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小型熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù) Micro-CHPs
目前，在虛擬電廠中最具廣泛應用前景的分布式發(fā)電技術(shù)莫過于具有高效率的小型熱電聯(lián)產(chǎn)機組。通常而言，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱量和電能輸出是相互聯(lián)系的。實際的熱量輸出限制著電能輸出，反之亦然。伴隨著熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最優(yōu)化操作，熱能和冷能的產(chǎn)出可以移到用電低峰時間段。熱能可以保存在熱能系統(tǒng)中，例如提高熱源的溫度。這樣熱電聯(lián)產(chǎn)機組可以在高峰時段更多使用它的能力來產(chǎn)生電能。因為高峰時段的電能非常昂貴，用電單位可以通過購買其他公司的電來減少費用。
Micro-CHPs 發(fā)電機組系統(tǒng)
微型燃氣輪機發(fā)電機組(Micro-CHPs 發(fā)電機組系統(tǒng))由微型燃氣輪機、燃氣輪機直接驅(qū)動的內(nèi)置式高速逆變發(fā)電機和數(shù)字電力控制器（DPC）等部分組成，其單機功率范圍為 25-300kw，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料。
微型燃氣輪機具有是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運行維護簡單等特點，是提供清潔、可靠、高質(zhì)量、多用途的小型分布式供能系統(tǒng)的最佳選擇，使熱、電供應更靠近用戶。。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競爭力的分布式電源之一。
Micro-CHPs 基本原理
與風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)不同，微型燃氣輪機的功率輸出可以加以調(diào)節(jié)。通常情況下，微型燃氣輪機的功率輸出與其中的燃料量有關(guān)，燃料越充足，輸出功率越大。這種分布式發(fā)電機組的特性和集中式發(fā)電機組相似，可以統(tǒng)一調(diào)
度，但是在熱電聯(lián)產(chǎn)的情況下，微型燃氣輪機的各種輸出必須滿足熱量的需要，并且它的功率變化有一定的限制。
燃氣輪機冷熱聯(lián)供
微型燃氣輪機單純的發(fā)電效率不算很高, 但冷熱電共生的能量利用率甚至超過大型機。為了增加燃料利用效率，由燃燒天然氣所產(chǎn)生的能量經(jīng)過能量變換供給微型燃氣輪機，燃氣輪機一部分為微電網(wǎng)提供電能，同時所產(chǎn)生的余熱分別提供給供熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，當供熱和制冷系統(tǒng)需要更大的能量時，系統(tǒng)可以直接通過燃燒天然氣來為冷熱系統(tǒng)提供能量，這樣不但提高了燃料的利用效率同時保證了供電的連續(xù)性（不會因為供熱和制冷需求能量過多而導致整個系統(tǒng)的崩潰）。
微型燃氣輪機并網(wǎng)發(fā)電
由于微型燃氣輪機的轉(zhuǎn)速很高，而且交流發(fā)電機具有很高的頻率，因此不能被直接連接到 VPP 的交流電網(wǎng)中。在這中間，需要一個直流環(huán)節(jié)，通過三相AC/DC 整流器和 DC/AC 逆變器將高頻電力輸入到 VPP 中。圖 3-1 簡明地描述了電力電子設(shè)備在微型氣輪發(fā)電機系統(tǒng)能量變換中的應用。交流發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過整流器整流后被送到直流電容上，然后經(jīng)過直流-交流逆變器產(chǎn)生與 VPP系統(tǒng)同頻率同相位的交流電。
由于微型燃氣輪機的功率輸出與其中的燃料量有關(guān)，當電網(wǎng)出現(xiàn)電量不足或者過量時，燃氣輪機可以在一定范圍內(nèi)作為一種調(diào)節(jié)電能的手段。
風力發(fā)電技術(shù)
風電的基本模型
風能是一種清潔的可再生能源。當風能作用于風機的葉片上，可作為風機的原動力將風能轉(zhuǎn)換為機械能，再由風機轉(zhuǎn)化為電能。由于風能的不可控性，功率調(diào)節(jié)是風機的關(guān)鍵技術(shù)之一，變速恒頻風力發(fā)電機組已逐步成為 MW 級風力發(fā)電機組的主流機型。風力發(fā)電的基本模型如圖 3-2 所示，由于風力發(fā)電主要是由風機驅(qū)動。因此，要了解風力電源對 VPP 和電網(wǎng)的影響，首先應該了解風能的特性。
風力發(fā)電的基本模型如圖 3‐2 所示，由于風力發(fā)電主要是由風機驅(qū)動。因此，要了解風力電源對微電網(wǎng)的影響，首先應該了解風能的特性。風速模型的建立比較復雜，根據(jù)不同的研究目的應該建立不同的風速模型。一般來說，用于風力發(fā)電對電網(wǎng)影響分析的風速模型需要進行一些簡化。將風速分為兩部分，即起決定性作用的平均風速和疊加在平均風速上的各種擾動部分。因此風速模型可以表示成一系列頻率在 0.1－10Hz 的諧波分量總和。
風能的特性
風能的大小和風功率的大小與風速 v(m/s)、空氣密度 ρ(kg/m3) 和風輪掃掠面積 S（m2 ）有關(guān)，可由下式求得:
可以看出，風功率與風速的 3 次方成正比:這是風能利用非常理想的特性即風速提高 1 倍，風功率可以提高 7 倍。
風速模型的建立比較復雜，根據(jù)不同的研究目的應該建立不同的風速模型。一般來說，用于風力發(fā)電對電網(wǎng)影響分析的風速模型需要進行一些簡化。
風電并網(wǎng)的影響
風電的并入會對原有電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的影響。隨著風電裝機容量在電網(wǎng)中所占比例的增長、容量的增大和接入電網(wǎng)的電壓等級的增高，風力發(fā)電對電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴大。
主要影響有：
1）當風力發(fā)電場接入電網(wǎng)后，風電場的有功注入與無功消耗會對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、靜態(tài)穩(wěn)定性以及動態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生各方面的影響。隨著風力機組容量的不斷增大，異步機 QV 的特性引起電網(wǎng)接入點的節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度下降，影響電壓穩(wěn)定性。在電容器投入并完成無功補償要求之前，也會引起電壓較大的變化。
2）風力發(fā)電所發(fā)電能與風速的大小有直接的關(guān)系，當風速出現(xiàn)變化時風力發(fā)電發(fā)出的電能將會產(chǎn)生很大的波動，從而使 VPP 的供電總量出現(xiàn)階段性的增大或者減小，這將會影響 VPP 的電壓波形。尤其當風速大范圍波動脫離正常運行風速范圍時，風力發(fā)電機則進入往返啟停切換狀態(tài)，對電網(wǎng)造成很大的干擾。
3）其他影響
大量風力機組接入電網(wǎng)中還會引起一些其他方面的問題?？赡芤鸫罅康木W(wǎng)損，引起電壓閃變，同時會產(chǎn)生大量諧波和間諧波。當風機系統(tǒng)從電網(wǎng)中切除時，用于無功補償?shù)牟⒙?lián)電容器組會引起異步電機的自激磁其他一些無功補償裝置也有可能引起異步機的自激磁，還有對短路電流的影響等。同時，也將改變原有電網(wǎng)的潮流分布、線路傳輸功率甚至整個系統(tǒng)的慣量，增大了電網(wǎng)控制的難度。
光伏發(fā)電技術(shù)
太陽能發(fā)電主要的利用方式為通過光伏電池將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電具有不消耗燃料、不受地域限制、規(guī)模靈活、無污染、安全可靠、維護簡單等優(yōu)點，而發(fā)展的主要制約因素是成本較高，其上網(wǎng)電價為 4.2 元/kW·h，是常規(guī)發(fā)電上網(wǎng)電價的十倍多。但隨著光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展進步、成本下降和能源資源形勢及價格形成機制的變化，太陽能發(fā)電最終將成為具有明顯競爭力的發(fā)電技術(shù)。
光伏發(fā)電主要以獨立運行或并入大電網(wǎng)運行兩種方式加以利用。其中，并網(wǎng)運行通過并網(wǎng)逆變器連接光伏陣列模塊和電網(wǎng)關(guān)鍵部件，控制光伏陣列模塊運行于最大功率點和向電網(wǎng)注入正弦電流。并網(wǎng)后，光伏電池可以始終運行在最大功率點處。然而，由于太陽能的隨機性與間斷性，光伏發(fā)電并網(wǎng)將可能引起系統(tǒng)電壓和頻率的偏差、電壓波動和閃變等問題，從而影響到系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定，急需電網(wǎng)發(fā)展適當?shù)目刂剖侄渭右詫崟r控制和調(diào)度。
光伏發(fā)電的簡單模型
虛擬電廠中光伏發(fā)電也是很重要的環(huán)節(jié)。光伏發(fā)電系統(tǒng)，即將太陽能電池輸出的直流電通過功率變換給負載供電或者并入電網(wǎng)輸出功率。白天發(fā)電的盈余送電網(wǎng)，晚間用戶從電網(wǎng)取電。它有可靠、耐用、維護費用低、無需燃料費用、減少噪聲污染、靈活方便、安全、供電自主等優(yōu)點。目前應用的太陽電池是一種半導體器件(如單晶硅、多晶硅)，受到太陽光照時能產(chǎn)生光伏效應，將太陽光能轉(zhuǎn)變成直流電能。
光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池組、逆變器、隔離裝置和交直流負荷組成。當隔離裝置將系統(tǒng)從微電網(wǎng)中斷開的時候，光伏發(fā)電系統(tǒng)變成獨立運行狀態(tài)，此時光伏陣列將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中，在日照不足時，儲存在蓄電池中的電能將會通過沖放電裝置將電能反送給系統(tǒng)維持光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。
當隔離裝置將光伏發(fā)電與微電網(wǎng)并網(wǎng)時，系統(tǒng)變成并網(wǎng)運行狀態(tài)，當系統(tǒng)電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)容量總和大于裝置的容量時，系統(tǒng)通過蓄電池組進行協(xié)調(diào)，即把一部分光伏陣列的能量給蓄電池充電，暫時存儲在蓄電池組中，當裝置容量冗余時，再以并網(wǎng)發(fā)電送出。當蓄電池容量到達設(shè)定的充電容量時，系統(tǒng)將停止對蓄電池組充電。
當網(wǎng)路突然中斷補償時，應急供電的電能應選擇蓄電池組做應急供電電源，當蓄電池組的電壓接近蓄電池組的過放電電壓時，系統(tǒng)給出報警。
對光伏陣列而言，在給定日照情況下，光伏陣列短路時，此時電流為短路電流。當光伏陣列電壓上升時，輸出功率從零開始增加當電壓達到一定數(shù)值時，功率可達到最大輸出電壓繼續(xù)增大時，功率開始減小并最終減小為零。光伏陣列輸
出功率最大的點稱為最大功率點該點所對應的電壓稱為最大功率點。由于太陽光照強度和工作溫度不同，最大功率點是也是飄忽不定的，因此光伏發(fā)電對電網(wǎng)的輸送也不是恒定的，這就對 VPP 的統(tǒng)一功率協(xié)調(diào)產(chǎn)生了比較大的難度。
燃料電池
燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應方式將富氫燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。從理論上講，燃料電池可將燃料能量的 90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱。而且，燃料電池的效率與其規(guī)模無關(guān)，因而在保持高燃料效率時，燃料電池可在其半額定功率下運行。它與光伏發(fā)電都是直接給電網(wǎng)供電。其單體輸出電壓隨電流增大而下降，在一定電流范圍內(nèi)電極極化壓降變化不大。另外，單體輸出電壓隨燃氣利用率增大而下降，這是因為燃料氣的總量輸入保持在不變的情況下，燃氣利用率與氫氣輸入量成反比，與電池電流密度成正比。這樣，燃氣利用率的增加會使實際參加反應的氫氣量減少(電池電流密度不變)，從而導致電池的輸出電壓降低。在輸入氣體如氫氣和氧氣保持不變的情況下，燃料電池電壓和電流密度二者之間具有很好的線性關(guān)系，因此我們可以把燃料電池穩(wěn)態(tài)運行時看作是一個獨立電壓源和內(nèi)部歐姆電阻的模型。因此燃料電池在并網(wǎng)時可以等值為一個電壓源與一個電阻。
由于燃料電池發(fā)出電能的多少有很大的可調(diào)節(jié)性，因此燃料電池也可以作為一種對微電網(wǎng)電能的一種調(diào)節(jié)手段。
蓄電池
虛擬電廠與微電網(wǎng)一樣，應該可以進行孤島運行和與主網(wǎng)并網(wǎng)運行。在孤島運行的時候，由于微型燃氣輪機、燃料電池低速響應，快速的負荷變動將會給VPP 產(chǎn)生很大的問題。這些電源的輸出變動時間保持在 10－200 秒之間，但
是這對于大多數(shù)負荷來說，這顯然太慢了。因此對于一個VPP 來說，具備大型的和小型分布式的儲能元件可以保證電能之間的快速平衡。當 VPP 處于并網(wǎng)運行狀態(tài)的時候，儲能元件可以不起作用。而在電力市場條件下，當電價較高時，
用戶可以自行選擇通過蓄電池提供電能，從而節(jié)省開支。
原標題：虛擬電廠幾種發(fā)電方式的電源特性
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