虛擬電廠的特性及核心技術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）這些年來，電力系統(tǒng)中的發(fā)電資源呈現(xiàn)出了清潔型、分散型的發(fā)展趨勢，這些新型發(fā)電資源的并網(wǎng)運(yùn)行，在促進(jìn)節(jié)能減排的同時，也給配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)絡(luò)、電能質(zhì)量、系統(tǒng)保護(hù)和調(diào)度運(yùn)行等方面帶來了一系列的挑戰(zhàn)。加上這些分布式發(fā)電資源規(guī)模較小、布局分散，導(dǎo)致了其難以真正參與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，乃至電力市場的競爭，難以通過市場發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價值。為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，充分發(fā)揮新型能源的積極作用，“虛擬電廠（Virtual Power Plant，簡稱VPP）”引起了人們的關(guān)注。

什么是虛擬電廠？它有哪些特性？

其實(shí)，早在1997年，Shimon Awerbuch博士的《虛擬公共設(shè)施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競爭力》著作中就出現(xiàn)了虛擬電廠的概念。到2007年前后，國際上對于虛擬電廠開始有了系統(tǒng)性的論述，2012年后，相關(guān)的研究報道逐漸增多。

目前，虛擬電廠雖然還沒有統(tǒng)一的定義，但普遍認(rèn)為虛擬電廠是將分布式發(fā)電機(jī)組（Distributed Generation，DG）、可控負(fù)荷（Dispatchable Load，DL）和分布式儲能設(shè)施（Distributed Energy Storage，DES）有機(jī)結(jié)合，通過配套的調(diào)控技術(shù)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各類分布式能源資源進(jìn)行整合調(diào)控的載體。其核心是用于調(diào)控DG、DL、和DES能量流的集控平臺。也就是說，它是一種將分布式發(fā)電、需求側(cè)響應(yīng)和儲能資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令的智能電網(wǎng)技術(shù)。虛擬電廠有望通過集控平臺中的信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)管理分布式能源，對內(nèi)將相對分散的電源、電網(wǎng)、荷載和儲能等進(jìn)行聚合協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制。其中集控平臺具備量大核心能力：“發(fā)電端-負(fù)荷端”：聚合協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制。以各地電力公司為主搭建虛擬電廠集控平臺，可以對收集的充電樁、居民用電等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做到負(fù)荷端的精準(zhǔn)響應(yīng)及管理。當(dāng)負(fù)荷端供電量不足時，可以作為“正電廠”向電力系統(tǒng)供電；當(dāng)發(fā)電端電量過大，負(fù)荷端難以承載時，又可以作為“負(fù)電廠”加大負(fù)荷消納電力系統(tǒng)電力，幫助電力市場削峰填谷，可以平滑新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的一系列影響。電力市場：多端主體實(shí)現(xiàn)互通，優(yōu)化電力調(diào)節(jié)能力。虛擬電廠可以將大電網(wǎng)和電力交易市場進(jìn)行互聯(lián)互通，不僅有助于優(yōu)化整個電網(wǎng)系統(tǒng)，還能為內(nèi)部聚合的企業(yè)、用戶、充電樁、儲能、分布式能源等市場主體提供參與電力市場化交易的途徑，讓他們都可以成為微型發(fā)電機(jī)，參與電力市場交易，從而獲取套利收益。同時，在已知價格信號時，虛擬電廠可先算出最大的調(diào)節(jié)能力，再算出單位調(diào)節(jié)量的價格上報，充分發(fā)揮各類資源的調(diào)節(jié)能力。

虛擬電廠的特性及核心技術(shù)

與傳統(tǒng)電廠相比，虛擬電廠具有更多的優(yōu)勢，它能夠在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)獲取可再生能源經(jīng)濟(jì)利益、降低發(fā)電成本、減少溫室氣體排放，優(yōu)化資源利用等目標(biāo)。具體來說，虛擬電廠具有以下幾個特性：首先是虛擬電廠內(nèi)資源具有多樣性。它能聚合管理多種可再生能源發(fā)電機(jī)組，比如光伏發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、小型水電機(jī)組、微型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組等，每一種資源都有自身的輸出特性，需要協(xié)調(diào)配合運(yùn)行。虛擬電廠還可以根據(jù)分時電價調(diào)整可控負(fù)荷，利用儲能裝置充放電，從而改變虛擬電廠的輸出，對電網(wǎng)呈現(xiàn)虛擬發(fā)電特性。其次是虛擬電廠的資產(chǎn)具有虛擬性。虛擬電廠內(nèi)部的資產(chǎn)并不一定屬于虛擬電廠代理商所有，虛擬電廠代理商與資產(chǎn)的關(guān)系主要是能量流的調(diào)度、貨幣流的分配和信息流的共享，類似于傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)度、交易中心與各發(fā)電廠之間的關(guān)系。三是虛擬電廠的運(yùn)行需要協(xié)同性。虛擬電廠聚合了多種具有不同輸出特性、不同發(fā)電成本、屬于不同供應(yīng)商的可再生能源，因此，為了實(shí)現(xiàn)虛擬電廠能有效產(chǎn)于電力市場運(yùn)營，需要多家虛擬電廠在不同的運(yùn)營機(jī)構(gòu)內(nèi)互相配合、協(xié)同合作。從技術(shù)趨勢層面來看，當(dāng)前虛擬電廠建設(shè)聚焦四大核心技術(shù)：1）智能計量：能夠精確地計量用戶側(cè)電、熱、氣、水等耗量，快速捕捉數(shù)據(jù)變化，更為主動的向系統(tǒng)預(yù)警設(shè)備故障。2）信息通信：雙向通信技術(shù)，既能夠接收各個單元的當(dāng)前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標(biāo)發(fā)送控制信號。3）協(xié)調(diào)控制：利用優(yōu)化算法、通信控制技術(shù)，幫助虛擬電廠存儲和處理海量的電力數(shù)據(jù)，分析、預(yù)測電力負(fù)荷和調(diào)節(jié)、調(diào)控的負(fù)荷，高效完成響應(yīng)分配。4）信息安全防護(hù)：虛擬電廠與各個分布式能源站的工業(yè)控制系統(tǒng)、面向用戶的用電信息系統(tǒng)、公開的市場營銷信息系統(tǒng)、電網(wǎng)的調(diào)度信息系統(tǒng)都存在接口，做好系統(tǒng)安全防護(hù)。

虛擬電廠的應(yīng)用實(shí)例

目前，歐美已經(jīng)有一些虛擬電廠的應(yīng)用案例可供借鑒了。歐洲在2001年起就開始了以小型分布式發(fā)電單元為主要目標(biāo)的虛擬電廠研究項(xiàng)目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國和丹麥等。2005年～2009年，來自歐盟8個國家的20個研究機(jī)構(gòu)和組織合作實(shí)施和開展了FENIX項(xiàng)目，希望通過將分布式能源資源聚合成大型虛擬電廠和分散管理，最大限度地提高分布式能源對電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，擺脫傳統(tǒng)對電力系統(tǒng)小單元的管理。2012年，歐洲虛擬電廠正式落地，北歐能源公司Statkraft在德國建立了第一個虛擬發(fā)電廠，其發(fā)電量相當(dāng)于10個核反應(yīng)堆，也是歐洲于2010年起關(guān)閉核電廠后的一大重要突破。如今，歐洲虛擬電廠已經(jīng)開始商業(yè)化，商業(yè)模式以電力資源聚合為主。比如2009年創(chuàng)立的Next Kraftwerke是德國乃至歐洲最大的虛擬電廠廠商，獲得了歐洲電力交易市場（EPEX）認(rèn)證，在EPEX SPOT和EEX等歐洲交易所可以參與能源的現(xiàn)貨市場交易，在七個歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（Transmission System Operator）TSO地區(qū)提供平衡服務(wù)，其為電力市場提供的服務(wù)主要有：1）系統(tǒng)建設(shè)：通過網(wǎng)絡(luò)提供軟件服務(wù)：除了運(yùn)行虛擬電廠，NEXT公司還提供可定制虛擬電廠（NEMOCS）服務(wù)，為能源公司建立自己的虛擬電廠提供軟件解決方案。此外，NEXT 公司還提供電力系統(tǒng)平衡區(qū)管理軟件（NEXTRA）。2）電力消納：根據(jù)日間市場信號調(diào)整電力資源，NEXT 公司根據(jù)電力市場波動調(diào)整其資源池中的可調(diào)度能源發(fā)電機(jī)組（例如沼氣廠）和負(fù)荷的出力和需求，為這些客戶帶來收入，同時為系統(tǒng)平衡做出貢獻(xiàn)。3）平衡服務(wù)（電力交易）：利用聚合的能源資源提供平衡服務(wù)：NEXT 公司活躍在所有三個平衡市場。截至 2021 年中，NEXT 公司已累計擁有 2780MW 的虛擬電廠資源來提供平衡服務(wù)（75MW 一級備用、983MW 二級備用、1762MW 三級備用）。其客戶通過參與平衡市場獲得收入。NEXT 公司從收入中獲得提成。美國則比較少采用虛擬電廠的概念，而是主要推進(jìn)利用用戶側(cè)可控負(fù)荷的需求響應(yīng)，并取得了不少的成效。美國的虛擬電廠項(xiàng)目主要針對需求側(cè)管理，結(jié)合需求響應(yīng)的相關(guān)機(jī)理，兼顧源側(cè)可再生能源的利用，因此，對負(fù)荷的控制和儲能設(shè)備的投入占其虛擬電廠的主要部分。從地域角度看，美國的虛擬電廠市場以加利福尼亞州、佛蒙特州和紐約州3 個地區(qū)為代表：加利福尼亞州是美國開展電力需求側(cè)管理最早的州，而佛蒙特州是最早提出虛擬電廠概念并付諸實(shí)施的州。具體落地應(yīng)用方面：2017年，美國德蒙特州Green Mountain Power公司搭建自己的虛擬電廠平臺，接入2000余個家庭客戶。2022年，太平洋天然氣與電力公司（PG＆E）和特斯拉推出一項(xiàng)新的試點(diǎn)計劃，通過創(chuàng)建虛擬電廠以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前，特斯拉已經(jīng)邀請約25000名擁有Powerwalls的PG＆E客戶加入虛擬電廠。商業(yè)模式方面，美國的虛擬電廠通常由公共事業(yè)企業(yè)運(yùn)營，主要采用設(shè)備租用模式。以Con Edison項(xiàng)目為例：Sunverage提供鋰離子電池存儲系統(tǒng)，SunPower租賃其太陽能電池板，公用事業(yè)Con Edison管理存儲電力的電網(wǎng)供電，主要對象為自用單戶住宅。此外，佛蒙特州的虛擬電廠主要采用系統(tǒng)效益收費(fèi)模式。我國在2000年左右也提出了虛擬電廠的概念，從東北現(xiàn)貨市場起步，后來為了平衡賬戶虧空，2007年提出了市場化改革，但國內(nèi)現(xiàn)貨達(dá)不到國外的規(guī)模，加上國內(nèi)保供電壓力比較大，不可能像國外市場那樣80%的電力放在現(xiàn)貨市場。我國不會單純學(xué)歐洲或美國，更多的是采用混合型，既有電源也有負(fù)荷型，比如我國最先進(jìn)的虛擬電廠代表冀北電力虛擬電廠示范工程就是混合型的，在2019年12月正式投運(yùn)后，實(shí)時接入11類靈活性資源，容量約226兆瓦，涵蓋張家口、秦皇島和廊坊3個地市。ABB 集團(tuán)利用了在歐洲實(shí)施虛擬電廠的豐富經(jīng)驗(yàn)和在控制領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)，給冀北電力虛擬電廠項(xiàng)目中來自不同行業(yè)的 9 類用戶，如分布式光伏、空氣源熱泵、民用及工業(yè)空調(diào)機(jī)組、電動汽車充電站等用戶，定制了相應(yīng)的智能配電計量與協(xié)調(diào)控制解決方案。“十四五”以來，北京、上海、深圳、江蘇、河北等全國多省市已開始虛擬電廠的試點(diǎn)建設(shè)并正式投入運(yùn)行。2022年5月20日，部署于國電投深圳能源發(fā)展有限公司的虛擬電廠平臺發(fā)出指令，調(diào)度尚呈新能源蛤地智能充電站將50千瓦時電量從0時轉(zhuǎn)移至4時。根據(jù)5月26日廣東電力現(xiàn)貨市場數(shù)據(jù)，深圳能源通過此次試驗(yàn)獲利，平均度電收益0.274元，成為我國首個虛擬電廠調(diào)度用戶負(fù)荷參與電力現(xiàn)貨市場盈利的案例。

結(jié)語

總體來說，目前我國在虛擬發(fā)電廠領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。為適應(yīng)我國的地理、天氣、發(fā)電類型結(jié)構(gòu)等具體國情，我國構(gòu)建虛擬發(fā)電廠的結(jié)構(gòu)形式和功能配置必須進(jìn)行有針對性的設(shè)計和調(diào)整。但從目前我國對電力能源經(jīng)濟(jì)環(huán)保性的迫切需求及新能源發(fā)電規(guī)模的快速發(fā)展趨勢來看，虛擬電廠在我國將有廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)然，國內(nèi)現(xiàn)在還屬于剛起步階段，裝機(jī)規(guī)模在百M(fèi)W規(guī)模，還沒有出現(xiàn)GW級別，在國內(nèi)政策的推動下，接下來3、4年虛擬電廠行業(yè)應(yīng)該會迎來一個快速發(fā)展期，預(yù)計到2030年能達(dá)到1000億元的市場規(guī)模。