虚拟电厂几种发电方式的电源特性

储能网讯：虚拟电厂几种发电方式：小型热电联产，风力发电、光伏发电、燃气轮机、燃料电池的电源特性

小型热电联产技术 Micro-CHPs

目前，在虚拟电厂中最具广泛应用前景的分布式发电技术莫过于具有高效率的小型热电联产机组。通常而言，热电联产机组的热量和电能输出是相互联系的。实际的热量输出限制着电能输出，反之亦然。伴随着热电联产机组的最优化操作，热能和冷能的产出可以移到用电低峰时间段。热能可以保存在热能系统中，例如提高热源的温度。这样热电联产机组可以在高峰时段更多使用它的能力来产生电能。因为高峰时段的电能非常昂贵，用电单位可以通过购买其他公司的电来减少费用。

Micro-CHPs 发电机组系统

微型燃气轮机发电机组(Micro-CHPs 发电机组系统)由微型燃气轮机、燃气轮机直接驱动的内置式高速逆变发电机和数字电力控制器（DPC）等部分组成，其单机功率范围为 25-300kw，以天然气、甲烷、汽油、柴油等为燃料。

微型燃气轮机具有是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单等特点，是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式供能系统的最佳选择，使热、电供应更靠近用户。。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。

Micro-CHPs 基本原理

与风力发电和光伏发电系统不同，微型燃气轮机的功率输出可以加以调节。通常情况下，微型燃气轮机的功率输出与其中的燃料量有关，燃料越充足，输出功率越大。这种分布式发电机组的特性和集中式发电机组相似，可以统一调

度，但是在热电联产的情况下，微型燃气轮机的各种输出必须满足热量的需要，并且它的功率变化有一定的限制。

燃气轮机冷热联供

微型燃气轮机单纯的发电效率不算很高, 但冷热电共生的能量利用率甚至超过大型机。为了增加燃料利用效率，由燃烧天然气所产生的能量经过能量变换供给微型燃气轮机，燃气轮机一部分为微电网提供电能，同时所产生的余热分别提供给供热系统和制冷系统，当供热和制冷系统需要更大的能量时，系统可以直接通过燃烧天然气来为冷热系统提供能量，这样不但提高了燃料的利用效率同时保证了供电的连续性（不会因为供热和制冷需求能量过多而导致整个系统的崩溃）。

微型燃气轮机并网发电

由于微型燃气轮机的转速很高，而且交流发电机具有很高的频率，因此不能被直接连接到 VPP 的交流电网中。在这中间，需要一个直流环节，通过三相AC/DC 整流器和 DC/AC 逆变器将高频电力输入到 VPP 中。图 3-1 简明地描述了电力电子设备在微型气轮发电机系统能量变换中的应用。交流发电机发出的电能经过整流器整流后被送到直流电容上，然后经过直流-交流逆变器产生与 VPP系统同频率同相位的交流电。

由于微型燃气轮机的功率输出与其中的燃料量有关，当电网出现电量不足或者过量时，燃气轮机可以在一定范围内作为一种调节电能的手段。

风力发电技术

风电的基本模型

风能是一种清洁的可再生能源。当风能作用于风机的叶片上，可作为风机的原动力将风能转换为机械能，再由风机转化为电能。由于风能的不可控性，功率调节是风机的关键技术之一，变速恒频风力发电机组已逐步成为 MW 级风力发电机组的主流机型。风力发电的基本模型如图 3-2 所示，由于风力发电主要是由风机驱动。因此，要了解风力电源对 VPP 和电网的影响，首先应该了解风能的特性。

风力发电的基本模型如图 3‐2 所示，由于风力发电主要是由风机驱动。因此，要了解风力电源对微电网的影响，首先应该了解风能的特性。风速模型的建立比较复杂，根据不同的研究目的应该建立不同的风速模型。一般来说，用于风力发电对电网影响分析的风速模型需要进行一些简化。将风速分为两部分，即起决定性作用的平均风速和叠加在平均风速上的各种扰动部分。因此风速模型可以表示成一系列频率在 0.1－10Hz 的谐波分量总和。

风能的特性

风能的大小和风功率的大小与风速 v(m/s)、空气密度 ρ(kg/m3) 和风轮扫掠面积 S（m2 ）有关，可由下式求得:

可以看出，风功率与风速的 3 次方成正比:这是风能利用非常理想的特性即风速提高 1 倍，风功率可以提高 7 倍。

风速模型的建立比较复杂，根据不同的研究目的应该建立不同的风速模型。一般来说，用于风力发电对电网影响分析的风速模型需要进行一些简化。

风电并网的影响

风电的并入会对原有电网产生一系列的影响。随着风电装机容量在电网中所占比例的增长、容量的增大和接入电网的电压等级的增高，风力发电对电网的影响范围从局部逐渐扩大。

主要影响有：

1）当风力发电场接入电网后，风电场的有功注入与无功消耗会对电网的电压稳定性、静态稳定性以及动态稳定性产生各方面的影响。随着风力机组容量的不断增大，异步机 QV 的特性引起电网接入点的节点电压稳定裕度下降，影响电压稳定性。在电容器投入并完成无功补偿要求之前，也会引起电压较大的变化。

2）风力发电所发电能与风速的大小有直接的关系，当风速出现变化时风力发电发出的电能将会产生很大的波动，从而使 VPP 的供电总量出现阶段性的增大或者减小，这将会影响 VPP 的电压波形。尤其当风速大范围波动脱离正常运行风速范围时，风力发电机则进入往返启停切换状态，对电网造成很大的干扰。

3）其他影响

大量风力机组接入电网中还会引起一些其他方面的问题。可能引起大量的网损，引起电压闪变，同时会产生大量谐波和间谐波。当风机系统从电网中切除时，用于无功补偿的并联电容器组会引起异步电机的自激磁其他一些无功补偿装置也有可能引起异步机的自激磁，还有对短路电流的影响等。同时，也将改变原有电网的潮流分布、线路传输功率甚至整个系统的惯量，增大了电网控制的难度。

光伏发电技术

太阳能发电主要的利用方式为通过光伏电池将光能直接转化为电能。光伏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，而发展的主要制约因素是成本较高，其上网电价为 4.2 元/kW·h，是常规发电上网电价的十倍多。但随着光伏发电技术发展进步、成本下降和能源资源形势及价格形成机制的变化，太阳能发电最终将成为具有明显竞争力的发电技术。

光伏发电主要以独立运行或并入大电网运行两种方式加以利用。其中，并网运行通过并网逆变器连接光伏阵列模块和电网关键部件，控制光伏阵列模块运行于最大功率点和向电网注入正弦电流。并网后，光伏电池可以始终运行在最大功率点处。然而，由于太阳能的随机性与间断性，光伏发电并网将可能引起系统电压和频率的偏差、电压波动和闪变等问题，从而影响到系统的电能质量和稳定，急需电网发展适当的控制手段加以实时控制和调度。

光伏发电的简单模型

虚拟电厂中光伏发电也是很重要的环节。光伏发电系统，即将太阳能电池输出的直流电通过功率变换给负载供电或者并入电网输出功率。白天发电的盈余送电网，晚间用户从电网取电。它有可靠、耐用、维护费用低、无需燃料费用、减少噪声污染、灵活方便、安全、供电自主等优点。目前应用的太阳电池是一种半导体器件(如单晶硅、多晶硅)，受到太阳光照时能产生光伏效应，将太阳光能转变成直流电能。

光伏并网发电

光伏发电系统由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池组、逆变器、隔离装置和交直流负荷组成。当隔离装置将系统从微电网中断开的时候，光伏发电系统变成独立运行状态，此时光伏阵列将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中，在日照不足时，储存在蓄电池中的电能将会通过冲放电装置将电能反送给系统维持光伏发电系统的正常运行。

当隔离装置将光伏发电与微电网并网时，系统变成并网运行状态，当系统电网和光伏并网容量总和大于装置的容量时，系统通过蓄电池组进行协调，即把一部分光伏阵列的能量给蓄电池充电，暂时存储在蓄电池组中，当装置容量冗余时，再以并网发电送出。当蓄电池容量到达设定的充电容量时，系统将停止对蓄电池组充电。

当网路突然中断补偿时，应急供电的电能应选择蓄电池组做应急供电电源，当蓄电池组的电压接近蓄电池组的过放电电压时，系统给出报警。

对光伏阵列而言，在给定日照情况下，光伏阵列短路时，此时电流为短路电流。当光伏阵列电压上升时，输出功率从零开始增加当电压达到一定数值时，功率可达到最大输出电压继续增大时，功率开始减小并最终减小为零。光伏阵列输

出功率最大的点称为最大功率点该点所对应的电压称为最大功率点。由于太阳光照强度和工作温度不同，最大功率点是也是飘忽不定的，因此光伏发电对电网的输送也不是恒定的，这就对 VPP 的统一功率协调产生了比较大的难度。

燃料电池

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。从理论上讲，燃料电池可将燃料能量的 90%转化为可利用的电和热。而且，燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。它与光伏发电都是直接给电网供电。其单体输出电压随电流增大而下降，在一定电流范围内电极极化压降变化不大。另外，单体输出电压随燃气利用率增大而下降，这是因为燃料气的总量输入保持在不变的情况下，燃气利用率与氢气输入量成反比，与电池电流密度成正比。这样，燃气利用率的增加会使实际参加反应的氢气量减少(电池电流密度不变)，从而导致电池的输出电压降低。在输入气体如氢气和氧气保持不变的情况下，燃料电池电压和电流密度二者之间具有很好的线性关系，因此我们可以把燃料电池稳态运行时看作是一个独立电压源和内部欧姆电阻的模型。因此燃料电池在并网时可以等值为一个电压源与一个电阻。

由于燃料电池发出电能的多少有很大的可调节性，因此燃料电池也可以作为一种对微电网电能的一种调节手段。

蓄电池

虚拟电厂与微电网一样，应该可以进行孤岛运行和与主网并网运行。在孤岛运行的时候，由于微型燃气轮机、燃料电池低速响应，快速的负荷变动将会给VPP 产生很大的问题。这些电源的输出变动时间保持在 10－200 秒之间，但

是这对于大多数负荷来说，这显然太慢了。因此对于一个VPP 来说，具备大型的和小型分布式的储能元件可以保证电能之间的快速平衡。当 VPP 处于并网运行状态的时候，储能元件可以不起作用。而在电力市场条件下，当电价较高时，

用户可以自行选择通过蓄电池提供电能，从而节省开支。