分布式电源互补运行与电能质量改善
随着世界经济的快速发展和工业化进程的加快，能源需求与日俱增，可再生能源因其资源丰富、无污染等优点近年来得到快速发展，而可再生能源发电呈现的局部不稳定性和整体规律性使得不同的能源之间的互补运行可以得到更好的有效利用。在此背景下，首先分析了分布式电源互补运行的必要性，对分布式电源互补体现的优点进行了总结；其次对互补发电的常见类型进行了阐述，分析了不同分布式电源互补运行的可行性，并列举出了分布式电源互补发电的实例；最后对分布式电源接入电力系统可改善电能质量的能力和潜力进行了分析，对分布式电源的实际应用具有参考价值。
引言
能源是人类生存和发展的基础，人类的每一次进步都离不开能源结构的发展和改进。随着经济的发展，人类对能源的需求不断增加，污染加剧，寻求和利用新能源成为最佳解决方法，因此资源丰富、无污染的可再生能源的发展逐渐得到重视。而分布式发电技术可以就地向附近用户供电，改善电压波动和电能传输损耗，使可再生能源得到了有效利用。然而，风能、太阳能等清洁能源具有不稳定性，独立运行的单一分布式电源的弃风、弃光现象严重，很难维持整个供电系统的频率、电压稳定以及保障系能源的利用效率。
分布式电源具有多样性，而且它们的变化规律各不相同，比如风能利用一般在晚上，而光伏发电利用在白天，两者联合运行可以达到互补的效果，同时风光也存在季节性的互补，光伏发电产生的能量在春季更丰富，风能相反，在秋冬更丰富。因此在远离大电网的隐蔽山区，一般可以采用多种分布式电源联合运行，让各种发电方式在一个系统内互为补充，通过它们的协调配合来提供稳定可靠的、质量较高的电能，在明显提高可再生能源可靠性的同时，还能提高能源的综合利用率。这种多类型分布式电源联合运行的方式，我们称之为互补发电或者分布式电源的互补运行。
本文针对分布式电源对系统电能质量的影响问题，对分布式电源互补运行的必要性进行分析，并对国内一些相关应用实例进行介绍，将互补发电的常见类型进行总结，最后对分布式电源应用带来的电能质量改善问题进行了分析。
1分布式电源互补运行的必要性
1.1常见的分布式电源特性
我国幅员辽阔，地形多样，因此风能、太阳能资源十分丰富。风能和太阳能是目前众多可再生新能源中，应用潜力最大、最具开发价值的两种，取之不尽，用之不竭。近些年我国风力发电和太阳能光伏发电技术的发展都很快，其独立应用技术已经日趋成熟，风机和光伏发电的装机容量也逐年递增，改变了传统的集中式发电方式。
我国某地一天内风能和太阳能变化曲线如图1所示。利用风能、太阳能的互补特性，可以获得比较稳定可靠的功率输出，在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。风力发电、光伏发电在近几年发展迅速，也带动了风－光互补发电的发展应用，在未来将有着巨大的商业开发前景。对于用电量大、用电要求高，远离大电网，而风能资源和太阳能资源又比较丰富的地区，风－光互补供电无疑是最佳选择。
在遇到风力发电的规模较大的情况，在现有的经济技术条件下，用光伏发电进行互补的效果将会受到限制。考虑我国的水资源丰富，且具有明显的季节特性，夏季和秋季处于丰水的状态，冬季和春季属于枯水的状态，这与我国大陆季风性气候形成的冬春季风资源丰富，夏秋季风资源较少的状态形成互补，因此在我国某些无法实现风光互补的地区可以考虑进行风—水互补。
然而，在很多边远或孤立地区，柴油发电机组是提供必要生活和生产用电的常用发电设备。不过，柴油价格高，运输不便，有时还供应紧张，因而柴油机发电的成本很高，往往还不能保证电力供应的可靠性。而在这些边远地区，尤其是高山和海岛，往往太阳能和风能资源比较丰富，可以因地制宜地用这些可再生新能源与柴油机联合发电运行。风电或光伏发电与柴油发电机组并联运行，一方面可以节省燃料柴油，降低发电成本；另一方面，还可以充分利用可再生能源，减轻发电可能造成的环境污染，并保证供电的连续性和可靠性。
除了风能、太阳能等可再生能源以外，燃料电池也可以用于互补联合发电系统。燃料电池发电是目前世界上最先进的高效洁净发电方式之一，技术已经渐趋成熟。而属于常规发电方式的燃气轮机发电，技术已经比较完善，效率较高（与其他方式联合运行时效率可高达60％-70％），而且氮化物、一氧化碳等污染物的排放量也很少。
图1我国某地风光功率变化
1.2分布式电源互补的必要性
分布式电源（尤其是基于可再生能源的分布式电源）互补发电，具有明显的优点，如表1所示。
2互补发电的常见类型
理论上，只要资源条件允许，任何几种新能源发电方式都可以互补应用。然而由于各种各样的条件限制，目前新能源互补发电方式中，实际应用较多的是风能—太阳能互补发电、风能—水能互补发电等。另外，新能源发电也可以与燃气轮机等小型常规发电方式互补应用。
2.1风－光互补发电
风－光互补发电系统，一般由风力发电机组、太阳能光伏电池组件、储能装置（蓄电池组）、电力变换装置（整流器、逆变器等）、直流母线及控制器等部分构成，向各种直流或交流用电负载供电。图2为风－光互补发电系统的基本结构示意图。
图2风－光互补供电系统的基本结构示意图
风电机组和光伏电池用于将风能和太阳能进行转换。蓄电池组等储能装置的作用是临时储存过剩的电能，并在需要时释放出来，保证整个系统供电的连续性和稳定性。直流母线和控制器的作用是对发电、用电、储能进行能量管理和调度。风力发电输出的电能一般是交流电，光伏发电输出的电能一般是直流电。在进行能量管理和向交直流负荷供电时，往往需要进行电力变换（把交流电变为直流电的过程称为整流，所用的装置是整流器；把直流电变为交流电的过程称为逆变，所用的装置是逆变器）。逆变器可以转换电流形式，向众多常见的交流用电设备提供高质量的电能，同时还具有自动稳压功能，可改善风－光互补发电系统的供电质量。
风—光互补实例：青海省黄南藏族自治州泽库县和日乡叶贡多寄宿小学的4千瓦风－光互补发电系统，完成系统安装调试并投入运行。该系统由浙江省科技厅援建，总投资25万元的，由2千瓦太阳能电池板光伏阵列及旋转式光伏阵列支架、2千瓦风力发电机及支架、蓄电池、充电器、逆变器、控制系统等组成，一举解决了叶贡多寄校近200名师生的教学、生活用电问题。
位于那曲县香茂乡的风－光互补发电站，总投资210万元，由20套1千瓦的户用型风力发电系统和20千瓦风－光互补型集中供电系统组成，总功率为40千瓦，单台风机功率为10千瓦和5千瓦。该电站户用系统分别采用400瓦光伏、600瓦风能和300瓦光伏、700瓦风能两组风－光互补组合体。该电站的建成和投入使用，将解决该村58户近400人的用电问题。
新疆哈密风电基地二期8000MW风电开发建设方案中，配套建设1250MW光电，其中，光电450MW布置于风间带，既节约了土地资源，又可与风电共用输电线路，提高了输电线路利用率。
2.2风－水互补发电
在我国某些无法实现风光互补的地区，经过详细的调研，进行合理的发电容量配置，可以充分发挥风能和水力资源的各自优势，通过两种可再生新能源的互补，在一定程度上解决新能源发电的间歇性和波动性问题。风－水互补发电，可以避免水力发电在枯水季节发电量不足的问题，也可以通过共用输配电设备节省建设投资，是一种比较经济有效的大规模新能源利用方式。
风—水互补发电的另一种形式是抽水蓄能与风电互补，其主要作用方式是利用蓄能电站的储能作用，进行风能的储存和转化。抽水蓄能电站建设地点有更大的选择余地，通过吸收风电多余的输出电量实现抽水功能，在本地电网内与风电互补，进行低谷蓄能、高峰发电，作为风电的“蓄电池”和“调节库”，可平抑风力的不稳定性对电网的影响，提高本地电网接纳风电能力，提高电力系统安全稳定经济性。
风—水互补实例：新疆阜康抽水蓄能电站位于乌昌电网，距负荷中心较近，达坂城、小草湖风电场距离乌昌电网较近，阜康抽水蓄能电站建成后，除承担系统调峰、填谷、调频、紧急事故备用外，将可协助消纳风电4000MW，提高乌昌电网接纳风电的能力和安全稳定经济性。
2.3风－光－柴互补发电
光伏－柴油混合型发电系统同风力－柴油联合发电系统的设计思想和基本特点是类似的。不过，其中光伏发电系统对逆变器的要求较高，既要有较高的效率和可靠性，还要能适应因光照变化造成的直流电压变化。其发展在一定程度上取决于光伏逆变器的技术水平和成本。当然也可以采用风－光－柴联合发电运行的方式，如图3所示。这种多能源互补系统与风—柴联合发电相比，更能减少发电的柴油用量和环境污染。此外，还可以使用沼气发电等代替柴油发电机组。在系统设计时应适当选择柴油发电机组的容量，尤其是要考虑风－光互补性较差的时段和季节，以及负载供电连续性和稳定性的要求。
图3风－光－柴互补联合发电系统结构图
新能源与柴油发电机组联合发电，已经成为世界各国在风能和太阳能利用方面颇受瞩目的方向之一。其优点包括：联合运行，互补发电，供电的连续性和可靠性好，在新能源发电输出随机变化的情况下，也可以24小时不间断供电，并且可以具有较好的电能质量；节省燃料能源，环境污染少，普通的风柴互补系统可以节省30-100%的柴油用量；功率变动范围小，所需的储能设备（蓄电池等）容量小；投资少，见效快；对燃料的依赖程度低，对新能源综合开发利用，适用范围很广。
风—光—柴互补实例：甘肃某地区建成了4千瓦的风—光—柴互补供电系统，其中柴油机主要用作备用电源。该系统运行良好，可靠地解决了建设单位的日常用电问题。目前，正在运行的比较先进的风—光—柴互补发电系统，有我国建造的30千瓦的风—光互补联合发电系统，德国的风—光—蓄（电池）联合系统，等等。
2.4微型燃气轮机－燃料电池互补发电
燃料电池与微型燃气轮机联合发电系统，有着非常好的发展前景。尤其是高温燃料电池的工作温度与燃气轮机的工作温度相匹配，两者组成联合发电系统具有更高的效率。商用固体氧化物燃料电池和微型燃气轮机联合循环发电效率可以高达60%～75%，是目前矿物燃料动力发电技术中效率最高的。2006年，美国能源部和西屋电器公司就建成一个250千瓦的固体氧化物燃料电池与燃气轮机联合循环示范电站，其中燃料电池和燃气轮机的发电容量分别为200千瓦和50千瓦。据称，燃料电池与微型燃气轮机联合发电系统的潜在效率可高达80%。
3利用分布式电源改善电能质量
虽然分布式电源的引入会给系统带来一些电能质量问题，但是分布式电源也存在改善电能质量的潜力。
3.1利用分布式电源启停便捷改善电能质量
分布式电源单机容量小、机组数目多，分布也比较分散，启动和停机便捷迅速，运行控制具有很强的灵活性。在相关控制策略下，分布式电源只需很短的时间就可以投入使用，也可以根据需要迅速退出运行。如果分布式电源能够在电网发生故障和扰动时继续保持运行，或者能转做备用电源，对于减小停电范围或者缩短停电时间都是很有帮助的，对于很多节点的电压暂降问题也都有抑制作用。
3.2利用分布式电源方便调控改善电能质量
分布式电源和电力用户距离很近，容易实现有功功率的就近提供和无功功率的就近补偿，而且输电损耗小[9]。在传统的配电网中，当用户负荷突然大量增加或大量减少时，供电线路的电源会明显降低或升高，造成明显的电压偏差。如果用户负荷的变动数量大而且是动态变化，那么还会造成电压波动与闪变等问题。当分布式电源与当地负荷能够协调运行（分布式电源输出与负荷同步变化）时，将抑制系统电压的波动。具体而言也就是，若能将分布式电源也纳入电网的统一调度管理，那么在用户负荷突然大量增加或减小时，就可以根据负荷的变化相应调整分布式电源的输出功率，从而对负荷的功率变动进行补偿，抑制电压的大幅度波动。
3.3利用分布式电源专配的补偿装置改善电能质量
分布式电源并网可能会给配电网带来电能质量问题，这个是阻碍分布式电源接入电网的重要因素。所以很多分布式电源在接入电网时，往往都配备一些无功补偿装置或储能装置。这些补偿装置并联接在分布式电源的接入点，在对分布式电源本身的电能质量问题进行补偿的同时，也必然对配电网中原有的电能质量问题有改善作用。
3.4利用分布式电源的并网换流器改善电能质量
分布式电源的并网换流器，与有源电力滤波器、静止无功发生器等电能质量调节装置所用的电路结构和控制技术有很大程度的相似性，这就为两类设备的优化配置提供了可能性。优化配置系统利用现有电力电子设备吸收或释放有功、无功，从而不仅实现了电能的传输转换，而且改善了系统的电能质量，减少了系统的额外投资。
分布式电源并网换流器大都采用脉宽调制（PWM）技术。这些逆变电源可以向电网提供正弦的电压、功率因数为1的电能。但是受到自然能源的波动性的影响，输出能量并不稳定，这也造成并网换流器的容量往往要大于实际的分布式电源的发电容量，也就是说在运行过程中并网换流器存在很大的容量冗余。可以考虑利用这部分容量，通过采用合适的控制策略在并网换流器中加入特定的功能，达到改善电能质量的作用。需要注意的是分布式电源自身的电力电子转换设备不可能完全代替传统电网中改善电能质量的技术设备。但是，如果将分布式电源应用到配电网的柔性电力技术中去，不仅可以提高电能质量水平，还可以减少无源滤波器和有源滤波器的使用，节约大量的谐波治理的投资，会带来巨大的经济和社会效益。
4总结
随着环境污染的加剧，清洁无污染的可再生能源的有效利用问题成为各国学者研究的热点。而新能源发电并网多以分布式的方式存在，且每种分布式电源都具有各自的特点，某种程度上具有互补的特性，配置合理时可以提高能源的利用率，改善系统电能质量。因此，本文对分布式电源互补问题展开了讨论。首先介绍了分布式电源互补运行的概念和优点，列举了分布式电源互补发电的常见类型，包括风－光互补、风－水互补等，并给出了具体的应用实例，最后分析了利用分布式电源改善电能质量的能力和潜力，对于分布式电源的建设与应用具有参考价值。
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