分布式发电技术现状与应用前景综述

刘 俊1，李仁东1，杨 伟1，刘广莉2

（1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司，江苏 南京 210039）

摘 要：分布式发电以其投资省、损耗低、发电方式灵活等优点，已成为现代电力系统规划中重要的研究方向。分布式发电既具有电力调峰的作用，又具有较高的经济性、可靠性以及环保性，特别是边远偏僻地区的用电问题可以解决。因而对分布式发电技术的研究具有重要的理论实践意义。本文介绍了分布式发电技术的概念，综述了分布式发电现状，并对分布式发电的应用前景作了展望。 关键词：分布式发电；储能技术；电力系统

0 引言

分布式电源最初应用于通信和航天，随着对能源的需求和电力电源新技术的发展，它与电力系统相结合形成了分布式发电。它的兴起使得电力网络的结构也发生变化，由于分布式发电具有可靠新高、电压等级低、接近负荷中心等特点，因此分布式发电技术将成为我国广泛应用的技术之一。

1 分布式发电技术

1.1 分布式发电定义

分布式发电（Distributed Generation，DG）是由美国1978年在公共事业管理政策法中公布并正式推广的，其定义为：①不同于传统集中发电模式，为满足特定用户和配电网络运行的需要，以集散方式分布在用户附近，发电功率为数千瓦至数十兆瓦的小型模块式发电系统。②不论发电系统规模大小和一次能源的类型，任何安装在用户附近的发电设施。

简言之，分布式发电就是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，经济、高效、可靠地发电。文献[1]对分布式电源的定义进行讨论,并分析了电力市场运营对分布式电源发展的影响。

1.2 分布式发电技术种类[20，

21] （1）燃料电池发电技术

燃料电池是一种在等温状态下，直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的元器件。燃料电池的阴极和阳极由电解质隔开，在工作时，不需要燃烧，只需要将燃料和空气中的氧气分别送入阳极和阴极，从而发生电化学反应，在电解质的作用下，氢氧离子定向移动，产生电位差，在外电路

中形成电流，从而发出低压直流电，类似于电解水的逆过程。燃料电池在发电过程中，副产品仅为热水和少量二氧化碳等。

燃料电池按电解质分主要包括磷酸燃料电池PAFC（Phosphoric Acid Fuel Cell）、碱性燃烧电池AFC（Alkalescent Fuel Cell）、质子交换膜燃料电池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）、熔融碳酸盐燃料电池MOFC（Molten Carbonate Fuel Cell）、固体氧化物燃料电池SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）。其中磷酸燃料电池最接近于商业化，熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池被推荐应用于电力系统发电。燃料电池发电厂主要由三部分组成：燃料处理部分、电池反应堆部分、电力电子换流控制部分。

燃料电池具有以下优点：①清洁无污染。发电过程中的排放物对环境影响几乎不计。由于无旋转机械部分，因而没有噪声污染。②发电效率高。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的发电效率几乎是传统发电厂发电效率的2倍。③适应负荷变化的能力强。④安装周期短、安装位置灵活，占地少、检修维护容易。 （2）微型燃气轮机发电技术

微型燃气轮机是目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设备。它是以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的功率范围在20－500kW的小型燃气轮机。基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。微型燃气轮机发电机组由微型燃气轮机、发电机和数字电力控制器等部分组成。为了提高燃料的利用效率，在分布式发电系统中, 微型燃气轮机除了为用户供电外，还同时为用户供热，构成“热电并用系统”。

微型燃气轮机具有五方面的优点：①体积小、重量轻。②电力市场中建造和运行成本极据竞争力。③发电效率较高，污染少。④高可靠、长寿命、低噪声、多燃料、低油耗。⑤运行和维护简单。 （3）太阳能光伏电池发电技术

太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。太阳能光伏发电

的能量转换器件是光伏电池。它包括一个类似于二极管的在半导体材料中形成的PN结和一片0.2-0.3mm厚的单晶式或多晶式硅片，通过掺入其他杂质（硼和磷）产生具有不同电气性质的两层，在PN结掺杂了磷原子的负硅片和掺杂了硼原子的正硅片之间建立起电场。光入射到太阳电池上，光子中的能量产生自由电荷载体被电场分开，外接线路上产生电压，接入负载后有电流流过。太阳能光伏电池发电的原理是利用半导体的光生伏打效应。当太阳光照射到光伏电池上时，电池吸收光能，产生光电子-空穴对。在内电场作用下，光电子和空穴对被分离，电池两端出现异性电荷的积累，即产生“光生电压”。若在内电场的两侧引出电极并接上负载，则有“光电电流”生成，从而获得功率输出。通过这一方式太阳光能直接变成了可用的电能。

太阳能光伏发电是由电池组成方阵进行发电，方阵在室外工作，其输出功率和效率严重地受温度和太阳照度的影响。通风良好可降低组件的工作温度而提高方阵功率的输出。

太阳能光伏发电系统可分为独立型和并网型两种基本类型。独立型光伏发电系统需要蓄电池作为储能单元，将有日照时所发的剩余电能储存起来，供日照不足或无日照时使用，它适用于无法与电网相连的偏远地区。在有公共电网地区，光伏发电系统可以与电网连接，称为并网型光伏发电系统，该系统是将电网作为储能单元，当日照强时将所发的剩余电力馈入电网，需要用电时再从电网吸收电力。并网型光伏发电系统优点在于省去蓄电池，夏季日照强烈时正是电力需求的高峰时段，同时也正是光伏发电系统输出最大的时候。因此并网型光伏发电系统有助于电力系统的调峰，由于逆变器要能够向电网反馈能量，因此并联型光伏发电系统技术上比独立运行光伏发电系统复杂。

国外开发的屋顶式光伏电池发电技术是将白天发电的盈余倒送电网，晚间用户从电网取电，在供电企业和用户间形成了一种新型的关系。

太阳能光伏发电具有以下优点：①不消耗燃料。②不受地域限制，规模灵活。③清洁无污染。④安全可靠，运行稳定。 （4）往复式发电机发电技术

用于分布式发电的往复式发动机以汽油或柴油为燃料并采用四冲程的点火式或压燃式电机。是目前应用最广的分布式发电方式。近年来，在许多重要的行业和场所，如医院和学校，将柴油发电机作为停电期间使用的事故备用电源。 （5）风力发电技术

风能是指太阳幅射造成地球各部分受热不均匀,引起各地温差和气压不同, 导致空气运动而产生的能量。广义上讲，风能也是一种太阳能。风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，它主要有两种利用方式，一种是作为独立电源向偏远地区供电，另一种是将多台风力发电机组并列运行, 形成风力发电。

风力发电具有以下优点：①环保性能好，不污染环境。②不耗燃料，不产生温室气体。③不占耕地，经济性好。

（6）生物质能发电技术

生物质能发电是将生物质能（包括薪材、农林作物、生活垃圾污水等）转化为可驱动发电机的能量形式(如燃气、燃油、酒精等) , 再按照通用的发电技术发电。它具有以下优点：①能源廉价。②减少环境公害。

（7）地热发电技术

地热能是来自地球深处的可再生热能, 它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术, 是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能, 然后带动发电机发电。 （8）海洋能发电技术

海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。比较成熟的是潮汐能发电技术。它是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机, 再由水轮机带动发电机来发电。

（9）小水力发电技术

小水电是指小的水电站及与其相配套的小电网。从形式上分小水电有引水式、堤坝式、混合式和抽水蓄能式4种基本形式。 （10）混合分布式发电技术

顾名思义，混合分布式发电技术是指两种或多种分布式发电技术及蓄能装置组合起来, 形成复合式发电系统。目前热电冷三联产的多目标分布式供能系统, 简称为分布式供能系统在生产电力的同时, 也能提供热能或同时满足供热、制冷等方面的需求，能够大幅度提高能源利用率、降低环境污染、改善系统的热经济性。

1.3 分布式发电储能技术[22]

为了提高能源利用率和改善系统的热经济性, 在分布式发电中往往加入储能装置。分布式发电中的储能技术主要有：蓄电池储能、超导储能、

超级电容器储能、飞轮储能、压缩空气储能和抽水蓄能等，通常将分布式发电技术和储能技术合称为“分布式电源”。

2 分布式发电对电网的影响与发展现状

2.1 分布式发电对电力系统影响 （1）电力系统配电网

由于分布式发电系统的接入，配电网变成遍布电源和用户互联的系统。文献[2]主要讨论了分布式电源对配电网过电压的影响,着重对电压互感器引起的铁磁谐振过电压、单相接地故障过电压以及孤岛网络中异步发电机的自激过电压与分布式电源支持的配电网铁磁谐振过电压进行了机理分析。文献[3]研究了分布式电源接入放射状链式配电网络前后负荷节点电压的变化，针对开式配电网，运用潮流程序进行多分布式电源接入后电压分布的计算，给出了分布式电源在配电网中接入位置、出力等运行规律，结合仿真试验说明了分布式电源对配电网稳态电压分布的影响。但是计算量大。

（2）电力系统网损

电网的损耗主要取决于系统的潮流，在负荷中心接入分布式发电系统，配电网的潮流将发生变化，从而损耗也相应变化，损耗大小取决于分布式电源的位置、容量与负荷量的相对大小等因素。文献[4]提出的两种网损分配方案临界损耗系数法和直接损耗系数法，弥补了传统置换法的不足。文献[5]采用遗传算法分别解决了系统网损最小、电网改造升级投资最少和发电机耗费（燃料、维修等）最省的问题。由此可见，分布式电源的引入影响了电网的损耗。

（3）电力系统稳定性

分布式发电对电力系统稳定性的影响主要取决于功率水平和发电方式两个方面。文献[6]基于分布式发电稳定性建模的研究方法将分布式电源分为备用电源、削峰和电网测量应用三个模块。在辐射状电网中，通过机械或电力电子转换开关来实现分布式电源各模块的投入。在网状配电网中，为适应基于辐射状网络稳定性分析算法，将恒压源代替分布式电源，并在机组的出口处安装断路器。文献[7]以一个10KV的辐射状配电网为例，分别改变分布式电源及故障点位置，仿真计算出系统发生不对称故障（单相接地、两相短路、两相短路接地）时发电机机端电压、定子电流和转子角度（分布式电源的转子相对于无穷大母线的角度）。仿真计算结果表明，发生不对称故障时，故障点距离分布式电

源越远，故障临界切除时间越长，系统越稳定；在转子角度达到150°后，系统的瞬时稳定性能变差。文[8]介绍了风电场接入弱农场电网的算例，指出低短路容量和高R/X（联络线阻抗Z=R+jX）比值将使得系统稳态电压发生较大的变化。文献[9]考虑了风力发电机容量与配电网短路容量（短路电流有效值与短路处的正常工作电压的乘积）的比值对电压稳定性的影响，该比值较高的电网在有利的运行条件下能成功地调节电压，而电压稳定特性可能又是限制该比值继续增加的重要因素。文[10]指出风电场并网运行后将影响有载调压变压器的AVC的正确动作，影响程度主要取决于风力发电机容量的大小、机端补偿电容器组投切规则和并网点位置。 2.2 分布式发电现状

（1）在美国, 容量为1千瓦到10兆瓦的分布式发电和储能单元成为分布式供能系统的有用单元。据美国分布式电源联盟预测，到2020年，美国分布式电源的容量将占全国总容量的3.7%。在那时由于新的能源需求与老的电厂的退役，估计要增加117×1012KW·h的电能，几乎是近20年增量的2倍。为满足市场需要，下一个10年后，美国的分布式发电市场装机容量估计每年将达5-6×109W，为解决这个巨大的缺口，美国能源部提出了以下几个涉及分布式发电技术的计划，包括燃料电池、分布式发电涡轮技术、燃料电池和涡轮的混合装置等。可以预料, 在不久以后，分布式发电技术将在美国得到相当的发展。文献[11]讨论了分布式电源在美国的发展现状,指出尚需解决的技术经济问题。分布式电源具有高可靠性、高质量、高效率以及灵活性等特点, 可以满足工商业、居住等的一系列要求，预计几年后，美国新一代的微燃气汽轮机可以完全商业化，为调峰和小公司余热发电提供了新机会。

（2)在我国，分布式电源方面的研究相对较少,且大多集中在电源本身,在分布式电源对电力系统规划、运行等方面影响的研究集中在定性分析基础上。文献[12]讨论了分布式电源对电力系统运行的多方面影响。文献[13]对目前已在我国应用较多的风力发电技术的相关问题进行了分析。我国电网，特别是西部电网，网络结构相对较弱，分布式发电对主网的运行有较大的影响。国外在分布式电源的一些研究成果还无法直接应用于我国，解决的方法是研究我国分布式电网的适用问题，这也是我国（尤其西部地区）大规模发展分布式发电技术需要解决的问题。随着我国经济建设的发展，集中式供电网络的规模扩大，由于地域经济的差异，对于落

后的农村地区，特别是农牧地区和偏远山区，要形成一定规模的配电网络需要很大的投资，能源供应严重制约这些地区的经济发展。分布式发电技术弥补集中发电模式的局限性。在我国西北的广大农村地区风力和太阳能资源比较丰富，为分布式发电技术的发展提供了条件，内蒙古已经形成了年发电量1亿kW·h的电量，除自用外，还送往北京地区， 这种无污染绿色能源减轻了当地环境污染。在可再生能源分布式发电系统中的除了风力发电外, 还有太阳能光伏电池、中小水电等都是解决我国偏远地区缺电的较好方法。因此, 我们在电网规划时应引起足够的重视。

3 分布式发电技术前景

分布式发电技术是集中供电模式之外的重要补充，将成为我国未来能源领域的一个重要发展方向。储能技术的发展为分布式发电注入了新的活力，使分布式发电在技术上向前迈进了一大步。随着分布式发电技术的不断提高和分布式发电的成本不断下降，分布式电源的应用范围也不断扩大，因此，分布式发电系统具有广阔的应用市场，它将是21世纪电力企业发展的主要方向。可以展望，分布式发电技术将用户带来一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。

4 结束语

分布式发电技术具有很多传统发电方式无法比拟的优点，它将在我国电力系统中将发挥重要的作用，可持续发展客观上要求大规模地利用分布式发电技术。本文介绍了的分布式发电技术的概念，分布式电源对现代电力系统得影响以及应用前景。在具体应用分布式电源时，必须根据具体情况（如地理位置、资源分布、环境等）综合考虑多种因素来合理选择分布式电源，充分利用资源来发挥分布式发电技术的优势。随着储能技术的不断发展，分布式发电技术将得到更快地发展。与此同时，分布式发电技术与储能技术的融合提高了电力系统的能源利用效率，改善了系统的稳定性、可靠性以及经济性。

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作者简介：

刘 俊（1979-），男，陕西，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析、运行、控制与规划。Email：ljxky@yahoo.com.cn 李仁东（1975-），男，安徽，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统分析、运行、控制与规划。Email：lrd2007@263.com 杨 伟（1965-），男，江苏，汉族，副教授，主要从事电力系统及其自动化方面的教学和研究工作。Email：yangwei807@126.com 刘广莉（1980-），女，陕西，汉族，工程师，主要从事电力系统能源管理和运行方式调度方面的工作。Email：lglbaosteel@163.com