基于燃料电池发电系统的微网技术研究

摘 要：分布式电源并网有可能造成电力系统不可控制、不安全和不稳定，从而影响电网运行和电力市场交易。微网技术可以有效整合分布式发电的优势，同时为新能源以及可再生能源发电系统规模化并网应用提供了新的途径，是国内外电力系统研究领域的最新前沿课题之一。本文对微网的概念进行了简要的概述，而后提出了基于燃料电池、太阳能光伏发电等清洁能源构成的混合发电系统与就地负荷结合后组成微网的基本思想。

关键词：微网技术；分布式发电；分布式电源；燃料电池

0 引言

过去几十年里，电力系统已发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网系统，通过复杂的功率潮流等控制器对其进行调节，并对大多数干扰具有鲁棒性。

但是近年来用电负荷不断增加，而电网建设却没有得到同步发展，远距离输电线路的输送容量不断增大，以及受端电网对外来电力的依赖程度也不断提高，使得电网运行的稳定性和安全性下降。我国08年年初南方的雪灾对电网破坏后带来的灾难给我们带来深刻的教训。

上述问题的出现，使人们深刻反思，除了单一扩大电网规模，建设超高压输电网外，利用新能源以及可再生能源在负荷处就近供电，降低负荷对大电网的依赖无疑对提高供电安全性和可靠性起到至关重要的作用，分布式发电/分布式电源（Distributed Generation/Distributed Source）近年来引起了人们的广泛重视。

分布式发电（Distributed Generation，DG）及其应用是本世纪最受重视的高科技领域之一，是电力系统一个新的发展方向。然而处于电力系统管理边缘的大量分布式电源并网却极有可能造成电力系统不可控制、不安全和不稳定，从而影响电网运行和电力市场交易，所以分布式发电面临着许多技术障碍和质疑。为了协调主电网与分布式电源间的矛盾，充分发掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，进一步提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性，以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，微网（Microgrid）概念应运而生，并且迅速成为了国内外电力系统研究领域的最新前沿课题之一。

1 微网的概念与结构

威斯康星大学Robert H. Lasseter教授提出这样的观点：“理解新兴分布式发电的一个好办法就是采用系统的方法，将发电和相应的负荷看作一个子系统或‘微网’。”

2001年美国威斯康星大学-麦迪逊校区的R.H.Lasseter教授首先提出了微网的概念[4]，随后美国电气可靠性技术解决方案联合会（CERTS）和欧盟微网项目组（European Commission Project Micro-grids）也相继给出了微网定义。

微网是一种由负荷和分布式电源（光伏发电、风力发电等）共同组成的系统，它可以同时提供电能和热量；微网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制。对于大电网，微网可以被看成是系统中的一个可控单元，它在短时间内反应以满足其外部输配电网络的需要；对于用户端来说，微网可以满足他们的特定电能质量要求，并且增加供电的可靠性，降低线损[5-6]。

2 燃料电池发电系统简介

以清洁能源为主的分布式发电主要包括以下技术[5]：

太阳能光伏发电技术、风力发电技术、燃料电池技术、微型燃气轮机技术、生物质能发电技术、海洋能发电技术、地热发电技术等等，这些发电技术各有各的优缺点，在实际应用中应采取两种及两种以上的发电技术相结合，并与就地负荷组成微网，从而实现优势互补，提高能源利用效率。

通常采取的组合方式有风光互补（风-光-蓄[8]，风-光-柴-蓄[9]等），燃料电池和微型燃气轮机互补发电[10]，燃料电池和光伏发电互补[11]等方式。

2.1 燃料电池简介

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转变为电能的发电装置。

燃料电池的分类：

1. 低温的包括100℃以下 ：碱性燃料电池（AFC），固体聚合物燃料电池（SPFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

2. 中温的包括100℃-200℃ ：磷酸燃料电池（PAFC）。

3. 高温的包括：熔融碳酸盐燃料电（MCFC，660℃）、高温氧化物燃料电池（SOFC，800℃-1000℃）。

2.2 燃料电池与光伏混合发电系统

目前，通过蓄电池储能来调整光伏发电系统的发电与供电之间的时间差，是减少自然条件影响的主要手段。根据独立运行的光伏发电系统设计原则，用户对供电质量、供电保证率提出的要求愈高，系统对蓄电池的需求量也愈大。长期以来，对蓄电池（主要是铅酸电池）的依赖性是影响独立运行的光伏发电系统大量推广应用的重要原因。

随着燃料电池的不断商业化，它的价格会不断下降，同时基于燃料电池的诸多优点，用燃料电池替代蓄电池与太阳能光伏构成混合发电系统，可以减少蓄电池储能带来的弊端，从而提高太阳能光伏发电的操作灵活性和供电可靠性，促进太阳能光伏发电的进一步发展。

3 展望

随着相关技术的不断成熟，燃料电池发电系统必将得到全面的应用，并且燃料电池与太阳能光伏等可再生能源互补发电的形式将会得到进一步的发展。我国近期提出发展智能电网的战略，其中就包括大力发展分布式发电技术，借此机遇，更要大力推广微网概念。在我国，应尽快开展微网在民用和国防应用中的研究，开发相应的微网可靠性评估和规划建设软件，制定相关的微网并网标准，这将对我国进行电网的智能化建设具有重要的意义。

参考文献

[1] 裴玮，盛鹍，孔力，齐智平.分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J].中国电机工程学报，2008，28（13）：152-157.

[2] 韦钢，吴伟力，胡丹云，李智华.分布式电源及其并网时对电网的影响[J].高电压技术，2007，33（1）：36-40.

[3] Lasseter R H， MicroGrids [C]. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Winter Meeting ，New York，USA，2002：305-308.

[4] 鲁宗相，王彩霞，闵勇等.微电网研究综述[J] .电力系统自动化，2007，31（19）：100-107.

[5] 郑漳华，艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J] .电网技术，2008，32（16）：27-31+58.

[6] 潘文霞，徐才华.孤岛风光柴蓄系统配置仿真及分析[J].江苏电机工程，2008，27（6）：34-37.

[7] Kyoungsoo Ro， Saifur Rahman. Two-Loop Controller for Maximizing Performance of a Grid-Connected Photovoltaic-Fuel Cell Hybrid Power Plant. IEEE Transactions on Energy Conversion，Volume 13，No.3，Sept. 1998 Page（s）：276 - 281.

作者简介：赵振东（1984-），男，吉林长春人，汉族，本科，主要从事电力系统继电保护工作。

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