分布式发电与储能技术

电气技术前沿 —— 分布式发电与储能技术 Distributed Generation & Energy Storage Technology 电气工程教研室 梅慧兰 2014.9 电气技术前沿 1.分布式发电概述 2.分布式发电对传统电力（配电）系统的 影响 3.分布式发电与微型电网 4.分布式发电（微网）发展的瓶颈 —— 分布式 储能问题 5.结语 主 要 内 容 电气技术前沿 v新能源发电 → 分布式发电；概念和内容上有发展 v 分布式发电 (Distributed Generation 或 Dispersed Generation ，简称 DG)或嵌入式发电（ Embedded Generation) v其概念有多种说法 : √ 靠近用户侧，而非集中的发电厂，向用户提供电力的任何小 规模的发电技术，可与中、低压配电系统 互联，也可不互联 。 √ 利用小规模的、环保的发电技术，如太阳能光伏发电、燃 料电池、微型燃气轮机和小型风力发电等，并把这些装置安 装在靠近用户侧，直接向单一的特定的用户供电。 1. DG概述 什么是分布式发电？ 电气技术前沿 √ 任何建在用户附近的发电装置，不论它的大小或 者利用什么能源。 √ 此外，还有其他说法，如： 任何和 分散设备 有关的发电； 用来调整电压和电力系统稳定性的小型发电机； 任何小于一定容量的发电，这个临界值在 10kW到 50MW 不等 。 什么是分布式发电（续概念）？ “小型 ”、模块化、分散式、布置在用户附近、高效、 可靠的发电单元 —— DG（ 目前较普遍的一般性概念） 电气技术前沿 DG具有如下 特点： v—— 电源容量小（几 kW 至几十 MW ， 容量 30- 50MW ）； v—— 运行在 380V或 10kV或 “稍高 ”的配电电压等级 上； v—— 模块化、分散化，接近终端用户； v—— 电力生产者和消费者合一，功率双向流动； v—— 运行方式灵活 孤岛运行 islanding operation 并网 运行 parallel operation mode ； 电气技术前沿 v—— 比集中发电更可靠： 含有分布式电源 的系统中发生大停电（ 高负荷、风暴、地震 、恐怖袭击、战争 ）的几率较小； v—— 大多基于 可再生能源发电技术 ； v—— 清洁性更好，利于环保。 能源危机、南方冰灾、汶川地震等大停 电 ， 庞 大 电 力系 统 存在 “笨拙 ”而 “脆弱 ”的缺点 。 电气技术前沿DG装置的 类 型 主要包括（广 义 ）： 燃气轮机 (Gas Turbine, Combustion Turbine Generators) --微型燃气轮机，多称为微燃机 (Micro-turbine) 内燃机 (Gas Engine, Internal Combustion Reciprocating Engines and Generators) 燃料电池 (Fuel cell—FC) 太阳能光伏电池 (Photo-voltaic panel/cell） 风能（ Wind Power) 生物质能 (Biomass Energy) 热电冷联产发电 电气技术前沿 主要分布式发电特性比较 电气技术前沿 电气技术前沿 主力 发电 厂 升 压变压 器 配 电 站 降 压 站 配 电 站 配 电 站 商 业 光 电 燃机 商 业工 业 住宅 分布式发电接入电力系统 电气技术前沿分布式 发电 的 优 点 （ 1） 经济、节能 : -建设容易，投资少 不需建设大电厂和变电站、配电站， 土建和安装成本低，工期 短，投资少 。 -靠近用户，输配电简单，网络损耗小。 直接就近供电，不需长距离高压输电线，可降低网损率，建 设简单廉价。 -能源利用效率高 通过不同循环的有机整合，可以克服冷、热能无法远距离传 输的困难，实现 电、冷、热三联产 ，达到 能源的梯级利用 。 电气技术前沿 （ 2） 投资风险： 可 避免或推迟 增加新的发电和输电线路，减少土地占用，降低 大型电站建设投资风险。 （ 3） 安全及可靠性： 在 电网崩溃或意外灾害 （战争、台风、地震、恐怖活动等）的 情况下，维持重要用户的供电。 也可满足 特殊场合 的需求，如大型集会或庆典，安排处于热 备用状态的移动分散式发电车，能极大提高供电可靠性。 分布式 发电 的 优 点 电气技术前沿 （ 4） 环保： 采用天然气、沼气，或化学能、太阳能、风能等为 燃料，减少粉尘、有害气体、废水废渣的排放，同时减少电磁 污染，具有良好的环保性能。 （ 5） 电力市场： 适应电力市场发展，多家办电，打破垄断。 （ 6） 调峰性能： 由于 DG工作流程简单，参与运行的系统少， 因而启动和停机快速，具有良好的调峰性能，且便于实现全自 动控制。（ “即用即插式 ”， “友好发电方式 ”） （ 7） 扶贫： 解决边远地区供电困难（ Stand alone mode) 分布式 发电 的 优 点 电气技术前沿 具体：技术与经济方面， 正面与负面影响。 v分布式发电的引入将使配电系统发生根本性变化。 √从辐射网络变为遍布电源和用户互联的网络， DG的分散性、 随机波动性，使得 控制和管理 将更加复杂； √使传统配电网从 规划到运行 发生彻底改变，如无功补偿、电 压控制等； √ 使 DAS（ Distribution Automation System） 和 DSM （ Demand Side Management ）的内容发生大的变化。 Power Distribution System “Power Exchange System” 2. DG对传统电力（配电）系统的影响 电气技术前沿 vDG将对电力市场 Electricity Market的走向、最后格 局产生深远影响。 √ 电力公司和用户间形成新型关系： 用户可从电力公司买电，也可用自有分布式电源向电力公司 卖电，或为电力公司有偿提供削峰填谷、功率支持等服务； √ 为其他行业进入电力市场打开了方便之门： 如 天然气公司 等，电力市场参与者增加，利益关系更复杂， 竞争更激烈。 电气技术前沿 全球电力市场模式及组成 瑞典、阿根廷、捷 克、美国的加州等 英国、美国多数 己在挪威、智利 、美国的纽约州 等逐步推行。 电力市场的运营模式，可根据发、输、配、售四个环节 的市场开放程度而分为 5个模式： 电气技术前沿 v 分布式发电可大大 提高用户供电的可靠性 ； v 减少配电网投资 ，因为分布式发电装置直接装在用户侧， 可减少输配电设备的投资，还可 减少输送电的损耗 ，降低 成本，对于用户来说，电价也会相对便宜。 v 新建集中式发电厂和远距离输电线的需求将减少或推迟。 新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足，集中电力 系统负荷减少。 vDG的削峰填谷、平衡负荷作用，使 现有发电输电设备的备 用减少，利用率提高。 正面影响 电气技术前沿 分布式发电的随机性、不稳定性、电力电子变换器的大量 引入、 DG在负荷侧或在电网边缘处。 vDG并网过程对电网的冲击； v对电网频率的影响； v对电网电压的影响； v对电网稳定性的影响； v对电网继电保护装置的影响； v对电能质量的影响； v对电力定价的影响。 负面影响 电气技术前沿 两个主要方面： （ 1）暂态电压波动和闪变 （ 2）网络电压谐波和畸变 分布式发电可能降低也可能改善用户的电 能质量。 例如： DG对电能质量的影响 电气技术前沿 v 风电出力变动大，多采用感应发电机 induction generator， 需从电网吸收大量无功建立磁场； 风机联网对电网电压的影响主要有： § 由于风速变化、风机投切等引起 电压波动 。 § 风电经 AC/DC/AC并网 时由脉宽调制变换器产生 谐波 。谐 波次数、大小与采用的变换装置和滤波系统有关。 § 并网瞬间较大突入电流，有引起系统 瞬时电压下降 的危险 。 § 风电场从系统吸取大量无功时，可引起 不可接受的电压下 降 ，甚至 电压不稳定 。 暂态电压波动和闪变（如风电） 电气技术前沿 10万 kW 风电场并网 对新疆主网 电压动态特性 的影响 最高可达 10% 电气技术前沿3. 分布式发电与微型电网 分布式电源 相对 大电网来说是一个 不可控源 ，因 此大系统往往采取 限制、隔离 的方式来处置分布 式电源，以期减小其对大电网的冲击。 IEEE P1547对分布式能源的入网标准做了规定： “当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上 退出运行 。 ” 为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网 的冲击和负面影响，近年来提出了一种新的分布式 电源组织方式和结构 —— 微型电网 （ Micro-Grid，简称微网） 电气技术前沿 2009年 3月 26日至 27日，在国网电力科学研究 院召开的 “微网技术体系研究 ”第一次工作会 议将微网定义为： v微网是以分布式发电技术为基础，以靠近分 散型资源或用户的小型电站为主，结合终端 用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成 的小型模块化、分散式的供能网络。 分布式发电与微型电网 电气技术前沿 微网 是能够独立运行或作为一个整体 与公共电网联网 的 分布式供电系统 。 将 分布式电源 以 微网的形式 接入到公共大电网运行， 互为补充和支撑，是 发挥其效能 的 最有效 方式。 微网是 智能电网 的重要组成部分，能实现内部电 源和负荷的一体化运行，通过和主电网的协调控制 ，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户 对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。 分布式发电与微型电网 电气技术前沿 分布式发电与微型电网 Micro-Grid 电气技术前沿分布式发电与微型电网 电气技术前沿 微电网可看作 大电网中的一 个可控单元 ， 而 不再是多个分散的电源和 负荷 。 微电网和大电网 的连接处，称为 公共连接点 。 微电网模式控制 器 ，可实现并网 与独立运行的转换 。 分布式发电与微型电网 电气技术前沿 微网从系统观点，将 分布式电源、负荷、 储能装置、控制装置 等结合，形成一个单一可 控的单元，同时向用户供给电能和热能 /制冷 。 微网技术能高效环保地利用各种分布式电 源，是智能电网的重要组成部分，是世界上各 国未来电力发展的重要战略目标之一。 分布式发电与微型电网 电气技术前沿 Not a stranger！ v电力生产具有连续性，发电、输电、变电、配 电、用电须时刻保持动态平衡； v负荷存在峰谷差，须留有很大的备用容量，造 成系统设备运行效率低。 —— 储能技术的应用，于传统大电网而言，可对 负荷削峰填谷，提高系统可靠性和稳定性，减少 系统备用需求及停电损失。 4.储能技术 Energy Storage Technology 电气技术前沿4.储能技术 Energy Storage Technology 由于 自然资源的特性 ，风能、太阳能及海洋能等发电时其功 率输出具有明显的 间歇性和波动性 ，其变化甚至是 随机的， 易 对电网产生冲击， 严重时会引发 电网事故 。 为充分利用可再生能源，保障其 供电的连续性、可靠性和 稳定性 ，就要对这种难以准确预测的能量变化进行及时的控 制和抑制。 ———— 储能装置 ，可用来解决这一问题。 v分布式发电发展的瓶颈 —— 储能问题 distributed energy storage system， DESS