智能配電網(wǎng)之分布式電源并網(wǎng)技術(shù)

智能電網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的一個根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足DER 并網(wǎng)的需要,是智能電網(wǎng)提出并獲得迅速發(fā)展的根本原因。本講介紹分布式電源的基本概念及其并網(wǎng)技術(shù),作為讀者學(xué)習(xí)、了解智能電網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識。

1 分布式電源的概念

分布式電源指小型(容量一般小于50 MW) 、向當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電、可直接連到配電網(wǎng)上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置。

分布式發(fā)電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據(jù)使用技術(shù)的不同,可分為熱電冷聯(lián)產(chǎn)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)組發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小型水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、燃料電池等;根據(jù)所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發(fā)電與可再生能源(風(fēng)力、太陽能、潮汐、生物質(zhì)、小水電等) 發(fā)電兩種形式。分布式儲能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網(wǎng)上的能量存儲與轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)儲能形式的不同,DES 可分為電化學(xué)儲能(如蓄電池儲能裝置) 、電磁儲能(如超導(dǎo)儲能和超級電容器儲能等) 、機(jī)械儲能裝置(如飛輪儲能和壓縮空氣儲能等) ,熱能儲能裝置等。此外,近年來發(fā)展很快的電動汽車亦可在配電網(wǎng)需要時向其送電,因此也是一種DES。

2 分布式電源的發(fā)展

2. 1 分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

長期以來,電力系統(tǒng)向大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代,各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術(shù)又開始引起人們的關(guān)注,經(jīng)過20 多年的發(fā)展,分布式發(fā)電已成為一股影響電力工業(yè)未來面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個方面。

1) 應(yīng)對全球能源危機(jī)的需要。隨著國際油價(jià)的不斷飆升,能源安全問題日益突出,為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,人們的目光轉(zhuǎn)向了可再生能源,因此,風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等備受關(guān)注,快速發(fā)展并開始規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用,而這些可再生能源的發(fā)電大都是小型的、星羅棋布的。

2) 保護(hù)環(huán)境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問題,已引起各國政府的高度重視,并成為當(dāng)今世界政治的核心議題之一。為保護(hù)環(huán)境,世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛立法,扶持可再生能源發(fā)電以及其他清潔發(fā)電技術(shù)(如熱電聯(lián)產(chǎn)微型燃?xì)廨啓C(jī)) ,有利地推動了DG的發(fā)展。

3) 天然氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。對于天然氣發(fā)電來說,機(jī)組容量并不明顯影響機(jī)組的效率,并且天然氣輸送成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點(diǎn)的DG。

4) 避免投資風(fēng)險(xiǎn)。由于難以準(zhǔn)確地預(yù)測遠(yuǎn)期的電力需求增長情況,為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),電力公司往往不愿意投資大型的發(fā)電廠以及長距離超高壓輸電線路。此外,高壓線路走廊的選擇也比較困難。這都促使電力公司選擇一些投資小、見效快的DG項(xiàng)目來就地解決供電問題。

在國際上,DG 的發(fā)展方興未艾。在美國,1978 年修改了《公共事業(yè)法》,以法律的形式要求各電力公司接受用戶的小型能源系統(tǒng),特別是熱電機(jī)組并網(wǎng);2000 年,熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量已占總裝機(jī)容量的7 %,預(yù)計(jì)到2010 年將占其總裝機(jī)容量的14 %;2008 年,風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2500 萬kW;太陽能裝機(jī)容量達(dá)87 萬kW。歐洲在世界上最早開始應(yīng)用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國的DG容量均已接近或超過其總發(fā)電裝機(jī)容量的50 %;歐洲D(zhuǎn)G 應(yīng)用規(guī)模最大的德國,2008 年末風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2300 萬kW ,太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)540 萬kW。

我國應(yīng)用的DG 原來主要以小水電為主,風(fēng)電、光伏發(fā)電等起步相對較晚。2003 年以來,國家強(qiáng)力推進(jìn)節(jié)能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進(jìn)可再生能源利用與提高能效技術(shù)發(fā)展的政策。到2008 年底,我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1200 萬kW ,躍居世界第三位;光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到14 萬kW。

近年來,各國政府對能源安全與環(huán)境問題高度重視。美國、歐盟都提出2020 年應(yīng)用可再生能源占總能源消費(fèi)的比例超過20 %;我國也制定了2020 年應(yīng)用可再生能源占消費(fèi)總能源的比例達(dá)15 %的目標(biāo)。目前,各國可再生能源發(fā)電容量在總發(fā)電裝機(jī)容量中的比例遠(yuǎn)低于這些目標(biāo),可見DG的發(fā)展空間巨大。

目前,風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電的成本還遠(yuǎn)高于常規(guī)燃煤發(fā)電,只有國家實(shí)行優(yōu)惠的稅收政策并給予一定的財(cái)政補(bǔ)貼,才能調(diào)動投資者發(fā)展DG 的積極性。其次,DG 并網(wǎng)技術(shù)也是制約DG發(fā)展的重要因素,因此,智能電網(wǎng)的提出,從技術(shù)上為解決這一問題創(chuàng)造了條件。

2. 2 分布式儲能技術(shù)的發(fā)展

能量儲存是電力系統(tǒng)調(diào)峰的有效手段,作為一種成熟的儲能技術(shù),抽水蓄能電站獲得了大量應(yīng)用。近年來,作為補(bǔ)償DG輸出間歇性、波動性的有效手段,分布式儲能技術(shù)受到了人們的重視。

蓄電池是一種傳統(tǒng)儲能技術(shù)。鈉硫電池具有大容量、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊、易擴(kuò)展、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),技術(shù)進(jìn)一步成熟后可用于城市電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電補(bǔ)償。超級電容器容量大、使用壽命長、環(huán)保,目前已有市場化應(yīng)用。2005 年,美國加利福尼亞州建造了一臺450 kW 的超級電容器儲能裝置,用以減輕950 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動。飛輪儲能效率高、壽命長,德國、美國等都在投資研制用于電網(wǎng)調(diào)峰的飛輪儲能裝置。超導(dǎo)磁能儲能具有效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),目前已在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

總體來說,分布式儲能技術(shù)還在發(fā)展之中,還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,需要國家在政策