分布式發電技術

楊琦偉 程延昭 劉紅昌 高洪建

一、分布式發電定義

分布式發電是由美國在公共事業管理政策法中公布并正式推廣的，其定義為：一、不同于傳統集中發電模式，為滿足特定用戶和配電網絡運行的需要，以集散方式分布在用戶附近，發電功率為數千瓦至數十兆瓦的小型模塊式發電系統。二、不論發電系統規模大小和一次能源的類型，任何安裝在用戶附近的發電設施。簡而言之，分布式發電是指直接布置在配電網或分布在負荷附近的發電設施，經濟、高效、可靠地發電。

二、分布式發電技術種類

（一）燃料電池發電技術

燃料電池是一種在等溫狀態下，直接將存儲在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的元器件。燃料電池的陰極和陽極由電解質隔開，在工作時，不需要燃燒，只需要將燃料和空氣中的氧氣分別送入陽極和陰極，從而發生電化學反應，在電解質的作用下，氫氧離子定向移動，產生電位差在外電路中形成電流，從而發出低壓直流電。燃料電池在發電過程中，副產品僅為熱水和少量二氧化碳等。

燃料電池按電解質分主要包括磷酸燃料電池、堿性燃燒電池、質子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池。其中磷酸燃料電池最接近于商業化，熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池被推薦應用于電力系統發電。燃料電池發電廠主要由三部分組成：燃料處理部分、電池反應堆部分、電力電子換流控制部分。

燃料電池具有以下優點：（1）清潔無污染。發電過程中的排放物對環境影響幾乎不計。由于無旋轉機械部分，因而沒有噪聲污染。（2）發電效率高。通過熱電聯產或聯合循環綜合利用熱能，燃料電池的發電效率幾乎是傳統發電廠發電效率的2倍。（3）適應負荷變化的能力強。（4）安裝周期短、安裝位置靈活，占地少、檢修維護容易。

（二）微型燃氣輪機發電技術

微型燃氣輪機是目前最成熟、最有商業競爭力的分布式發電設備。它是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的功率范圍在20-500kW的小型燃氣輪機。基本技術特征是采用徑流式葉輪機械（向心式透平和離心式壓氣機）以及回熱循環。微型燃氣輪機發電機組由微型燃氣輪機、發電機和數字電力控制器等部分組成。為了提高燃料的利用效率，在分布式發電系統中， 微型燃氣輪機除了為用戶供電外，還同時為用戶供熱，構成“熱電并用系統”。 微型燃氣輪機具有五方面的優點：（1）體積小、 重量輕。（2）電力市場中建造和運行成本極據競爭力。（3）發電效率較高，污染少。（4）高可靠、長壽命、低噪聲、多燃料、低油耗。（5）運行和維護簡單。

（三）太陽能光伏電池發電技術

太陽能光伏發電技術是利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉換為電能。太陽能光伏發電的能量轉換器件是光伏電池。它包括一個類似于二極管的在半導體材料中形成的PN結和一片0.2-0.3mm厚的單晶式或多晶式硅片通過摻入其他雜質（硼和磷）產生具有不同電氣性質的兩層，在PN結摻雜了磷原子的負硅片和摻雜了硼原子的正硅片之間建立起電場。光入射到太陽電池上，光子中的能量產生自由電荷載體被電場分開，外接線路上產生電壓，接入負載后有電流流過。太陽能光伏電池發電的原理是利用半導體的光生伏打效應。通過這一方式太陽光能直接變成了可用的電能。太陽能光伏發電是由電池組成方陣進行發電，方陣在室外工作，其輸出功率和效率嚴重地受溫度和太陽照度的影響。通風良好可降低組件的工作溫度而提高方陣功率的輸出。太陽能光伏發電系統可分為獨立型和并網型兩種基本類型。獨立型光伏發電系統需要蓄電池作為儲能單元，將有日照時所發的剩余電能儲存起來，供日照不足或無日照時使用，它適用于無法與電網相連的偏遠地區。在有公共電網地區，光伏發電系統可以與電網連接，稱為并網型光伏發電系統，該系統是將電網作為儲能單元，當日照強時將所發的剩余電力饋入電網，需要用電時再從電網吸收電力。并網型光伏發電系統優點在于省去蓄電池，夏季日照強烈時正是電力需求的高峰時段，同時也正是光伏發電系統輸出最大的時候。因此并網型光伏發電系統有助于電力系統的調峰，由于逆變器要能夠向電網反饋能量，因此并聯型光伏發電系統技術上比獨立運行光伏發電系統復雜。太陽能光伏發電具有以下優點：（1）不消耗燃料。（2）不受地域限制，規模靈活。（3）清潔無污染。（4）安全可靠，運行穩定。

（四）風力發電技術

風能是指太陽幅射造成地球各部分受熱不均勻，引起各地溫差和氣壓不同， 導致空氣運動而產生的能量。廣義上講，風能也是一種太陽能。風力發電技術是將風能轉化為電能的發電技術，它主要有兩種利用方式，一種是作為獨立電源向偏遠地區供電，另一種是將多臺風力發電機組并列運行， 形成風力發電。

風力發電具有以下優點：（1）環保性能好，不污染環境。（2）不耗燃料，不產生溫室氣體。（3）不占耕地，經濟性好。

（五）生物質能發電技術

生物質能發電是將生物質能（包括薪材、農林作物、生活垃圾污水等）轉化為可驅動發電機的能量形式（如燃氣、燃油、酒精等） ，再按照通用的發電技術發電。它具有以下優點：（1）能源廉價。（2）減少環境公害。

（六）地熱發電技術

地熱能是來自地球深處的可再生熱能，它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變。地熱發電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發電技術， 是將蒸汽的熱能經過汽輪機轉變為機械能， 然后帶動發電機發電。

（七）海洋能發電技術

海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水溫差能和海水鹽差能等不同的能源形態。比較成熟的是潮汐能發電技術。它是利用海水漲落及其所造成的水位差來推動水輪機， 再由水輪機帶動發電機來發電。

（八）小水力發電技術

小水電是指小的水電站及與其相配套的小電網。從形式上分小水電有引水式、堤壩式、混合式和抽水蓄能式四種基本形式。

（九）混合分布式發電技術

混合分布式發電技術是指兩種或多種分布式發電技術及蓄能裝置組合起來， 形成復合式發電系統。目前熱電冷三聯產的多目標分布式供能系統， 簡稱為分布式供能系統在生產電力的同時，也能提供熱能或同時滿足供熱、制冷等方面的需求，能夠大幅度提高能源利用率、降低環境污染、改善系統的熱經濟性。

三、分布式發電的并網技術

DG與電力系統之間存在以下4 種關系： ①DG獨立運行向附近用戶供電的方式 ②DG 獨立運行但DG與當地電網之間有自動轉換裝置 ③DG與系統并聯運行但DG 對當地電網無輸出④DG與系統并聯運行且向當地電網輸出電能。DG的實際用途不同要求有不同復雜程度的并網系統。DG的并網系統包括兩方面含義： ①在DG和電網之間建立起物理聯系的設備， 即硬件。②DG與外界形成電氣聯系的手段。同時， 依托于硬件的這些電氣聯系方式還可以實現DG單元的監視、控制、測量、保護以及調度等功能 。實際應用中每個DG的并網系統并不一定包含所有的組件， 其具體選擇受市場需求、技術特性以及相關規范和標準的驅動。并網系統的性能、兼容性和規范將在一定程度上最終決定DG對電力市場的長期滲透能力。可以根據DG的特性和所要實現的功能把并網系統分為如下幾種 ：①逆變器型并網系統， 如用于燃料電池、光伏系統和微透平機組等發出直流或高頻交流電的DG。②具有同步功能的并網系統、用于與地區電網并聯運行的DG。當DG擔任削峰、基本電源、聯合發電或作為緊急和備用電源時采用此種并網系統。③包含遠方調度模塊的并網系統， 電力系統可以根據需要實現對DG的啟停進行實時遠方調度，這時并網系統還需附加測量、監視和控制設備。短期內并網系統將會存在兩個不同的市場： 一個是定型的、即插即用的適用于居民和小型商業的機組， 另一個是面向大型的特定場所的分布式電源。盡管存在著市場上的分類， 并網技術不同體系以及不同制造商生產的組件應具有良好的兼容性。為了規范這些要求和影響， 就必須制定得到各方認可的關于并網系統的統一規范和標準。這些規范和標準將對DG并網設備的制造、安裝和運行都有相應的要求。目前， 世界上有許多國家的組織都在制定關于DG的并網標準， 如IEEE 的P1547 等。