胡芳芳

（長沙理工大學(xué)，湖南長沙410000）

從全球環(huán)境資源現(xiàn)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(fā)，不僅在縮短人類使用這類資源的年限，更極大地增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)，引發(fā)了例如地表塌陷、地震、土地不可逆沙漠化等一系列環(huán)境問題。在這種情況下，唯有提升科技水平，不斷優(yōu)化現(xiàn)有能源利用和開采方式，才能有效促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)際解決不合理開發(fā)與利用的問題。

具體到能源供電領(lǐng)域，在我國，傳統(tǒng)的供電模式是“大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓”的集中供電模式，多數(shù)城鄉(xiāng)區(qū)域都采用建設(shè)大型發(fā)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(yīng)的是另一種發(fā)電技術(shù)：分布式發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)要求發(fā)電裝置分散在各個電力負(fù)荷和配網(wǎng)處，而非全部集中在發(fā)電站內(nèi)部。這一模式一方面可以靈活地根據(jù)該片區(qū)域用電需求進(jìn)行發(fā)電配置，減少資源浪費(fèi)，更加環(huán)保和節(jié)能；另一方面可以解決用電高峰期出現(xiàn)巨型電力負(fù)荷所引發(fā)的一系列問題，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。目前該技術(shù)正在逐漸普及，其優(yōu)勢凸顯的同時，也產(chǎn)生了一些問題，最主要是對電力系統(tǒng)整體運(yùn)行的影響。本文對此進(jìn)行探究，具體分析如下。

1 分布式發(fā)電技術(shù)概述

1.1 分布式發(fā)電技術(shù)基本論述

分布式發(fā)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(fā)電設(shè)備集中布置在一個發(fā)電站內(nèi)，而是按照供電區(qū)域劃分，分別安裝在該區(qū)域的電力負(fù)荷或配電網(wǎng)絡(luò)四周。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在“按需供電”的經(jīng)濟(jì)節(jié)能與“低污染”的環(huán)境友好方面。

與傳統(tǒng)的集散式發(fā)電相比，分布式發(fā)電裝置不是集中在發(fā)電站內(nèi)部，而是根據(jù)需要配置供電設(shè)施，在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同規(guī)格數(shù)量的分布式發(fā)電電源，不是設(shè)置在發(fā)電站附近，而是設(shè)置在生活區(qū)域附近的配電網(wǎng)等。由于分布式發(fā)電技術(shù)是根據(jù)人們對電力需求進(jìn)行設(shè)計的，因此改善了集中式發(fā)電的靈活性，大大提高了發(fā)電效率和穩(wěn)定性。但是，分布式發(fā)電技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，這種技術(shù)供電設(shè)備容量小，更適合特定地區(qū)供電，或者作為集中式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。當(dāng)前我國分布式發(fā)電的運(yùn)行模式主要有單網(wǎng)和并網(wǎng)兩種，孤網(wǎng)模式可以不與其它電網(wǎng)相連，根據(jù)自身需要進(jìn)行改變，充分保證了發(fā)電方式的靈活性；而對于并網(wǎng)模式，是通過與現(xiàn)有電力系統(tǒng)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(fā)電的類型

當(dāng)前我國的分布式發(fā)電技術(shù)主要包括太陽能光伏電池發(fā)電技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以及燃料電池發(fā)電技術(shù)這三種。

燃料電池發(fā)電技術(shù)較常見，是將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)十分成熟，應(yīng)用范圍很廣，我們所熟知的天然氣、石油、煤炭等資源發(fā)電都是通過這一技術(shù)原理進(jìn)行的。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)利用的是太陽能資源，在特制材料的作用下將太陽能轉(zhuǎn)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(jìn)行發(fā)電極大地降低了對有限資源的使用。此外，太陽能發(fā)電技術(shù)是一種更為簡單的技術(shù)，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?qū)滋煳盏奶柲苻D(zhuǎn)化為電能儲存起來，在晚上用作照明供電，原理簡單，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效率都較高。但太陽能發(fā)電對日照強(qiáng)度有較高要求，發(fā)電量不穩(wěn)定。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是利用風(fēng)力資源來發(fā)電的技術(shù)。該技術(shù)的使用成本十分低，但對自然環(huán)境要求較高，且設(shè)備的維修較為復(fù)雜。其相較于燃料電池發(fā)電技術(shù)而言最大的優(yōu)勢在于發(fā)電資源的可再生力，以及發(fā)電過程的零污染性。

1.3 我國分布式發(fā)電資源儲備情況

1.3.1 天然氣資源現(xiàn)況分析

根據(jù)《2020年中國能源數(shù)據(jù)報告》，我國在2019年加大了對天然氣的勘發(fā)力度，致使我國天然氣開發(fā)量與存儲量均達(dá)到最高水平。其中，投資超過3億元在油氣勘發(fā)領(lǐng)域，較去年增長四分之一。在常規(guī)天然氣勘發(fā)領(lǐng)域同樣碩果累累，于四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地發(fā)現(xiàn)重要油氣田，可建設(shè)成為新的大規(guī)模儲量區(qū)。頁巖氣勘探在四川境內(nèi)取得突破，在四川南部發(fā)現(xiàn)新資源?？傮w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(dá)到我國有史以來的最高水平。

1.3.2 水資源的現(xiàn)況分析

2010-2019年水資源量總體呈現(xiàn)降低態(tài)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(qū)域較北方區(qū)域水資源更多，以2019年的數(shù)據(jù)為例，我國南方四區(qū)占有全國近8成水資源總量，北方六區(qū)僅占2成。

從行政分布看，西藏自治區(qū)水資源總量為4.5×1011m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fēng)力資源現(xiàn)狀分析

據(jù)2020年出版的《中國風(fēng)能太陽能資源年景公報》，2020年全國陸地10m高層年平均風(fēng)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(fēng)速為5.4m/s，年均風(fēng)率為184.5W/m2；在全國陸面100m高層處，年均風(fēng)速約5.7m/s，與高層70m處差距為小數(shù)點(diǎn)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(fēng)能資源偏??；福建、吉林、黑龍江、云南、廣西偏大；其他地區(qū)接近常年。

1.3.4 太陽能資源現(xiàn)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(qū)甚至年總輻射量低于1000KWh/m3。我國依據(jù)太陽能資源稟賦將太陽能資源區(qū)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(qū)域劃分如表1所示。

表1 我國太陽能資源區(qū)域劃分

2020年前三個月，全國新增光伏發(fā)電裝機(jī)結(jié)晶400萬KWh，就新增區(qū)域而言，增機(jī)最多的是華北地區(qū)和華南地區(qū)，華北地區(qū)新增1.2×107Wh，華南地區(qū)新增近100萬KWh。在發(fā)電總量方面，較去年同期增加近2成，達(dá)到了5.3×1015Wh。在光機(jī)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(jù)預(yù)測，2020年全國光伏發(fā)電量應(yīng)突破2500億KWh，圖1為預(yù)測的2015年至2020年全國光伏發(fā)電量。

圖1 2015—2020年全國光伏發(fā)電量情況預(yù)測

2 分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響

2.1 對電能質(zhì)量的影響

由分布式發(fā)電產(chǎn)生的電流接入電力線路會改變原本的輻射結(jié)構(gòu)，使其由單源結(jié)構(gòu)變成多電源構(gòu)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(wǎng)隨之產(chǎn)生新的電壓，且這種變化并不穩(wěn)定發(fā)生，會由于設(shè)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(diào)節(jié)預(yù)案，解決由于更換發(fā)電模式帶來的電路不穩(wěn)定或故障運(yùn)行。

傳統(tǒng)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)一般采用放射式結(jié)構(gòu)，確保電流保護(hù)經(jīng)濟(jì)、操作簡單。更換了分布式發(fā)電裝置之后，改變的是整個配網(wǎng)的構(gòu)造，之前穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)程序也將被破壞，可能導(dǎo)致完全失去運(yùn)作能力，如繼電保護(hù)裝置失靈或保護(hù)系統(tǒng)自動運(yùn)行出錯。

此外，該技術(shù)還會引發(fā)一個常見的電能質(zhì)量問題—諧波的產(chǎn)生。由于該技術(shù)電流特殊的引入方式，諧波源就是分布式發(fā)電產(chǎn)生的電能本身，導(dǎo)致電網(wǎng)周遭的諧波分量受影響而被代入，產(chǎn)生諧波問題，最終使傳輸中的電能質(zhì)量受損。

2.2 對主線路系統(tǒng)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(nèi)，沒有擊穿能力，可放心的進(jìn)行并網(wǎng)操作。但另一方面，主線路接入分布式電源會降低電力系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)電路有運(yùn)行問題時，分布式電源立即采取迫使電壓下降的方式來應(yīng)對，此時若要避免產(chǎn)生非同期重合，配電網(wǎng)需配合該操作立即啟動跳閘。如果配合失敗，就會造成設(shè)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(tǒng)的可靠性起支持作用。具體而言，電網(wǎng)阻塞能夠被消除，超額負(fù)荷也會被降低，整個電網(wǎng)安全性將得到提升。

2.3 對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

將分布式接入引入傳輸主干網(wǎng)，給整個電網(wǎng)的負(fù)荷規(guī)劃和運(yùn)行帶來很大的不確定性。分布式電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電流進(jìn)入主線路，使電網(wǎng)規(guī)劃者更難預(yù)測電力負(fù)荷，嚴(yán)重的是由于分布式電源系統(tǒng)造成的電能損失而影響整個線路規(guī)劃。

3 分布式發(fā)電的在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

首先，分布式發(fā)電在應(yīng)用程序發(fā)熱設(shè)置上較傳統(tǒng)方式更為靈活。實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)能夠做到因地制宜、按需供電，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域內(nèi)定制化的電力提供效果，特別是在發(fā)電容量的設(shè)置上，可以靈活進(jìn)行修正，精準(zhǔn)提供服務(wù)。另外，這種發(fā)電技術(shù)在設(shè)施建設(shè)上更為簡易，它的整體資金需求相對較低，建設(shè)的時間也相對較短，從而提高了發(fā)電效率。

其次，使用該技術(shù)能夠一定程度增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性。這一理論依據(jù)主要源自分布式發(fā)電系統(tǒng)作為備用電源時對整個配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮的正面支持作用。充當(dāng)備用電源的情況下，分布發(fā)電技術(shù)需配合傳統(tǒng)發(fā)電模式才可以體現(xiàn)出上述優(yōu)勢，相當(dāng)于是作為集中發(fā)電失效時的補(bǔ)充電源，能夠在配電運(yùn)行不穩(wěn)定時提供Plan B，有效地保障該區(qū)域的電力供應(yīng)，減少停電情況的發(fā)生。

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

4 結(jié)論

綜上所述，分布式發(fā)電技術(shù)作為集中式發(fā)電的補(bǔ)充和優(yōu)化，具有環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)勢，時代價值較為凸顯。但其不足之處，如影響輸電質(zhì)量、干擾繼電保護(hù)、降低電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性等也有諸多不便。探索發(fā)電技術(shù)的環(huán)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(wěn)定和高效也是不容忽視的問題。

本文針對分布式發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響提出了建議，所有措施的重心都在于維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。在環(huán)境問題較嚴(yán)重的當(dāng)下，人類社會的進(jìn)一步發(fā)展將與環(huán)保密切相關(guān)，我們在提升供電環(huán)境友好性的道路上，還有很長的路要走。