2006欧洲分布式发电系统市场前景与应用

中国科学院国家科学图书馆武汉分馆 科学研究动态监测快报 2006 年 8 月 25 日 第 16 期（总第 31 期）能源科技专辑 ══════════════════════════════════════════中国科学院规划战略局中国科学院高技术局中国科学院国家科学图书馆武汉分馆主办中国科学院国家科学图书馆武汉分馆 （原中国科学院武汉文献情报中心） 地址：武汉市武昌区小洪山西 25 号 邮编： 430071电话：（ 027） 87199180 传真：（ 027） 87198181 电子邮件： jiance@mail.whlib.ac.cn 网址： www.whlib.ac.cn目 录欧洲分布式发电系统市场前景与应用 一、欧洲未来电力系统体系结构 1二、分布式发电技术发展优势 4三、分布式发电研发需要 5四、欧洲分布式电力系统项目 7科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期欧洲分布式发电系统市场前景与应用 一、欧洲未来电力系统体系结构目前欧洲大部分能源发电是利用化石燃料（煤炭、石油和天然气） 、水利或核能建造大型、集中式发电站来发电，然后通过远距离传输和分配输送给消费用户，电流只能从集中式发电站输送到电网和到消费用户（图 1） 。图 1 集中式发电 集中式发电系统有很多弊端，比如对进口燃料依赖程度高、温室气体和其他排放物污染环境、电力传输损耗大以及传输和分配设备需要不断升级和替换。而分布式发电（ Distributed Generation ，简称 DG）是指在终端用户地区附近安装分布式发电电力系统，来使更少量的能源通过无数小型、组合式能源转换机组发电。这些机组能够单机或整体连入电网（图 2） 。图 2 电网综合管理的分布式 / 现场发电 1 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期随着分布式发电的不断渗入，在未来电力系统体系结构模式中配电网不再作为被动辅助物，整个系统要作为一个综合单元来设计和运营，另外必须在多重管理下对系统中这种日益增强的联合运营进行管理。目前，欧盟委员会设想了三种分布式发电概念模式：微型（或迷你型）电网、由信息与通信技术（ ICT ）支撑的主动网络和“因特网”模式，所有这些模式可以依靠地理约束和市场演化来得以应用。单一市场中，这种新配电实例的出现和分布式发电的不断渗入带来了新的商业契机。能源市场管理信息系统将会开放，有效的能源“股票市场”将被激活。这类系统将需要建立统一的能源和信息接口，这可能会利用到基于因特网的信息网络。为了获取信息，能源代理商将发挥新的角色，建立“有效电站”和各种能源关税。能源期货贸易和其他金融工具将比目前的更为广泛。微型电网（ Micro-Grids ） 是小型的配电系统，连接若干用户到若干分布式发电和储存源。微型电网的典型特点是通过多种用途的电力服务，通过低压电网连接，每天输送几千度的电，满足 500 户居民社区的电力需求。在那些传输供应连接不经济的偏远地区，这些混合系统具有提供可靠电力供应的潜力。目前已经在希腊岛屿上开展了很多这类系统的示范项目。主动电网（ Active networks ） 可能会成为当前被动配电网的演化产物，从技术和经济角度来讲是在解制市场中初步推动分布式发电的最好途径。主动电网已经被认为是增加分布式发电市场渗入的主要形式，而且， ICT 新技术和战略被公认为能够灵活地用于主动电网管理中。这种模式采用了两个新的概念：第一是电网的基础作用是提供连通性，换句话说，电网是一个主干系统，为电力供应端和需求端提供若干链接；二是网络必须和用户端相结合。现用的系统实际上是一个“无限的”系统，不管供应端或需求端有何变化，电网本身并不受影响。如果消费用户需要这类供应，那就应该为这个“额外”的服务付费。这种模式结构基于与目前大多直线型 /放射状型电网不同的互连型电网，相对来说当地控制地区较小，系统服务也要根据连通性加以调整。主动电网不同于传统被动系统依靠欧姆定律来决定电路，而是与电话网络有些类似，需要主动拥塞管理。随着分布式发电配电输入网点的不断增加，有可能形成能源双向流，而且新技术的出现能够形成直接路由。新的电力电子系统提供控制路由的途径，也提供接入电网的灵活型分布式发电接口。利用柔2 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期性交流输电系统（ FACTS ）和低压下的用户电力装置（ Custom Power Devices ）可以对供电路由进行主动的潜在管理。不管是十亿瓦的燃气电站还是单一的太阳能光伏电板，每个交叉点都需要加以控制，而且必要的联合控制任务也会增加。柔性交流输电系统或类似技术的应用也使得控制参数增多。利用信息与通信技术（ ICT ）可以掌握网络实际状况和调整当地控制中心区间。由于不依赖于单一的输电线路，从而减小了因电网中某一单元发生故障而导致供电中断的风险。但是互联网络的内在风险是多米诺效应——网络中局部系统故障快速扩张会引起连锁反映。因此主动电网需要制定适当的设计标准、快速起作用的保护机制以及自动化重新配置设备来对付更危险的潜在故障。主动电网模式中最大的变化是，在当地控制地区内，每个定义的地区拥有管理电流通过该区边界的电力控制系统。基于 ICT 管理的系统能够保证远程制动控制系统。通过中心地区控制电脑可与周边地区协商交换电力。如果地区与外界隔离，那么系统将可以减少足够的负荷或发电量来维持适度的电力平衡。总体来看，这会大大改进供电系统的可靠性。这种模式不需要对基础设施作进一步的投资，除非要增强一些地区的电网来提高互连性和投资自动化开关装置。因特网模式（ The internet model ） 可将主动电网有效地运用到全球范围，但整个系统要分区控制。环球网 /因特网信息流采用分布控制的概念，即在全球协议下，每个网点、网络主机、邮件服务器或路由器实现自我控制。在类似的电力系统中，每个供应点、终端用户和开关装置对应一个网点（图 3） 。图 3 因特网模式 因特网电网模式能够带来很多新的商业机会。传统发电站通常利用一种类型的发电技术在一个场所发电，并被一个合法实体拥有。更有效率的新形式电站是多燃料、多场所和多机构共同拥有的电站。3 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期尽管两种电站都能在预定的时间内提供可靠的能源供应，但是有效电站则意味着，可以根据供应合同每小时的变化及时调整产出，作为辅助服务向电网运营商出售。对电网运营商或能源贸易商，从有效的电站购买能源或辅助服务与从常规电站购买是等价的。有效电站概念自身不是一种新技术，而是采用分布式发电和蓄能方法来使发电的价值最大化。利用分布式发电、可再生能源和蓄能有效电站有潜力逐步替换传统电站直到发展形成可持续发展的能源结构。二、分布式发电技术发展优势促进分布式发电发展的动力是多样且共生的，但是所有这些动力有共同点，即尽可能在有效地利用一次能源的同时减小对环境的污染，在质量得到普遍满足和成本具有竞争力的情况下确保可靠、安全的能源供应。分布式发电的主要优势包括：y 分布式发电包含很多技术，包括在用户附近提供小型发电的许多可再生能源技术。高效率的热电联产（ CHP）电站、备用和峰值负荷系统正不断增加发电装机容量。所有这些技术提供了新的市场契机，并增强了产业竞争力。y 现场发电使传输和分配电力损耗最小化，同时大大减少了传输和分配成本，传输和分配成本占总电力成本的相当份额（大约 30％） 。y 分布式发电为现有传输电网中的“拥塞”设立了旁路。此外，分布式发电能使废热得以利用（通过 CHP） ，从而提高了整个系统的效率。y 随着更多和更高质量电力需求的增加，分布式发电为居民住宅和商业提供了可靠的、低成本的额外电力供应新选择。y 当居民住宅或附近地区断电时，分布式发电能为消费者连续可靠的供电，可以马上恢复电力。换句话说，近来几次严重的断电事故之后，便利、安全和和谐是潜在的主要动力。y 对消费者来说，分布式发电的优势还包括，通过运营 CHP 单元提供相当的热负荷，并且还可以利用低成本的燃料，比如利用不会引起环境污染的垃圾掩埋产气或当地的生物燃料。y 分布式发电也能激励供应方面的竞争，通过市场力量调整价格。分布式发电商能够对反应燃料和电力价格的激励措施做出回应。在自由市场环境下，分布式电力商可在电4 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期力峰值需求时输出和非峰值价格时购买电力。y 自由化市场容许独立电力商（ Independent Power Producers ，简称 IPPs）与其他电力商和市场参与者签约作为备用电力、电压或无功功率支持，频率响应热备用，黑启动性能和其他补充作用。分布式能源也能为电网系统经营商提供额外的价值 ： y 传输和分配系统升级延期；y 电力分配损耗减小；y 提供网络支撑或辅助服务。y 可再生能源的广泛利用将会减少化石燃料消费和温室气体的排放，同时也可以减少如氧化硫和氧化氮（ SOx / NOx ）等有害物质排放，因此对环境有利。y 从投资角度来看，通常比大型集中式电站容易选择可再生能源或其他分布式发电投资地点，而且这类发电机组能够更快上线运营。资金投入和风险减小，而且根据当地需求增长情况增加发电装机容量，避免了不必要的资金浪费。y 可再生能源和其他分布式发电的不断渗入，结合更高效的能源效率，以及能源进口减少和建立多样化的能源投资组合，可以保证能源供应安全。y 新技术的发展和新能源管理模式的运用实践将提供宝贵的专业技术和实践，而且专业技术有极大的出口潜力。欧盟促进分布式发电技术发展是为了：实现《京都议定书》目标：和 1990 年水平相比， 2008-2012 年间减少 8％的 CO2排放量；国内电力市场的自由化；提高能源效率；改进能源供应安全性和多样性； RES和 CHP 指示；面向氢能经济。三、分布式发电研发需要为了促进发展基于大份额分布式发电的可持续发展的能源未来，需要为欧洲可再生能源和其他分布式能源大规模综合发展预备电力系统。同时要结合欧洲总体规划和运营系统，对关键技术进行研究，利用或容许对互连电网进行转换。研究的开展可以帮助排除涉及财政、政策、技术和技术标准的障碍，还要采取针对技术电网基础设施的采用、必要机构的建立和相关监管框架和市场条件的协调的研究与技术发展（ RTD）行动。为实现更广阔、可持续发展的未来欧洲能源服务网络，需要克服很多挑战：5 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期（ 1） 电力质量和可靠性 当电力在配电水平级进入电网时，电流会产生变化，这会产生影响电网稳定性和电力质量的技术问题。许多电力参数是用来测定系统任何一点的电力质量，更准确的说是电压情况。保持电压稳定是十分重要的——对长期的“静态”电压而言容许度较宽，但是快速、小的电压波动会引起很多问题，尤其是在电网较为脆弱的偏远地区。短路电力标准可用来测试电网抗干扰能力——能够有效地描述电网中任何一点的“强”或“弱” 。分布式发电站因其安装的设备，仍可在条件较差的环境下正常运行。一般情况下，负荷波动或发电时电压变化和波动会导致电压不稳。利用谐波可以测量电压正弦波波动变化，这对评价电力质量十分重要。它们由许多类型的电子设备包括电力电子类如线性马达和个人电脑等产生，并影响供需双方。无功功率产生于电网电容组件（如电缆） ，并通过感应组件（如电动机、变压器）消耗。高的无功电流会导致电力传输损耗增加和引起电网电压不稳， TSOs 和 DSOs 操作使这种影响最小化。根据发电形式分布式发电可以供应或消耗无功功率。通过特定的适当市场激励，电力电子接口连接的分布式电源（ Distributed Generating Source ，简称 DGs）可以支撑网络电压。欧洲干线供电固定频率为 50Hz。电力负荷的增加会导致频率降低，而频率控制系统会调整系统恢复平衡。如果得到辅助服务市场的支持，分布式电力可以提供频率响应热备用或作为次级储备支持电网运行。任何分布式发电电网的连接要考虑电力质量的限制，因此，在不影响可接受的电力质量标准的同时要制定适当的标准来推动分布式发电进一步发展。（ 2） 电力系统技术 与可再生能源发电和其他分布式发电相配合的电网开发运行的新技术和新概念将产生新的指令和控制系统、算法以及发电和储备标准，以满足预期有成本效益的不间断供电需要。新的控制和管理概念和战略必须确保欧洲统一电网（ Unified European Electricity Grid ）的安全运营和间断能源来源供应下电网综合结构的合理利用。这种互交式服务网络的实施还需要开展新的控制和管理安排计划。很多间歇和在线型可再生能源的发展将需要新的方法来向终端用户提供安全服务。需6 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期要发展新的公共规划方案来考虑分布式发电商和消费用户间的互换作用。未来电网不得不处理这种情况，即当地的供应过剩时，能源服务消费者变成生产商。分布式发电系统绑定技术将逐渐包括连接到当地管理控制和数据采集（ SCADA ）系统的接口、分布式控制系统（ DCS）和可能的因特网系统。完善系统的其他必要技术还包括几个方面的发展：测定、保护和控制；自动化（分布式）处理和控制；电力 /热力输出最佳化。随着现代化通讯技术的发展，可以利用管理控制和数据采集系统。管理控制和数据采集系统可以增强网络中的自动化控制程度。而且，随着自由化市场的建立，计划和数据采集（ PANDA ）系统已经得到发展，容许交换生产和消费相关信息、实际生产和消费测量，也容许进行交易和平衡电力。将这两个平行系统合并成为一个完整的控制 /市场信息系统是合乎逻辑的，综合系统有开放的机构体系和处理未来电网产生的诸多信息流的能力。（ 3） 使能技术 关键使能技术将推动可提供高质量电力和安全服务的互交式能源网络的发展。为了形成新的电网结构，有必要将低成本技术市场化，以便有效地为当地电网搭桥来形成一个真正有能力综合大量可再生能源输入的泛欧电网。这些技术包括：蓄能技术、电力电子技术、超导电技术、电线通信技术等等。（ 4） 商业和监管问题 新技术解决方案的采用将会减少电网连接和运营成本，但是也需要更全面利用和 /或分享现有的基础设施，根据整个系统动态需求供应和需求双方做具体的调整。计划的具体实施在技术上仍存在很大的挑战，这就需要寻找新的途径来完善电网的使用和辅助服务。四、欧洲分布式电力系统项目现在，欧洲已经对电力工业开始全面重组，鼓励市场批发和零售部门内的相互竞争。为了推动形成开放的单一电力市场，需要对成员国电网进行进一步有效地互连。未来短期内，电力公共事业机构可能仍管理监管分配系统，但是从长期来看，电力生产、经纪和出售以及新的电力服务将成为统一电力市场中的竞争动力，因此需要转换传统传输和分配电网为互交式、统一的供电网。新技术和监管制度的改变将是新电力服务范例的基础。消除供电地理约束将会促进竞争和提高电力质量、可靠性、安全与防护。7 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期分布式发电技术在电网转变中具有重要的作用。这涵盖了很多技术，包括很多就地向用户提供小型电力的可再生能源技术。分布式发电的最大潜力市场是取代通过电网的电力供应。欧洲分布式电力系统（ Distributed Power Systems ，简称 DPS）项目主要围绕欧洲框架项目（ FP）展开。 FP5 项目（ 1998-2002 年）中能源优选主题是“能源、环境和可持续发展” 。可再生能源和分布式发电综合发展是 FP5 项目中的一项关键举措。大多分布式能源项目是基于可再生能源和分布式发电有效综合发展。 100 多个来自工业、公共事业单位和研究机构的合作机构，共同开展在 FP5 项目下拨款资助的 7 个战略项目，同时在美国、日本和其他 OECD 国家开展得到资助的国家项目。 FP5 项目中分布式发电主要集中在以下几个使能技术：y 电力传输技术：拨款项目还包括评价动态电网实时安全的方法论研究，利用软件和硬件工具来评价欧洲 HVAC 电网中高压直流（ HVDC ）的利益和危害，在减少周期成本的同时为新中级电压电缆设计提供一个协调的泛欧规范。y 蓄能技术：低成本能源储存技术的可利用性是分布式发电和其他能源应用综合计划发展的关键要素。能源储存能够消除瞬时或间歇负荷，而且能够容许缩小基本负荷的容量，有很大的潜力来节约能源和成本。这是偏远地区利用可再生能源和增加分布式发电技术市场渗入的先决条件，比如经济和环境成本合理的风电机组。y 超导电技术：拨款项目还涉及材料发展、导体设计和高温超导电缆和传感器生产技术的研究，还包括电网中超导磁性蓄能系统的各个方面研究。这项技术的应用能使现有导体承载能力增加至三倍，成本减少一半。y 电线通信技术：利用电线本身作为广阔的带宽信息交换通道是处理未来电网需要的大量信息流的选择。电线通信技术也能够创造机会为消费用户提供新服务，推动远程测定和其他系统运营。y 电力电子技术：诸如柔性交流输电系统等装置是未来电网控制基础设施中关键的组成部分。基于宽能带隙半导体材料研究是集中于成本的实质性降低。FP5 项目制定了分布式发电新政策计划，积累了大量的专业技术和实践。随着商业快速发展和能源市场的自由化，更好的协调和统一各成员国计划和欧洲总体研究计划就能够取得实质性的进步。通过专业技术和实践经验共享，可快速克服分布式发电和可再生能源利用的技术和非技术障碍，也将有利于建立分布式发电研究领域内“欧洲研究区” 。8 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期FP06 项目（ 2002-2006 年）中分布式能源的发展是基于 FP5 成果，主要研究方向为：欧洲分布式能源发电系统广泛应用新途径和关键使能技术的发展。研究主题主要在以下几个领域展开：y 分布式发电系统与当地分配电网包括微型电网结合形成先进的电网体系机构（ STREP）y 电力系统中分布式发电 /可再生能源价值最佳化的概念和工具应用（ IP）y 建立由欧洲顶级分布式能源研究实验室组成的网络，预先设定相关的标准（ NoE）y 未来欧洲电网先进电力电子转换（ STREP）y 电网高温超导装置（ STREP）y 为欧洲未来传输电网做准备（ CA ）y 欧洲可再生能源利用合作行动（ CA ）FP7 项目（ 2007-2011 年）可再生能源研究主要集中在可再生能源发电、可再生能源供热和制冷以及可再生能源燃料生产三个方面。分布式电力系统研究主要集中在：y 规划、模拟、运营、调查和研究工具的发展，如分布式发电系统规划、静态和动态安全评价、负荷流和偶然性分析工具。需要更好的了解重型机械动力系统的瞬时行为。y 制定分布式发电系统发展指导方针和各种类型分布式发电系统电力质量、防卫和安全需要。y 为每种分布式发电系统制定电力监管和负荷管理战略和设备准备。y 为分布式发电系统有效开发，发展气象资料预测模拟和进行发电评价。y 发展工具来使发电和当地的特点、网络规划以及地区地形相结合，最优化未来分布式电网扩展；y 为每种类型的分布式发电系统（迷你型电网、微型电网、分布式发电电网高渗入）考虑，发展监督和控制技术，包括可靠的远程控制、故障监测和排除；y 发展分布式发电系统组合体和相关的组件包括通信技术和接口，还有预标准化计划。这些与制造技术发展有关的方面对今后降低成本和改进可靠性十分重要；y 对可再生能源的发电技术进行调查来保证分布式系统和电网的综合和正常运营，如提高电力质量和给予辅助服务的电子装置的研发等；y 在主动电网中开展分布式发电系统和技术（如创新电网控制）示范和大型实地测试9 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报 能源科技专辑 2006 年第 16 期（入网或独立运营） ；y 设立测试区来示范现有电网中分布式发电系统综合创新监管概念和研究这种调整的影响；y 制定电力系统中综合 /连接分布式发电系统的指导方针。发展分布式系统实际应用（软件和硬件）中需要的共有的技术标准、协议、测试和证明；y 确定采用分布式发电系统的非技术障碍和解决这些障碍的解决方法，评价分布式发电系统的经济和社会效益；y 开展专题讨论会、培训和发放活动向工业和公共机构介绍专业技术知识。总体来看，欧洲电力中长期目标发展的主要途径是：通过互连的传输电网（欧洲新统一电网）来完成分布式发电全面有效的整合；调整传统能源和电力供应到互连的（消费用户 /经营商）服务网络中。（李桂菊 姜山） 参考文献：1. Introduction to Distributed Generation, European Commission, http://ec.europa.eu/research/energy/nn/nn_rt/nn_rt_dg/article_1158_en.htm 2. “European distributed energy resources projects“, European Commission, 2004; 3. “Cross-cutting research priorities for renewable energy in FP7“ ， Enropean Renewable Energy Centres Agency. 10 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆编辑科学研究动态监测快报（能源科技专辑） 2006 年第 16 期（总第 31 期） 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆（原武汉文献情报中心） 学科与决策情报研究服务 围绕国家科技与经济发展、国家安全的需求，围绕中国科学院科技创新基地建设的决策和科研活动，开展战略情报研究、学科情报研究，为中国科学院领导机关、国家科技决策机构、科技管理部门的决策，及时提供情报支撑；为科学研究单位承担的科研项目提供情报调研服务；为社会有关行业和部门提供科技信息咨询服务；为促进中国科学院的科研成果转化以及加强院地合作提供信息支撑服务。重点在工程技术和资源环境领域，包括材料、能源、生态环境、生物安全、先进制造、光电子等。机 构 科研管理部门 决策部门 研究单位 企业 服务对象人 员 科学家 各级领导 科技管理人员 科研人员 工程技术人员 大专院校师生 企业管理者 决策情报研究 国内外科技政策 法规 计划与项目 国内外研究机构 国际合作 科研体制 统计资料 服务内容学科情报研究 自然科学及相关的交叉学科的发展动态 学科热点追踪 国外学科发展政策和战略研究 国内外资源导航 版权及合理使用声明 本快报遵守国家知识产权法的规定，保护知识产权，保障著作权人的合法利益，并要求参阅人员及研究人员认真遵守中国版权法的有关规定，严禁将本快报用于任何商业或其他营利性用途。同时本快报支持用于个人学习、研究目的，不得对本快报内容包含的版权提示信息进行删改，在合理使用范围内请注明信息来源。 欢迎对本快讯的意见与建议。本期责任编辑：李桂菊 ___________________________________________________________ 编辑：中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部 地址：武汉市武昌区小洪山西 25 号 邮编： 430071 电话： （ 027） 87199180 传真： （ 027） 87199202电子邮件： jiance@mail.whlib.ac.cn 网址： www.whlib.ac.cn___________________________________________________________