伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

0 引 言

在電氣時代的早期階段，通常采用小型發(fā)電站滿足當?shù)氐墓╇娦枨?，并通過變壓器將電力升壓至符合輸電網(wǎng)要求的電壓等級。輸電系統(tǒng)用于輸送電能，有時需要進行長距離傳輸，再通過一系列配電變壓器降壓供用戶使用。輸配電線路是被動的，受一定數(shù)量的大型集中式供電系統(tǒng)控制。大約從1990年伊始，直接將發(fā)電單元連接至配電網(wǎng)的方案再度受到關注，被稱為分布式發(fā)電或分布式能源[1]。

1 分布式發(fā)電系統(tǒng)

在部分國家，主要通過發(fā)電單元的功率或與之相連的電網(wǎng)電壓等級，來對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行分類定義。通常，分布式發(fā)電可通過其規(guī)模、接入電壓等級及原動機類型進行具體說明[2]。

將發(fā)電單元接入配電網(wǎng)，對于電力系統(tǒng)是一項技術挑戰(zhàn)，因為在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中潮流從高壓側(cè)流向低壓側(cè)。傳統(tǒng)配電網(wǎng)是被動形式的，僅配置較少的測量裝置和非常有限的主動控制功能，可自動適應不同負荷組合且無需人工干預。

同時，由于電力需要時刻保持供需平衡，因此分布式發(fā)電功率的注入，需要大型集中式發(fā)電機組減少相應的功率輸出。目前，集中式發(fā)電機組不但需實現(xiàn)供電功能，還需提供輔助服務（如電壓和頻率控制、備用電源等）。此類輔助功能對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關重要。隨著分布式發(fā)電的廣泛應用，分布式發(fā)電系統(tǒng)亦需要提供相應的輔助服務，從而在較少集中式發(fā)電機組參與運行的情況下，確保電力系統(tǒng)正常運行[3]。

2 分布式發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)的技術競爭

分布式發(fā)電系統(tǒng)能否在與集中式發(fā)電系統(tǒng)的競爭中拔得頭籌，電能的定價是重中之重，即電價如何能在體現(xiàn)發(fā)電價值的同時又能體現(xiàn)電源接入不同電壓等級配電網(wǎng)的區(qū)別。目前，電價的增加主要來自集中式發(fā)電系統(tǒng)到用戶間的輸配電服務所產(chǎn)生的附加費用。

分布式發(fā)電系統(tǒng)靠近用戶側(cè)，對電網(wǎng)的輸配電服務需求較少。本質(zhì)上，分布式發(fā)電系統(tǒng)直接供電給用戶，可有效避免附加的輸配電成本。然而，這種電網(wǎng)成本的降低主要源于一些發(fā)電機組所處的有利地理位置，而在現(xiàn)有的商業(yè)和管理構(gòu)架下，這一優(yōu)勢尚未得到充分認可，導致非傳統(tǒng)發(fā)電模式與傳統(tǒng)發(fā)電模式在電力批發(fā)市場上糾纏不休，其批發(fā)價格可能遠遠低于近距輸電的實際價值[4]。

上述算例對電力需求的處理同樣適用。用戶從電網(wǎng)合適的位置（即靠近發(fā)電系統(tǒng)的位置）獲得電能，將降低對電網(wǎng)服務的需求。對大部分用戶而言，所獲電能的定價都有固定零售利率，偶爾會受用電時間段的影響。發(fā)電的總價值取決于許多因素，包括用電時間、地點、同類發(fā)電裝置的滲透率以及系統(tǒng)輸出峰值的時間。

在某些情況下，可再生能源及分布式發(fā)電可能導致成本大于收益，但要實現(xiàn)發(fā)電價值的最大化這一原則是不變的。如果忽略了這些特殊用電情況（用電時間和地點），將導致電網(wǎng)非最優(yōu)發(fā)展，因為無法體現(xiàn)用戶對電網(wǎng)真實全面的影響，最終阻礙新型低碳發(fā)電（低碳需求）超越現(xiàn)有發(fā)電以及傳統(tǒng)電網(wǎng)方案來優(yōu)化電網(wǎng)發(fā)展，致使系統(tǒng)必須依賴愈加昂貴和不必要的電網(wǎng)升級費用和非最優(yōu)的電網(wǎng)解決方案。

3 智能電網(wǎng)及其技術特點

全球能源政策的日新月異歸因于電力供應的需求變化，主要包括以下幾個方面：

（1）低碳或零碳排放，以減少溫室氣體排放和緩和氣候變化；

（2）安全且不依賴進口化石原料[5-6]；

（3）經(jīng)濟實惠，價格易于為工業(yè)、商業(yè)及其他社會各行各業(yè)所接受。

相關能源政策的焦點在于引入分布式發(fā)電、可再生能源以及熱電聯(lián)產(chǎn)。最近，在談及電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢時常提到智能電網(wǎng)一詞，其先進概念在于充分利用現(xiàn)代信息通信技術打造安全、靈活、高效的無碳化電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)是智能控制的主動式電網(wǎng)，可以有效將分布式發(fā)電融入電力系統(tǒng)。實現(xiàn)智能電網(wǎng)概念的一個重要方面是用戶側(cè)的參與。

用戶側(cè)的參與是提高電力系統(tǒng)靈活性和可控性的一個重要趨勢?？煽刎摵扇珉妱悠嚭蛢釤岜茫瑢⒃黾涌稍偕茉吹南{。當電費較為昂貴時，電動汽車的蓄電池可以為電網(wǎng)提供電能[7-9]，或用于支持配電網(wǎng)孤島運行。此外，智能電表的作用以及用戶想如何控制其用電負荷并參與電力系統(tǒng)運行，是當前一項重要的研究課題。

智能電網(wǎng)是一種新型電力網(wǎng)絡，可以智能化集成所有與之相連的用戶（發(fā)電機組、負荷或兩者兼具），從而高效提供持續(xù)、經(jīng)濟和安全的電力。

智能電網(wǎng)采用創(chuàng)新的產(chǎn)品和服務，包括智能監(jiān)控、通信以及自愈技術，從而可實現(xiàn)：（1）更好地促進各種不同規(guī)模和類型發(fā)電單元的接入及運行；（2）允許電力消費者參與電力系統(tǒng)的運行優(yōu)化；（3）為消費者提供更多信息和用電選擇；（4）顯著降低整個供電系統(tǒng)對環(huán)境的影響；（5）提高供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。

智能電表是智能電網(wǎng)的重要組成部分，可提高電網(wǎng)中電力潮流和電壓的可視化程度，尤其是在目前測量裝置數(shù)量非常有限的低壓電網(wǎng)中。關于智能電網(wǎng)的實現(xiàn)細節(jié)仍在研究中，它將因各國不同的情況而異。而智能電網(wǎng)概念對不同類型、不同容量的分布式發(fā)電機組所產(chǎn)生的重要影響仍存在一些問題。

4 分布式發(fā)電系統(tǒng)的技術特點及其發(fā)展意義

一個現(xiàn)代化大型電力系統(tǒng)的常規(guī)配置具有諸多優(yōu)勢。大型發(fā)電機組運行高效且僅需相對較少的運行人員。與之互聯(lián)的高壓輸電網(wǎng)支持在任何時刻可調(diào)度最高效的發(fā)電設備，以有限的電力損耗實現(xiàn)大量電能的遠距離傳輸，同時盡可能減少電力儲備。配電網(wǎng)設計只支持單向的電力潮流，由用戶的電力負荷決定其規(guī)模。

然而，為了應對氣候變化，許多國家制定了增加可再生能源利用和減少電能生產(chǎn)中溫室氣體排放的雄偉目標。而許多發(fā)達國家的氣象學家及決策者則認為，溫室氣體的排放必須減少80%才可能實現(xiàn)到2050年全球平均氣溫較現(xiàn)在的升幅不超過2 ℃的目標。

與公路運輸和民用航空運輸?shù)刃袠I(yè)相比，電力行業(yè)溫室氣體減排目標的實現(xiàn)更簡單直接，因此可能要承擔相當大的減排目標份額。目前，世界范圍內(nèi)，大多數(shù)政府通過財政手段鼓勵可再生能源發(fā)電，包括上網(wǎng)電價補貼、配額限制、碳交易和碳稅，為可再生能源技術的發(fā)展提供了成本效益最大化的專門通道。目前，已成熟的發(fā)電技術包括風力發(fā)電、小水電、太陽能光伏發(fā)電[10]、沼氣發(fā)電、城市廢物利用、生物質(zhì)能和地熱發(fā)電。新興技術包括潮汐能發(fā)電、波浪能發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。

可再生能源的能量密度比化石燃料低很多，因此其發(fā)電單元規(guī)模較小且地理位置分布廣泛。例如，風力發(fā)電需位于風能豐富的地區(qū)；而生物質(zhì)能發(fā)電由于燃料能量密度相對較低，受其燃料傳輸成本限制，規(guī)模有限。上述小型發(fā)電單元容量通常在50～100 MW，并接入配電網(wǎng)。如果為此類可再生能源發(fā)電建設專門的線路[11]，則既不經(jīng)濟也不環(huán)保，因此應充分利用原來專為用戶負荷供電敷設的配電線路。此外，許多國家可再生能源發(fā)電由企業(yè)投資建設而非電網(wǎng)規(guī)劃，同時需依據(jù)實際的資源情況生產(chǎn)發(fā)電而非集中調(diào)度。

熱電聯(lián)產(chǎn)模式可利用熱電廠發(fā)電產(chǎn)生的余熱，用作工業(yè)生產(chǎn)或供暖，以此有效提高整體能源效率，目前已得到廣泛應用。由于遠距離輸送熱電廠的低溫余熱并不經(jīng)濟，因此有必要將熱電聯(lián)產(chǎn)電廠建立在熱負荷周圍。這導致熱電聯(lián)產(chǎn)相對規(guī)模較小，地理位置分散，并接入配電網(wǎng)。雖然熱電聯(lián)產(chǎn)機組原則上可以進行集中調(diào)度，但其往往是為了滿足安裝用戶的供暖和電力需求，而非公共供電系統(tǒng)的需求。

微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置可用于取代家用的燃氣供暖鍋爐，可使用斯特林或其他熱力發(fā)動機為住宅供暖和供電。它通常是為了滿足住宅供暖或熱水的需要，同時可以產(chǎn)生適量的電能來補償室內(nèi)的部分用電。而微型熱電聯(lián)產(chǎn)機組接入配電網(wǎng)可直接向電網(wǎng)供電，但這些微型熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電經(jīng)濟效益較低，因此在發(fā)電方面尚無較高的吸引力。

在分布式發(fā)電發(fā)展過程中，電力行業(yè)的市場結(jié)構(gòu)占有重要地位。雖然丹麥早期采用風力發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)的垂直一體化模式的電力系統(tǒng)給出了一個有趣的反例，但一般自由化的電力市場環(huán)境和開放式的配電網(wǎng)可為分布式發(fā)電提供更多的發(fā)展機遇。

5 分布式發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的技術影響

5.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的經(jīng)濟影響

分布式發(fā)電模式改變了電網(wǎng)潮流，并因此改變了電網(wǎng)損耗。如果一個小型的分布式發(fā)電安裝在大型負荷附近，由于負荷可以從臨近的發(fā)電單元獲得有功或無功功率，所以將降低電網(wǎng)損耗。相反，如果一個大型分布式發(fā)電遠離負荷，則配電系統(tǒng)損耗可能隨之增加，而電網(wǎng)負荷增加導致的電量變化會引起更復雜的情況。

一般情況下，配電網(wǎng)中的高負荷意味著需要運行昂貴的集中式發(fā)電裝置。因此，任何分布式發(fā)電系統(tǒng)在此期間運行都將降低網(wǎng)損，并顯著影響電網(wǎng)運營成本。目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)通常不參與配電網(wǎng)的電壓控制。

分布式發(fā)電系統(tǒng)也可替代一部分配電網(wǎng)容量。但是，分布式發(fā)電尚無法代替輻射狀饋線，因為孤島運行是不允許的，且為了充分利用獨立運行的可再生能源發(fā)電，還需對電網(wǎng)進行擴展。目前大部分高壓配電線路采用成對配置或環(huán)網(wǎng)配置，所以分布式發(fā)電系統(tǒng)可降低對配電設施的需求。

5.2 分布式發(fā)電系統(tǒng)對輸電系統(tǒng)的影響

與接入配電系統(tǒng)類似，分布式發(fā)電的接入將改變輸電系統(tǒng)中的潮流。因此，輸電損失也會相應改變，通常會隨之減少。而在環(huán)形輸電網(wǎng)中，電力潮流減少，對設備的要求也會相應降低。

5.3 分布式發(fā)電系統(tǒng)對集中式發(fā)電的影響

分布式發(fā)電對集中式發(fā)電的主要影響是降低了集中發(fā)電輸出功率的平均值，但往往同時也增加了方差。在一個大型電力系統(tǒng)中，通過發(fā)電調(diào)度可以精確預測用戶的用電需求。分布式發(fā)電為這些預測帶來了更多不確定性，因此可能需要增加備用電源。

目前，可通過預測風速來預測風電場輸出功率大小，通過預測熱量需求來預測分布式熱電聯(lián)產(chǎn)輸出是相對傳統(tǒng)的方法。長期以來，對風力發(fā)電功率的預測具有諸多技術優(yōu)勢，其對電能交易也具有重要影響。然而，這些預測對傳統(tǒng)發(fā)電機調(diào)度的技術協(xié)助微乎其微，因為其對預測的可靠性要求非常高。

由于在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中加入了分布式發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率必須能夠置換集中式發(fā)電相同功率的輸出，以維持整體負荷/發(fā)電的功率平衡。在分布式發(fā)電輸出有限的情況下，影響主要會導致集中式發(fā)電減載，但仍需維持運行及可控輸出。然而，隨著越來越多分布式發(fā)電系統(tǒng)的加入，必須斷開與集中式發(fā)電的連接，從而降低了系統(tǒng)可控性和頻率調(diào)節(jié)能力。類似的結(jié)果是，由于集中式發(fā)電被替換，無功容量會相應減少，且難以維持輸電網(wǎng)的電壓分布。

6 分布式發(fā)電系統(tǒng)的應用前景展望

目前，分布式發(fā)電系統(tǒng)依然被視作一類發(fā)電方式，而其較難提供一般電力系統(tǒng)所需的其他輔助服務。其中，部分原因在于分布式發(fā)電系統(tǒng)的技術特點，最主要的原因是分布式發(fā)電目前的運營和激勵機制依然受行政及商業(yè)環(huán)境限制，即其僅可作為一種能量來源。然而，隨著可再生能源發(fā)電接入輸電網(wǎng)技術要求逐漸應用到大型分布式發(fā)電領域，上述情況正在發(fā)生改變。

在部分國家，分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電的滲透已經(jīng)開始引發(fā)電力系統(tǒng)的運行問題，這在丹麥、德國、西班牙等分布式發(fā)電及可再生能源發(fā)電滲透率較高的國家已有相應報道。至今為止，人們依然在強調(diào)將分布式發(fā)電并網(wǎng)，以加快各種形式分布式能源的發(fā)展，卻忽略了將其納入電力系統(tǒng)的整體運行。

目前，分布式發(fā)電并網(wǎng)通常基于免維護策略。該策略符合傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)的設計和運行需求，導致配電基礎設施效率低、投資成本高。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)允許任意負荷（以及分布式發(fā)電系統(tǒng)自身）組合的同時接入，且仍然能為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能。

此外，分布式發(fā)電系統(tǒng)支持被動電網(wǎng)運行和簡單的本地發(fā)電控制，可在電力生產(chǎn)方面取代集中式發(fā)電的位置，而系統(tǒng)控制和安全性仍需通過集中式發(fā)電方式來實現(xiàn)。該類并網(wǎng)方式一定程度上限制了分布式發(fā)電技術的發(fā)展，同時增加了投資和運行成本，破壞了電力系統(tǒng)的完整性和安全性。

因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)必須承擔一部分傳統(tǒng)大型發(fā)電廠的責任，為保障系統(tǒng)安全運行提供必要的靈活性和可控性。分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入使得配電系統(tǒng)運營商需發(fā)展主動配電網(wǎng)來共同保障系統(tǒng)的安全，以此體現(xiàn)了從傳統(tǒng)集中控制到分布式控制模式的轉(zhuǎn)變。

通過將分布式發(fā)電和可控負荷充分納入電網(wǎng)運行，將為系統(tǒng)提供一些原來由集中式發(fā)電提供的輔助服務。此時，分布式能源將不僅能夠取代集中式發(fā)電的作用，還兼具其控制能力，減少了運行維護所需的集中式發(fā)電容量。為了實現(xiàn)這一目標，配電網(wǎng)的實際運行將從被動變?yōu)橹鲃?，需要將現(xiàn)有的控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌姆植际娇刂颇Ｊ剑òㄐ枨髠?cè)管理），從而提高系統(tǒng)的控制能力。

7 結(jié) 論

隨著相關技術的不斷完善與優(yōu)化，分布式發(fā)電系統(tǒng)將會有著更加廣闊和美好的應用前景，將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)電廠為普通用戶供給電能，而集中發(fā)電系統(tǒng)將繼續(xù)運行以提供維持電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性所需的輔助服務。