分布式發電及其對電力系統的影響

胡芳芳

（長沙理工大學，湖南長沙410000）

從全球環境資源現狀來看，資源短缺是未來全人類都可能面臨的一大問題。尤其對石油、天然氣等不可再生資源的過度攝取，對大量煤油礦地的過度開發，不僅在縮短人類使用這類資源的年限，更極大地增加了環境負擔，引發了例如地表塌陷、地震、土地不可逆沙漠化等一系列環境問題。在這種情況下，唯有提升科技水平，不斷優化現有能源利用和開采方式，才能有效促進能源的可持續發展，實際解決不合理開發與利用的問題。

具體到能源供電領域，在我國，傳統的供電模式是“大機組、大電網、高電壓”的集中供電模式，多數城鄉區域都采用建設大型發電廠來集中供電的方式來滿足居民日益增長的用電需求。與之對應的是另一種發電技術：分布式發電技術。該技術要求發電裝置分散在各個電力負荷和配網處，而非全部集中在發電站內部。這一模式一方面可以靈活地根據該片區域用電需求進行發電配置，減少資源浪費，更加環保和節能；另一方面可以解決用電高峰期出現巨型電力負荷所引發的一系列問題，具有更高的經濟效益。目前該技術正在逐漸普及，其優勢凸顯的同時，也產生了一些問題，最主要是對電力系統整體運行的影響。本文對此進行探究，具體分析如下。

1 分布式發電技術概述

1.1 分布式發電技術基本論述

分布式發電的概念界定最早出自于美國，由其命名可知，“分布式”的具體形式是不將發電設備集中布置在一個發電站內，而是按照供電區域劃分，分別安裝在該區域的電力負荷或配電網絡四周。其優勢主要體現在“按需供電”的經濟節能與“低污染”的環境友好方面。

與傳統的集散式發電相比，分布式發電裝置不是集中在發電站內部，而是根據需要配置供電設施，在相應的區域內設置不同規格數量的分布式發電電源，不是設置在發電站附近，而是設置在生活區域附近的配電網等。由于分布式發電技術是根據人們對電力需求進行設計的，因此改善了集中式發電的靈活性，大大提高了發電效率和穩定性。但是，分布式發電技術也存在一些缺點，這種技術供電設備容量小，更適合特定地區供電，或者作為集中式發電網絡的補充。當前我國分布式發電的運行模式主要有單網和并網兩種，孤網模式可以不與其它電網相連，根據自身需要進行改變，充分保證了發電方式的靈活性；而對于并網模式，是通過與現有電力系統相連，以保障人們對電力的需求，因此靈活性較低。

1.2 分布式發電的類型

當前我國的分布式發電技術主要包括太陽能光伏電池發電技術和風力發電技術以及燃料電池發電技術這三種。

燃料電池發電技術較常見，是將燃料所具有的化學能直接轉化為電能的一種發電技術。該技術十分成熟，應用范圍很廣，我們所熟知的天然氣、石油、煤炭等資源發電都是通過這一技術原理進行的。

太陽能光伏發電技術利用的是太陽能資源，在特制材料的作用下將太陽能轉化為電能。比起燃料資源而言，利用太陽能這種可再生的資源進行發電極大地降低了對有限資源的使用。此外，太陽能發電技術是一種更為簡單的技術，沒有特殊的附加使用要求，使用時的維修工作也相對簡單。例如大城市普遍采用的太陽能路燈，能夠將白天吸收的太陽能轉化為電能儲存起來，在晚上用作照明供電，原理簡單，經濟效益和環保效率都較高。但太陽能發電對日照強度有較高要求，發電量不穩定。

風力發電技術是利用風力資源來發電的技術。該技術的使用成本十分低，但對自然環境要求較高，且設備的維修較為復雜。其相較于燃料電池發電技術而言最大的優勢在于發電資源的可再生力，以及發電過程的零污染性。

1.3 我國分布式發電資源儲備情況

1.3.1 天然氣資源現況分析

根據《2020年中國能源數據報告》，我國在2019年加大了對天然氣的勘發力度，致使我國天然氣開發量與存儲量均達到最高水平。其中，投資超過3億元在油氣勘發領域，較去年增長四分之一。在常規天然氣勘發領域同樣碩果累累，于四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地發現重要油氣田，可建設成為新的大規模儲量區。頁巖氣勘探在四川境內取得突破，在四川南部發現新資源。總體而言，去年一年增加了1.58×1012的地表天然氣儲量，與2018年相比，增加6.0×1011m3，達到我國有史以來的最高水平。

1.3.2 水資源的現況分析

2010-2019年水資源量總體呈現降低態勢，截至2019年底全國水資源總量為29041.0億m3，同比增加5.75%。此外，全國水資源存在空間分布不平衡的問題，南方區域較北方區域水資源更多，以2019年的數據為例，我國南方四區占有全國近8成水資源總量，北方六區僅占2成。

從行政分布看，西藏自治區水資源總量為4.5×1011m3，遠遠超過其他省市；四川以2748.9億米排名第二；廣西位列第三；湖南居位四；廣東排位五。此外，江西、云南、黑龍江、福建、浙江和貴州的水資源總量超過1.0×1011m3。

1.3.3 風力資源現狀分析

據2020年出版的《中國風能太陽能資源年景公報》，2020年全國陸地10m高層年平均風速較常年偏小1.55%，比2019年稍有減少，為正常略偏小年景；在全國陸面70m高層處，19年的全年平均風速為5.4m/s，年均風率為184.5W/m2；在全國陸面100m高層處，年均風速約5.7m/s，與高層70m處差距為小數點后一位的水平。青海、山東、江浙一代、甘肅、上海、寧夏、河南、新疆、河北、安徽、湖北、陜西、北京風能資源偏小；福建、吉林、黑龍江、云南、廣西偏大；其他地區接近常年。

1.3.4 太陽能資源現狀分析

我國是全國總面積世界排行第三的大國，有大量的太陽能資源可利用，青藏高原一帶坐擁著全國最多的太陽能資源，常年的太陽輻射中量在1800～2000KWh/m3；四川盆地太陽能資源最為貧乏，部分地區甚至年總輻射量低于1000KWh/m3。我國依據太陽能資源稟賦將太陽能資源區域劃分為四類，由少到多分別為A、B、C、D類。具體太陽能資源區域劃分如表1所示。

表1 我國太陽能資源區域劃分

2020年前三個月，全國新增光伏發電裝機結晶400萬KWh，就新增區域而言，增機最多的是華北地區和華南地區，華北地區新增1.2×107Wh，華南地區新增近100萬KWh。在發電總量方面，較去年同期增加近2成，達到了5.3×1015Wh。在光機使用時長方面，總使用時長為248h，較2019年第一季度多使用8h。據預測，2020年全國光伏發電量應突破2500億KWh，圖1為預測的2015年至2020年全國光伏發電量。

圖1 2015—2020年全國光伏發電量情況預測

2 分布式發電對電力系統的影響

2.1 對電能質量的影響

由分布式發電產生的電流接入電力線路會改變原本的輻射結構，使其由單源結構變成多電源構造。此過程中，具體情境下的電路電流不再與之前相同，整個電網隨之產生新的電壓，且這種變化并不穩定發生，會由于設備的不同而差別較大。為此，需重新評價主干特性，針對性地提出有效的電壓調節預案，解決由于更換發電模式帶來的電路不穩定或故障運行。

傳統的電力傳輸網絡一般采用放射式結構，確保電流保護經濟、操作簡單。更換了分布式發電裝置之后，改變的是整個配網的構造，之前穩定運行的保護程序也將被破壞，可能導致完全失去運作能力，如繼電保護裝置失靈或保護系統自動運行出錯。

此外，該技術還會引發一個常見的電能質量問題—諧波的產生。由于該技術電流特殊的引入方式，諧波源就是分布式發電產生的電能本身，導致電網周遭的諧波分量受影響而被代入，產生諧波問題，最終使傳輸中的電能質量受損。

2.2 對主線路系統可靠性的影響

由于分布式電源的電壓在十分安全的范圍內，沒有擊穿能力，可放心的進行并網操作。但另一方面，主線路接入分布式電源會降低電力系統的可靠性。當電路有運行問題時，分布式電源立即采取迫使電壓下降的方式來應對，此時若要避免產生非同期重合，配電網需配合該操作立即啟動跳閘。如果配合失敗，就會造成設備的損壞。

另一種情況是分布式電源作為備用電源，此時對主線路系統的可靠性起支持作用。具體而言，電網阻塞能夠被消除，超額負荷也會被降低，整個電網安全性將得到提升。

2.3 對配電網規劃的影響

將分布式接入引入傳輸主干網，給整個電網的負荷規劃和運行帶來很大的不確定性。分布式電源系統產生的電流進入主線路，使電網規劃者更難預測電力負荷，嚴重的是由于分布式電源系統造成的電能損失而影響整個線路規劃。

3 分布式發電的在電力系統中的應用優勢分析

首先，分布式發電在應用程序發熱設置上較傳統方式更為靈活。實際應用中，該技術能夠做到因地制宜、按需供電，能夠實現區域內定制化的電力提供效果，特別是在發電容量的設置上，可以靈活進行修正，精準提供服務。另外，這種發電技術在設施建設上更為簡易，它的整體資金需求相對較低，建設的時間也相對較短，從而提高了發電效率。

其次，使用該技術能夠一定程度增強電網的可靠性。這一理論依據主要源自分布式發電系統作為備用電源時對整個配電網絡發揮的正面支持作用。充當備用電源的情況下，分布發電技術需配合傳統發電模式才可以體現出上述優勢，相當于是作為集中發電失效時的補充電源，能夠在配電運行不穩定時提供Plan B，有效地保障該區域的電力供應，減少停電情況的發生。

最后但也是最重要的一點，是分布式發電技術的環保性。分布式發電系統基本上不會存在任何污染物的排放，對周遭環境較為友好；此外，因為其精準供電的能力，也減少了大量的資源能源浪費。

4 結論

綜上所述，分布式發電技術作為集中式發電的補充和優化，具有環保節能等諸多優勢，時代價值較為凸顯。但其不足之處，如影響輸電質量、干擾繼電保護、降低電網運行穩定性等也有諸多不便。探索發電技術的環保化是全球能源逐步緊缺下的必然趨勢，與此同時，如何維持輸電的穩定和高效也是不容忽視的問題。

本文針對分布式發電對電力系統的影響提出了建議，所有措施的重心都在于維護電網穩定運行。在環境問題較嚴重的當下，人類社會的進一步發展將與環保密切相關，我們在提升供電環境友好性的道路上，還有很長的路要走。