分布式能源與大棚結(jié)合的技術(shù)、利用發(fā)電制冷的冷卻水生產(chǎn)生活熱水的技術(shù)、空調(diào)系統(tǒng)廢熱回收技術(shù)、污水水源熱泵系統(tǒng)、小型生物質(zhì)沼氣生產(chǎn)技術(shù)等技術(shù)。 我國發(fā)展分布式能源的主要形式 中國人口眾多，自身資源有限，按照目前的能源利用方式，依靠自己的能源是絕對不可能支撐13億人的“全面小康”，使用國際能源不僅存在著能源安全的嚴(yán)重制約，而且也使世界的發(fā)展面臨一系列新的問題和矛盾。中國必須立足于現(xiàn)有能源資源，全力提高資源利用效率，擴大資源的綜合利用范圍，而分布式能源無疑是解決問題的關(guān)鍵技術(shù)。我國發(fā)展分布式能源的主要形式如下： 1、燃?xì)鉄犭娎淙?lián)產(chǎn)技術(shù)。這是分布式能源的典型形式。天然氣是一種清潔原料，它的煙氣中不含SO2，所以其中的水蒸氣的冷凝潛熱幾乎90％以上的熱量都被利用。由于在燃?xì)廨啓C中30％-40％的能量直接轉(zhuǎn)化為電能，一次轉(zhuǎn)化效率也高于一般火電機組，再加上排氣和能量利用，比如加熱、制冷，用于各種不同能級的用戶，整個系統(tǒng)達到能量的梯級利用，使總能量利用效率達到最高。所以說利用天然氣作為能源的最高效率就是熱電冷三聯(lián)產(chǎn)。中國燃天然氣的分布式能源現(xiàn)狀見表1。北京、上海主要燃天然氣的分布式能源發(fā)展項目見表2。 2、分布式煤氣化能源系統(tǒng)。煤氣化分布式能源系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電就是以煤氣化得到的煤氣作為燃料，來代替常規(guī)系統(tǒng)中的氣體或液體燃料，以達到提高熱效率的目的。其流程為：將煤氣化產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過脫硫等凈化處理，把煤氣中的灰、含硫化合物等雜質(zhì)除掉。成為清潔的、具有一定壓力的潔凈煤氣，供給燃?xì)廨啓C做功發(fā)電，其尾氣供給余熱式溴化鋰吸收式制冷制熱系統(tǒng)以向用戶提供供暖、空調(diào)以及生活熱水。在我國富煤區(qū)大力發(fā)展分布式煤氣化能源系統(tǒng)，通過燃?xì)廨斉涔艿缹饣a(chǎn)物供給用戶，可以達到高效利用能源的目的。 3、分布式煤層氣能源系統(tǒng)。我國有豐富的煤層氣資源，現(xiàn)已查明的淺層煤層氣就有3O多萬億m3，相當(dāng)于約4OO億t標(biāo)準(zhǔn)煤。若全部用以發(fā)電的話可發(fā)電100萬億kWh，這一巨大的資源寶庫，是建設(shè)分布式能源系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 煤層氣的產(chǎn)地多在煤礦附近，煤礦的生產(chǎn)需要很多電力。用煤層氣就地建設(shè)一個分布式能源系統(tǒng)，平時可供給煤礦部分生產(chǎn)用電力，故障時可供給保安電力。這不僅省去大量的輸變電系統(tǒng)的建設(shè)和運行的費用，也省去了輸變電過程中約7％的電能損耗。 4、分布式可再生能源系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)適于與太陽能、地?zé)帷L(fēng)能等系統(tǒng)規(guī)模小、能量密度低的可再生能源相結(jié)合，為可再生能源的利用提供了新的思路。分布式可再生能源系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)未來發(fā)展的一個重要方向。在這樣的分布式能源系統(tǒng)中，產(chǎn)出的將不只是冷、熱、電，還可能有一些化學(xué)品或其他產(chǎn)品。但由于可再生能源本身的一些特點和其利用技術(shù)水平的限制，在當(dāng)前一段時間內(nèi)，它與常規(guī)能源互補的分布式系統(tǒng)更為現(xiàn)實可行，這也將進一步促進可再生能源利用技術(shù)的發(fā)展。 5、分布式生物質(zhì)能源系統(tǒng)。生物質(zhì)包括各種速生的能源植物及各種廢棄物，是潔凈的可再生能源。作為唯一能轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源，生物質(zhì)能以總產(chǎn)量巨大、可儲存、碳循環(huán)等優(yōu)點已引起全球的廣泛關(guān)注。生物質(zhì)能氣化或裂解產(chǎn)生的燃料氣和高品位液體燃料可以作為小型或微型燃?xì)廨啓C為核心的分布式能源系統(tǒng)理想的燃料。對于清潔液體燃料十分匱乏的我國，當(dāng)前可以將生產(chǎn)液體燃料的分布式能源系統(tǒng)作為發(fā)展的重點(可同時或以后生產(chǎn)氫)，也可以將發(fā)電與生產(chǎn)燃料結(jié)合起來，建立綜合的多能源輸出系統(tǒng)。 6、以垃圾為燃料的分布式能源系統(tǒng)。從生態(tài)角度看，垃圾是一種污染源，而從資源角度看，垃圾是地球上唯一正在增長的資源。能源專家測算，2t城市垃圾焚燒所產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于1t煤燃燒的能量。如果我國能將垃圾分類處理并充分有效地用于發(fā)電，每年將節(jié)省煤炭5O00萬t一6O00萬t。通過水煤漿技術(shù)處理，變垃圾直接焚燒為加工利用，從而達到簡化焚燒系統(tǒng)復(fù)雜性、提高燃燒效率和控制二次污染的多重目的。因此，垃圾發(fā)電將是形成分布式能源系統(tǒng)和電力生產(chǎn)“一次能源”多樣性的重要內(nèi)容。 分布式發(fā)電已成為世界電力發(fā)展的新方向，它的大規(guī)模應(yīng)用將對能源，尤其是電力系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步產(chǎn)生深刻的影響，改變能源的生產(chǎn)方式、供給方式和消費方式，給能源產(chǎn)業(yè)注入新的活力，我們應(yīng)積極參與和適應(yīng)這一變化。 描述:沒有文件說明 |
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