1 分布式能源簡述
1.1 引言
近年來, 隨著發電技術的進步以及社會用電需求的增加, 以燃油 (氣) 輪機、燃料電池、風力發電機等功率為數千瓦至幾十兆瓦的小型電源為代表的分布式發電 (Distributed Generation, DG) 以其方便、高效、清潔的特點引起各級電力公司和廣大電力用戶的廣泛關注。大電網與分布式發電相結合被世界許多能源、電力專家公認為是能夠節省投資、降低能耗、提高電力系統可靠性和靈活性的主要方式, 是21世紀電力工業的發展方向。
新型分布式發電技術的研究取得了突破性的進展, 分布式發電有望在電能生產中占有越來越大的比重, 并對電力系統產生重大的影響。這些新型分布式發電技術主要有以下幾種:發電容量為幾十kW到幾百kW的微型燃氣輪機, 從幾kW到MW級的光伏電池發電技術等。另外, 迅速發展的儲能技術也將在分布式發電中起重要的作用。例如用戶在從分布式電源取電和從電網取電之間的切換過程中, 需要儲能裝置提供可靠的過渡電力。目前, 飛輪儲能、高密度電容儲能以及超導儲能技術都已取得了長足的進步。
燃料電池 (fuel cells) 以及用于屋頂式太陽能發電的當前, 全球范圍內的分布式發電技術發展速度很快, 其中太陽能光伏發電技術和風力發電技術等已經相當成熟。有資料表明, 太陽能電池的總產量正以每年30%～40%的速度持續增長, 風力發電總裝機容量正以30%以上的平均年增長率增加。在世界范圍內對未來電力市場的預測表明:下一個10年之后, 世界市場預期的分布式發電容量將會達到每年20GW。在一些發達國家, 到2050年, 利用新能源發電可能占到本國電力市場的30%～50%[2]。
在我國, 隨著我國市場經濟的發展, 分布式電源 (DG) 的應用越來越廣泛, 它可以和現有電力系統結合, 形成一個高效靈活的新系統。
1.2 分布式發電的概念
在國際上, 分布式發電也可以稱為嵌入式發電 (Embedded Generation, EG) , 它形象地描述了將分布式電源“嵌入”到配電系統之中;同時也可稱為分散發電 (Dispersed Generation) , 它強調的是與“集中發電”相區別的發電形式。
國際大型電力系統委員會 (CIGRE) 將分布式發電定義為“非經規劃的或中央調度型的電力生產方式, 通常與配電網連接, 一般發電規模在50MW～100MW之間。”分布式發電系統可以定義為:所有不直接與國家電網連接、不由中央配電系統進行配送、不經電網調頻的發電系統。目前普遍使用的分布式發電定義主要有兩種:一種認為DG指的是為了滿足一些特殊用戶的需求, 支持已有配電網的經濟運行或同時滿足這2個方面的要求, 且在用戶現場或靠近用戶現場配置功率為數kW至50MW的小型與環境兼容的發電機組。另一種是對分布式發電更為廣泛的定義, 認為分布式發電指的是包含任何安裝在用戶附近的發電設施, 包括DG, 熱電聯產, 冷熱電聯產以及各種蓄能技術等, 而不論這種發電形式的規模大小和一次能源的類型。
1.3 分布式發電的分類
根據所使用一次能源的不同, 分布式發電可分為基于化石能源的分布式發電技術、基于可再生能源的分布式發電技術以及基于電能存儲的混合式分布式發電技術。
1.3.1 基于化石能源的分布式發電技術
(1) 往復式發動機技術。用于分布式發電的往復式發動機采用四沖程的點火式或壓燃式, 以汽油或柴油為燃料, 是目前應用最廣的分布式發電方式。但是此種方式會造成對環境的影響, 最近通過對其技術上的改進, 已經大大減少了噪音和廢氣的排放污染。
(2) 微型燃氣輪機技術。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。其具有以下4個方面的優點: (1) 體積小, 重量輕; (2) 建造成本和運行成本都極具競爭力; (3) 發電效率高, 污染少; (4) 運行維護簡單。
(3) 燃料電池發電技術。燃料電池是一種在恒定的溫度下, 直接將存儲在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化為電能的裝置。燃料電池被認為將成為與火電、水電、核電并駕齊驅的第4種發電方式, 其用于分布式發電的前景亦十分廣闊。
1.3.2 基于可再生能源的分布式發電技術
(1) 光伏電池發電技術。屋頂式光伏電池發電技術作為一種分布式發電技術也受到了廣泛的關注。在美國和日本的一些地區, 已經有由屋頂式光伏電池發電設備聯成的PV (photo voltage) 系統與當地電網相聯。白天發電的盈余倒送電網, 晚間用戶從電網取電, 在供電企業和用戶間形成了一種新型的關系。由于技術條件的限制, 目前光伏電池發電的成本太高, 不能與傳統電力競爭, 但由于它利用的是清潔、可再生的太陽能, 故其前景仍被廣泛看好。
(2) 風力發電。它的優勢是不需要燃料、不占耕地、沒有污染, 運行成本低。風力發電產業發展前景非常廣闊, 因為風力發電沒有燃料問題, 也不會產生輻射或空氣污染。我國風能資源十分豐富, 風力發電產業發展前景非常廣闊。
(3) 生物質能發電?，F階段可供利用開發的資源主要為生物質廢棄物, 包括農作物秸稈、薪柴、禽畜糞便、工業有機廢棄物和城市固體有機垃圾等。
1.3.3 基于電能存儲的混合式分布式發電技術
通常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。目前已有多種形式的復合式發電系統被提出, 其中一個重要的方向是熱電冷三聯產的多目標分布式供能系統, 通常簡稱為分布式供能系統。其在生產電力的同時, 也能提供熱能或同時滿足供熱、制冷等方面的需求。與簡單的供電系統相比, 分布式供能系統可以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。
1.4 分布式發電的優勢
分布式發電 (DG) 主要用以提高供電可靠性, 可在電網崩漬和意外災害情況下維恃重要用戶的可靠供電。它特別適合于組成分布式的熱電聯供或熱電冷聯供系統。DG的應用給電力系統運行帶來許多優點, 歸納而言主要有以下幾點。
(1) 彌補大電網在安全穩定性方面的不足和提高供電的可靠性。直接安置在用戶近旁的分布式供能裝置相互獨立, 用戶可自行控制, 與大電網配合, 可有效降低電力負荷波動對大電網的影響, 減少發生嚴重事故的可能;電網一旦發生故障, 分布式能源系統可以保證用戶的電力供應不受影響, 避免一些災難性后果的發生。尤其是在電網崩潰和意外災害 (例如地震、暴風雪、人為破壞、戰爭) 情況下, 可維持重要用戶的供電及供電的可靠性。
(2) 節省電網建設投資。分布式供能系統的供能裝置靠近用戶, 無需建設變電站、配電站, 可有效降低輸配電成本。分布式發電可以減少輸、配電網建設所需的巨額投資。
(3) 滿足特殊場合的需求。分散的資源和需求可再生能源與化石能源相比, 一般較分散、能流密度較低。按目前的技術可再生能源利用系統規模較小, 難以實現集中供能, 而較適合以分散供能形式出現。
(4) 分布式供電的環保性能優良, 其能源利用率高, 可達65%～95% (傳統能源系統的發電效率為40%左右) 。
(5) 用于冷熱電聯產。DG除了在生產電力的同時, 能夠很方便的實現與供熱和制冷三者合而為一的冷熱電三聯產, 用戶將能夠更加有效的利用能源和滿足不同的能源需求。
(6) 調峰性能好。
電網峰谷差距越來越大是一個客觀存在的現實, 分布式發電裝置可緩解對中心電站需求壓力, 化解電網峰谷差大的矛盾均衡電網電力負荷, 提高電網安全性和經濟性。
1.5 分布式發電對配電網繼電保護的影響
DG的接入使配電網中各支路的潮流不再是單方向地流動, 因此, DG的引入將會給整個電網帶來深刻的影響。除了各種形式的DG技術本身還有進一步研究和完善外, 從DG與傳統電網連接的角度, 必須針對含有DG的電網規劃與運行方式、繼電保護、安全及穩定性、對控制中心的影響等一系列問題進行深入的研究。
對于配電系統, 無論是輻射式還是環網結構, DG的接入都將極大地影響電網中的潮流和電壓。在傳統的供電方式中, 功率從高電壓等級傳送到低電壓等級, 通過配電變壓器分配到用戶。配電系統的設計、運行及其保護控制都是基于這樣的供電方式。當大量DG接入時, 配電線路上的潮流可能反向。配電系統不再是簡單的電能配送工具, 而是集發電、配電功能于一身, 其電壓、潮流分布不僅取決于負荷, 而且取決于DG。配電系統中的潮流分布可以是任意方向的, 這取決于負荷功率和DG的發電功率。
1.6 目前國際國內采用的方法
目前, 國內外現行的DG并網運行規程大多數是基于DG并網不影響原有配電網保護控制系統正常工作的原則提出的, 這些原則包括:要求DG不能主動參與調壓;配電網發生故障時, DG必須迅速退出配電網以保證配電網繼電保護正確動作等。這些規程雖然極大限度地保證了電力系統的安全性, 但在一定程度上局限甚至破壞了DG的正常運行, 損害了DG發電商和DG用戶的經濟利益, 對提高供電范圍及供電可靠性也是不利的。為了保證現有電流保護的配合性, 降低DG接入對保護系統的影響的方法就是降低DG貢獻的短路電流, 增大DG支路的阻抗, 目前采取的措施主要有兩個:一, 采用限制在特定位置接入DG的容量的方法;二, 采用在DG之路上增加一定阻抗值的限流器限制DG貢獻的短路電流。這兩個措施都對DG發電商提出了苛刻要求, 這不僅違背了電力系統中“二次服從并服務于一次”的原則, 如果運行方式變化后, 再發生系統短路, 保護動作的正確性不能得到完全保證。而當前的配電網故障定位的矩陣算法雖然能夠解決多電源區域的故障定位, 但是都必須采集電壓量構成方向保護, 才能判斷故障的具體位置。
2 結語
本文介紹了分布式發電的概念、分類、優勢以及其對配電網系統繼電保護的影響。
隨著電力系統規模的日益擴大、人們對電能需求的日益增大, 一次性能源的緊缺和對環境的要求日益增高, 分布式發電作為一種具有競爭力的發電方式, 以其投資省、能耗低、清潔環保、供電靈活的優勢, 必將在現代電力系統中占有越來越重要的地位。
摘要：近年來, 隨著發電技術的進步以及社會用電需求的增加, 分布式發電以其方便、高效、清潔的特點, 已越來越受到人們的青睞。但是分布式電源的引入給原有配網系統的結構和運行帶來很多影響, 特別是在繼電保護方面。
關鍵詞：分布式發電,保護誤動,相位變化,電流向量變化
參考文獻
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