收稿日期:2008-05-10
作者简介：侯健敏(1978-)，女，呼和浩特人，讲师，博士，主要从事分布式能源、复杂系统的研究. 周德(1963-)，男，江苏建湖人，教授，博士，博士生导师，主要从事系统工程、能源经济的研究.
分布式能源研究综述
侯健敏1,2，周德1
(11南京航空航天大学经济与管理学院，南京210016;21南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)
摘 要：针对目前分布式能源系统在我国的发展趋势，从自然科学和社会科学2个角度阐述了分布式能源的研究现状，剖析了分布式能源在发展的过程中所要遇到的困难以及相应的解决方案.内容涉及发电技术、储能技术、并网技术及其经济性研究、系统优化和政策建议等方面，力图全方位分析分布式能源的研究路线和有待进一步深化研究的方向.关键词：分布式能源；技术体系；经济性研究；系统优化中图分类号:T K01 文献标识码: A 文章编号:1673-1603(2008)04-0289-05
分布式能源是指分布在用户侧的能源梯级利用和可再生能源及资源综合利用设施，通过在现场对能源实现温度对口梯级利用，尽量减少中间输送环节的损耗，实现对资源利用的最大化和系统与投资的最优化的能源系统.分布式能源系统与集中发电、远距离输电和大电网供电的传统电力系统相比，克服了传统系统的一些弱点，突出了节省投资、降低损耗、提高系统可靠性、能源种类多样化、减少污染等优点，成为传统电力系统不可缺少的有益补充.
分布式能源在发达国家已经是一种比较成熟的技术
[1]
.2003年/世界热电联产联盟0已经更名为/世界
分布式能源联盟0，这说明热电联产技术已经纳入分布式能源的大概念之中.
1 自然科学视角
2mc从自然科学角度对分布式能源进行研究，主要涉及研究分布式能源系统各环节实现所用的技术及实现方法，即从自然科学方面来分析和研究发电方式、储能技术、能源利用、能量转换、并网技术等具体技术能否实现及如何实现的问题，可理解为对能否和如何实践支撑分布式能源发展的技术体系范畴的研究.该范畴将能源利用、产生、存储及消耗等环节从具体社会环境中抽出，重点从自然科学角度对分
布式能源系统在技术方面的可行性和具体途径进行研究，属于实验或实证分析范畴.111 发电方式
分布式发电系统自身的特点决定了它不是采用煤
滴胶卡制作作为一次能源，而是大量采用环境友善的可再生能源.可以说，分布式发电技术是与新能源技术密切相关的.
目前比较常见的发电方式有：微型燃气轮机发电、风能发电、太阳能光伏发电、燃料电池等[2-7].
1)微型燃气轮机发电.微型燃气轮机主要组成部分包括微型燃气轮机、发电机和数字电力控制器等，以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料，具有高可靠、寿命长、噪声低、重量轻、体积小、污染低、油耗低等一系列优点，是目前应用较为广泛的一种分布式能源方式.
2)风能发电.风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，是一种清洁能源.它的输出功率由风能决定.风力发电是目前新能源开发技术中最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式.
3)太阳能光伏发电.太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能.在使用时将光伏电池封装成组件，然后根据需要将组件串并联组成方阵.采用光伏电池发电具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点.但是光伏电池的转换效率低.
4)燃料电池.燃料电池是直接将燃料(天然气、煤气、石油等)中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生成水的同时进行发电.燃料电池具有效率高且不受负荷变化的影响、清洁无污染、噪音低、安装周期短、安装位置灵活等特点.
112 储能技术
基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，这样既可以稳定供电，同
第4卷第4期2008年10月
沈阳工程学院学报(自然科学版)
Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science)
Vol 14No 14Oct.2008
时，又能提供备用电力以及提高分布式发电机组的可调度性.到目前为止，人们已经开发了多种形式的储能方式，主要分为化学储能和物理储能.然而，成本过高是限制很多储能技术在分布式发电中大量推广应用的共同问题，因此，提高能量转换效率和降低成本是今后储能技术研究的重要方向[8-10].
1)蓄电池.当前主要应用的蓄电池有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢化物-镍蓄电池和锂离子电池以及钠硫蓄电池.其中铅酸蓄电池由于具有良好的性价比，而且能量密度也能达到系统设计的要求，因此在这些蓄电池之中，铅酸蓄电池被认为最适合应用于分布式发电系统.
2)超导蓄能.超导蓄能比蓄电池系统的能量密度大.此外，超导蓄能系统具有独特的优点：噪音低、高效率及高可靠性.但也有致命的缺点：一是超导蓄能系统需要压缩器和水泵来维持液体的低温，这就使系统变得复杂，并且导致维修频率提高；二是成本太高，至今为止，超导蓄能系统的成本比其他类型蓄能系统的成本高得多.高成本导致超导蓄能系统短期内不可能在分布式发电系统大规模应用，但是在要求高质量和高可靠性的系统中可以应用.
3)超级电容器蓄能.超级电容器具有功率密度高、充电时间短、寿命和储能时间长、高可靠性等优点，非常适用于分布式发电系统.在边远地区，超级电容器可以和风力发电装置或太阳能发电装置组成混合电源，使得在无风或夜间也可以提供足够的电能.
4)飞轮储能.飞轮储能密度大，能量转换效率高，使用寿命长，充电时间短，适应各种环境，可重复深度放电，是一种绿能源技术，应用前景广阔.但目前价格较高，还不能大规模应用于分布式发电系统中.现在飞轮蓄能系统主要应用于为蓄电池系统作补充.如果成本能下降，将大大提高其商业竞争力.
113并网技术
在电力系统中引入分布式电源所带来的运行上的问题包括：调压、继电保护、瞬态重合闸、电闪、谐波、变压器接地、孤岛检测等.文献[11]依据分布式发电系统的特点与功能及其与传统电力系统之间的关系，将分布式发电并网系统分为3类，并分析了分布式发电并网对电力系统规划、电能质量、继电保护、可靠性等方面的影响.文献[12]提出了利用电抗器高阻抗值的特性，限制分布式电源提供的短路电流，从而有效地解决了分布式电源与保护之间的协调性问题.文献[13]从电气计算、系统继电保护及安全自动装置、通信等方面分析了分布式小电源并网在工程实际应用的可行性.
随着DG应用的不断增加，孤岛发生的可能性和对系统、用户的影响越来越大，从而对孤岛检测方法的研究形成了新的研究热点.目前研究人员提出了许多种不同的孤岛检测方法.文献[14]从3个方面(基于通信技术、同步分布式发电机本地检测和基于逆变器的分布式发电系统本地检测)根据不同的孤岛检测原理，阐述了若干具体的检测方法，并分析了其理论依据和性能.文献[15]基于不可检测区域的概念，对反孤岛策略的有效性进行了理论评估和m atalb仿真.
2社会科学视角
从社会科学角度对分布式能源进行研究，则突出社会发展的系统性和整体性，与自然科学家不同，社会科学家们更关心适应分布式能源发展的体制和机制，以及适应分布式能源发展的法律体系、政策体系、制度环境、激励与约束机制的构建等问题，或从社会科学的角度出发，应用自然科学的方法建立优化模型来为政策制定或舆论导向提供理论支持.
211经济性研究
在对分布式能源进行经济性分析时，有许多因素影响着它的复杂程度.如除了要考虑设备和安装成本、运行和维护成本、燃料成本等重要因素之外，还要考虑分布式能源的年使用时间、实际发电效率、余热利用率.是独立于电网还是与电网合并?同时，其付款方式、使用寿命、准入规则、政府优惠政策等因素也会对结果产生重要的影响.
21111投资回收期的研究
国内外文献对DER项目投资回收期的分析有所不同.国内的报道比较乐观，投资回收期较短(一般4 ~6年)；而国外的报道比较谨慎，在有政府投资奖励、优惠贷款、减免税收以及温室气体减排奖励等优惠政策支持下，投资回收期一般为6~10年.其重要原因，就是对效率值的理解不同[16].
文献[17]在选定容量下，考虑初投资、运行维护费用、系统效率、能源价格(天然气价格、电价、热价)、机组年运行时间等因素的影响，对微型燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池、小型燃气轮机4种分布式供能方式进行投资回收期的对比分析，得出结论，小型燃气轮机系统的投资回收期最短，微型燃气轮机系统虽在初投资上略高于燃气内燃机系统，但投资回收期却要小于后者.而燃料电池虽具有很多其他系统难以比拟的优点，但计算得到的投资回收期很长，成本昂贵，目前要进入
#290#沈阳工程学院学报(自然科学版)第4卷
商业化还有相当大的困难.
文献[18]通过分布式供能系统与普通供冷供热方案的经济性比较，定量分析了热负荷与冷负荷的变化及两者的比重对初投资回收期的影响.研究发现，冷热负荷的稳定性对分布式能源系统运行效益影响显著，实际冷热负荷占额定冷热负荷的百分率对分布式供能系统的初投资回收期有显著影响.
21112电力定价的研究
在进行分布式能源系统电力定价的分析中，常采用静态成本分析法，并与当地电网公司的零售电价相比较(或与另一项DER技术的评估结果比较).DER 系统电力成本通常由燃料成本、固定投资成本及运行与维护成本组成.这3部分的比例会随DER的类型与规模而发生变化.
文献[19]用设备和安装成本、运行和维护成本、燃料成本等来计算电力成本，并考虑了年运行时间、使用寿命、发电效率、投资奖励等因素的影响.结果表明，该系统的电力成本比传统系统的要低，效益比较乐观.
文献[20]应用热经济学代数模式分析方法，以火用流为计价对象，按能级分摊的原则，建立成本方程和热经济学会计法通用分析计算模式进行分析计算.将计算结果与传统的产品等价法结果进行比较，结果证明能级分摊方法可作为热电冷三联产定价的基本依据. 21113经济效益的研究
分布式能源在国外几乎不做什么复杂的经济分析，因为没有分布式能源项目不省钱的[21].况且目前国外的分布式能源系统应用已比较成熟，经济效益是显而易见的.国外的文献多集中于对分布式能源推广获益和市场预测模型的研究.国内的文献则试图应用多种方法、从多角度来定性或定量说明分布式能源投资会带来较好的经济效益.
文献[22]仅考虑用户利益的DG规划对DG的推广发展所产生的负面影响，建立了以双方年效益为效用函数的博弈模型，并结合联营电力市场中的电价理论，给出了以市场出清电价为核心的利益分配模式，用以解决双方冲突.通过博弈结果分析得出结论，在该利益分配模式下，可以实现用户、供电商、社会三方共赢.
文献[23]在仅考虑投资者对DER技术的了解和经济收益的条件下，建立预测模型(DER-MaDiM)，得出结论,DER在美国贸易大楼有非常大的应用市场，尤其是在美国西部和东北部.同时指出，对DER技术的深入研究将会加大人们对DER的投资信心.
文献[24]介绍了一种引入DER来计算CO2减排量的方法，并研究,DER在CO2排放交易市场中的作用.结果表明,DER可以有效地减少污染，并从CO2减排交易中获得丰厚报酬.
文献[25]估算了天然气分布式能源站的温室气体减排量，分析了该项目作为清洁发展机制项目的合格性问题，同时讨论了清洁发展机制对项目可能产生的额外经济补贴.分析表明，合理利用清洁发展机制
可以有力地促进分布式能源项目的推广.
212系统优化
对分布式能源系统优化，多是在给定目标函数，如投资最小、电价最低、净现值最大、环境污染最小等情况下，分析发电方式的最优组合或选型、容量确定或系统选址、并网方式的选择或系统的控制模型研究等.
文献[26]利用环境火用经济学原理，将环境效应融入分布式能源系统的优化设计和运行之中；采用热力学量火用作为能源)环境)经济联系的纽带，综合考虑热力学、经济学和环境目标，探讨了分布式能源系统的环境经济学建模及综合分析、优化求解策略，以期为开发能耗最低、污染最小、效益最好的分布式能源系统提供理论指导.
文献[27]以DG投资费用和向输电网购电费用最小为优化目标，分别对输电网正常运行且价格固定、考虑停运状态和实时电价3种典型情况下联网DG系统进行规划.应用启发式算法，得到了各种情况下系统最优供电方案.根据对不同情况下系统运行性能分析，定量讨论了输电网停运、实时电价以及可再生能源随机发电对分布式电源类型、容量等规划运行结果的影响，优化结果体现了联网DG系统联合供电优势.
文献[28]针对分布式能源结构设置和运行操作的问题，考虑生产单元、热量传送和存储，厂址和输送管道的设计等影响因素，建立了一个寻求运作成本和年度固定投资综合成本最优化的混合整数规划(MILP)模型，并通过实例验证了模型的有效性.
文献[4]考虑燃气轮机、内燃机、冷却器、锅炉等设备参数选择，同时考虑环境因素，将系统净现值最大化作为目标函数，建立了遗传算法求解的混合整数非线性规划模型.
文献[29]采用基于Agent的仿真方法进行建模，将发电商、售电商、用户作为特定的Ag ent，建立其信息传输机制，分析各参与者在自身利益和总体利益之间的决策规则，并讨论了分布式能源系统对传统电网的电价制定和电能质量(尤其是峰谷时段)的影响. 213政策建议
第4期侯健敏，等：分布式能源研究综述#291#
许多发达国家都十分重视分布式能源，特别是在美国、日本及欧盟各国，分布式能源已成为一种较成熟的能源综合供应技术，其研究和应用均得到了快速发展[30].我国分布式能源的应用尚处于起步阶段，其装机容量不到全国发电总装机容量的110%.北京、上海、广东等地虽已开展分布式能源的推广应用，建成一些分布式冷热电工程，但其中不乏一些不理想的试点[31].由于我国目前尚无关于分布式能源的法规和并网运行规程，再加上资源、电价、设备、经济、技术和电力市场化等方面的制约，因此在分布式能源方面的发展与发达国家相比存在较大差距.为此，各领域的专家学者都积极参与讨论，
荐言献策，以推动我国的分布式能源更快更好地发展.
徐建中院士在文献[32]中提出，分布式能源系统是科学用能的范例，它与集中式发电的有机结合是新世纪电力工业和能源工业的重要发展方向.开发小型和微型燃气轮机可以提升我国动力工业的技术水平；正确确定冷热电三者的关系，充分发挥中低温余热的作用，是使分布式能源系统获得最大节能效果和最大经济效益的关键.
韩晓平在文献[33]中，通过分析对比世界各国对分布式能源的态度及政策得出结论，国家层面的法律保证和政府层面的执法决心与政策的可落实性，以及执行层的力度是发展分布式能源技术、实现可持续发展的关键保障.同时分析了中国对于分布式能源的政策现状和差距，给出了相应的建议.
华贲在文献[34]中阐述了分布式能源在中国发展的历史机遇和挑战，指出了制订发展战略应具备的观念和原则，并分析了促进分布式能源市场发展和技术发展的战略以及政府在其中的职能.
文献[35]总结了8类适合发展分布式能源站的用户，并给出推动分布式能源站在我国发展的对策和建议.文献[36]介绍了分布式发电在日本、美国、荷兰及英国的地位、发展状况以及各国的政策对分布式发电的影响，在此基础上指出了今后电力市场中分布式发电的发展方向.文献[37]从环境压力、能源需求状况、电力发展及安全、提高能效、能源战略安全、建设新的经济增长点等方面，论述了发展分布式能源的紧迫性及面临的机遇；探索了分布式能源的融资、建设和运营模式；提出了发展分布式能源应
注意的问题；展望了分布式能源的发展前景.
3结论
分布式能源是一个整合优化现有能源系统，取长补短，达到整体平衡的解决方案.它是从电力供应、环境治理、节能、采暖、制冷和热力供应多个环节实现总体优化整合，通过一条全新的思路来解决能源和环境面临的一系列问题.
但目前所见文献中，重点考虑分布式能源作为传统电力有益补充的研究比较多，而忽略了分布式能源在其他方面的重要作用，如对减少污染和能量梯级利用的量化指标研究、冷热电三联产循环系统整合优化等方面讨论的比较少.国外文献对这方面的研究相对国内要多一些[38-40].这一方面可能源于我国分布式能源成功的案例并不多，同时也是分布式能源在实施过程中所涉及环节的复杂性所至.因此，今后的研究除了要将分布式能源作为传统电力的有益补充，从技术上探寻其可行性之外，更应注重其对解决能源环境、能源危机以及可再生资源利用等方面的重要贡献，也即以深入分析能源的梯级利用为主线，从系统科学的角度来进行研究.
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21College of Inform ati on Managem ent,N anjing U niversity of Information Science&Technol ogy,Nanjing210044,China)
Abstract:The research status of distributed energ y is discussed from perspectives of natural science and social sc-i ence,involving pow er g eneration technology,energy storage technology,g rid-connected technology,economic study, system optim ization and policy sug gestion etc.,an al-l round analysis on research routine of distributed energ y and fur-ther developing direction is given as possible.
Key words:distributed energy;technical system;econom ic study;system optim ization
第4期侯健敏，等：分布式能源研究综述#293#
