分布式发电与微电网及其关键技术

刘业胜

(中科华核电技术研究院，深圳 518124)

分布式发电与微电网及其关键技术

刘业胜

(中科华核电技术研究院，深圳 518124)

首先对分布式发电及微电网技术以及其发展的意义进行了阐述，并对分布式发电和微电网发展过程中面临的问题和有关的关键技术进行了介绍。

分布式发电;微电网;关键技术;储能;并网;控制;保护

1 引言

自动19世纪末期，世界上诞生首个发电企业以及电力网以来，受制于电力能源的单一性以及发电设备的高成本，长期以来作为一种稀缺资源，建设规模更为广泛以及强大的电力网，一直是世界电力的发展趋势以及研究热点。但是近年来在火力、水力等常规发电技术仍然作为主角的同时，风能、太阳能、潮汐能、生物质能等新型能源不断兴起，引发了世界能源及电力范围内一次新的革命，尤其是随着近年来世界范围内的几次大面积停电，使人们逐渐意识到大电网具有一定的脆弱性，一旦出现故障影响范围广，严重影响人们正常的生产及生活，基于以上种种原因分布式发电及微电网技术作为一种新的发电及电网模式近年来受到更多重视及研究。

2 分布式发电及微电网

2．1 分布式发电定义

分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括太阳能光伏发电、风力发电、生物质能发电、燃料电池发电等，往往以新能源发电技术为主。

2．2 微电网定义

目前对微电网尚未形成统一的定义，一般来讲，微电网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。

首先它是一个可孤立运行的小型发配新系统，在不与外界连接的情况下，通过自身的分布式电源(可以是常规发电设备，也可以是新型清洁能源)发电并通过内部供电网实现对内用各用户的供电，并可将多余的电能通过储能装置进行储能，以便于在用电高峰或者设备故障时作为后备电源使用，配电网内还需具备相应的电力保护及监控设备，以便于在供电系统内部出现短路等故障时，及时切除故障，防止事故扩大影响网内用电及设备安全，同时还可以通过内部的能量管理系统，对各用户的用电进行调度管理。

其次，还可以是一个能够与外电网点连接的子网，在满足各种并网条件下，可以与外部主网连接，以实现外部电能输入至内部，或者内部电能向外部主网输送的功能。

3 分布式发电及微电网发展

分布式发电作为一种发电形式存在已久，如我们所常用的应急柴油发电机组，即一种分布电源。近年来，随着风力发电、太阳能光伏发电等技术的发展，赋予了分布式发电另一种更为广泛的含义。由于分布式发电技术具有独特的环保性、经济性以及发电灵活性，引起人们越来越多的关注，大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，同时也是21世纪电力工业的发展方向。随着分布式发电技术的研究和应用深入，分布式发电有望在电能生产中占有越来越大的比重，并对电力系统产生重大的影响。

微电网作为一个概念最早在20世纪90年代被提出，最初是由美国电力可靠性技术解决方案协会提出，但是在很长一段时间内基本处于理论研究阶段，其大力发展要在最近几年，特别是随着分布式发电技术的发展以及近年来多次发生的电网崩溃及事故的影响，各国都加大了对微电网相关技术的研究，其中以美国、欧洲、日本的研究和应用最为先进，同时目前也有越来越多的微电网示范及商运项目开始陆续投入运行，作为电网的有益补充，微电网技术应用潜力巨大。

4 分布式发电及微电网意义

与传统集中式能源系统相比，分布式发电及微电网技术具有许多优势:

(1)首先，大力发展分布式发电及微电网技术，有助于清洁能源以及各种新能源技术发展，大大提高新能源的利用率，解决目前新能源发电过剩的困难。据不完全统计2012年国内光伏发电行业产能过剩严重，90%的多晶硅厂家停产，风电行业也有50%的产能过剩，造成上述产能过剩的原因除了与目前国际国内环境有关外，与分布式发电和微电网技术的发展及应用有关，如果能够大力发展微电网技术，从局部实现新能源发电的能量利用，将会在很大程度上解决新能源的使用问题。

(2)提高电力系统的安全冗余度。自电力系统产生以来，发展广泛大电网技术一直是相关科研以及应用技术研究的方向，但是从近年来发生的多次电网大面积停电事件发生以来，给人们的生产生活造成了严重的不利后果，人们开始逐渐意识到大电网的脆弱性，而大力发展微电网技术将可以有效的解决目前大电网存在的问题，作为一种补充电源，在大电网出现故障的情况下，微电网仍然可以有效的孤网运行，满足重要及关键负荷的供电问题。

(3)分布式发电和微电网技术的发展在加大各类可再生能源利用的同时，还可以解决目前常规电力特别是火力发电所造成的严重空气污染问题，同时也可以解决目前水利发电对各种生态资源造成不可恢复性灾难的争议，减轻环保压力。

(4)分布式发电和微电网接近负荷，线损显著减少，建设投资和运行费用较省;同时由于微电网中的分布式能源往往具备发电、供热、制冷等多种服务功能，可实现更高的能源综合利用效率;

(5)有助于解决部分偏远地区的电力使用问题。目前，在农村、草原等偏远地区，仍然存在供电困难，居民无法用电的情况。因此可以通过利用当地各种可再生资源以及新能源技术，发电微电网，在不用延伸电力网的情况下解决当地电力使用问题。

5 分布式发电及微电网关键技术

尽管分布式发电和微电网已经从理论研究阶段逐步走向了工业化使用阶段，但目前仍有许多关键技术尚未解决或处于发展研究阶段，下面就对其主要技术进行介绍。

5．1 分布式电源技术

目前常用的分布式发电技术主要包括光伏发电、风力发电、燃料电池、生物质能发电等，由于上述发电方式的不同，其主要的技术难点各不相同。

(1)风力发电技术。风力发电的基本原理是利用风能带动风机叶片转动，将风能转化为机械能，然后再带动发电机发电，从而将机械能在转化为电能。由于风能是一种自然能源，并且地域性和时间季节性差别较大，因此风厂的选择是风力发电能否有效应用的一个关键环节，直接决定了风力发电的效益，另外由于风的随机性，风的风向、风速等都在时刻变化，风力发电还需要解决功率调节技术、变速运行技术、迎风技术、恒速及变速恒频以及浆距调节等各种技术问题，特别是风力发电机的设计制造以及控制技术将决定风力发电能否得到更成熟广泛推广及应用，目前上述技术尽管得到了不同程度的解决，但仍不完善。

(2)太阳能光伏发电技术。光伏发电技术的基本原理是利用太阳能电池这种半导体电子元器件的光生伏打效应，有效的吸收太阳辐射能，并将其直接转化为电能，它的基本装置是太阳能电池［2］。光伏发电能否大规模应用除了与太阳能辐照强度及时间有直接关系外，太阳能电池技术的发展则显得尤为关键，几十年来随着技术研究的不断深入，太阳能电池技术也取得了长足的进步，其中单晶硅电池的效率已经由6%提高到24．7%，多晶硅电池的实验室效率也达到了20%多。而目前薄膜电池、染料敏化电池以及有机电池等高效率的电池也受到广泛关注与发展，但目前由于成本等原因，仅处于试验阶段，尚未达到大规模应用。因此研究更为高效、成本更为低的电池技术，是太阳能光伏发电技术的重中之重。除了太阳能电池技术外，蓄电池储能技术、光伏发电控制及逆变技术等也是光伏发电的研究的主要相关技术。

(3)燃料电池发电技术。燃料电池发电技术被称之为继火电、水电和核电之后能持续产生电力的第四种发电形式，其基本原理是将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的一种发电方式，与一般化学电池的区别在于发电所需的燃料及氧化剂需要从外部不断输入至电池中进行反应发电，而非一次性封装于电池中，具有高效、污染低、可靠性高等特点，其关键技术包括燃料电池技术以及发电附属设备集成技术等，其中燃料电池技术主要为燃料电池组件的材料及制造技术，包括电极的电催化性能、电极材料的选择以及电极的制造技术，隔膜材料选择及制造技术，双极板的材料选择、流体流动的流场设计及其加工技术等［1］，除此之外燃料电池发电所需要的燃料存储加工、输送以及电池余热处理等技术也是关系到燃料电池发电的效率及发展。

(4)生物质能发电技术［7］。生物质发电是利用生物质所具有的生物质能(广义上讲，生物质能是植物通过光合作用将太阳能以化学能形式存在生物体内的一种能量形式)进行发电的一种发电技术，目前主要包括生物质直接燃料发电、将生物质转化为燃气的气化发电以及沼气发电、生活垃圾焚烧发电技术以及混合燃料发电术等。其关键技术主要包括直接燃烧发电的生物质专用燃烧发电炉技术，生物质气化发电的生物质气化工艺技术、气化焦油裂解技术、生物燃气净化技术等，垃圾焚烧发电的垃圾焚烧技术，焚烧烟气处理技术等。

5．2 储能技术

考虑到而目前新型能源发电往往稳定性较差，多受制于外部自然条件，其产生的电能往往无法直接输送给电网或直接利用，为了使电能不产生损失，有时需要以不同形式对电能进行存储，进行二次转换，以使其满足电网输送和直接利用的要求，同时也为微电网孤岛运行时由于分布式电源无法正常发电时的电力来源，再者微电网作为大电网的一部分，在其由并网运行转为孤岛运行时，电网必然产生功率缺失，需要在电力系统中安装一定的储能设备，提供此时的功率，以保证电力系统的稳定过渡，因此储能技术也微电网发展的一项重要技术。

目前电力系统中最常用的储能方式主要包括:电池储能、超导储能、超级电容储能以及飞轮储能等。其中以电池储能应用最为广泛，目前主要以铅酸电池、镍镉电池以及锂离子电池为主，但是由于储能电池对充电回路有特殊要求，并且充放电次数有限，往往使得电池寿命不长，维修费用相对较高，同时存在金属污染问题。目前随着钠硫电池等技术的发展，使其具备高能量利用效率以及无放电现象、使用寿命长等，但目前尚处于研究阶段，在解决成本及制造技术后，有望在不久的将来得到大规模使用。超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，与电池储能相比，超导储能具有无损储能效率利用高，使用寿命长，能量转换率高，响应速度快，无污染等特点，但是和其他储能技术相比，目前超导磁储能设备及维护费用仍很昂贵，相信是随着电力电子技术以及高温超导技术的进一步发展，超导储能将会具备更广阔的应用前景。超级电容器储能技术是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件，它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储能电荷的能力，与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数达到十万次以上，且不用维护，与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染的显著优点。另外还有飞轮储能，传统的飞轮储能作为一种惯性储能方式，需要有钢或铁制的飞轮组成，并且需要由一套复杂的电力电子装置大大限制了其使用，目前随着技术的发展出现了超导磁悬浮飞轮储能方式，有望解决传统飞轮储能的缺点，相信随着技术的发展还将会涌现技术更为可靠的储能技术。

5．3 微电网并网及控制技术

电网传统并网接口主要以同步发电机为主，但微电网由于其分布式发电技术特点的关系，一般多采用异步发电机以及电力电子变化设备特别是逆变器并网，而拓扑结构则是逆变器的关键部分，但目前逆变器的拓扑结构设计普遍存在模块化集成带来的寄生参数问题，高频化带来的效率降低问题［3］等，而且传统的逆变器往往为隔离型，取用传统的工频变压器，往往造成体积大成本高等缺点，除上述问题外，如何提高输出电压波形质量也是需要研究的一个重点问题。因此研究非隔离型简化拓扑结构的逆变器，并增大允许的直流电压输入范围，研究应用软开关逆变技术等将是微电网并网技术的发展方向。

由于微电网以分布式发电电源为主，每个分布式电源的容量都不是很大，但往往数量众多，这就使微电网的控制不会像常规电网，可以实现由电网调度中心统一控制及故障处理，这就对微电网的运行及控制技术产生了新的要求。这些要求主要包括:能够根据电网的需求以及故障情况，自主实现与主网的并网、解列或者是两者的过渡转换运行，同时能够实现独立的有功与无功控制，实现微电网与大电网之间的协调优化运行以及对大电网的安全支撑。由于微电网分布式电源的引入，改变了电网配电线路中有功与无功功率的方向，使得配电系统成为一个多电源系统，并且出现新的接点类型，这就使传统电网运行及控制所采用的潮流计算方法变得更为复杂，同时还存在分布式电源的建模问题，因此对微电网的运行控制除了涉及控制理论及控制设备外，还涉及到新的电网分析及仿真建模技术。

5．4 微电网保护技术

传统电网特别是配电网的特点是呈辐射形，由单侧电源供电，配电网的保护以此为基础进行设置。但当分布式电源接入后，配电网电路结构将发生变化，此时发生故障后，除原系统向故障点提供电流外，分布式电源也将向故障点提供故障电流，这就改变了配电网的接点短路水平，同时并网情况下的微电网具有双向导通性，极大的颠覆了利用传统单向潮流计算进行保护整定的保护配置形式，而分布式电源的类型、安装数量以及容量等因素都会对配电网保护的正常运行产生影响，这势必影响原有传统配电网的继电保护配置，并且会来带保护误动、拒动、乃至重合闸装置不成功等情况产生，极大的影响配电网的安全，同时由于孤网运行时，微网内分布式电源的故障电流往往较小，传统的电流保护装置很难做出正确及及时的相应，已经无法满足微网保护的要求。针对目前微电网保护存在的上述问题，解决的主要途径包括区分微电网为孤网还是并网运行状态，如果是处于并网运行状态则对进行孤岛处理，根据故障及负荷重要性将微电网划分为不同的孤岛，以进入孤岛运行方式，保证大电网故障时微电网的正常运行［4－6］，当然这对孤岛的划分及优化策略又提出了新的要求。另外就是针对微电网结构进行新的保护理论及算法优化并采用新的保护方式(如采取方向性保护元件等)以解决分布式电源接入后对电网结构及与运行的影响，以保证电网继电保护的选择性、快速性以及可靠和灵敏性，保护技术将直接关系着微电网能否大规模并网运行以及并网后的运行安全，这也是微电网影响发展的关键技术。

5．5 其他技术

除了上述问题外，分布式发电和微电网的发展还涉及到分布式发电的设计及规划、微电网能量管理及负荷预测、微电网技术标准与规范制定、微电网系统试验、分布式发电及微电网通信等等诸多问题与技术。

6 总结

近年来随着技术进步以及人们对能源需求以及地球环境的认识不断加深，分布式发电和微电网技术有了长足的发展和进度，但是由于仍然有许多技术问题未得到很好解决，使得分布式发电和微电网技术尚未达到可以大规模应用的程度，相信随着研究的深入和技术的进步，分布式发电和微电网技术一定会带来一场能源领域的革命，一定会有更广阔的应用前景和未来。

［1］ 曹殿学，王贵领，吕卓艳，等．燃料电池系统［M］．北京航空航天大学出版社，2009．

［2］ 罗玉峰，陈裕先，李玲，等．太阳能光伏发电技术［M］．江西高校出版社，2009．

［3］ 刘杨华，吴政秋，涂有庆，等．分布式发电及其并网技术综述［J．］电网技术，2008，32(15)．

［4］ Ding Xu，Girgis A A．Optimal load shedding strategy in power systems with distributed generation［C］．IEEE Power Engineering Society Winter Meeting，Columbus，Ohio，USA，2001．

［5］ 易新，陆于平．分布式发电条件下的配电网孤岛划分算法［J］．电网技术，2006，30(7)．

［6］ 王希舟，陈鑫，罗龙，等．分布式发电与配电网保护协调性研究［J］．继电器，2006，34(3)．

［7］ 中国电力科学研究院生物质能研究室．生物质能及其发电技术［M］．中国电力出版社，2008．

Distributed Generation and M icro-Grid w ith Its Key Technologies

LIU Ye-Sheng
(China Nuclear Power Technology Research Institute Shenzhen 518124，China)

This paper expounds on the distributed generation and micro-grid technology aswell as the significance of its development，and also presents the problems and key technologies of distributed generation and micro-grid in its development process．

distributed generation;micro-grid;key technology;energy storage;synchronize;control;protection

TM71

B

1004－289X(2013)04－0014－04

2013－04－15

刘业胜(1982－)，男，硕士研究生，工程师，从事核电等新兴能源电气技术研究工作。