隨著世界經濟的快速發展和工業化進程的加快，能源需求與日俱增，可再生能源因其資源豐富、無污染等優點近年來得到快速發展，而可再生能源發電呈現的局部不穩定性和整體規律性使得不同的能源之間的互補運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運行的必要性，對分布式電源互補體現的優點進行了總結；其次對互補發電的常見類型進行了闡述，分析了不同分布式電源互補運行的可行性，并列舉出了分布式電源互補發電的實例；最后對分布式電源接入電力系統可改善電能質量的能力和潛力進行了分析，對分布式電源的實際應用具有參考價值。

       引言

       能源是人類生存和發展的基礎，人類的每一次進步都離不開能源結構的發展和改進。隨著經濟的發展，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展逐漸得到重視。而分布式發電技術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，風能、太陽能等清潔能源具有不穩定性，獨立運行的單一分布式電源的棄風、棄光現象嚴重，很難維持整個供電系統的頻率、電壓穩定以及保障系能源的利用效率。

       分布式電源具有多樣性，而且它們的變化規律各不相同，比如風能利用一般在晚上，而光伏發電利用在白天，兩者聯合運行可以達到互補的效果，同時風光也存在季節性的互補，光伏發電產生的能量在春季更豐富，風能相反，在秋冬更豐富。因此在遠離大電網的隱蔽山區，一般可以采用多種分布式電源聯合運行，讓各種發電方式在一個系統內互為補充，通過它們的協調配合來提供穩定可靠的、質量較高的電能，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合運行的方式，我們稱之為互補發電或者分布式電源的互補運行。

       本文針對分布式電源對系統電能質量的影響問題，對分布式電源互補運行的必要性進行分析，并對國內一些相關應用實例進行介紹，將互補發電的常見類型進行總結，最后對分布式電源應用帶來的電能質量改善問題進行了分析。

       一、分布式電源互補運行的必要性

       1.1常見的分布式電源特性

       我國幅員遼闊，地形多樣，因此風能、太陽能資源十分豐富。風能和太陽能是目前眾多可再生新能源中，應用潛力最大、最具開發價值的兩種，取之不盡，用之不竭。近些年我國風力發電和太陽能光伏發電技術的發展都很快，其獨立應用技術已經日趨成熟，風機和光伏發電的裝機容量也逐年遞增，改變了傳統的集中式發電方式。

       我國某地一天內風能和太陽能變化曲線如圖1所示。利用風能、太陽能的互補特性，可以獲得比較穩定可靠的功率輸出，在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。風力發電、光伏發電在近幾年發展迅速，也帶動了風－光互補發電的發展應用，在未來將有著巨大的商業開發前景。對于用電量大、用電要求高，遠離大電網，而風能資源和太陽能資源又比較豐富的地區，風－光互補供電無疑是最佳選擇。

       在遇到風力發電的規模較大的情況，在現有的經濟技術條件下，用光伏發電進行互補的效果將會受到限制?？紤]我國的水資源豐富，且具有明顯的季節特性，夏季和秋季處于豐水的狀態，冬季和春季屬于枯水的狀態，這與我國大陸季風性氣候形成的冬春季風資源豐富，夏秋季風資源較少的狀態形成互補，因此在我國某些無法實現風光互補的地區可以考慮進行風—水互補。

       然而，在很多邊遠或孤立地區，柴油發電機組是提供必要生活和生產用電的常用發電設備。不過，柴油價格高，運輸不便，有時還供應緊張，因而柴油機發電的成本很高，往往還不能保證電力供應的可靠性。而在這些邊遠地區，尤其是高山和海島，往往太陽能和風能資源比較豐富，可以因地制宜地用這些可再生新能源與柴油機聯合發電運行。風電或光伏發電與柴油發電機組并聯運行，一方面可以節省燃料柴油，降低發電成本；另一方面，還可以充分利用可再生能源，減輕發電可能造成的環境污染，并保證供電的連續性和可靠性。

       除了風能、太陽能等可再生能源以外，燃料電池也可以用于互補聯合發電系統。燃料電池發電是目前世界上最先進的高效潔凈發電方式之一，技術已經漸趨成熟。而屬于常規發電方式的燃氣輪機發電，技術已經比較完善，效率較高（與其他方式聯合運行時效率可高達60％-70％），而且氮化物、一氧化碳等污染物的排放量也很少。

       圖1我國某地風光功率變化

       1.2分布式電源互補的必要性

       分布式電源（尤其是基于可再生能源的分布式電源）互補發電，具有明顯的優點，如表1所示。

       2互補發電的常見類型

       理論上，只要資源條件允許，任何幾種新能源發電方式都可以互補應用。然而由于各種各樣的條件限制，目前新能源互補發電方式中，實際應用較多的是風能—太陽能互補發電、風能—水能互補發電等。另外，新能源發電也可以與燃氣輪機等小型常規發電方式互補應用。

       2.1風－光互補發電

       風－光互補發電系統，一般由風力發電機組、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成，向各種直流或交流用電負載供電。圖2為風－光互補發電系統的基本結構示意圖。

       圖2風－光互補供電系統的基本結構示意圖

       風電機組和光伏電池用于將風能和太陽能進行轉換。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，保證整個系統供電的連續性和穩定性。直流母線和控制器的作用是對發電、用電、儲能進行能量管理和調度。風力發電輸出的電能一般是交流電，光伏發電輸出的電能一般是直流電。在進行能量管理和向交直流負荷供電時，往往需要進行電力變換（把交流電變為直流電的過程稱為整流，所用的裝置是整流器；把直流電變為交流電的過程稱為逆變，所用的裝置是逆變器）。逆變器可以轉換電流形式，向眾多常見的交流用電設備提供高質量的電能，同時還具有自動穩壓功能，可改善風－光互補發電系統的供電質量。

       風—光互補實例：青海省黃南藏族自治州澤庫縣和日鄉葉貢多寄宿小學的4千瓦風－光互補發電系統，完成系統安裝調試并投入運行。該系統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式光伏陣列支架、2千瓦風力發電機及支架、蓄電池、充電器、逆變器、控制系統等組成，一舉解決了葉貢多寄校近200名師生的教學、生活用電問題。

       位于那曲縣香茂鄉的風－光互補發電站，總投資210萬元，由20套1千瓦的戶用型風力發電系統和20千瓦風－光互補型集中供電系統組成，總功率為40千瓦，單臺風機功率為10千瓦和5千瓦。該電站戶用系統分別采用400瓦光伏、600瓦風能和300瓦光伏、700瓦風能兩組風－光互補組合體。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。

       新疆哈密風電基地二期8000MW風電開發建設方案中，配套建設1250MW光電，其中，光電450MW布置于風間帶，既節約了土地資源，又可與風電共用輸電線路，提高了輸電線路利用率。

       2.2風－水互補發電

       在我國某些無法實現風光互補的地區，經過詳細的調研，進行合理的發電容量配置，可以充分發揮風能和水力資源的各自優勢，通過兩種可再生新能源的互補，在一定程度上解決新能源發電的間歇性和波動性問題。風－水互補發電，可以避免水力發電在枯水季節發電量不足的問題，也可以通過共用輸配電設備節省建設投資，是一種比較經濟有效的大規模新能源利用方式。

       風—水互補發電的另一種形式是抽水蓄能與風電互補，其主要作用方式是利用蓄能電站的儲能作用，進行風能的儲存和轉化。抽水蓄能電站建設地點有更大的選擇余地，通過吸收風電多余的輸出電量實現抽水功能，在本地電網內與風電互補，進行低谷蓄能、高峰發電，作為風電的“蓄電池”和“調節庫”，可平抑風力的不穩定性對電網的影響，提高本地電網接納風電能力，提高電力系統安全穩定經濟性。

       風—水互補實例：新疆阜康抽水蓄能電站位于烏昌電網，距負荷中心較近，達坂城、小草湖風電場距離烏昌電網較近，阜康抽水蓄能電站建成后，除承擔系統調峰、填谷、調頻、緊急事故備用外，將可協助消納風電4000MW，提高烏昌電網接納風電的能力和安全穩定經濟性。

       2.3風－光－柴互補發電

       光伏－柴油混合型發電系統同風力－柴油聯合發電系統的設計思想和基本特點是類似的。不過，其中光伏發電系統對逆變器的要求較高，既要有較高的效率和可靠性，還要能適應因光照變化造成的直流電壓變化。其發展在一定程度上取決于光伏逆變器的技術水平和成本。當然也可以采用風－光－柴聯合發電運行的方式，如圖3所示。這種多能源互補系統與風—柴聯合發電相比，更能減少發電的柴油用量和環境污染。此外，還可以使用沼氣發電等代替柴油發電機組。在系統設計時應適當選擇柴油發電機組的容量，尤其是要考慮風－光互補性較差的時段和季節，以及負載供電連續性和穩定性的要求。

       圖3風－光－柴互補聯合發電系統結構圖

       新能源與柴油發電機組聯合發電，已經成為世界各國在風能和太陽能利用方面頗受矚目的方向之一。其優點包括：聯合運行，互補發電，供電的連續性和可靠性好，在新能源發電輸出隨機變化的情況下，也可以24小時不間斷供電，并且可以具有較好的電能質量；節省燃料能源，環境污染少，普通的風柴互補系統可以節省30-100%的柴油用量；功率變動范圍小，所需的儲能設備（蓄電池等）容量??；投資少，見效快；對燃料的依賴程度低，對新能源綜合開發利用，適用范圍很廣。

       風—光—柴互補實例：甘肅某地區建成了4千瓦的風—光—柴互補供電系統，其中柴油機主要用作備用電源。該系統運行良好，可靠地解決了建設單位的日常用電問題。目前，正在運行的比較先進的風—光—柴互補發電系統，有我國建造的30千瓦的風—光互補聯合發電系統，德國的風—光—蓄（電池）聯合系統，等等。

       2.4微型燃氣輪機－燃料電池互補發電

       燃料電池與微型燃氣輪機聯合發電系統，有著非常好的發展前景。尤其是高溫燃料電池的工作溫度與燃氣輪機的工作溫度相匹配，兩者組成聯合發電系統具有更高的效率。商用固體氧化物燃料電池和微型燃氣輪機聯合循環發電效率可以高達60%～75%，是目前礦物燃料動力發電技術中效率最高的。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氣輪機聯合循環示范電站，其中燃料電池和燃氣輪機的發電容量分別為200千瓦和50千瓦。據稱，燃料電池與微型燃氣輪機聯合發電系統的潛在效率可高達80%。

       3.利用分布式電源改善電能質量

       雖然分布式電源的引入會給系統帶來一些電能質量問題，但是分布式電源也存在改善電能質量的潛力。

       3.1利用分布式電源啟停便捷改善電能質量

       分布式電源單機容量小、機組數目多，分布也比較分散，啟動和停機便捷迅速，運行控制具有很強的靈活性。在相關控制策略下，分布式電源只需很短的時間就可以投入使用，也可以根據需要迅速退出運行。如果分布式電源能夠在電網發生故障和擾動時繼續保持運行，或者能轉做備用電源，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控改善電能質量

       分布式電源和電力用戶距離很近，容易實現有功功率的就近提供和無功功率的就近補償，而且輸電損耗小[9]。在傳統的配電網中，當用戶負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。如果用戶負荷的變動數量大而且是動態變化，那么還會造成電壓波動與閃變等問題。當分布式電源與當地負荷能夠協調運行（分布式電源輸出與負荷同步變化）時，將抑制系統電壓的波動。具體而言也就是，若能將分布式電源也納入電網的統一調度管理，那么在用戶負荷突然大量增加或減小時，就可以根據負荷的變化相應調整分布式電源的輸出功率，從而對負荷的功率變動進行補償，抑制電壓的大幅度波動。

       3.3利用分布式電源專配的補償裝置改善電能質量

       分布式電源并網可能會給配電網帶來電能質量問題，這個是阻礙分布式電源接入電網的重要因素。所以很多分布式電源在接入電網時，往往都配備一些無功補償裝置或儲能裝置。這些補償裝置并聯接在分布式電源的接入點，在對分布式電源本身的電能質量問題進行補償的同時，也必然對配電網中原有的電能質量問題有改善作用。

       3.4利用分布式電源的并網換流器改善電能質量

       分布式電源的并網換流器，與有源電力濾波器、靜止無功發生器等電能質量調節裝置所用的電路結構和控制技術有很大程度的相似性，這就為兩類設備的優化配置提供了可能性。優化配置系統利用現有電力電子設備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實現了電能的傳輸轉換，而且改善了系統的電能質量，減少了系統的額外投資。

       分布式電源并網換流器大都采用脈寬調制（PWM）技術。這些逆變電源可以向電網提供正弦的電壓、功率因數為1的電能。但是受到自然能源的波動性的影響，輸出能量并不穩定，這也造成并網換流器的容量往往要大于實際的分布式電源的發電容量，也就是說在運行過程中并網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換流器中加入特定的功能，達到改善電能質量的作用。需要注意的是分布式電源自身的電力電子轉換設備不可能完全代替傳統電網中改善電能質量的技術設備。但是，如果將分布式電源應用到配電網的柔性電力技術中去，不僅可以提高電能質量水平，還可以減少無源濾波器和有源濾波器的使用，節約大量的諧波治理的投資，會帶來巨大的經濟和社會效益。

       4總結

       隨著環境污染的加劇，清潔無污染的可再生能源的有效利用問題成為各國學者研究的熱點。而新能源發電并網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的特性，配置合理時可以提高能源的利用率，改善系統電能質量。因此，本文對分布式電源互補問題展開了討論。首先介紹了分布式電源互補運行的概念和優點，列舉了分布式電源互補發電的常見類型，包括風－光互補、風－水互補等，并給出了具體的應用實例，最后分析了利用分布式電源改善電能質量的能力和潛力，對于分布式電源的建設與應用具有參考價值。