智能電網區別于傳統電網的一個根本特征是支持分布式電源(Dist ributed Energy Resources ,DER) 的大量接入。滿足DER 并網的需要,是智能電網提出并獲得迅速發展的根本原因。本講介紹分布式電源的基本概念及其并網技術,作為讀者學習、了解智能電網技術的基礎知識。

1 分布式電源的概念

分布式電源指小型(容量一般小于50 MW) 、向當地負荷供電、可直接連到配電網上的電源裝置。它包括分布式發電裝置與分布式儲能裝置。

分布式發電(Dist ributed Generation ,DG) 裝置根據使用技術的不同,可分為熱電冷聯產發電、內燃機組發電、燃氣輪機發電、小型水力發電、風力發電、太陽能光伏發電、燃料電池等;根據所使用的能源類型,DG可分為化石能源(煤炭、石油、天然氣) 發電與可再生能源(風力、太陽能、潮汐、生物質、小水電等) 發電兩種形式。分布式儲能(Dist ributed Energy Storage ,DES) 裝置是指模塊化、可快速組裝、接在配電網上的能量存儲與轉換裝置。根據儲能形式的不同,DES 可分為電化學儲能(如蓄電池儲能裝置) 、電磁儲能(如超導儲能和超級電容器儲能等) 、機械儲能裝置(如飛輪儲能和壓縮空氣儲能等) ,熱能儲能裝置等。此外,近年來發展很快的電動汽車亦可在配電網需要時向其送電,因此也是一種DES。

2 分布式電源的發展

2. 1 分布式發電技術的發展

長期以來,電力系統向大機組、大電網、高電壓的方向發展。進入20 世紀80 年代,各種分散布置的、小容量的發電技術又開始引起人們的關注,經過20 多年的發展,分布式發電已成為一股影響電力工業未來面貌的重要力量。引起這一變化的原因主要有以下幾個方面。

1) 應對全球能源危機的需要。隨著國際油價的不斷飆升,能源安全問題日益突出,為了實現可持續發展,人們的目光轉向了可再生能源,因此,風力發電、太陽能發電等備受關注,快速發展并開始規模化商業應用,而這些可再生能源的發電大都是小型的、星羅棋布的。

2) 保護環境的需要。CO2 排放引起的全球氣候變暖問題,已引起各國政府的高度重視,并成為當今世界政治的核心議題之一。為保護環境,世界上工業發達國家紛紛立法,扶持可再生能源發電以及其他清潔發電技術(如熱電聯產微型燃氣輪機) ,有利地推動了DG的發展。

3) 天然氣發電技術的發展。對于天然氣發電來說,機組容量并不明顯影響機組的效率,并且天然氣輸送成本遠遠低于電力的傳輸,因此比較適合采用有小容量特點的DG。

4) 避免投資風險。由于難以準確地預測遠期的電力需求增長情況,為規避風險,電力公司往往不愿意投資大型的發電廠以及長距離超高壓輸電線路。此外,高壓線路走廊的選擇也比較困難。這都促使電力公司選擇一些投資小、見效快的DG項目來就地解決供電問題。

在國際上,DG 的發展方興未艾。在美國,1978 年修改了《公共事業法》,以法律的形式要求各電力公司接受用戶的小型能源系統,特別是熱電機組并網;2000 年,熱電聯產裝機容量已占總裝機容量的7 %,預計到2010 年將占其總裝機容量的14 %;2008 年,風力發電裝機容量達2500 萬kW;太陽能裝機容量達87 萬kW。歐洲在世界上最早開始應用DG。目前,丹麥、芬蘭、挪威等國的DG容量均已接近或超過其總發電裝機容量的50 %;歐洲DG 應用規模最大的德國,2008 年末風電裝機容量達到2300 萬kW ,太陽能發電裝機容量達540 萬kW。

我國應用的DG 原來主要以小水電為主,風電、光伏發電等起步相對較晚。2003 年以來,國家強力推進節能減排,頒布了《可再生能源法》并制定了一系列促進可再生能源利用與提高能效技術發展的政策。到2008 年底,我國風力發電裝機容量達到1200 萬kW ,躍居世界第三位;光伏發電裝機容量達到14 萬kW。

近年來,各國政府對能源安全與環境問題高度重視。美國、歐盟都提出2020 年應用可再生能源占總能源消費的比例超過20 %;我國也制定了2020 年應用可再生能源占消費總能源的比例達15 %的目標。目前,各國可再生能源發電容量在總發電裝機容量中的比例遠低于這些目標,可見DG的發展空間巨大。

目前,風力發電等可再生能源發電的成本還遠高于常規燃煤發電,只有國家實行優惠的稅收政策并給予一定的財政補貼,才能調動投資者發展DG 的積極性。其次,DG 并網技術也是制約DG發展的重要因素,因此,智能電網的提出,從技術上為解決這一問題創造了條件。

2. 2 分布式儲能技術的發展

能量儲存是電力系統調峰的有效手段,作為一種成熟的儲能技術,抽水蓄能電站獲得了大量應用。近年來,作為補償DG輸出間歇性、波動性的有效手段,分布式儲能技術受到了人們的重視。

蓄電池是一種傳統儲能技術。鈉硫電池具有大容量、高效率、結構緊湊、易擴展、對環境影響小等優點,技術進一步成熟后可用于城市電網和可再生能源發電補償。超級電容器容量大、使用壽命長、環保,目前已有市場化應用。2005 年,美國加利福尼亞州建造了一臺450 kW 的超級電容器儲能裝置,用以減輕950 kW 風力發電機組向電網輸送功率的波動。飛輪儲能效率高、壽命長,德國、美國等都在投資研制用于電網調峰的飛輪儲能裝置。超導磁能儲能具有效率高、響應快等優點,目前已在風力發電系統中得到了應用。

總體來說,分布式儲能技術還在發展之中,還沒有實現大規模產業化,需要國家在政策