分布式發電與微網技術在電力系統的應用

劉衛華

（濟南巨能電力工程有限公司）

0 引言

2005年5月25 日，莫斯科南部、西南和東南市區發生大面積停電事故。2007年4月26日哥倫比亞發生大規模停電事故，導致全國80%以上地區的各行業陷入癱瘓達3個多小時，經濟損失嚴重。2012年7月30日，印度遭遇大面積停電，逾3.7億人受到影響。這是世界上近二十年來發生的較大規模大電網出現的主要問題。網架模式的單一性是這些事故發展的主要原因，傳統的發電模式雖然看起來成熟，但是卻十分脆弱。這是因為電網中的單鏈條和環形模式之間常常存在相互影響，一旦某一點發生故障并不能及時修復，就可能導致整個電網的崩潰。因此，為了避免這種情況的發生，人們正在努力尋找途徑來加強電網的風險抵御能力，而分布式發電和微網技術可以有效解決這些問題，并為電力系統帶來許多優勢。

1 分布式發電技術概況

在美國在分布式發電技術方面也取得了重要進展，尤其是在太陽能光伏和風能領域。許多州實施了支持分布式發電的政策，促進了可再生能源的發展和利用。在日本由于資源有限，對分布式發電技術進行了積極探索和應用。太陽能光伏發電、海洋能發電和小型水電站等技術被廣泛采用，使得分布式發電在日本成為一種重要的能源供應方式。

近年來，我國積極推動分布式發電技術的發展，取得了顯著的進展。分布式發電技術在我國得到了廣泛應用，尤其是在鄉村、小城鎮和遠離電網的地區。太陽能光伏發電、風力發電、沼氣發電、生物質發電等分布式發電方式被大量采用，提供了可靠的電力供應。分布式發電技術分類如表1。

表1 分布式發電技術的主要技術類型

表2 四種發電方式的經濟比較

分布式發電技術是指將發電設備部署在用電負荷點附近或能源資源豐富的地區，實現近距離發電和供電的一種電力供應模式。下面是分布式發電技術的主要幾種：

1.1 光伏發電技術

光伏發電技術是指利用光伏效應將太陽能轉化為電能的技術。光伏電池是光伏發電技術的核心部分，它能夠將太陽能轉化為直流電能，主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅等材料制成。為了提高發電效率和功率輸出，多個光伏電池被組合在一起形成光伏電池陣列。不同類型的電池陣列配置方式有串聯和并聯兩種，可以根據實際需求進行選擇。光伏電池產生的電能為直流電，而大部分電力系統使用的是交流電。逆變器的作用是將光伏電池產生的直流電轉換為與電網匹配的交流電，以供應給家庭、工業和商業用電等需求［1］。太陽能跟蹤系統可根據太陽的位置和角度來調整光伏電池板的朝向，以最大程度地接收太陽輻射，提高發電效率。光伏發電系統需要實時監測和管理，以確保其安全運行和最大效益。這包括對光伏電池陣列、逆變器、電池儲能系統進行實時數據采集、狀態監測和故障診斷等。

1.2 風力發電技術

風力發電是通過風力渦輪機（通常稱為風力發電機）將風的動能轉化為機械能，再通過發電機將機械能轉化為電能。風力渦輪機通常由風輪、傳動系統和發電機組成。風輪通過受到風力的作用而轉動，傳動系統將轉動的動力傳遞給發電機，發電機則將機械能轉化為電能。開發風力發電項目時，需要對風能資源進行充分評估和分析，確定適宜的區域和設備類型。風能資源的評估包括風能密度、風速分布等參數的測定和驗證。風力渦輪機類型主要有水平軸風力渦輪機和垂直軸風力渦輪機兩種類型［2］。水平軸風力渦輪機是目前最常見的類型，其中又分為大型商業風力渦輪機和小型戶用風力渦輪機。垂直軸風力渦輪機具有結構簡單、適應性強等優點，但在商業應用中較少見。風力發電具有較低的運營成本和較短的能源回收期。它是一種環境友好的能源選擇，減少了對化石燃料的依賴，減少了溫室氣體排放和環境污染。隨著風力發電技術的不斷發展和成熟，風電場的規模也在不斷擴大。現代風力渦輪機的功率 cараcity 增加，風電場可以由多臺風力渦輪機組成的風力發電機組，并集中連接到電力系統中。

1.3 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機利用燃氣在燃燒室內的高溫高壓膨脹作用，使得輪盤高速旋轉。然后，在輪盤上的渦輪將機械能轉化為旋轉動能，并通過連接的發電機將其轉化為電能。具有體積小、重量輕、啟動快、響應速度快等特點。由于其緊湊的結構和高轉速運行，微型燃氣輪機適用于分布式發電場景，尤其是在對高效能量轉換和低排放要求較高的環境中。廣泛應用于需要小功率電力供應的領域，如住宅、工業園區、商業建筑、農村地區等。它可以作為獨立發電設備，也可以與其他能源系統（如光伏、風能等）相結合，構建微網系統。相比傳統的發電設備，微型燃氣輪機具有高效率、低排放、燃料適應性強、響應速度快等優勢。其高效率可以提供更好的能源利用效果，低排放使得環境影響減少，燃料適應性強意味著可以使用多種類型的燃氣，響應速度快可以滿足對電力供應的即時需求。隨著能源需求的增長和環境保護意識的提高，微型燃氣輪機作為一種高效清潔的分布式發電技術，具有廣闊的發展前景。同時，隨著技術的不斷進步，微型燃氣輪機的性能和穩定性還將得到進一步提升。

2 微網技術概述

微網技術是指在電力系統中，基于分布式發電和能量儲存設備構成的一種小型、自治和可控制的能量管理系統。它通過將分布式發電、能量儲存和負載進行互聯互通，形成一個相對獨立的能源子系統，可以與傳統中央化電網進行互動或者在不聯網的情況下獨立運行。

微網技術具有以下特點：

微網采用分散式發電系統，如太陽能發電、風能發電、生物質能發電等，將電力的產生地點逐漸從傳統的中央化電廠轉移到用戶附近，減少輸電損耗和線路壓降。微網中集成了能量儲存裝置，如電池儲能系統、超級電容器等，用于儲存多余的電能以應對高負荷或緊急情況下的電力需求，提高系統的可靠性和靈活性［4］。微網通過智能能源管理系統實現對整個系統的監測、控制和優化調度，具備靈活性和自主性，可以根據需求進行容量擴增、電力配置和運行控制策略的調整。微網可以在與傳統電網斷開或自給自足的情況下獨立運行，對于偏遠地區、島嶼、軍事設施和特殊需求場景具有很高的適用性，提供可靠的電力供應。微網還可以與傳統中央化電網進行互動，在需求低峰時向中央電網輸送多余電能，在需求高峰時從中央電網獲取不足的電能，實現能源的共享和優化分配。

3 分布式發電與微網技術對電力系統的影響

3.1 減少傳輸損耗

傳統的中央化電廠通常位于城市遠離用戶的地方，電能需要通過長距離的輸電線路輸送到用戶區域。而分布式發電將發電設備直接安裝在用戶附近，使得電能可以更近距離地供應到用戶處，因此減少了輸電距離。輸電線路在輸送電能的過程中會存在一定的電阻損耗，這是由于導線電阻造成的。傳統中央化電廠的輸電線路通常較長，導致輸電損耗較大。而分布式發電由于距離用戶近，輸電距離縮短，減少了輸電線路上的電阻損耗，從而有效降低了輸電損耗。長距離輸電線路容易受到外界環境和電源波動的影響，因此可能造成電能質量的下降，如電壓波動、諧波擾動等。分布式發電將發電設備安裝在用戶附近，可以減少輸電線路對電能質量的影響，提高供電穩定性和電能質量。

3.2 提高電力供應可靠性

微網技術將分布式發電系統與能量儲存系統結合，當傳統電網發生故障或停電時，微網可以自主運行，通過本地的分布式發電和儲能系統為用戶提供持續穩定的電力供應。這種自主運行的能力大大減少了用戶在電網故障期間的停電時間和供電不穩定問題。通過智能電力管理系統對能源的管理和優化調度，能夠根據用戶需求和供需情況，靈活地調整分布式發電和能源儲存系統的配置和運行策略。該能力使得微網能夠應對突發負荷、區域斷電等情況，保持電力供應的平穩和可靠性。通過分布式發電系統可以通過能量互補和共享的方式，實現能源的高效利用。

3.3 促進清潔能源利用

分布式發電系統利用太陽能、風能等可再生能源進行發電，減少了對有限化石能源的依賴，為電力供應提供了可持續性解決方案。通過微網技術將分布式發電系統整合到電力系統中，可以實現清潔能源的廣泛利用，并逐步減少對傳統化石能源的需求。可再生能源如太陽能和風能在發電過程中不產生污染物和溫室氣體，相較于傳統化石能源，其碳排放量較低。通過分布式發電系統和微網技術，大規模利用可再生能源可以顯著減少環境污染和溫室氣體排放，對改善空氣質量和減緩全球氣候變暖具有積極影響。通過微網技術，將分布式發電系統與傳統電力系統相互連接和整合。

4 結束語

分布式發電與微網技術在電力系統的應用具有重要意義和廣闊前景。通過分布式發電設備的部署和能量儲存設備的應用，可以實現電力系統的分布式供電和靈活調度，提高系統的可靠性、穩定性和響應速度。分布式發電和微網技術能夠促進能源的可持續利用和能源轉型。通過利用分布式發電設備如太陽能光伏、風力發電等清潔能源進行發電，可以減少對傳統化石燃料的依賴，降低碳排放，從而推動能源結構的優化和環境保護。