第一章緒論§1-1分布式發電起源

§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

§1-3分布式發電系統中控制和通信技術

3/8/2023§1-1分布式發電起源

集中發電、遠距離輸電和大電網互聯的電力系統存在的弊端不能靈活跟蹤負荷的變化。大型互聯電力系統中，局部事故極易擴散，導致大面積的停電；電力系統越龐大，事故(如雷擊)發生的概率越高。分布式發電指的是通過規模不大(幾十千瓦~幾兆位)、分布在負荷附近的發電設施實現經濟、高效、可靠地發電。一、從集中發電到分布式發電

分布式發電并不是一個全新的概念，直到電能可以完全商業化取代蒸汽、水力、直接燃燒等能量驅動負載之前，所有電能的產生都分布于需要能源的設備或設施附近，以分布式發電方式對負載供電。從電力工業初期階段開始，電能一直在與燃油爭奪消費者。燃料油的規模經濟使得大范圍的市政照明成為可能，然而規模經濟并不能對油燈的缺點起任何作用。愛迪生建立了第一個電力系統，該系統仿照燃油照明工業，能量的輸送通過虛擬的管道給燈絲而不是給油燈提供能量。3/8/2023§1-1分布式發電起源

為減少生產單位功率電能費用，電能不可避免地采用了集中生產、分配和系統管理的方式。最初的電力系統建立在空曠的區域，沒有任何服務設施，系統是孤立的，不與任何其他系統連接。到了20世紀20年代末期，電力網絡一個又一個相互連接，并帶來了明顯的優點，如共享峰值負荷、能量互為備用等，使得系統的規模不斷的增大。電力系統規模的擴大并沒有限制技術的進步，最初為太空飛船開發的燃料電池，為噴氣式飛機提供動力的渦輪發動機，太陽能發動機、光伏發電系統和風力發電系統等綠色能源在電力和能源市場上找到了自己的位置。迅速發展的通信技術和微處理器技術為新的發電方式提供了所需要的監測、傳輸和分配結構。3/8/2023§1-1分布式發電起源

二、分布式發電概述分布式發電技術包含小型燃燒渦輪發電機、往復式內燃發電機、光伏電池陣列和燃料電池等。分布式發電對電力系統和用戶來說是多用途的，可以作為備用發電容量、削峰容量，也可承擔系統的基本負荷，還可實現熱電聯產同時為用戶提供電能和熱能。對于電力系統的運行，分布式發電還可起到電壓自動調節、電壓穩定、系統穩定、電氣設備的熱起動和旋轉動能貯備等作用。分布式發電技術的應用對環境污染減少也起著重要的作用。在市場經濟的推動下，電力結構的調整激勵人們考慮分布式發電技術。在電力結構的重組中，中樞電力設施遭受著非常繁重的費用負擔，而采用分布式發電技術可避免這些費用。在旋轉動能貯備容量較小、工業和商業用戶的用電和輸配電受到潮流限制的地區，可優先發展分布式發電。3/8/2023§1-1分布式發電起源

推動分布式發電技術發展的另一個因素是日益緊張的能源。分布式發電技術是一個具有一定破壞性的技術，如果采用陳舊的技術，則可能使得其經濟或技術性能比傳統的集中發電技術還差。表1-1可實用化的分布式發電技術技術參數內燃發電機微型渦輪發電機光伏電池陣列燃料電池功率調度能力有有無有容量50kW~5MW25kW~25MW1kW~1MW200kW~2MW效率(%)3529~426~1940~57安裝費用/($/kW)200~350450~100066003750~5000運行維護費用/($/kW·h)0.010.005-0.00650.001-0.0040.0017NOx/(kg/kJ)天然氣0.30.1－0.003~0.02油3.70.17－－技術狀態商業化大容量商業化商業化商業化3/8/2023§1-1分布式發電起源

1.內燃發電機組柴油機和四沖程汽油發動機具有最豐富的實際運行經驗，其單機價格在所有分布式發電技術中是最低的。采用內燃發動機的主要缺點如下：維護費用在所有的分布式發電技術中為最高。氧化氮的排量在所有分布式發電技術中最高。噪聲太大，主要為低頻噪聲，比其他分布式發電更難控制，采用適當的技術減小是可能的。內燃發電機組的優點是：安裝費用最少。效率比較高，可達32%~36%。在建筑物中可實現熱電聯產。模塊化設計非常好，具有幾乎可以與任何建筑物內的負荷匹配的機組(千瓦~兆瓦級)，帶部分負荷時的效率高。3/8/2023§1-1分布式發電起源

2.微型渦輪發電機組微型渦輪發動機是布雷頓發動機，采用空氣和天然氣產生軸向的機械功率。圖中渦輪發動機采用雙軸結構，也可采用單軸結構，即在一個加長的軸上同時帶有壓縮機和負荷。電能可由安裝在微型渦輪發動機輸出軸上的永磁發電機或通過減速齒輪機構傳動的同步發電機產生。3/8/2023§1-1分布式發電起源

下圖為10kW微型渦輪發電機，圖中沒有包含回流換熱器。在大部分渦輪發電機組中都采用回流換熱器，因為大約一半的工作流體的熱能可從燃燒氣體的排氣中轉換回來。3/8/2023§1-1分布式發電起源

沒有回流換熱器時，微型渦輪發電機的總效率只有15%~17%，而當采用85%的回流換熱器時，微型渦輪發電機的總效率可達33%。不帶回流換熱器的微型渦輪發電機其燃燒室只能產生較小的電能，其熱能可供給熱力系統，組成熱電聯產系統。微型渦輪發電機組吸引人的性能為安裝費用低、效率高(30%~33%)、廢氣排量適中、在工業和建筑物中可實現熱電聯產以及優良的模塊化結構。3.光伏電池陣列光伏電池直接將太陽光中充滿能量的光子轉換為電能。光伏電池系統主要優點是無廢氣排放、沒有化石燃料消耗、與建筑物集成的模塊可聯合生產低溫熱能為房間供暖、模塊化結構、幾乎不用維護及優良的帶部分負荷效率等。3/8/2023§1-1分布式發電起源

4.燃料電池

燃料電池是將氫和氧不經燃燒，而是通過催化劑直接產生電能的裝置。燃料電池的種類有：磷酸燃料電池，其運行溫度為150℃；質子交換膜燃料電池，運行溫度為94℃；熔融碳酸鹽燃料電池，運行溫度為650℃；固體氧化物燃料電池，運行溫度為700℃。目前燃料電池生產電能的費用太高，不能與常規發電系統生產的電能競爭，隨著批量生產的實現，價格將下降很多。燃料電池是除了可更新能源外唯一真正清潔的生產電能的方式。3/8/2023§1-1分布式發電起源

制約燃料電池應用的關鍵問題是價格太高、氫氣的大規模生產、不確定的維護費用以及某些燃料電池不能承受建筑物內負荷變化的暫態響應等因素。燃料電池主要的優點有：副產品是水、氧化氮的排量非常低、效率非常高，可達50%~60%以及優良的模塊化結構等。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

一、分布式發電的經濟性經濟性是分布式發電設計評估和系統運行應重點考慮的問題，因為它是回答下述最基本問題的工具：分布式發電系統到底應該多大，它是否能夠承擔所有的電氣負荷，還是只承擔平均負荷。分布式發電生產的電能價格如何，能否與其他能量資源競爭。擁有分布式發電系統的經濟利益如何，是否值得投資。對于一棟建筑物所需電力和燃油消耗率，是否值得安裝一套分布式發電系統。分布式發電系統的費用包括兩項：初期投資——建立一個分布式發電系統的費用，例如建立一套微型渦輪發電機系統的一次性投資。運行費用——維持和運行一套系統的費用，例如一套微型渦輪發電機系統的年維護和運行費用。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

系統的贏利應根據分布式發電系統的經濟壽命來累計。假設一個100kW的分布式發電系統以額定容量運行一年(8760h)之中的8000h，如果電力系統的電價為0.05$/kW·h，則此分布式發電系統的年贏利為B=(100kW×8000h/年)×0.05$/kW·h=40,000$/年安裝該系統的費用為1200$/kW，或總費用為120000$。如果所有費用按8年來支付，則年付款(不考慮利息)為A=120,000$/8=15000$/年從表面上來看，采用該分布式發電系統的年贏利為25000$。上述粗略計算忽略了下述一些關鍵的因素：現金的花費，如果8年的年利率為8%，則將增加年費用6000$。設備的維護費用取決于采用的技術，可能每年要增加7000$。燃料費用取決于當地的燃料價格，可能每年要增加3000~4000$。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

因此考慮了所有的費用后，本來是切實可行的項目就達到了差不多投資和贏利平衡的邊緣。如果分布式發電系統產生的熱能可就地利用的話，將減少電能生產相關的燃料費用三分之二左右；如果政府支持分布式發電系統，投資的貸款利率可能降低。結合上述有利因素，分布式發電的經濟性還是很有吸引力的。評價分布式發電系統的經濟性可采用下述三個指標：償還周期。內部返回率，定義為分布式發電系統為其擁有者產生的收入率。生存周期費用。在生存周期費用和內部返回率中考慮的費用主要有現金的花費、分布式發電系統投資費用、維護費用、保險費用、運行費用、燃料費用和稅。而收入主要為電費、熱能費、電能質量改善相關贏利、分布式發電系統能夠提供的其他輔助服務以及環境方面的收益等。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

二、能源與環境的關系分布式發電技術具有的潛在的環境方面的優勢可能是其進入受保護的電力市場的關鍵因素。傳統的電力工業是空氣污染的主要根源。占67%發電量的化石燃料電廠釋放的氣體中，直接對人類健康有害的成分有二氧化硫、氧化氮、灰塵、揮發性的有機成分、一氧化碳以及包括鉛和水銀的各種重金屬等。在太陽光和熱的作用下，揮發性的有機成分與氧化氮化合將形成臭氧。其他氣體可能對環境存在間接的影響，如二氧化碳對全球氣溫變暖的影響。除燃料對環境的影響外，電廠的廠址對空氣污染的影響也非常大，當考慮電廠廠址周圍環境時，廠址的選擇是非常重要的，因為處于下風的地區將存在大范圍的空氣污染。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

經過許多年按計劃經濟市場結構的運行，電力工業面臨巨大變革，包括新的發電和輸電技術以及與競爭和規章有關的政策的轉變。電力工業的重組可減小和轉變政府在該行業的作用，總的意圖是促進經濟的發展。單純從經濟效益方面的考慮可能將導致在其他方面付出更大的代價。與電力工業重組相關的環境方面，競爭的電力市場可能導致污染排放的增加。電力工業重組相關的環境方面，競爭的電力市場可能導致令人討厭的污染排放的增加。電力工業的重組與因而產生的環境影響之間的關系不是簡單的關系，最終產生的環境方面的效果取決于對下述兩個方面的動態過程的平衡所作出的決定：第一個方面是電力需求的平衡。3/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

第二個方面是或者采用當前使用的環境保護規章制度，或者促進將來的環境保護規章制度的頒發的決定。三、分布式發電技術的環境屬性表1-2不同發電技術的空氣污染排放特點采用的技術污染物NOx/(g/kW·h)CO2/(g/kW·h)CO/(g/kW·h)SO2/(g/kW·h)常規發電煤0.1~255.90.07~2.55天然氣0.005~131.70.3殘余燃料油0.05~146.8分布式發電微型渦輪發電機0.41190.110.0006內燃發電機(汽油)3.11190.790.0015內燃發電機(柴油)2.81501.50.3燃料電池0.0030.02043/8/2023§1-2分布式發電與經濟和環境的關系

在與分布式發電技術有關的氣體、液體和固體物質的排放中，分布式發電系統的空氣排放質量在允許的環境保護標準下，可能是影響項目實施的最強烈的因素。不同分布式發電技術的空氣污染排放相差很大，燃料電池是最清潔的，然后是微型渦輪發電機組和內燃發電機組。與常規的發電技術相比，分布式發電設備的每千瓦小時的空氣污染排量減小了很多。3/8/2023§1-3分布式發電系統中控制和通信技術對于優化的市場運行，即在一個公開的市場中，可從不同分布式電源買電和賣電這樣新涌現的能源競爭環境，分布式電源的集中管理和控制是必不可少的。電力公司一般都裝配了可對整個系統實現中央集中控制的SCADA系統，這些系統是專門設計的，已經在系統中運行了很長的時間。這些系統不是為動態分布式發電市場而設計。管理分布式發電的通信和控制技術必須解決多個供應商、動態用戶、市場產生的容量以及變化的發電資源等方面帶來的問題。一、分布式智能控制在當今的電力工業中，中央電廠仍將繼續起到非常重要的作用，但對更小型的、清潔的分布式發電的需求在不斷地增加，這樣的系統需采用先進的電力電子控制技術。分布式發電系統復雜的連接關系將帶來大量的信息和功率交換，采用先進的電力電子控制技術處理這些信息是絕對基本的需要。3/8/2023§1-3分布式發電系統中控制和通信技術從信息處理的方面來看，應設計能與分布式、多用戶和動態分布式電源管理特性匹配的通信和控制系統。分布式智能控制的第一步：賣主通過建立網絡服務器將他們的產品在互聯網上銷售，網絡服務器為個人的資產提供遠距離監視和控制接口的能力。分布式智能控制的第二步：將許許多多不同的賣主組成的系統實現集中和協調的運行控制，進一步開發分布式計算、嵌入式控制和廣域通信尋址等技術。分布式智能控制的第三步：開發普遍適應的平臺，將用戶所需的服務送到用戶手中，而互聯網提供了最廣泛有效和增長最快速的平臺。二、分布式發電通信和控制系統可采用的技術1.分布式控制

分布式控制是指用于解決由很多很小的互相關聯的子問題組成的復雜控制問題