中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：虛擬電廠幾種發(fā)電方式：小型熱電聯(lián)產(chǎn)，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池的電源特性
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(yīng)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(jī)組。通常而言，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱量和電能輸出是相互聯(lián)系的。實(shí)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(jī)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(shí)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(jī)組可以在高峰時(shí)段更多使用它的能力來產(chǎn)生電能。因?yàn)楦叻鍟r(shí)段的電能非常昂貴，用電單位可以通過購(gòu)買其他公司的電來減少費(fèi)用。
Micro-CHPs 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)
微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(Micro-CHPs 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng))由微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的內(nèi)置式高速逆變發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器（DPC）等部分組成，其單機(jī)功率范圍為 25-300kw，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料。
微型燃?xì)廨啓C(jī)具有是體積小、質(zhì)量輕、發(fā)電效率高、污染小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(yīng)更靠近用戶。。它是目前最成熟、最具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的分布式電源之一。
Micro-CHPs 基本原理
與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)不同，微型燃?xì)廨啓C(jī)的功率輸出可以加以調(diào)節(jié)。通常情況下，微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)組的特性和集中式發(fā)電機(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)冷熱聯(lián)供
微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)。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?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)一部分為微電網(wǎng)提供電能，同時(shí)所產(chǎn)生的余熱分別提供給供熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，當(dāng)供熱和制冷系統(tǒng)需要更大的能量時(shí)，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(shí)保證了供電的連續(xù)性（不會(huì)因?yàn)楣岷椭评湫枨竽芰窟^多而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰）。
微型燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)發(fā)電
由于微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速很高，而且交流發(fā)電機(jī)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(gè)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(jiǎn)明地描述了電力電子設(shè)備在微型氣輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能量變換中的應(yīng)用。交流發(fā)電機(jī)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?xì)廨啓C(jī)的功率輸出與其中的燃料量有關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電量不足或者過量時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)可以在一定范圍內(nèi)作為一種調(diào)節(jié)電能的手段。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)
風(fēng)電的基本模型
風(fēng)能是一種清潔的可再生能源。當(dāng)風(fēng)能作用于風(fēng)機(jī)的葉片上，可作為風(fēng)機(jī)的原動(dòng)力將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。由于風(fēng)能的不可控性，功率調(diào)節(jié)是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已逐步成為 MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型。風(fēng)力發(fā)電的基本模型如圖 3-2 所示，由于風(fēng)力發(fā)電主要是由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此，要了解風(fēng)力電源對(duì) VPP 和電網(wǎng)的影響，首先應(yīng)該了解風(fēng)能的特性。
風(fēng)力發(fā)電的基本模型如圖 3‐2 所示，由于風(fēng)力發(fā)電主要是由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此，要了解風(fēng)力電源對(duì)微電網(wǎng)的影響，首先應(yīng)該了解風(fēng)能的特性。風(fēng)速模型的建立比較復(fù)雜，根據(jù)不同的研究目的應(yīng)該建立不同的風(fēng)速模型。一般來說，用于風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)影響分析的風(fēng)速模型需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。將風(fēng)速分為兩部分，即起決定性作用的平均風(fēng)速和疊加在平均風(fēng)速上的各種擾動(dòng)部分。因此風(fēng)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(fēng)能的特性
風(fēng)能的大小和風(fēng)功率的大小與風(fēng)速 v(m/s)、空氣密度 ρ(kg/m3) 和風(fēng)輪掃掠面積 S（m2 ）有關(guān)，可由下式求得:
可以看出，風(fēng)功率與風(fēng)速的 3 次方成正比:這是風(fēng)能利用非常理想的特性即風(fēng)速提高 1 倍，風(fēng)功率可以提高 7 倍。
風(fēng)速模型的建立比較復(fù)雜，根據(jù)不同的研究目的應(yīng)該建立不同的風(fēng)速模型。一般來說，用于風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)影響分析的風(fēng)速模型需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。
風(fēng)電并網(wǎng)的影響
風(fēng)電的并入會(huì)對(duì)原有電網(wǎng)產(chǎn)生一系列的影響。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例的增長(zhǎng)、容量的增大和接入電網(wǎng)的電壓等級(jí)的增高，風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴(kuò)大。
主要影響有：
1）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后，風(fēng)電場(chǎng)的有功注入與無功消耗會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、靜態(tài)穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生各方面的影響。隨著風(fēng)力機(jī)組容量的不斷增大，異步機(jī) QV 的特性引起電網(wǎng)接入點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)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(bǔ)償要求之前，也會(huì)引起電壓較大的變化。
2）風(fēng)力發(fā)電所發(fā)電能與風(fēng)速的大小有直接的關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速出現(xiàn)變化時(shí)風(fēng)力發(fā)電發(fā)出的電能將會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，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(huì)影響 VPP 的電壓波形。尤其當(dāng)風(fēng)速大范圍波動(dòng)脫離正常運(yùn)行風(fēng)速范圍時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)則進(jìn)入往返啟停切換狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)造成很大的干擾。
3）其他影響
大量風(fēng)力機(jī)組接入電網(wǎng)中還會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波和間諧波。當(dāng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)從電網(wǎng)中切除時(shí)，用于無功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)電容器組會(huì)引起異步電機(jī)的自激磁其他一些無功補(bǔ)償裝置也有可能引起異步機(jī)的自激磁，還有對(duì)短路電流的影響等。同時(shí)，也將改變?cè)须娋W(wǎng)的潮流分布、線路傳輸功率甚至整個(gè)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(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而發(fā)展的主要制約因素是成本較高，其上網(wǎng)電價(jià)為 4.2 元/kW·h，是常規(guī)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)的十倍多。但隨著光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展進(jìn)步、成本下降和能源資源形勢(shì)及價(jià)格形成機(jī)制的變化，太陽能發(fā)電最終將成為具有明顯競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電技術(shù)。
光伏發(fā)電主要以獨(dú)立運(yùn)行或并入大電網(wǎng)運(yùn)行兩種方式加以利用。其中，并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行于最大功率點(diǎn)和向電網(wǎng)注入正弦電流。并網(wǎng)后，光伏電池可以始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處。然而，由于太陽能的隨機(jī)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(dòng)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(dāng)?shù)目刂剖侄渭右詫?shí)時(shí)控制和調(diào)度。
光伏發(fā)電的簡(jiǎn)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(fù)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(hù)費(fèi)用低、無需燃料費(fèi)用、減少噪聲污染、靈活方便、安全、供電自主等優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用的太陽電池是一種半導(dǎo)體器件(如單晶硅、多晶硅)，受到太陽光照時(shí)能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，將太陽光能轉(zhuǎn)變成直流電能。
光伏并網(wǎng)發(fā)電
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(fù)荷組成。當(dāng)隔離裝置將系統(tǒng)從微電網(wǎng)中斷開的時(shí)候，光伏發(fā)電系統(tǒng)變成獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)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(fù)載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中，在日照不足時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的電能將會(huì)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(yùn)行。
當(dāng)隔離裝置將光伏發(fā)電與微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)變成并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)容量總和大于裝置的容量時(shí)，系統(tǒng)通過蓄電池組進(jìn)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(shí)存儲(chǔ)在蓄電池組中，當(dāng)裝置容量冗余時(shí)，再以并網(wǎng)發(fā)電送出。當(dāng)蓄電池容量到達(dá)設(shè)定的充電容量時(shí)，系統(tǒng)將停止對(duì)蓄電池組充電。
當(dāng)網(wǎng)路突然中斷補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)急供電的電能應(yīng)選擇蓄電池組做應(yīng)急供電電源，當(dāng)蓄電池組的電壓接近蓄電池組的過放電電壓時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警。
對(duì)光伏陣列而言，在給定日照情況下，光伏陣列短路時(shí)，此時(shí)電流為短路電流。當(dāng)光伏陣列電壓上升時(shí)，輸出功率從零開始增加當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，功率可達(dá)到最大輸出電壓繼續(xù)增大時(shí)，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(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大功率點(diǎn)。由于太陽光照強(qiáng)度和工作溫度不同，最大功率點(diǎn)是也是飄忽不定的，因此光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的輸送也不是恒定的，這就對(duì) 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(xué)反應(yīng)方式將富氫燃料的化學(xué)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(shí)，燃料電池可在其半額定功率下運(yùn)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?xì)饫寐试龃蠖陆?，這是因?yàn)槿剂蠚獾目偭枯斎氡３衷诓蛔兊那闆r下，燃?xì)饫寐逝c氫氣輸入量成反比，與電池電流密度成正比。這樣，燃?xì)饫寐实脑黾訒?huì)使實(shí)際參加反應(yīng)的氫氣量減少(電池電流密度不變)，從而導(dǎo)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(yùn)行時(shí)看作是一個(gè)獨(dú)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(shí)可以等值為一個(gè)電壓源與一個(gè)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(duì)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(yīng)該可以進(jìn)行孤島運(yùn)行和與主網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。在孤島運(yùn)行的時(shí)候，由于微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池低速響應(yīng)，快速的負(fù)荷變動(dòng)將會(huì)給VPP 產(chǎn)生很大的問題。這些電源的輸出變動(dòng)時(shí)間保持在 10－200 秒之間，但
是這對(duì)于大多數(shù)負(fù)荷來說，這顯然太慢了。因此對(duì)于一個(gè)VPP 來說，具備大型的和小型分布式的儲(chǔ)能元件可以保證電能之間的快速平衡。當(dāng) VPP 處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，儲(chǔ)能元件可以不起作用。而在電力市場(chǎng)條件下，當(dāng)電價(jià)較高時(shí)，
用戶可以自行選擇通過蓄電池提供電能，從而節(jié)省開支。
