新能源發(fā)電技術(shù) 第2版 課件 10分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)(1)-分布式發(fā)電

第10講分布式發(fā)電與能源互補(bǔ)第一部分分布式發(fā)電§10.1.1分布式發(fā)電的概念分布式發(fā)電：在一定的地域范圍內(nèi)，由多個甚至多種形式的發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電，以就地滿足較大規(guī)模的用電要求。相對于集中發(fā)電的大型機(jī)組而言，其總的發(fā)電能力由分布在不同位置的多個中小型電源來實(shí)現(xiàn)；相對于過去的小型獨(dú)立電源而言，其容量分配和布置有一定的規(guī)律，滿足特定的整體要求?！?0.1分布式與互補(bǔ)發(fā)電概述區(qū)分幾個類似的概念：DP，DER，DG。分布式發(fā)電一般獨(dú)立于公共電網(wǎng)而靠近用電負(fù)荷，可以包括任何安裝在用戶附近的發(fā)電設(shè)施，而不論其規(guī)模大小和一次能源的種類。一般來說，分布式電源是集成或單獨(dú)使用的、靠近用戶的小型模塊化發(fā)電設(shè)備，多為容量在50兆瓦以下的小型發(fā)電機(jī)組?！?0.1.1

分布式發(fā)電的概念§10.1.2

分布式發(fā)電的特點(diǎn)（1）建設(shè)容易，投資少（2）靠近用戶，輸配電簡單，損耗?。?）污染少，環(huán)境相容性好（4）能源利用效率高（5）運(yùn)行靈活，安全可靠性有保障（6）聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，有提供輔助性服務(wù)的能力§10.1.2

分布式發(fā)電的特點(diǎn)夏季和冬季用電高峰期，冷熱電聯(lián)供可滿足季節(jié)供熱或制冷需要，并節(jié)省電力，從而減輕供電壓力。分布式發(fā)電對電網(wǎng)的輔助性服務(wù)分布式發(fā)電的適用場合分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式：－獨(dú)立運(yùn)行多用于大電網(wǎng)覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)牧區(qū)。－聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行多用于電網(wǎng)中負(fù)荷快速增長的區(qū)域和某些重要的負(fù)荷區(qū)域（工廠、醫(yī)院等），分布式電源與公用電網(wǎng)共同向負(fù)荷供電?！?0.2分布式電源與儲能§10.2.1

新能源分布式電源分布式電源就是分散的小規(guī)模電源，容量<50MW，包括：(1)天然氣分布式能源(2)可再生能源分布式發(fā)電(3)廢棄資源綜合利用常利用基于可再生能源的分布式電源。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用廣泛——熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組微型燃?xì)廨啓C(jī)是一類新近發(fā)展起來的小型熱力發(fā)動機(jī)，是以天然氣、汽油、柴油等為燃料的超小型燃?xì)廨啓C(jī)?！?0.2.1

新能源分布式電源微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的工作原理圖§10.2.2分布式發(fā)電的儲能裝置由于自然資源的特性，可再生能源用于發(fā)電時其功率輸出具有明顯的間歇性和波動性，其變化甚是可能是隨機(jī)的，容易對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時會引發(fā)電網(wǎng)事故。為充分利用可再生能源并保障其供電可靠性，就要對這種難以準(zhǔn)確預(yù)測的能量變化進(jìn)行及時的控制和抑制。儲能裝置，就是用來解決這一問題?！?0.2.2.1常用的儲能技術(shù)（1）蓄電池儲能蓄電池儲能系統(tǒng)由蓄電池、逆變器、控制裝置、輔助設(shè)備（安全、環(huán)境保護(hù)設(shè)備）等部分組成?？梢苑譃殂U酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。（2）超導(dǎo)儲能核心部件是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈。通入直流電，線圈中就會形成強(qiáng)磁場，

把電能以磁場能的形式儲存起來。由于超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，電流在超導(dǎo)線圈中循環(huán)時產(chǎn)生的功率損耗很小，因而儲存的能量不易流失。在外部需要能量時，可以把儲存的能量送回電網(wǎng)或?qū)崿F(xiàn)其它用途。§10.2.2.1常用的儲能技術(shù)超導(dǎo)特性一般需要在很低的溫度下才能維持。一旦溫度升高，超導(dǎo)體就變?yōu)橐话愕膶?dǎo)體，電流流過時將產(chǎn)生很大的功率損耗，儲能的效果也就不復(fù)存在了。一般將超導(dǎo)線圈浸泡在溫度極低的液體（液氫等），然后封閉在容器中。因此，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)除了核心部件超導(dǎo)線圈以外，還包括冷卻系統(tǒng)、密封容器以及用于控制的電子裝置。（2）超導(dǎo)儲能§10.2.2.1常用的儲能技術(shù)是一種機(jī)械儲能方式。1970s就有了利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存能量，并應(yīng)用于電動汽車的構(gòu)想。由于飛輪材料和軸承等關(guān)鍵技術(shù)一直沒有解決而停滯，1990s以來，高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承、電力電子學(xué)三方面的技術(shù)發(fā)展，飛輪儲能得到快速發(fā)展。（3）飛輪儲能§10.2.2.1常用的儲能技術(shù)飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖§10.2.2.1常用的儲能技術(shù)（4）水制氫儲能這種儲能系統(tǒng)需與燃料電池聯(lián)合應(yīng)用。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)負(fù)荷減小或發(fā)電容量增加時，將多余的電能用來電解水，使氫和氧分離，作為燃料電池的燃料送入燃料電池中存儲起來；當(dāng)負(fù)荷增加或發(fā)電容量不足時，使存儲在燃料電池中的氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，繼續(xù)向負(fù)荷供電，從而保證供電的連續(xù)性。(詳見本書的第9章)§10.2.2.1常用的儲能技術(shù)（5）超級電容器儲能雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來儲存能量。這種電容器的儲能是通過使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來實(shí)現(xiàn)的，并沒有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的。法拉第準(zhǔn)電容是以準(zhǔn)電容-準(zhǔn)電容為主要機(jī)制，在正極和負(fù)極表面分別以金屬氧化物的氧化/還原反應(yīng)為基礎(chǔ)或以有機(jī)半導(dǎo)體聚合物表面摻雜不同電荷的離子為基礎(chǔ)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容?！?0.2.2.1常用的儲能技術(shù)（5）超級電容器儲能根據(jù)電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)及電極上發(fā)生反應(yīng)的不同，超級電容器又可分為對稱型和非對稱型。如果兩個電極的組成相同且電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向相反，則被稱為對稱型；反之則被稱為非對稱型。非對稱型電容器具有比常規(guī)電容器更高的比能量和比二次電池更高的比功率。近年來開發(fā)出的一種新型的電容器——混合型超級電容器，一極采用傳統(tǒng)的電池電極并通過電化學(xué)反應(yīng)來儲存和轉(zhuǎn)化能量，另一極則通過雙電層來儲存能量?！?0.2.2.2儲能裝置在分布式系統(tǒng)中的作用（1）平衡發(fā)電量和用電量（2）充當(dāng)備用或應(yīng)急電源某些分布式電源受自然條件影響而減少甚至不能供電時，儲能系統(tǒng)就像備用電源，可臨時維持供電。（3）改善分布式系統(tǒng)的可控性儲能系統(tǒng)可調(diào)節(jié)分布式系統(tǒng)與大電網(wǎng)的能量交換，將難以準(zhǔn)確預(yù)測和控制的分布式電源，整合為能夠按計(jì)劃輸出電能的系統(tǒng)，使其成為可以調(diào)度的發(fā)電單元。（4）提供輔助服務(wù)§10.3分布式供電系統(tǒng)和微電網(wǎng)§10.3.1分布式供電系統(tǒng)構(gòu)成分布式供電系統(tǒng)包含很多分散在各處的分布式電源，種類也往往不只一種，再加上儲能裝置和附近用電的負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)可能也相當(dāng)復(fù)雜?！?0.3.1分布式供電系統(tǒng)構(gòu)成分布式供電系統(tǒng)一般由分布式電源、儲能設(shè)備、分布式供電網(wǎng)絡(luò)及控制中心和附近的用電負(fù)荷構(gòu)成，如果與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行還包括并網(wǎng)接口。微電網(wǎng)是能夠獨(dú)立運(yùn)行或者作為一個整體與公共電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的分布式供電系統(tǒng)。用戶所需能量由各種分布式電源、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和公共電網(wǎng)提供，微電網(wǎng)在滿足用戶供熱和供冷需求的前提下，最終以電能作為統(tǒng)一的能源形式將各種分布式能源加以融合，滿足特定的電能質(zhì)量要求和供電可靠性。§10.3.2微電網(wǎng)微電網(wǎng)可看作大電網(wǎng)中的一個可控單元，而不再是多個分散的電源和負(fù)荷?！?0.3.2微電網(wǎng)§10.3.2微電網(wǎng)基于我國的實(shí)際情況，我國微電網(wǎng)建設(shè)可以分為以下幾種類型：（1）城市微電網(wǎng)。我國城市微電網(wǎng)可以依托居民小區(qū)、賓館、醫(yī)院、商場及辦公樓等進(jìn)行建設(shè)，城市微電網(wǎng)可以在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)優(yōu)先發(fā)展。（2）企業(yè)微電網(wǎng)一般在中壓配電網(wǎng)等級，容量較大，常見于石化、鋼鐵等大型企業(yè)，一般分布在城市的郊區(qū)。（3）偏遠(yuǎn)農(nóng)村微電網(wǎng)主要建設(shè)在草原、山區(qū)等電力需求較低的偏遠(yuǎn)地區(qū)，將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)延伸到這類地區(qū)需要很大的成本。這類微電網(wǎng)以孤島運(yùn)行為主。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行是兩種基本的運(yùn)行模式。為了更好地發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，應(yīng)采用一定的控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行及兩者之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制§10.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制基于逆變器側(cè)的孤島檢測方法可分為被動檢測和主動檢測兩大類。被動檢測是直接監(jiān)測選定的公共耦合點(diǎn)PCC的參數(shù)（電壓、頻率、諧波等），同時控制逆變器在一定條件下停止并網(wǎng)運(yùn)行。主動檢測法是指在逆變器控制信號中加入相應(yīng)的擾動，當(dāng)電網(wǎng)正常工作時，由于電網(wǎng)的平衡作用，擾動信號幾乎不起作用；若出現(xiàn)孤島，擾動信號的存在會破壞系統(tǒng)的平衡，使得電壓、頻率等出現(xiàn)明顯的變化，如果變化超出所規(guī)定的閾值范圍，則可檢測出孤島?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，微電網(wǎng)內(nèi)部的各個分布式電源只需控制功率輸出以保證微電網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，而電壓和頻率由大電網(wǎng)來支持和調(diào)節(jié)，此時的逆變器可以采用恒功率（PQ）控制方法?！?0.3.3微電網(wǎng)的運(yùn)行控制當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時，與大電網(wǎng)的連接斷開。此時，需由一個或幾個分布式電源來維持微電網(wǎng)的電壓和頻率。由一個逆變型分布式電源執(zhí)行恒壓恒頻（Vf）控制調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率和電壓的情況構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)；由多個逆變型分布式電源執(zhí)行下垂（Droop）控制共同調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率和電壓的情況構(gòu)成對等結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)。其余分布式電源逆變器仍然采用PQ控制方法。近年來，在對等結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，人們又提出了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)（也稱多代理控制），由控制器（MGCC）對微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制，并負(fù)責(zé)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的通信與協(xié)調(diào)；微電源控制器（MC）和負(fù)荷控制器（LC）從屬于MGCC，分別控制具體的微電源和負(fù)荷。1970s就有了分布式電源的概念，美國公共事業(yè)管理政策法公布后，正式得以推廣，并很快被其它國家接受?！?·11”后，出于對供電安全的考慮，美國等加快分布式供電系統(tǒng)研究和建設(shè)的步伐，在很多國家已頗具規(guī)模。目前分布式電源站美國有6000多座；英國有1000多座；日本有近5000家，總?cè)萘砍^600萬千瓦。2006年歐盟國家的分布式供電系統(tǒng)達(dá)到1.5萬個左右。2015年，風(fēng)能和光伏電力的增長速度在美國能源增速中躍居首位，對美國新增發(fā)電能力的貢獻(xiàn)達(dá)三分之二。分布式發(fā)電為減小碳排放量作出了巨大貢獻(xiàn)。分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用歐盟國家的分布式發(fā)電以太陽能光伏、風(fēng)能和熱電聯(lián)產(chǎn)為主。歐洲風(fēng)電的發(fā)展側(cè)重于分散接入。經(jīng)有關(guān)機(jī)構(gòu)評估表明，僅分布式熱電聯(lián)產(chǎn)就能完成1/3的歐盟節(jié)能目標(biāo)，每年可減少CO2排放1億噸。日本的分布式發(fā)電以熱電聯(lián)產(chǎn)和太陽能光伏發(fā)電為主。2006年，熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量達(dá)到870萬千瓦，占日本電力裝機(jī)4%。光伏分布式發(fā)電應(yīng)用廣泛，不僅用于公園、學(xué)校、醫(yī)院、展覽館等公用設(shè)施，還開展了居民住宅屋頂光電的應(yīng)用示范工程。丹麥?zhǔn)鞘澜缟夏茉蠢眯首罡叩膰遥?0％以上的區(qū)域供熱能源采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式產(chǎn)生。丹麥分布式發(fā)電量超過全部發(fā)電量的50％。上海、北京、廣州等大城市，10多年前就嘗試分布式供電，已有成功范例(參見教材)。2005年，我國首個分布式電力技術(shù)集成工程中心落戶廣州，標(biāo)志著我國分布式供電技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段。分布式發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用§10.6分布式發(fā)電工程實(shí)例（參見教材P191）國網(wǎng)山東電科院——新能源分布式發(fā)電及微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)示范工程（風(fēng)、光、儲、輔為一體的多能互補(bǔ)微電網(wǎng)工程，總?cè)萘拷咏?00kW）國網(wǎng)山東青島——國內(nèi)首個正式并網(wǎng)的居民分布式光伏電源——徐鵬飛的家庭小“發(fā)電廠”（總?cè)萘?kW）,發(fā)電收益超過了其家庭同期使用的電網(wǎng)公司電量的支出，實(shí)現(xiàn)了用電、賣電的收支平衡，意味其個人光伏電站開始盈利。美國海上能源島（容量250MW）第一部分小結(jié)分布式能源供電