隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，能源需求與日俱增，可再生能源因其資源豐富、無污染等優(yōu)點近年來得到快速發(fā)展，而可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)的局部不穩(wěn)定性和整體規(guī)律性使得不同的能源之間的互補(bǔ)運(yùn)行可以得到更好的有效利用。在此背景下，首先分析了分布式電源互補(bǔ)運(yùn)行的必要性，對分布式電源互補(bǔ)體現(xiàn)的優(yōu)點進(jìn)行了總結(jié)；其次對互補(bǔ)發(fā)電的常見類型進(jìn)行了闡述，分析了不同分布式電源互補(bǔ)運(yùn)行的可行性，并列舉出了分布式電源互補(bǔ)發(fā)電的實例；最后對分布式電源接入電力系統(tǒng)可改善電能質(zhì)量的能力和潛力進(jìn)行了分析，對分布式電源的實際應(yīng)用具有參考價值。
引言
能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，人類的每一次進(jìn)步都離不開能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展和改進(jìn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，污染加劇，尋求和利用新能源成為最佳解決方法，因此資源豐富、無污染的可再生能源的發(fā)展逐漸得到重視。而分布式發(fā)電技術(shù)可以就地向附近用戶供電，改善電壓波動和電能傳輸損耗，使可再生能源得到了有效利用。然而，風(fēng)能、太陽能等清潔能源具有不穩(wěn)定性，獨(dú)立運(yùn)行的單一分布式電源的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，很難維持整個供電系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定以及保障系能源的利用效率。
分布式電源具有多樣性，而且它們的變化規(guī)律各不相同，比如風(fēng)能利用一般在晚上，而光伏發(fā)電利用在白天，兩者聯(lián)合運(yùn)行可以達(dá)到互補(bǔ)的效果，同時風(fēng)光也存在季節(jié)性的互補(bǔ)，光伏發(fā)電產(chǎn)生的能量在春季更豐富，風(fēng)能相反，在秋冬更豐富。因此在遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的隱蔽山區(qū)，一般可以采用多種分布式電源聯(lián)合運(yùn)行，讓各種發(fā)電方式在一個系統(tǒng)內(nèi)互為補(bǔ)充，通過它們的協(xié)調(diào)配合來提供穩(wěn)定可靠的、質(zhì)量較高的電能，在明顯提高可再生能源可靠性的同時，還能提高能源的綜合利用率。這種多類型分布式電源聯(lián)合運(yùn)行的方式，我們稱之為互補(bǔ)發(fā)電或者分布式電源的互補(bǔ)運(yùn)行。
本文針對分布式電源對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響問題，對分布式電源互補(bǔ)運(yùn)行的必要性進(jìn)行分析，并對國內(nèi)一些相關(guān)應(yīng)用實例進(jìn)行介紹，將互補(bǔ)發(fā)電的常見類型進(jìn)行總結(jié)，最后對分布式電源應(yīng)用帶來的電能質(zhì)量改善問題進(jìn)行了分析。
一、分布式電源互補(bǔ)運(yùn)行的必要性
1.1常見的分布式電源特性
我國幅員遼闊，地形多樣，因此風(fēng)能、太陽能資源十分豐富。風(fēng)能和太陽能是目前眾多可再生新能源中，應(yīng)用潛力最大、最具開發(fā)價值的兩種，取之不盡，用之不竭。近些年我國風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展都很快，其獨(dú)立應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電的裝機(jī)容量也逐年遞增，改變了傳統(tǒng)的集中式發(fā)電方式。
我國某地一天內(nèi)風(fēng)能和太陽能變化曲線如圖1所示。利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)特性，可以獲得比較穩(wěn)定可靠的功率輸出，在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電在近幾年發(fā)展迅速，也帶動了風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用，在未來將有著巨大的商業(yè)開發(fā)前景。對于用電量大、用電要求高，遠(yuǎn)離大電網(wǎng)，而風(fēng)能資源和太陽能資源又比較豐富的地區(qū)，風(fēng)－光互補(bǔ)供電無疑是最佳選擇。
在遇到風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模較大的情況，在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，用光伏發(fā)電進(jìn)行互補(bǔ)的效果將會受到限制。考慮我國的水資源豐富，且具有明顯的季節(jié)特性，夏季和秋季處于豐水的狀態(tài)，冬季和春季屬于枯水的狀態(tài)，這與我國大陸季風(fēng)性氣候形成的冬春季風(fēng)資源豐富，夏秋季風(fēng)資源較少的狀態(tài)形成互補(bǔ)，因此在我國某些無法實現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)的地區(qū)可以考慮進(jìn)行風(fēng)—水互補(bǔ)。
然而，在很多邊遠(yuǎn)或孤立地區(qū)，柴油發(fā)電機(jī)組是提供必要生活和生產(chǎn)用電的常用發(fā)電設(shè)備。不過，柴油價格高，運(yùn)輸不便，有時還供應(yīng)緊張，因而柴油機(jī)發(fā)電的成本很高，往往還不能保證電力供應(yīng)的可靠性。而在這些邊遠(yuǎn)地區(qū)，尤其是高山和海島，往往太陽能和風(fēng)能資源比較豐富，可以因地制宜地用這些可再生新能源與柴油機(jī)聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行。風(fēng)電或光伏發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，一方面可以節(jié)省燃料柴油，降低發(fā)電成本；另一方面，還可以充分利用可再生能源，減輕發(fā)電可能造成的環(huán)境污染，并保證供電的連續(xù)性和可靠性。
除了風(fēng)能、太陽能等可再生能源以外，燃料電池也可以用于互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電是目前世界上最先進(jìn)的高效潔凈發(fā)電方式之一，技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟。而屬于常規(guī)發(fā)電方式的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，技術(shù)已經(jīng)比較完善，效率較高（與其他方式聯(lián)合運(yùn)行時效率可高達(dá)60％-70％），而且氮化物、一氧化碳等污染物的排放量也很少。
圖1我國某地風(fēng)光功率變化
1.2分布式電源互補(bǔ)的必要性
分布式電源（尤其是基于可再生能源的分布式電源）互補(bǔ)發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點，如表1所示。
2互補(bǔ)發(fā)電的常見類型
理論上，只要資源條件允許，任何幾種新能源發(fā)電方式都可以互補(bǔ)應(yīng)用。然而由于各種各樣的條件限制，目前新能源互補(bǔ)發(fā)電方式中，實際應(yīng)用較多的是風(fēng)能—太陽能互補(bǔ)發(fā)電、風(fēng)能—水能互補(bǔ)發(fā)電等。另外，新能源發(fā)電也可以與燃?xì)廨啓C(jī)等小型常規(guī)發(fā)電方式互補(bǔ)應(yīng)用。
2.1風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電
風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，一般由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組件、儲能裝置（蓄電池組）、電力變換裝置（整流器、逆變器等）、直流母線及控制器等部分構(gòu)成，向各種直流或交流用電負(fù)載供電。圖2為風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2風(fēng)－光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖
風(fēng)電機(jī)組和光伏電池用于將風(fēng)能和太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。蓄電池組等儲能裝置的作用是臨時儲存過剩的電能，并在需要時釋放出來，保證整個系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。直流母線和控制器的作用是對發(fā)電、用電、儲能進(jìn)行能量管理和調(diào)度。風(fēng)力發(fā)電輸出的電能一般是交流電，光伏發(fā)電輸出的電能一般是直流電。在進(jìn)行能量管理和向交直流負(fù)荷供電時，往往需要進(jìn)行電力變換（把交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程稱為整流，所用的裝置是整流器；把直流電變?yōu)榻涣麟姷倪^程稱為逆變，所用的裝置是逆變器）。逆變器可以轉(zhuǎn)換電流形式，向眾多常見的交流用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電能，同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。
風(fēng)—光互補(bǔ)實例：青海省黃南藏族自治州澤庫縣和日鄉(xiāng)葉貢多寄宿小學(xué)的4千瓦風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，完成系統(tǒng)安裝調(diào)試并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)由浙江省科技廳援建，總投資25萬元的，由2千瓦太陽能電池板光伏陣列及旋轉(zhuǎn)式光伏陣列支架、2千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)及支架、蓄電池、充電器、逆變器、控制系統(tǒng)等組成，一舉解決了葉貢多寄校近200名師生的教學(xué)、生活用電問題。
位于那曲縣香茂鄉(xiāng)的風(fēng)－光互補(bǔ)發(fā)電站，總投資210萬元，由20套1千瓦的戶用型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和20千瓦風(fēng)－光互補(bǔ)型集中供電系統(tǒng)組成，總功率為40千瓦，單臺風(fēng)機(jī)功率為10千瓦和5千瓦。該電站戶用系統(tǒng)分別采用400瓦光伏、600瓦風(fēng)能和300瓦光伏、700瓦風(fēng)能兩組風(fēng)－光互補(bǔ)組合體。該電站的建成和投入使用，將解決該村58戶近400人的用電問題。
新疆哈密風(fēng)電基地二期8000MW風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案中，配套建設(shè)1250MW光電，其中，光電450MW布置于風(fēng)間帶，既節(jié)約了土地資源，又可與風(fēng)電共用輸電線路，提高了輸電線路利用率。
2.2風(fēng)－水互補(bǔ)發(fā)電
在我國某些無法實現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)的地區(qū)，經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研，進(jìn)行合理的發(fā)電容量配置，可以充分發(fā)揮風(fēng)能和水力資源的各自優(yōu)勢，通過兩種可再生新能源的互補(bǔ)，在一定程度上解決新能源發(fā)電的間歇性和波動性問題。風(fēng)－水互補(bǔ)發(fā)電，可以避免水力發(fā)電在枯水季節(jié)發(fā)電量不足的問題，也可以通過共用輸配電設(shè)備節(jié)省建設(shè)投資，是一種比較經(jīng)濟(jì)有效的大規(guī)模新能源利用方式。
風(fēng)—水互補(bǔ)發(fā)電的另一種形式是抽水蓄能與風(fēng)電互補(bǔ)，其主要作用方式是利用蓄能電站的儲能作用，進(jìn)行風(fēng)能的儲存和轉(zhuǎn)化。抽水蓄能電站建設(shè)地點有更大的選擇余地，通過吸收風(fēng)電多余的輸出電量實現(xiàn)抽水功能，在本地電網(wǎng)內(nèi)與風(fēng)電互補(bǔ)，進(jìn)行低谷蓄能、高峰發(fā)電，作為風(fēng)電的“蓄電池”和“調(diào)節(jié)庫”，可平抑風(fēng)力的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的影響，提高本地電網(wǎng)接納風(fēng)電能力，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)性。
風(fēng)—水互補(bǔ)實例：新疆阜康抽水蓄能電站位于烏昌電網(wǎng)，距負(fù)荷中心較近，達(dá)坂城、小草湖風(fēng)電場距離烏昌電網(wǎng)較近，阜康抽水蓄能電站建成后，除承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、緊急事故備用外，將可協(xié)助消納風(fēng)電4000MW，提高烏昌電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力和安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)性。
2.3風(fēng)－光－柴互補(bǔ)發(fā)電
光伏－柴油混合型發(fā)電系統(tǒng)同風(fēng)力－柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計思想和基本特點是類似的。不過，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求較高，既要有較高的效率和可靠性，還要能適應(yīng)因光照變化造成的直流電壓變化。其發(fā)展在一定程度上取決于光伏逆變器的技術(shù)水平和成本。當(dāng)然也可以采用風(fēng)－光－柴聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行的方式，如圖3所示。這種多能源互補(bǔ)系統(tǒng)與風(fēng)—柴聯(lián)合發(fā)電相比，更能減少發(fā)電的柴油用量和環(huán)境污染。此外，還可以使用沼氣發(fā)電等代替柴油發(fā)電機(jī)組。在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)選擇柴油發(fā)電機(jī)組的容量，尤其是要考慮風(fēng)－光互補(bǔ)性較差的時段和季節(jié)，以及負(fù)載供電連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求。
圖3風(fēng)－光－柴互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
新能源與柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合發(fā)電，已經(jīng)成為世界各國在風(fēng)能和太陽能利用方面頗受矚目的方向之一。其優(yōu)點包括：聯(lián)合運(yùn)行，互補(bǔ)發(fā)電，供電的連續(xù)性和可靠性好，在新能源發(fā)電輸出隨機(jī)變化的情況下，也可以24小時不間斷供電，并且可以具有較好的電能質(zhì)量；節(jié)省燃料能源，環(huán)境污染少，普通的風(fēng)柴互補(bǔ)系統(tǒng)可以節(jié)省30-100%的柴油用量；功率變動范圍小，所需的儲能設(shè)備（蓄電池等）容量小；投資少，見效快；對燃料的依賴程度低，對新能源綜合開發(fā)利用，適用范圍很廣。
風(fēng)—光—柴互補(bǔ)實例：甘肅某地區(qū)建成了4千瓦的風(fēng)—光—柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)，其中柴油機(jī)主要用作備用電源。該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可靠地解決了建設(shè)單位的日常用電問題。目前，正在運(yùn)行的比較先進(jìn)的風(fēng)—光—柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，有我國建造的30千瓦的風(fēng)—光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，德國的風(fēng)—光—蓄（電池）聯(lián)合系統(tǒng)，等等。
2.4微型燃?xì)廨啓C(jī)－燃料電池互補(bǔ)發(fā)電
燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，有著非常好的發(fā)展前景。尤其是高溫燃料電池的工作溫度與燃?xì)廨啓C(jī)的工作溫度相匹配，兩者組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有更高的效率。商用固體氧化物燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可以高達(dá)60%～75%，是目前礦物燃料動力發(fā)電技術(shù)中效率最高的。2006年，美國能源部和西屋電器公司就建成一個250千瓦的固體氧化物燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)示范電站，其中燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電容量分別為200千瓦和50千瓦。據(jù)稱，燃料電池與微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的潛在效率可高達(dá)80%。
3.利用分布式電源改善電能質(zhì)量
雖然分布式電源的引入會給系統(tǒng)帶來一些電能質(zhì)量問題，但是分布式電源也存在改善電能質(zhì)量的潛力。
3.1利用分布式電源啟停便捷改善電能質(zhì)量
分布式電源單機(jī)容量小、機(jī)組數(shù)目多，分布也比較分散，啟動和停機(jī)便捷迅速，運(yùn)行控制具有很強(qiáng)的靈活性。在相關(guān)控制策略下，分布式電源只需很短的時間就可以投入使用，也可以根據(jù)需要迅速退出運(yùn)行。如果分布式電源能夠在電網(wǎng)發(fā)生故障和擾動時繼續(xù)保持運(yùn)行，或者能轉(zhuǎn)做備用電源，對于減小停電范圍或者縮短停電時間都是很有幫助的，對于很多節(jié)點的電壓暫降問題也都有抑制作用。
3.2利用分布式電源方便調(diào)控改善電能質(zhì)量
分布式電源和電力用戶距離很近，容易實現(xiàn)有功功率的就近提供和無功功率的就近補(bǔ)償，而且輸電損耗小[9]。在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，當(dāng)用戶負(fù)荷突然大量增加或大量減少時，供電線路的電源會明顯降低或升高，造成明顯的電壓偏差。如果用戶負(fù)荷的變動數(shù)量大而且是動態(tài)變化，那么還會造成電壓波動與閃變等問題。當(dāng)分布式電源與當(dāng)?shù)刎?fù)荷能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行（分布式電源輸出與負(fù)荷同步變化）時，將抑制系統(tǒng)電壓的波動。具體而言也就是，若能將分布式電源也納入電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，那么在用戶負(fù)荷突然大量增加或減小時，就可以根據(jù)負(fù)荷的變化相應(yīng)調(diào)整分布式電源的輸出功率，從而對負(fù)荷的功率變動進(jìn)行補(bǔ)償，抑制電壓的大幅度波動。
3.3利用分布式電源專配的補(bǔ)償裝置改善電能質(zhì)量
分布式電源并網(wǎng)可能會給配電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題，這個是阻礙分布式電源接入電網(wǎng)的重要因素。所以很多分布式電源在接入電網(wǎng)時，往往都配備一些無功補(bǔ)償裝置或儲能裝置。這些補(bǔ)償裝置并聯(lián)接在分布式電源的接入點，在對分布式電源本身的電能質(zhì)量問題進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r，也必然對配電網(wǎng)中原有的電能質(zhì)量問題有改善作用。
3.4利用分布式電源的并網(wǎng)換流器改善電能質(zhì)量
分布式電源的并網(wǎng)換流器，與有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器等電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置所用的電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)有很大程度的相似性，這就為兩類設(shè)備的優(yōu)化配置提供了可能性。優(yōu)化配置系統(tǒng)利用現(xiàn)有電力電子設(shè)備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實現(xiàn)了電能的傳輸轉(zhuǎn)換，而且改善了系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少了系統(tǒng)的額外投資。
分布式電源并網(wǎng)換流器大都采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。這些逆變電源可以向電網(wǎng)提供正弦的電壓、功率因數(shù)為1的電能。但是受到自然能源的波動性的影響，輸出能量并不穩(wěn)定，這也造成并網(wǎng)換流器的容量往往要大于實際的分布式電源的發(fā)電容量，也就是說在運(yùn)行過程中并網(wǎng)換流器存在很大的容量冗余?？梢钥紤]利用這部分容量，通過采用合適的控制策略在并網(wǎng)換流器中加入特定的功能，達(dá)到改善電能質(zhì)量的作用。需要注意的是分布式電源自身的電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備不可能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)中改善電能質(zhì)量的技術(shù)設(shè)備。但是，如果將分布式電源應(yīng)用到配電網(wǎng)的柔性電力技術(shù)中去，不僅可以提高電能質(zhì)量水平，還可以減少無源濾波器和有源濾波器的使用，節(jié)約大量的諧波治理的投資，會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
4總結(jié)
隨著環(huán)境污染的加劇，清潔無污染的可再生能源的有效利用問題成為各國學(xué)者研究的熱點。而新能源發(fā)電并網(wǎng)多以分布式的方式存在，且每種分布式電源都具有各自的特點，某種程度上具有互補(bǔ)的特性，配置合理時可以提高能源的利用率，改善系統(tǒng)電能質(zhì)量。因此，本文對分布式電源互補(bǔ)問題展開了討論。首先介紹了分布式電源互補(bǔ)運(yùn)行的概念和優(yōu)點，列舉了分布式電源互補(bǔ)發(fā)電的常見類型，包括風(fēng)－光互補(bǔ)、風(fēng)－水互補(bǔ)等，并給出了具體的應(yīng)用實例，最后分析了利用分布式電源改善電能質(zhì)量的能力和潛力，對于分布式電源的建設(shè)與應(yīng)用具有參考價值。