第2期(总第138期)
2007年4月
山 西 电 力
SHANXI ELECTRIC POWER
No12(Ser1138)
Apr12007
分布式发电及其关键技术
张志坚1,王建东2,马 进3,王新平4
(11北京电力公司,北京 100031;21北京四方继保自动化股份有限公司,北京 100085;
31华北电力大学,北京 102206;41山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)
摘要:对分布式发电技术的概念、体系结构、作用及关键技术进行了综述。在简单分析了分布式发电技术得以重新兴起的原因后,从新能源技术与分布式发电技术在电力系统中的运用两个角度
详细讨论了分布式发电技术的实施关键,并对分布式发电技术为传统电力系统所带来的机遇与挑战进行了概述。
关键词:分布式发电;新能源利用;电力系统中图分类号:TM61 文献标识码:B 文章编号:167120320(2007)0220057205
:电源容量小,电,接近负荷中心,运行方式灵活。而这些特点也恰恰使分布式发电系统弥补了超高压、远距离输电的不足,满足了电力系统和用户的特定要求(如调峰、为边远用户或商业区供电等),成为电网规划及运行管理者关注的新课题。112 分布式发电的能源技术及其关键
分布式发电系统自身的特点决定了它不是采用煤作为一次能源,而大量采用环境友善的可再生能源。可以说,分布式发电技术是与新能源技术密切相关的。以下将对几种主要的分布式发电电源进行介绍,其工程造价及技术特点见表1。11211 太阳能发电技术太阳能发电技术分成太阳热能发电和光电发电两类。太阳热能发电是通过聚集太阳能,将某种工质加热,直接或间接地产生蒸汽,驱动汽轮发电机产生电能;光电发电即光伏电池,是利用光生伏打效应,将光能直接转化成电能,它是太阳能发电的主要形式。
太阳能发电的优点在于:太阳能取之不尽、用之不竭,不产生环境污染,不受地域限制,具有极大的便利性。光伏电池可以作为独立发电系统也可以并网运行。然而,如果要将太阳能电源成功的应用于分布式发电系统,其在技术上仍面临如下挑战。
a)进一步降低成本。在新能源中,太阳光伏电池发电的设备造价和成本都较高,价格竞争实力不足。目前国内完全商业化运作的并网光伏发电上
・57・
1 分布式发电的电源技术
111 分布式发电的定义
近几年的事,因此无统一的定义。涉足于该领域的制造商、电力零售商及用户对分布式发电有各自的诠释。本文将采用较为普遍的定义2作为分布式发电系统的定义,对分布式发电系统的特点及技术关键进行进一步的讨论。即任何靠近负荷的发电方式都称为分布式发电。这种定义不仅包含了采用再生能源的发电机组,也涵盖了任何位于负荷侧的采用常规能源的发电机组,它包括:安装于重要负荷,如医院、大工矿企业的备用柴油发电机组;根据用户对供电可靠性的要求,安装于负荷中心的小型发电机组;安装于变电站,用于提供无功支持及改善电能质量的同步调相机等。国外某些电力系统对分布式发电的规模有进一步的限制,将靠近负荷中心,装机容量少于“N”kW(或MW)的发电设备称为分布式发电系统,“N”的具体数值依不同的电力系统而异,
收稿日期:2006212207,修回日期:2007201230
作者简介:张志坚(19742),女,山西祁县人,2001年毕业于华北电
力大学电力系统自动化专业,硕士,工程师;
王建东(19752),男,河南林州人,2001年毕业于华北电力大学电力系统自动化专业,硕士,工程师;马 进(19752),男,山西太原人,2002年毕业于清华大学电力系统自动化专业,华北电力大学讲师,博士,副教授;
王新平(19712),男,山西平遥人,1993年毕业于大连理大学热化工程专业,高级工程师。
综述与专论
山 西 电 力
表1 主要的分布式发电电源造价及特点
2007年第2期
造价及特点功率范围/(kW)工程造价/(＄/kW)发电成本/(￠/kW・h)
环境影响输出功率特点
风力发电机
50～20001000～1500515～15
微型燃气轮机
30～751000～1500715～10
燃料电池
5～20003000～400010～15
光伏电池
1～1001500～650015～20
无废气排放、有噪
音、景观影响不平稳、受风力影响
有废气排放,但比常规发电机组污染轻功率平稳、调节性好
无污染功率平稳
无污染不平稳、功率密度低
网电价约为4元/kW・h,是常规能源发电上网电价的10余倍。据预测到2010年以后,光伏发电成本有望下降到018元/kW・h,那也将是普通电价的2倍。而光伏并网发电设备造价5万元/kW,也相当于火电造价的10余倍。因此,光伏发电目前还无法在负荷中心的变电站大规模推广。
b)阳光的能量密度低(白天最大为每平方米1kW略强),因此,有效的收集太阳能就显得尤为重要。
c)日辐射强度从白昼到夜晚始终处于变化之中,且从白天最大到晚上为零,无法获得平稳的电能。
率可设法克服第,电能输出的平稳性,,通过改进技术,来提高效率、降低成本是太阳能发电技术实用化的关键。11212 风力发电技术
风能是一种广义的太阳能,也是一种巨大的、无需补偿的可再生能源。风力发电主要有两种利用方式:一是作为独立电源向偏远地区供电,单机容量一般在100W到10kW;或将中型风力发电机与柴油发电机或光伏电池并列运行,组成混合供电系统,向相对独立的小的社区供电,这类小型混合供电系统的容量约10～200kW;二是将多台风力发电机组并列运行,形成风力发电场,也称风力田,直接并入电网。
风力发电的比较优势体现在:环保性好,风能可再生,不耗燃料,不排CO2,不污染环境,风力场可建在海滩(浅海)或荒漠,一般不占耕地,即使在个别地方需占耕地,也只是建一个基础而已;经济性好,在新能源中,风电的投资水平与发电成本都比较低。目前,风电设备造价5000～6000元/kW,相当于常规火电的全部工程造价或略高,而
此种种,促使世界各国十分重视风电项目的开发。
1998年至2003年,全球风电装机容量年均增长率为35167%,2004年来,全球风电装机容量达到47616MW。在国内,经过20多年的发展,到2004年底风电场已建43个,装机1291台/764MW。新疆达坂城风电二场装机157台/8218MW,
为国内最大风电场。近两年来,国家对可再生能源
(可再生能源法》的制定,“强制利用的政策鼓励《
可再生能源发电配额”的讨论),CDM(清洁发展)下的“,。
风力发电应用于分布式发电系统,虽然前景广阔,但仍有以下关键技术亟待解决。
a)选址。虽然风力发电不产生任何可排放物,但是,风力发电机对周边的环境仍有一定的影响,如噪音、对通讯信号的干扰及视觉的影响。加之风能资源分布与地域相关,因此风电场的选址非常重要。拥有多台风力发电机的风力发电场能够在系统中承担较大的功率,风电场的规划选址既要考虑当地的风能质量,还要从并网规划与电源结构优化的角度来选择。
b)风力发电产生的功率具有很大的波动性,研究表明,当风速从6m/s上升到18m/s,将使其产生的功率在整分钟内发生波动,波动幅度远高于随机功率波动,从而为电网供电带来大的波动,这就使得与风电机组并列运行的常规机组要留有较大的旋转备用容量,降低了风电系统并网运行的经济性。
c)风力发电设备的经济性随单机容量的加大而提高,随着单机容量的增大,杆塔高度相应增加,由于离地面越高、风速越大,当机组进入风力稳定区后,风电机组输出功率大大增加;同时,并网运行的风电机组应具有一定的有功功率调节特性,并且能够提供无功功率,这就需要研制带有电厂调节特性的新型大功率风力发电机以适应分布式发电的需要。
工程造价为8000～10000元/kW,投资水平已低于核电,风电的发电成本也较低,目前上网电价约为1元/kW・h左右;技术成熟度高,风电开发的技术成熟度仅次于小水电。此外,风电建设周期短,规模可大可小,风电水电适宜季节性互补。凡・58・
2007年4月 张志坚,等:分布式发电及其关键技术
综述与专论
11213 燃料电池
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置,其原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料(汽油、天然气或其它碳氢化合物)送入燃料电池的阳极(电源的负极),转化为氢离子,空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极),负氧离子通过两极间的离子导电的电解质到达阳极,与氢离子结合成水,外电路则形成电流。
燃料电池的能量转换效率高(且效率与规模无关,小规模也可以高效率),零排放,无噪声,无振动,省水,输出功率平稳可靠,跟随负荷变化的能力强(可以在1s内跟随50%的负荷变化),因此受到许多重要用户的青睐。然而,燃料电池要想在分布发电系统中大规模应用,仍需解决其成本太高的问题。从表1可看出,燃料电池的安装费用为每kW3000～4000美元,因此需要进一步研究关键技术,改善制造水平,加大批量生产规模与提高自动化程度,研制出低成本的商用燃料电池。11214 微型燃气轮机微型燃气轮机是一种功率范围在2575的小型发电机组,层气(煤矿瓦斯。高燃料的利用效率,,微型燃气轮机除了为用户供电外,还往往同时为用户供热,构成“热电并用系统”。与分布式发电系统中其他分布式电源相比,微型燃气轮机的输出功率比风力发电与太阳能发电的输出功率平稳,而其成本远低于燃料电池,因此是一种很有前途的分布式电源。
由于微型燃气轮机的技术特征是:发电容量小,占地面积少,能够为用户供热,因此适合于企业、医院、学校及家庭分布式使用,其技术关键取决于材料科学的进展,包括:高速轴承、高温部件及加工材料等方面的进展。值得注意的是,与其他分布式电源相比,微型燃气轮机有废气排出,对环境有一定的影响。
为一些偏远地区供电,取得了实际效果。采用分布式电源供电的小的社区也在实践之中。利用分布式发电系统形成独立供电的小系统,可以节约电网建设费用,满足负荷快速增长的需要。
由分布式电源构成的相对独立的供电系统,与电网的联系较弱,因此供电的可靠性完全取决于分布式电源的可靠性,这就对分布式发电的电源提出了高的要求。一方面,分布式电源要尽可能改善技术、提高能量转换效率、降低成本,使其在经济性上优越于电网扩张;另一方面,要利用先进的电力电子控制技术,保证输出优质电能,满足用户用电要求。
这种分布式供电系统独立运行的特性决定了用户对电能质量的要求,主要体现在供电的不间断性上,因而在系统方案设计时,要考虑采用混合发电系统的结构模式,充分利用不同电源的互补特性以输出高质量的电能。例如,采用成本较低、技术相,,系统供电,减小因风力波动引起的负荷损失。212 分布式的配电网的系统
分布式电源用于配电网主要有两种目的:一是为了重要负荷提供备用或为快速增长的负荷提供电源;二是改善配电网的电能质量。在第一种情况下,分布式发电系统作为电源使用,其技术关键仍如前面所述;不同之处在于,用于配电网中的分布式电源主要作为备用电源使用,因此需采用太阳能电池、燃料电池这类带有储能特性的分布式电源,或采用再生能源与储能装置相结合的运行方式。
在配网中采用分布式电源来改善电能质量形成分布式的配电网系统将是未来分布式配网的主要发展方向。随着生活方式的改变和敏感设备的应用,用户对供电可靠性及电能质量提出了更高的要求,要求供电电压的幅值波动范围、电压波形畸变程度、三相不对称度都尽可能的小,甚至要求提供定制电力(custompower),以提高敏感负荷的可靠性。然而,现有的配电网系统远远不能满足这种要求。由于造成电能质量偏低的根本原因在于配电网系统的有功与无功储备不足,因此,在配电网中采用分布式电源是提高供电可靠性及电能质量的有效措施。
从技术上讲,要充分发挥分布式电源在配电网中的作用,有2个关键问题要考虑。
a)配电网网络电源规划不同于输电网,传统
・59・
2 分布式发电在电力系统中的应用及其关
键技术
上一节从能量及其转化的角度讨论了分布式发电的电源技术及其关键,本节将从运行的角度讨论分布式发电技术在电力系统中的应用及其技术关键。211 独立运行的分布式发电系统
分布式发电系统的产生是与这种运行方式密切相关的。风力发电、太阳能发电已经作为独立电源
综述与专论
山 西 电 力
2007年第2期
的配电网是辐射形网络结构,不存在电源规划的问
题,分布式电源的加入对配电网提出了网络电源规划的问题。分布式电源的规划要充分考虑到不同类型分布式电源的容量、技术特点以及靠近电源的负荷特性,并应与配电网现有的常规变电站电源协调运行,这样才能充分发挥分布式配电系统的优越性。此外,合理配置分布式电源,对降低配电网网损也意义很大。
b)分布式电源与原有配电网电气设备的运行配合和协调。分布式电源的加入,打破了传统电网辐射网络结构,形成了一个辐射网与两端供电结构共存的混杂分布配电网。分布式电源与原配电网电气装置,如继电保护装置、运行变压器等的协调成为确保配电网安全运行的技术关键。文献[10]讨论了配电网中的分布式电源在过电流保护、瞬时重合闸、铁磁谐振、电气绝缘及变压器接线方式几方面所带来的技术问题;文献[11]详细讨论了配电网过电流保护所采用的熔丝、保护开关以及重合闸装置在网络具有分布式电源的情况下,在保护的范围及保护的选择性上所面临的新问题;供电的可靠性,的方式,文献[。
下面以图1所示的一个结构简单的解环运行的配电网为例,来说明分布式电源的加入对原有配电网所带来的问题。变压器T1与T2通过馈线为负荷提供电源,出于保护整定及两端电源同步的考虑,在正常运行工况下,分段开关SC处于断开状态。如果没有分布式电源接入配电网,当第一段线路1A至1B上发生短路故障时,如图1所示,开关1A过电流保护动作,故障切除。1B不需要切除短路故障电流,1B在检测到靠近T1端失压后,在设定的时间间隔后分断。如果F1是瞬时故障,断路器1A重合闸成功,1B检测到电压恢复,在预设的时间间隔后重合恢复供电。如果F1是永久故障,1A重合闸失败,1B闭锁,分段联络开关SC动作闭合,由T2对无故障线路恢复供电
。
同样的故障F1发生,开关1B是否能感受到短路电流取决于分布式电源DG的容量以及线路的阻抗,为了正确隔离故障,开关1B需安装方向电流保护。如果故障点F1距离开关1B较远,而分布式电源DG的容量又不大,则开关1B将保持在闭合状态,在这种情况下,即便F1是瞬时故障,由于DG始终向故障点提供短路电流,因此,该瞬时故障无法自行消失,开关1A重合闸失败后,故障将在配电网中持续存在,可能引发新的故障。事实上,由于传统的配电网继电保护装置都是按辐射形网络结构整定配合的,因此,分布式电源的引入给保护之间的配合带来了很大困难。为了减小分布式电源对配电网现有保护整定的影响,较为简单的做法是在故障出现后,将分布式电源从配电网中自动隔离,从而恢复配电网的辐射形网络结构。采用这种策略的好处在于不需要因为分布式电源的加入,而必须按照输电网的保护策略重新设计,在解列分,,确保解,并且要考虑。这种策略可能带来的问题是,如果正常运行的配电网的电能质量依赖于分布式电源所提供的辅助服务,例如某配电网中的分布式电源在故障发生前提供足够多的无功功率来维护该配电网的电压水平,故障发生后,为了确保继电保护装置的正确动作,分布式电源自动从配电网隔离,这将导致系统丢掉无功辅助服务设施,进一步恶化了故障情况下的电压水平,不利于系统的故障恢复。
213 嵌入互联输电网系统的分布式电源
分布式电源采用电力电子装置控制,控制灵活,调节能力强,能够与柔性交流输电设备相配合,形成灵活输电系统。由此决定了分布式电源在输电网中的主要作用是提供辅助服务。
a)在正常运行工况下,提供系统旋转备用容量以及无功储备,维护系统频率及电压水平,降低网损,提高电网运行的经济性。
b)当系统受到大的扰动,危及系统安全时,分布式电源可以提供紧急故障支援,并利用柔性输电控制技术调节有功、无功输出,提高系统稳定性。
c)系统解列时,可以为独立运行的孤岛提供电源。
d)黑启动电源,由于分布式电源利用燃气或可再生能源发电,因而是系统大规模失电后,理想的黑启动电源。
要想充分利用分布式电源所提供给输电网系统
图1 分布式电源对解环运行配电网中保护装置的影响
如果分布式电源DG接入配电网,如图1。当・60・
2007年4月 张志坚,等:分布式发电及其关键技术
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的辅助服务,一方面,要研制成本低、技术先进的分布式电源技术;另一方面,要充分利用先进的控制理论研究成果来设计调节灵活、性能鲁棒(Ro2bust)的分布式电源控制器,以达到改善电力系统动态特性的目的。
如果分布式电源的容量在输电网中达到一定规模时,例如与输电网相联的大的风电场,分布式电源除了可以提供辅助服务外,还可以承担一定的负荷,这就要求调度中心充分考虑分布式电源的特点,合理安排分布式电源的利用小时、开停机时间与承担的负荷数量。含有分布式电源的混合电力系统的调度控制给电力系统的运行人员提出了新的问题,它需要协调优化满足不同约束条件的多种电源,研究相应的优化理论与算法是非常必要的。虽然目前分布式电源的成本与技术还不能满足在输电网中大规模应用的条件,但可以预测,随着分布式发电技术的进一步完善以及新的电力电子技术的进步,分布式电源将在柔性交流输电系统中发挥重要作用。
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[21] RogerC.Dugan,ThomasE.McDermott,GregJ.Ball.
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3 结束语
,随着电力环保意识的增强而愈来愈受到重视,电力市场改革的推进为分布式发电技术的发展提供了契机。分布式发电技术将给传统的电网结构带来更加灵活的运行控制方式,从而为古老的电力系统提供新的机遇与挑战。可以展望发展中的分布式发电技术将带给用户一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。
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的辅助服务,一方面,要研制成本低、技术先进的分布式电源技术;另一方面,要充分利用先进的控制理论研究成果来设计调节灵活、性能鲁棒(Ro2bust)的分布式电源控制器,以达到改善电力系统动态特性的目的。
如果分布式电源的容量在输电网中达到一定规模时,例如与输电网相联的大的风电场,分布式电源除了可以提供辅助服务外,还可以承担一定的负荷,这就要求调度中心充分考虑分布式电源的特点,合理安排分布式电源的利用小时、开停机时间与承担的负荷数量。含有分布式电源的混合电力系统的调度控制给电力系统的运行人员提出了新的问题,它需要协调优化满足不同约束条件的多种电源,研究相应的优化理论与算法是非常必要的。虽然目前分布式电源的成本与技术还不能满足在输电网中大规模应用的条件,但可以预测,随着分布式发电技术的进一步完善以及新的电力电子技术的进步,分布式电源将在柔性交流输电系统中发挥重要作用。
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3 结束语
,随着电力环保意识的增强而愈来愈受到重视,电力市场改革的推进为分布式发电技术的发展提供了契机。分布式发电技术将给传统的电网结构带来更加灵活的运行控制方式,从而为古老的电力系统提供新的机遇与挑战。可以展望发展中的分布式发电技术将带给用户一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。
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δ———壁厚。
31412 温度评估
采用硬度分析和氧化分析结合的方法,实际现场测量各管排不同部位硬度和内壁氧化皮厚度,对低过、高过、屏过进行管样温度状态分析评估。这是锅炉管寿命评估的关键。以高过为例:高过前屏向火面管排第1根管温度场分布如图1所示
。
间,必须立即换管。部分管材要局部更换,其余尚能满足继续运行一个大修期的要求,但在下个大修期可考虑整体更换
。
图2 高过向火面第1根炉管残余寿命分布图
4 结束语
图1 高过前屏温度场分布图
可见高过整体上有较明显的超温现象。第10～
90排管平均温度较高,最高温度为594℃,显然比设计温度高,有明显的超温现象。315 通过前述的几个检验、计算、分析及100MW
,其方法简便,易,比较吻合。由此证据的判据。从而为今后根据设备实际情况有计划、有目的的检验提供了可靠的依据。
需要说明的是:评定的寿命结果并不表示到时就一定会爆,只表明这一时刻其可靠性程度大为下降。根据上述较为详细的评定结果可为运行和维修提供科学的依据,从而大大降低检修成本,延长设备使用寿命。
、状态和性能恶化状态的强度分析方法(老化因子修正法)评估锅炉管寿命。此处以高过为例。图2是高过评估结果分布图。
由图2可见高过向火面各管排最外圈管的平均寿命约4万h,左侧冷段管排和热段寿命偏低,最低残余寿命低于2万h,明显低于一个大修期的时
ResearchonLifeManagementofHighTemperatureBoilerTube
ZHANGCong2hui
(ShanxiLiulinElectricPowerCo1,Ltd,Liulin,Shanxi 033314,China)
Abstract:Thepapersummarizestherelativetheory,methodsandpracticalapplicationsforcheckingandlifespanmeasur2ingthehightemperatureboilertube,whichprovidesthescientificbasisforitsuseandMaintenance.
Keywords:boilertube;lifespan;management
(上接第61页)
(11BeijingElectricPowerCompany,Beijing 100031,China;21BeijingSifangAutomationCo1,Ltd,Beijing 100085,China;31NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing 102206,China;
41ShanxiElectricPowerExploration&DesignInstitute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)
Abstract:Thispapersummariestheconcept,structure,functionandkeytechnologiesofdistributedgeneration.Afterthedetailedanalysisoftherisingofthistechnology,thepaperdiscussesthekeytechniqueofdistributedgenerationfromtheanglesoftheapplicationsofnewenergytechnologyanddistributedgenerationinpowerindustry,thechanceandchallengethatdistributedgenerationbroughttopowerindustry.
Keywords:distributedgeneration;newenergyunilization;electricpowersystem
・64・
第2期(总第138期)
2007年4月
山 西 电 力
SHANXI ELECTRIC POWER
No12(Ser1138)
Apr12007
分布式发电及其关键技术
张志坚1,王建东2,马 进3,王新平4
(11北京电力公司,北京 100031;21北京四方继保自动化股份有限公司,北京 100085;
31华北电力大学,北京 102206;41山西省电力勘测设计院,山西太原 030001)
摘要:对分布式发电技术的概念、体系结构、作用及关键技术进行了综述。在简单分析了分布式发电技术得以重新兴起的原因后,从新能源技术与分布式发电技术在电力系统中的运用两个角度
详细讨论了分布式发电技术的实施关键,并对分布式发电技术为传统电力系统所带来的机遇与挑战进行了概述。
关键词:分布式发电;新能源利用;电力系统中图分类号:TM61 文献标识码:B 文章编号:167120320(2007)0220057205
:电源容量小,电,接近负荷中心,运行方式灵活。而这些特点也恰恰使分布式发电系统弥补了超高压、远距离输电的不足,满足了电力系统和用户的特定要求(如调峰、为边远用户或商业区供电等),成为电网规划及运行管理者关注的新课题。112 分布式发电的能源技术及其关键
分布式发电系统自身的特点决定了它不是采用煤作为一次能源,而大量采用环境友善的可再生能源。可以说,分布式发电技术是与新能源技术密切相关的。以下将对几种主要的分布式发电电源进行介绍,其工程造价及技术特点见表1。11211 太阳能发电技术太阳能发电技术分成太阳热能发电和光电发电两类。太阳热能发电是通过聚集太阳能,将某种工质加热,直接或间接地产生蒸汽,驱动汽轮发电机产生电能;光电发电即光伏电池,是利用光生伏打效应,将光能直接转化成电能,它是太阳能发电的主要形式。
太阳能发电的优点在于:太阳能取之不尽、用之不竭,不产生环境污染,不受地域限制,具有极大的便利性。光伏电池可以作为独立发电系统也可以并网运行。然而,如果要将太阳能电源成功的应用于分布式发电系统,其在技术上仍面临如下挑战。
a)进一步降低成本。在新能源中,太阳光伏电池发电的设备造价和成本都较高,价格竞争实力不足。目前国内完全商业化运作的并网光伏发电上
・57・
1 分布式发电的电源技术
111 分布式发电的定义
近几年的事,因此无统一的定义。涉足于该领域的制造商、电力零售商及用户对分布式发电有各自的诠释。本文将采用较为普遍的定义2作为分布式发电系统的定义,对分布式发电系统的特点及技术关键进行进一步的讨论。即任何靠近负荷的发电方式都称为分布式发电。这种定义不仅包含了采用再生能源的发电机组,也涵盖了任何位于负荷侧的采用常规能源的发电机组,它包括:安装于重要负荷,如医院、大工矿企业的备用柴油发电机组;根据用户对供电可靠性的要求,安装于负荷中心的小型发电机组;安装于变电站,用于提供无功支持及改善电能质量的同步调相机等。国外某些电力系统对分布式发电的规模有进一步的限制,将靠近负荷中心,装机容量少于“N”kW(或MW)的发电设备称为分布式发电系统,“N”的具体数值依不同的电力系统而异,
收稿日期:2006212207,修回日期:2007201230
作者简介:张志坚(19742),女,山西祁县人,2001年毕业于华北电
力大学电力系统自动化专业,硕士,工程师;
王建东(19752),男,河南林州人,2001年毕业于华北电力大学电力系统自动化专业,硕士,工程师;马 进(19752),男,山西太原人,2002年毕业于清华大学电力系统自动化专业,华北电力大学讲师,博士,副教授;
王新平(19712),男,山西平遥人,1993年毕业于大连理大学热化工程专业,高级工程师。
综述与专论
山 西 电 力
表1 主要的分布式发电电源造价及特点
2007年第2期
造价及特点功率范围/(kW)工程造价/(＄/kW)发电成本/(￠/kW・h)
环境影响输出功率特点
风力发电机
50～20001000～1500515～15
微型燃气轮机
30～751000～1500715～10
燃料电池
5～20003000～400010～15
光伏电池
1～1001500～650015～20
无废气排放、有噪
音、景观影响不平稳、受风力影响
有废气排放,但比常规发电机组污染轻功率平稳、调节性好
无污染功率平稳
无污染不平稳、功率密度低
网电价约为4元/kW・h,是常规能源发电上网电价的10余倍。据预测到2010年以后,光伏发电成本有望下降到018元/kW・h,那也将是普通电价的2倍。而光伏并网发电设备造价5万元/kW,也相当于火电造价的10余倍。因此,光伏发电目前还无法在负荷中心的变电站大规模推广。
b)阳光的能量密度低(白天最大为每平方米1kW略强),因此,有效的收集太阳能就显得尤为重要。
c)日辐射强度从白昼到夜晚始终处于变化之中,且从白天最大到晚上为零,无法获得平稳的电能。
率可设法克服第,电能输出的平稳性,,通过改进技术,来提高效率、降低成本是太阳能发电技术实用化的关键。11212 风力发电技术
风能是一种广义的太阳能,也是一种巨大的、无需补偿的可再生能源。风力发电主要有两种利用方式:一是作为独立电源向偏远地区供电,单机容量一般在100W到10kW;或将中型风力发电机与柴油发电机或光伏电池并列运行,组成混合供电系统,向相对独立的小的社区供电,这类小型混合供电系统的容量约10～200kW;二是将多台风力发电机组并列运行,形成风力发电场,也称风力田,直接并入电网。
风力发电的比较优势体现在:环保性好,风能可再生,不耗燃料,不排CO2,不污染环境,风力场可建在海滩(浅海)或荒漠,一般不占耕地,即使在个别地方需占耕地,也只是建一个基础而已;经济性好,在新能源中,风电的投资水平与发电成本都比较低。目前,风电设备造价5000～6000元/kW,相当于常规火电的全部工程造价或略高,而
此种种,促使世界各国十分重视风电项目的开发。
1998年至2003年,全球风电装机容量年均增长率为35167%,2004年来,全球风电装机容量达到47616MW。在国内,经过20多年的发展,到2004年底风电场已建43个,装机1291台/764MW。新疆达坂城风电二场装机157台/8218MW,
为国内最大风电场。近两年来,国家对可再生能源
(可再生能源法》的制定,“强制利用的政策鼓励《
可再生能源发电配额”的讨论),CDM(清洁发展)下的“,。
风力发电应用于分布式发电系统,虽然前景广阔,但仍有以下关键技术亟待解决。
a)选址。虽然风力发电不产生任何可排放物,但是,风力发电机对周边的环境仍有一定的影响,如噪音、对通讯信号的干扰及视觉的影响。加之风能资源分布与地域相关,因此风电场的选址非常重要。拥有多台风力发电机的风力发电场能够在系统中承担较大的功率,风电场的规划选址既要考虑当地的风能质量,还要从并网规划与电源结构优化的角度来选择。
b)风力发电产生的功率具有很大的波动性,研究表明,当风速从6m/s上升到18m/s,将使其产生的功率在整分钟内发生波动,波动幅度远高于随机功率波动,从而为电网供电带来大的波动,这就使得与风电机组并列运行的常规机组要留有较大的旋转备用容量,降低了风电系统并网运行的经济性。
c)风力发电设备的经济性随单机容量的加大而提高,随着单机容量的增大,杆塔高度相应增加,由于离地面越高、风速越大,当机组进入风力稳定区后,风电机组输出功率大大增加;同时,并网运行的风电机组应具有一定的有功功率调节特性,并且能够提供无功功率,这就需要研制带有电厂调节特性的新型大功率风力发电机以适应分布式发电的需要。
工程造价为8000～10000元/kW,投资水平已低于核电,风电的发电成本也较低,目前上网电价约为1元/kW・h左右;技术成熟度高,风电开发的技术成熟度仅次于小水电。此外,风电建设周期短,规模可大可小,风电水电适宜季节性互补。凡・58・
2007年4月 张志坚,等:分布式发电及其关键技术
综述与专论
11213 燃料电池
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置,其原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料(汽油、天然气或其它碳氢化合物)送入燃料电池的阳极(电源的负极),转化为氢离子,空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极),负氧离子通过两极间的离子导电的电解质到达阳极,与氢离子结合成水,外电路则形成电流。
燃料电池的能量转换效率高(且效率与规模无关,小规模也可以高效率),零排放,无噪声,无振动,省水,输出功率平稳可靠,跟随负荷变化的能力强(可以在1s内跟随50%的负荷变化),因此受到许多重要用户的青睐。然而,燃料电池要想在分布发电系统中大规模应用,仍需解决其成本太高的问题。从表1可看出,燃料电池的安装费用为每kW3000～4000美元,因此需要进一步研究关键技术,改善制造水平,加大批量生产规模与提高自动化程度,研制出低成本的商用燃料电池。11214 微型燃气轮机微型燃气轮机是一种功率范围在2575的小型发电机组,层气(煤矿瓦斯。高燃料的利用效率,,微型燃气轮机除了为用户供电外,还往往同时为用户供热,构成“热电并用系统”。与分布式发电系统中其他分布式电源相比,微型燃气轮机的输出功率比风力发电与太阳能发电的输出功率平稳,而其成本远低于燃料电池,因此是一种很有前途的分布式电源。
由于微型燃气轮机的技术特征是:发电容量小,占地面积少,能够为用户供热,因此适合于企业、医院、学校及家庭分布式使用,其技术关键取决于材料科学的进展,包括:高速轴承、高温部件及加工材料等方面的进展。值得注意的是,与其他分布式电源相比,微型燃气轮机有废气排出,对环境有一定的影响。
为一些偏远地区供电,取得了实际效果。采用分布式电源供电的小的社区也在实践之中。利用分布式发电系统形成独立供电的小系统,可以节约电网建设费用,满足负荷快速增长的需要。
由分布式电源构成的相对独立的供电系统,与电网的联系较弱,因此供电的可靠性完全取决于分布式电源的可靠性,这就对分布式发电的电源提出了高的要求。一方面,分布式电源要尽可能改善技术、提高能量转换效率、降低成本,使其在经济性上优越于电网扩张;另一方面,要利用先进的电力电子控制技术,保证输出优质电能,满足用户用电要求。
这种分布式供电系统独立运行的特性决定了用户对电能质量的要求,主要体现在供电的不间断性上,因而在系统方案设计时,要考虑采用混合发电系统的结构模式,充分利用不同电源的互补特性以输出高质量的电能。例如,采用成本较低、技术相,,系统供电,减小因风力波动引起的负荷损失。212 分布式的配电网的系统
分布式电源用于配电网主要有两种目的:一是为了重要负荷提供备用或为快速增长的负荷提供电源;二是改善配电网的电能质量。在第一种情况下,分布式发电系统作为电源使用,其技术关键仍如前面所述;不同之处在于,用于配电网中的分布式电源主要作为备用电源使用,因此需采用太阳能电池、燃料电池这类带有储能特性的分布式电源,或采用再生能源与储能装置相结合的运行方式。
在配网中采用分布式电源来改善电能质量形成分布式的配电网系统将是未来分布式配网的主要发展方向。随着生活方式的改变和敏感设备的应用,用户对供电可靠性及电能质量提出了更高的要求,要求供电电压的幅值波动范围、电压波形畸变程度、三相不对称度都尽可能的小,甚至要求提供定制电力(custompower),以提高敏感负荷的可靠性。然而,现有的配电网系统远远不能满足这种要求。由于造成电能质量偏低的根本原因在于配电网系统的有功与无功储备不足,因此,在配电网中采用分布式电源是提高供电可靠性及电能质量的有效措施。
从技术上讲,要充分发挥分布式电源在配电网中的作用,有2个关键问题要考虑。
a)配电网网络电源规划不同于输电网,传统
・59・
2 分布式发电在电力系统中的应用及其关
键技术
上一节从能量及其转化的角度讨论了分布式发电的电源技术及其关键,本节将从运行的角度讨论分布式发电技术在电力系统中的应用及其技术关键。211 独立运行的分布式发电系统
分布式发电系统的产生是与这种运行方式密切相关的。风力发电、太阳能发电已经作为独立电源
综述与专论
山 西 电 力
2007年第2期
的配电网是辐射形网络结构,不存在电源规划的问
题,分布式电源的加入对配电网提出了网络电源规划的问题。分布式电源的规划要充分考虑到不同类型分布式电源的容量、技术特点以及靠近电源的负荷特性,并应与配电网现有的常规变电站电源协调运行,这样才能充分发挥分布式配电系统的优越性。此外,合理配置分布式电源,对降低配电网网损也意义很大。
b)分布式电源与原有配电网电气设备的运行配合和协调。分布式电源的加入,打破了传统电网辐射网络结构,形成了一个辐射网与两端供电结构共存的混杂分布配电网。分布式电源与原配电网电气装置,如继电保护装置、运行变压器等的协调成为确保配电网安全运行的技术关键。文献[10]讨论了配电网中的分布式电源在过电流保护、瞬时重合闸、铁磁谐振、电气绝缘及变压器接线方式几方面所带来的技术问题;文献[11]详细讨论了配电网过电流保护所采用的熔丝、保护开关以及重合闸装置在网络具有分布式电源的情况下,在保护的范围及保护的选择性上所面临的新问题;供电的可靠性,的方式,文献[。
下面以图1所示的一个结构简单的解环运行的配电网为例,来说明分布式电源的加入对原有配电网所带来的问题。变压器T1与T2通过馈线为负荷提供电源,出于保护整定及两端电源同步的考虑,在正常运行工况下,分段开关SC处于断开状态。如果没有分布式电源接入配电网,当第一段线路1A至1B上发生短路故障时,如图1所示,开关1A过电流保护动作,故障切除。1B不需要切除短路故障电流,1B在检测到靠近T1端失压后,在设定的时间间隔后分断。如果F1是瞬时故障,断路器1A重合闸成功,1B检测到电压恢复,在预设的时间间隔后重合恢复供电。如果F1是永久故障,1A重合闸失败,1B闭锁,分段联络开关SC动作闭合,由T2对无故障线路恢复供电
。
同样的故障F1发生,开关1B是否能感受到短路电流取决于分布式电源DG的容量以及线路的阻抗,为了正确隔离故障,开关1B需安装方向电流保护。如果故障点F1距离开关1B较远,而分布式电源DG的容量又不大,则开关1B将保持在闭合状态,在这种情况下,即便F1是瞬时故障,由于DG始终向故障点提供短路电流,因此,该瞬时故障无法自行消失,开关1A重合闸失败后,故障将在配电网中持续存在,可能引发新的故障。事实上,由于传统的配电网继电保护装置都是按辐射形网络结构整定配合的,因此,分布式电源的引入给保护之间的配合带来了很大困难。为了减小分布式电源对配电网现有保护整定的影响,较为简单的做法是在故障出现后,将分布式电源从配电网中自动隔离,从而恢复配电网的辐射形网络结构。采用这种策略的好处在于不需要因为分布式电源的加入,而必须按照输电网的保护策略重新设计,在解列分,,确保解,并且要考虑。这种策略可能带来的问题是,如果正常运行的配电网的电能质量依赖于分布式电源所提供的辅助服务,例如某配电网中的分布式电源在故障发生前提供足够多的无功功率来维护该配电网的电压水平,故障发生后,为了确保继电保护装置的正确动作,分布式电源自动从配电网隔离,这将导致系统丢掉无功辅助服务设施,进一步恶化了故障情况下的电压水平,不利于系统的故障恢复。
213 嵌入互联输电网系统的分布式电源
分布式电源采用电力电子装置控制,控制灵活,调节能力强,能够与柔性交流输电设备相配合,形成灵活输电系统。由此决定了分布式电源在输电网中的主要作用是提供辅助服务。
a)在正常运行工况下,提供系统旋转备用容量以及无功储备,维护系统频率及电压水平,降低网损,提高电网运行的经济性。
b)当系统受到大的扰动,危及系统安全时,分布式电源可以提供紧急故障支援,并利用柔性输电控制技术调节有功、无功输出,提高系统稳定性。
c)系统解列时,可以为独立运行的孤岛提供电源。
d)黑启动电源,由于分布式电源利用燃气或可再生能源发电,因而是系统大规模失电后,理想的黑启动电源。
要想充分利用分布式电源所提供给输电网系统
图1 分布式电源对解环运行配电网中保护装置的影响
如果分布式电源DG接入配电网,如图1。当・60・
2007年4月 张志坚,等:分布式发电及其关键技术
综述与专论
的辅助服务,一方面,要研制成本低、技术先进的分布式电源技术;另一方面,要充分利用先进的控制理论研究成果来设计调节灵活、性能鲁棒(Ro2bust)的分布式电源控制器,以达到改善电力系统动态特性的目的。
如果分布式电源的容量在输电网中达到一定规模时,例如与输电网相联的大的风电场,分布式电源除了可以提供辅助服务外,还可以承担一定的负荷,这就要求调度中心充分考虑分布式电源的特点,合理安排分布式电源的利用小时、开停机时间与承担的负荷数量。含有分布式电源的混合电力系统的调度控制给电力系统的运行人员提出了新的问题,它需要协调优化满足不同约束条件的多种电源,研究相应的优化理论与算法是非常必要的。虽然目前分布式电源的成本与技术还不能满足在输电网中大规模应用的条件,但可以预测,随着分布式发电技术的进一步完善以及新的电力电子技术的进步,分布式电源将在柔性交流输电系统中发挥重要作用。
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3 结束语
,随着电力环保意识的增强而愈来愈受到重视,电力市场改革的推进为分布式发电技术的发展提供了契机。分布式发电技术将给传统的电网结构带来更加灵活的运行控制方式,从而为古老的电力系统提供新的机遇与挑战。可以展望发展中的分布式发电技术将带给用户一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。
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2007年4月 张志坚,等:分布式发电及其关键技术
综述与专论
的辅助服务,一方面,要研制成本低、技术先进的分布式电源技术;另一方面,要充分利用先进的控制理论研究成果来设计调节灵活、性能鲁棒(Ro2bust)的分布式电源控制器,以达到改善电力系统动态特性的目的。
如果分布式电源的容量在输电网中达到一定规模时,例如与输电网相联的大的风电场,分布式电源除了可以提供辅助服务外,还可以承担一定的负荷,这就要求调度中心充分考虑分布式电源的特点,合理安排分布式电源的利用小时、开停机时间与承担的负荷数量。含有分布式电源的混合电力系统的调度控制给电力系统的运行人员提出了新的问题,它需要协调优化满足不同约束条件的多种电源,研究相应的优化理论与算法是非常必要的。虽然目前分布式电源的成本与技术还不能满足在输电网中大规模应用的条件,但可以预测,随着分布式发电技术的进一步完善以及新的电力电子技术的进步,分布式电源将在柔性交流输电系统中发挥重要作用。
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PlanningforDistributedGeneration[J].IEEEIndustryApplicationMagazine,March/April,2001,80288.
3 结束语
,随着电力环保意识的增强而愈来愈受到重视,电力市场改革的推进为分布式发电技术的发展提供了契机。分布式发电技术将给传统的电网结构带来更加灵活的运行控制方式,从而为古老的电力系统提供新的机遇与挑战。可以展望发展中的分布式发电技术将带给用户一个更可靠、更安全、更经济的新电力系统。
参考文献:
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KeyTechnologyofDistributedGeneration
ZHANGZhi2jian1,WANGJian2dong2,MAJin3,WANGXin2ping4
(下转第64页)
・61・
综述与专论
山 西 电 力
2007年第2期
δ———壁厚。
31412 温度评估
采用硬度分析和氧化分析结合的方法,实际现场测量各管排不同部位硬度和内壁氧化皮厚度,对低过、高过、屏过进行管样温度状态分析评估。这是锅炉管寿命评估的关键。以高过为例:高过前屏向火面管排第1根管温度场分布如图1所示
。
间,必须立即换管。部分管材要局部更换,其余尚能满足继续运行一个大修期的要求,但在下个大修期可考虑整体更换
。
图2 高过向火面第1根炉管残余寿命分布图
4 结束语
图1 高过前屏温度场分布图
可见高过整体上有较明显的超温现象。第10～
90排管平均温度较高,最高温度为594℃,显然比设计温度高,有明显的超温现象。315 通过前述的几个检验、计算、分析及100MW
,其方法简便,易,比较吻合。由此证据的判据。从而为今后根据设备实际情况有计划、有目的的检验提供了可靠的依据。
需要说明的是:评定的寿命结果并不表示到时就一定会爆,只表明这一时刻其可靠性程度大为下降。根据上述较为详细的评定结果可为运行和维修提供科学的依据,从而大大降低检修成本,延长设备使用寿命。
、状态和性能恶化状态的强度分析方法(老化因子修正法)评估锅炉管寿命。此处以高过为例。图2是高过评估结果分布图。
由图2可见高过向火面各管排最外圈管的平均寿命约4万h,左侧冷段管排和热段寿命偏低,最低残余寿命低于2万h,明显低于一个大修期的时
ResearchonLifeManagementofHighTemperatureBoilerTube
ZHANGCong2hui
(ShanxiLiulinElectricPowerCo1,Ltd,Liulin,Shanxi 033314,China)
Abstract:Thepapersummarizestherelativetheory,methodsandpracticalapplicationsforcheckingandlifespanmeasur2ingthehightemperatureboilertube,whichprovidesthescientificbasisforitsuseandMaintenance.
Keywords:boilertube;lifespan;management
(上接第61页)
(11BeijingElectricPowerCompany,Beijing 100031,China;21BeijingSifangAutomationCo1,Ltd,Beijing 100085,China;31NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing 102206,China;
41ShanxiElectricPowerExploration&DesignInstitute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)
Abstract:Thispapersummariestheconcept,structure,functionandkeytechnologiesofdistributedgeneration.Afterthedetailedanalysisoftherisingofthistechnology,thepaperdiscussesthekeytechniqueofdistributedgenerationfromtheanglesoftheapplicationsofnewenergytechnologyanddistributedgenerationinpowerindustry,thechanceandchallengethatdistributedgenerationbroughttopowerindustry.
Keywords:distributedgeneration;newenergyunilization;electricpowersystem
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