DECHP分布式能源及微网技术及应用案例研究

1、分布式能源及微网技术及应用案例研究贾中汉 能源集团市场总监GE（中国）有限公司引言分布式能源技术是近年来国际公认的高效、节能、环保型的能源系统。在中国得以迅速发展，用以确保能源安全，提高使用效率。GE拥有世界领先的分布式能源技术，包括发电设备，蓄能装置，微网系统，新能源系统及相关的控制技术。GE非常荣幸地谨以本文向中国住房与城乡建设部及行业专家扼要介绍相关技术的发展趋势及应用。1. 分布式能源的相关概念 分布式能源系统（Distributed Energy System）在科学用能和梯级用能原理指导下，能源利用率可达7090%，与传统的能源系统相比，节能效率可达2040%，实现大幅度节能；分布式能源多采用天然气或可再生清洁能源，与燃煤火电机组相比，其SO2和固体废弃物排放几乎为零，二氧化碳排放量减少50%以上，氮氧化物的排放量不到燃煤电厂的20%，减少了环境污染，符合建设节约型社会的发展要求。由于靠近负荷中心, 分布式能源系统可广泛应用于商业中心、公共事业中心、交通枢纽、工业等领域。分布式能源系统是一种新型能源系统，它通过各种一次能源转换技术的集成运用，在一个区域内同时提供用户对电、热

2、、冷等多种终端用能需求，实现能源的梯级利用，减少了输配系统投资和能量损失，是更高效、更可靠和更加环保的能源系统。分布式发电一般是指将发电装置分散布置在用户/负荷现场、或邻近地点，从而实现发电供能的方式。分布式发电具有位置灵活、分散的特点，极好地适应了分散的电力需求和资源分布的特点，减少了输配电网升级换代所需的巨额投资；与大电网互为备用，也使供电可靠性得以改善；一般还具有污染少、能源利用效率高的优势。图1. 三联供 : Jenbacher燃气内燃机与吸收式制冷机的有效结合分布式能源系统包括高效冷热电联产 (CCHP)、就地式可再生能源系统以及能源回收系统（包括利用废气、余热和压差，就地提供各种形式的能源）。分布式能源系统形式多样，如微型或轻型燃气动力装置发电、风力发电、光伏发电、太阳能高温集热发电、燃料电池等独立电源技术，燃料电池-燃气轮机联合循环以及分布式冷热电联产系统等。天然气分布式能源是指利用天然气为燃料，通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式，是天然气高效利用的重要方式。与传统集中式供能方式相比，天然

3、气分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点。天然气分布式能源在国际上发展迅速，但我国天然气分布式能源尚处于起步阶段。推动天然气分布式能源具有重要的现实意义和战略意义。天然气分布式能源节能减排效果明显，可以优化天然气利用，并能发挥对电网和天然气管网的双重削峰填谷作用，增加能源供应的安全性。目前，我国天然气供应日趋增加，智能电网建设步伐加快，专业化服务公司方兴未艾，天然气分布式能源在我国已具备大规模发展的条件。分布式可再生能源包括太阳能光伏、小型风电、小水电、地热能、分布式储能、基于可再生能源的燃料电池、生物沼气内燃机、燃机发电等。2. 国内外发展及应用现状 2.1 国外现状分布式能源在世界范围内都得到了广泛的应用。2000年9月，美国能源部“分布式供能系统”规划到2010年，新增电力20%为分布式能源。同时奥巴马政府也将分布式能源作为绿色能源经济计划五大战略方向之一；日本也规划到2010年分布式供能达到1000万kW，同时，欧洲、英国等也大力发展分布式能源。欧盟各国都非常重视三联供的发展，特别是近几年美、欧、日都制定了一系列对燃气热电联产的鼓励政策。如：法国对

4、热电联产投资给予15%的政策补贴；丹麦政府对热电投资给予50%的政府补贴；美国加利福尼亚采用法律来保证热电联产的并网权。美国已有6000多座分布式能源站，2010年20的新建商用建筑使用CCHP，5的现有商用建筑使用CCHP，2020年50新建商用建筑采用CCHP，15现有商用建筑采用CCHP。英国 1999年分布式供能系统就超过1000个。欧洲：丹麦占电力系统总装机一半以上。很多国家实现了燃气分布式能源与区域空调的协调发展, 其中发展最快的国家是日本、美国。目前，日本国内约有250个项目使用了区域空调，美国有127个。为促进区域空调的应用，国外一些国家采取了一定的推广措施。日本政府采用优惠税制、低利率融资、补助金制度及燃气价格优惠等措施，促进区域空调的推广应用。韩国能源合理化利用事业基金，鼓励燃气分布式能源技术发展，夏季（5月9月）大幅降低燃气价格等优惠政策。12.2 国内现状国家已出台诸多政策，鼓励分布式能源产业的发展，部分列举如下：（1）中华人民共和国节约能源法提出：发展热能梯级利用技术，热、电、冷联产技术和热、电、煤气三联供技术，提高热能综合利用率。（2）关于发展热电联产的规定

5、第二条内容包括：在进行热电联产项目规划时，应积极发展城市热水供应和集中制冷，扩大夏季制冷负荷，提高全年运行效率。第十三条：鼓励使用清洁能源，鼓励发展热、电、冷联产技术和热、电、煤气联供，以提高热能综合利用效率。关于发展热电联产的规定是由当时的国家发展计划委员会、国家经济贸易委员会、建设部、国家环保总局共同发布, 虽然这个政策出台比较早，但是它可以显示出中国分布式能源的发展进程。（3）十一五十大重点节能工程实施意见，十大重点节能工程之一热电联产工程内容包括建设分布式热电联产和热电冷联供 。（4）国家发改委发布的天然气利用政策综合考虑天然气利用的社会效益、环保效益和经济效益等各方面因素，并根据不同用户的用气特点，将天然气利用分为优先类、允许类、限制类和禁止类。分布式热电联产、热电冷联产被列为优先类。（5）2011年10月,国家发改委等四部委关于发展天然气分布式能源的指导意见,明确天然气发展主要任务：“十二五”初期启动一批天然气分布式能源示范项目，“十二五”期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，并拟建设10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。未来5-10年内在分布式能源装备核心能力

6、和产品研制应用方面取得实质性突破。初步形成具有自主知识产权的分布式能源装备产业体系。中国的分布式能源产业起步较晚，因此未来的市场和节能潜力巨大，当前在我国北京、上海和广州等大城市率先示范，主要项目包括上海浦东机场、北京燃气集团大厦和广州大学城等。3. 微网技术在分布式能源的应用在过去的几十年，电网规模不断扩大，已逐步发展成集中发电、远距离输电的超大互联网络系统。但远距离输电的不断增大、使得受端电网对外来电力的依赖程度不断提高，电网运行的稳定性和安全性趋于下降，而且难于满足多样化供电需求。另一方面，对全球常规能源的逐渐枯竭、环境污染等问题的担忧却日益突显。鉴于此，环保、高效和灵活的分布式发电广受青睐。尽管优点突出，但分布式发电也存在诸多问题：分布式电源单机接入成本高，控制困难等；分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，大系统往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以减小其对大电网的冲击。当电力系统发生故障时，分布式电源往往都须在第一时间退出运行，这就大大限制了分布式发电效能的充分发挥。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，提出并不断发展了微网

7、（Microgrid）的概念。微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行，是智能电网的重要组成部分。美国电气可靠性技术解决方案联合会( CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)给出的定义为：微网是一种由负荷和微型电源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。在GRID2030会议上，美国能源部阐述了对于未来电力基础设施的观点，指出微网是构建一个更可靠且传输自由的能量输送系统的三个重要的技术里程碑之一，其中分布式智能和清洁能源是需要开发的关键技术【12】。欧盟微网项目(European Commission Project Micro-grids)给出的定义是：利用一次能源；使用微型电源，分为不可控、部分可控和全控三

8、种，并可冷、热、电三联供；配有储能装置；使用电力电子装置进行能量调节。微网被视作一个本地的电力网络，它利用分布式能源（Distributed Energy, DE）并管理本地的能源发电和需求。因此，微网通过把大型电网中的分布式能源聚集在一起并将它们作为一个类似虚拟发电厂的单个实体进行管理增强了分布式能源的可行性。这种方式会比单独发电机的分别管理带来更好的电网稳定性。通过减少对电网扰动的敏感性提高用户可靠性，同时提供必要的安全特征。虽然微网通常会连接到输电或配电系统进网运行，但是当需要时，它们应该具有与电网断开，进入“孤岛模式”运行的能力。当连接到一个电力系统时，功率可能通过一个公共耦合点（POCC）在电力系统和微网间双向流动。微网架构可能由本地运营商拥有的带有可再生能源（风能、水电）的常规发电机组（例如，柴油发电机）和能量储存设施（电解槽和氢气转换储能设备）组成。从更高的角度看，微网电力系统的兴趣是由日益增长的把分布式能源尽量靠近负荷中心的渴望而驱动的，它包括以下多种因素：(1) 输电阻塞以及架设新的输电线带来的问题，使得通过在配电系统部署分布式能源来应对在新的负荷增长成为更好的方案(

9、2) 分布式能源的应用可以帮助电力企业减少在发电和输电容量上的投资(3) 当与CHP（热电联产）或CCHP（冷热电联产）结合时，分布式能源能够提供更高的能源效率，从而减少能源成本(4) 适当的集成于分布式能源系统可以提高电力的可用性和电能质量(5) 分布式系统比集中式系统提供更好的安全特性(6) 分布式能源具有燃料的多样性（例如，生物质能、垃圾填埋气、废气、风、太阳能等），因此可以减少整体的电价波动性(7) 可再生分布式能源、例如风能或太阳光伏发电，实现了无排放的能源利用(8) 相比集中式发电，分布式能源从安装、交货时间以及现场实施等方面提供了更快的解决方案微网具有双重角色。对于电网，微电网作为一个大小可以改变的智能负载，为本地电力系统提供了可调度负荷，可以在数秒内做出响应以满足系统需要，适时向大电网提供有力支撑；可以在维修系统同时不影响客户的负荷；可以减轻(延长)配电网更新换代，采用IEE1547.4标准，指导分布式电源孤岛运行，能够消除某些特殊操作要求产生的技术阻碍。对于用户，微网作为一个可定制的电源，可以满足用户多样化的需求，例如，增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，通过利用废热提高效率，提供电压下陷的校正，或作为不可中断电源服务等。此外，紧紧围绕全系统能量需求的设计理念和向用户提供多样化电能质量的供电理念，是微网的两个重要特征。在接入问题上，微网的并网标准只针对微电网与大电网的公共连接点（PCC），而不针对各个具体的微电源。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。微网将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，在降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力。4. 分布式能源技术及案例应用4.1 天然气分布式能源相关技术及应用 (1) 燃气轮机冷热电联产系统：燃机可以对1500以下的热量加以有效利用，与蒸汽轮机系统相比，燃机系统对输入能量的高温段利用占优势。按中、低温段热量利用形式该类系统可分为燃气轮机联产系统和燃气蒸

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