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1.1 研究背景
能源是经济和社会发展的重要物质基础,电力作为最清洁便利的能源形式,是国民经济的命脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。工业革命以来,世界能源消费剧增,煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速,生态环境不断恶化,特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化,社会的可持续发展受到严重威胁。因此,世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的发电方式——分布式发电(Distributed Generation,DG)[1]。
分布式发电是指利用各种可用和分散存在的能源,包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和本地可方便获取的化石类燃料(主要是天然气) 进行发电供能的技术[2]。小型的分布式电源容量通常在几百千瓦以内,大型的分布式电源容量可达到兆瓦级。相较于传统的发电技术,分布式发电供能系统由于采用就地能源,可以实现分区分片灵活供电,通过合理的规划设计,在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下,可以保证对重要负荷的供电,并有助于大电网快速恢复供电,降低大电网停电造成的社会经济损失;分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点,与大电网配合运行,实现电能在用户侧的分布式替代存储,从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题,促进电网更加安全高效运行。另一方面,分布式发电的输配电损耗很低,无需建配电站,可降低或避免附加的输配电成本,并且根据用户需求,分布式发电在实际应用中可以提供多种服务,如备用发电,削峰填谷等[3,4,5]。无疑,分布式电源将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑,是未来电力系统的发展趋势之一。
随着全球能源领域竞争的加剧,世界各国日益重视自身可持续发展战略的实施,作为这一战略的核心技术之一,分布式发电供能技术的研究日益受到各国关注。欧盟、美国、日本等多个发达国家在进行能源结构调整过程中,已经把分布式发电技术放在了相当重要的位置上。美国在2001年已制订完成了分布式发电互联标准IEEE P1547,规划在10~15年后分布式发电占整个美国发电量的10%~20%[6,7]。欧盟《欧洲2020》远景规划,提出到2020年,可再生能源达到能源总消耗量的20%[8]。其中2009年,欧洲新增新能源发电容量占新增电力装机容量的60%,接近20%的电力供应来自可再生能源。丹麦是世界上可再生能源发展最快的国家之一,2005年其可再生能源发电比例达到30%,其风力工业协会提出了的“风力50”计划,建议到2025年丹麦风电占全部电力消耗比重的50%[9]。2000年,德国出台了全世界第一部真正意义的《可再生能源法》,用于推动可再生能源的发展,2010年,德国可再生能源发电已占总消耗电能的16%,并提出了到2020年可再生电能占总消耗电能47%的目标[10]。英国于2009年7月发布了《英国可再生能源战略》,计划到2020年可再生能源比重提高至30%到32%[11]。为推动可再生能源的发展,2010年7月,日本经济产业省计划对太阳能、风力、地热、生物燃料等可再生能源所发电力,实行全部收购制度[12]。由此可见,众多发达国家十分重视分布式发电技术的研究,分布式电源在整个供能体系中所占比例也在逐渐增加。据国际能源署2010年初发布的报告,2009年全球应用于新能源领域的投资为150亿美元,较08年增长16%。2009年全球可再生能源发电容量达到了305GW,比2008年增长了22%,全球并网太阳能发电容量增加至21GW,较2008年增长了53%,风力发电增加至159GW,较2008增长了32%。截止2010年初,世界上至少有100多个国家制定了促进能源可持续发展的相关政策(如小型可再生能源的税收优惠、财政补贴、低息贷款;并网DG电量的强制购买或配额制度以及与之配套的绿色交易证书等制度),这将大大促进相关技术的发展与应用。分布式发电及相关技术将成为国际上一项重要的技术增长点,是21世纪电力工业的主要技术发展方向之一[13,14]。
中国政府对发展基于可再生能源的分布式发电也非常重视。在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”,开展分布式发电供能技术方面的研究工作符合国家重大需求[15]。2009年中国用于可再生能源的投资金额为29.2亿美元,仅次于德国居世界第二位。相较于08年,可再生能源总量达226GW,增幅(37GW)居世界第一位,风力发电容量增幅(13.8GW)及总量(38GW)均居世界第一位[13]。我国近年来颁布的《可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》等一系列政策法规中,都已明确将分布式发电供能技术列入重点发展与支持领域。因此,可以预见在中国大规模发展基于可再生能源的分布式发电技术已是必然的趋势[16,17]。

1.1 研究背景
能源是经济和社会发展的重要物质基础,电力作为最清洁便利的能源形式,是国民经济的命脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。工业革命以来,世界能源消费剧增,煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速,生态环境不断恶化,特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化,社会的可持续发展受到严重威胁。因此,世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的发电方式——分布式发电(Distributed Generation,DG)[1]。
分布式发电是指利用各种可用和分散存在的能源,包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和本地可方便获取的化石类燃料(主要是天然气) 进行发电供能的技术[2]。小型的分布式电源容量通常在几百千瓦以内,大型的分布式电源容量可达到兆瓦级。相较于传统的发电技术,分布式发电供能系统由于采用就地能源,可以实现分区分片灵活供电,通过合理的规划设计,在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下,可以保证对重要负荷的供电,并有助于大电网快速恢复供电,降低大电网停电造成的社会经济损失;分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点,与大电网配合运行,实现电能在用户侧的分布式替代存储,从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题,促进电网更加安全高效运行。另一方面,分布式发电的输配电损耗很低,无需建配电站,可降低或避免附加的输配电成本,并且根据用户需求,分布式发电在实际应用中可以提供多种服务,如备用发电,削峰填谷等[3,4,5]。无疑,分布式电源将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑,是未来电力系统的发展趋势之一。
随着全球能源领域竞争的加剧,世界各国日益重视自身可持续发展战略的实施,作为这一战略的核心技术之一,分布式发电供能技术的研究日益受到各国关注。欧盟、美国、日本等多个发达国家在进行能源结构调整过程中,已经把分布式发电技术放在了相当重要的位置上。美国在2001年已制订完成了分布式发电互联标准IEEE P1547,规划在10~15年后分布式发电占整个美国发电量的10%~20%[6,7]。欧盟《欧洲2020》远景规划,提出到2020年,可再生能源达到能源总消耗量的20%[8]。其中2009年,欧洲新增新能源发电容量占新增电力装机容量的60%,接近20%的电力供应来自可再生能源。丹麦是世界上可再生能源发展最快的国家之一,2005年其可再生能源发电比例达到30%,其风力工业协会提出了的“风力50”计划,建议到2025年丹麦风电占全部电力消耗比重的50%[9]。2000年,德国出台了全世界第一部真正意义的《可再生能源法》,用于推动可再生能源的发展,2010年,德国可再生能源发电已占总消耗电能的16%,并提出了到2020年可再生电能占总消耗电能47%的目标[10]。英国于2009年7月发布了《英国可再生能源战略》,计划到2020年可再生能源比重提高至30%到32%[11]。为推动可再生能源的发展,2010年7月,日本经济产业省计划对太阳能、风力、地热、生物燃料等可再生能源所发电力,实行全部收购制度[12]。由此可见,众多发达国家十分重视分布式发电技术的研究,分布式电源在整个供能体系中所占比例也在逐渐增加。据国际能源署2010年初发布的报告,2009年全球应用于新能源领域的投资为150亿美元,较08年增长16%。2009年全球可再生能源发电容量达到了305GW,比2008年增长了22%,全球并网太阳能发电容量增加至21GW,较2008年增长了53%,风力发电增加至159GW,较2008增长了32%。截止2010年初,世界上至少有100多个国家制定了促进能源可持续发展的相关政策(如小型可再生能源的税收优惠、财政补贴、低息贷款;并网DG电量的强制购买或配额制度以及与之配套的绿色交易证书等制度),这将大大促进相关技术的发展与应用。分布式发电及相关技术将成为国际上一项重要的技术增长点,是21世纪电力工业的主要技术发展方向之一[13,14]。
中国政府对发展基于可再生能源的分布式发电也非常重视。在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确提出要大力开展“可再生能源低成本规模化开发利用”以及“间歇式电源并网及输配技术”,开展分布式发电供能技术方面的研究工作符合国家重大需求[15]。2009年中国用于可再生能源的投资金额为29.2亿美元,仅次于德国居世界第二位。相较于08年,可再生能源总量达226GW,增幅(37GW)居世界第一位,风力发电容量增幅(13.8GW)及总量(38GW)均居世界第一位[13]。我国近年来颁布的《可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》等一系列政策法规中,都已明确将分布式发电供能技术列入重点发展与支持领域。因此,可以预见在中国大规模发展基于可再生能源的分布式发电技术已是必然的趋势[16,17]。

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随着分布式发电技术的不断提高,分布式发电成本进一步下降,表1-1为几种常用分布式发电的成本对比[13]。以风力发电为例,美国能源署的结论是,到2015年,风力发电厂的发电成本将降至每度电5.58美分,与使用其他传统燃料如核能、煤和天然气的发电厂在成本方面并无太大差异。因此可以预期,分布式发电在克服了自身的技术阻碍以及成本问题后,在不远的将来,必将与常规集中式发电构成未来世界两种相辅相成的发电方式,并在电力系统中占据重要的地位。

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