虛擬電廠的概念及發(fā)展

1、第八第八組組：前言虛擬電廠”這一術語源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作虛擬公共設施:新興產業(yè)的描述、技術及競爭力一書中對虛擬公共設施的定義如下:虛擬公共設施是獨立且以市場為驅動的實體之間的一種靈活合作,這些實體不必擁有相應的資產而能夠為消費者提供其所需要的高效電能服務。正如虛擬公共設施利用新興技術提供以消費者為導向的電能服務一樣,虛擬電廠并未改變每個DG并網的方式,而是通過先進的控制、計量、通信等技術聚合DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等不同類型的分布式能源(distributedenergyresources,DER),并通過更高層面的軟件構架實現(xiàn)多個DER的協(xié)調優(yōu)化運

2、行,更有利于資源的合理優(yōu)化配置及利用。虛擬電廠的概念更多強調的是對外呈現(xiàn)的功能和效果,更新運營理念并產生社會經濟效益,其基本的應用場景是電力市場。這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合DER對公網穩(wěn)定輸電,并提供快速響應的輔助服務,成為DER加入電力市場的有效方法,降低了其在市場中孤獨運行的失衡風險,可以獲得規(guī)模經濟的效益。同時,DER的可視化及虛擬電廠的協(xié)調控制優(yōu)化大大減小了以往DER并網對公網造成的沖擊,降低了DG增長帶來的調度難度,使配電管理更趨于合理有序,提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。虛擬電廠的概念與發(fā)展1虛擬電廠的定義目前,從整個世界范圍來看,虛擬電廠的研究和實施主要集中于歐洲和北美。根據派

3、克研究公司(PikeResearch)公布的數(shù)據,截至2009年底,全球虛擬電廠總容量為19.4GW,其中歐洲占51%,美國占44%;截至2011年底,全球虛擬電廠總容量增至55.6GW。然而,歐洲與美國虛擬電廠的應用形式有著顯著的不同,歐洲各國的虛擬電廠亦各具特色。歐洲現(xiàn)已實施的虛擬電廠項目,如歐盟虛擬燃料電池電廠(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)項目、荷蘭基于功率匹配器的虛擬電廠項目、歐盟FENIX(flexibleelectricitynetworktointegrateexpected)項目以及德國專業(yè)型虛擬電廠(professionalVPP,ProV

4、iPP)試點項目,主要針對實現(xiàn)DG可靠并網和電力市場運營的目標考慮而來,DG占據DER的主要成分;而美國的虛擬電廠主要基于需求響應計劃發(fā)展而來,兼顧考慮可再生能源的利用,因此可控負荷占據主要成分。因此,盡管虛擬電廠的概念已提出十余年之久,但對于虛擬電廠的框架尚無統(tǒng)一的定義。對虛擬電廠不同的定義,如虛擬電廠被定義為依賴于軟件系統(tǒng)遠程、自動分配和優(yōu)化發(fā)電、需求響應和儲能資源的能源互聯(lián)網;虛擬電廠被定義為與自治微網相同的網絡;虛擬電廠被定義為以直接集中控制方式聚合可控分布式能源(controllabledistributedenergy,CDE)單位或主動用戶網(activecustomernetw

5、orks,ACN)的信息通信系統(tǒng)。歐洲FENIX項目將虛擬電廠的概念定義為:虛擬電廠聚合眾多不同容量的DER,通過綜合表征每一DER的參數(shù)建立整體的運行模式,并能夠包含聚合DER輸出的網絡影響。虛擬電廠是DER投資組合的一種靈活表現(xiàn),可以在電力市場簽訂合同并為系統(tǒng)操作員提供各種服務。綜合看來,虛擬電廠概念的核心可以總結為“通信”和“聚合”。虛擬電廠可認為是通過先進信息通信技術和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協(xié)調優(yōu)化,以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協(xié)調管理系統(tǒng)。圖中：表示機組；表示負荷。目前,國內有些文獻將“能效電廠”稱之為虛擬電廠,這與文中所述

6、“虛擬電廠”的概念有所不同,但二者都屬于廣義上的虛擬電廠。能效電廠是指通過采用高效用電設備和產品、優(yōu)化用電方式等途徑,形成某個地區(qū)、行業(yè)或企業(yè)節(jié)電改造計劃的一攬子行動方案,降低用電負荷,等效產生富余電能,從而達到與實際電廠異曲同工的效果?？梢钥闯?能效電廠的實現(xiàn)形式在于需求側的有效節(jié)電,而虛擬電廠的實現(xiàn)形式在于電源側有效分配和管理DG發(fā)電、儲能充放電和可控負荷。2虛擬電廠與微網的區(qū)別 虛擬電廠和微網是目前實現(xiàn)DG并網最具創(chuàng)造力和吸引力的2種形式。對于微網的定義,國內一般認為:微網是指由DG、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng),是一個能夠實現(xiàn)自我控制、保護和

7、管理的自治系統(tǒng),既可以與外部電網并網運行,也可以孤立運行。微網技術的提出旨在解決DG并網運行時的主要問題,同時由于它具備一定的能量管理功能,并盡可能維持功率的局部優(yōu)化與平衡,可有效降低系統(tǒng)運行人員的調度難度。實際上,盡管虛擬電廠和微網都是基于考慮解決DG及其他元件整合并網問題范疇,但二者仍有諸多區(qū)別。 微網采用自下而上的設計理念,強調“自治”,即以DG與用戶就地應用為主要控制目標,實現(xiàn)網絡正常時的并網運行以及網絡發(fā)生擾動或故障時的孤島運行。而虛擬電廠的概念強調“參與”,即吸引并聚合各種DER參與電網調度和電力市場交易,優(yōu)化DER組合以滿足電力系統(tǒng)或市場要求為主要控制目標,強調對外呈現(xiàn)的功能和效

8、果。設計理念微網的構成依賴于元件(DG、儲能、負荷、電力線路等)的整合,由于電網拓展的成本昂貴,因此微網主要整合地理位置上接近的DG,無法包含相對偏遠和孤立的分布式發(fā)電設施。虛擬電廠的構成則依賴于軟件和技術:其轄域(聚合)范圍以及與市場的交互取決于通信的覆蓋范圍及可靠性;轄域內各DER的參數(shù)采集與狀態(tài)監(jiān)控取決于智能計量(smartmetering)系統(tǒng)的應用;DER的優(yōu)化組合由中央控制或信息代理單元進行協(xié)調、處理及決策。因此,引入虛擬電廠的概念不必對原有電網進行拓展,而能夠聚合微網所轄范圍之外的DG。構成條件 微網相對于外部大電網表現(xiàn)為單一的受控單元,通過公共耦合開關,微網既可運行于并網模式,

9、又可運行于孤島模式。而虛擬電廠始終與公網相連,即只運行于并網模式。運行模式微網的運行特性包含2個方面的含義,即孤島運行時配電網自身的運行特性以及并網運行時與外部系統(tǒng)的相互作用。而虛擬電廠作為聚合能量資源構成的特殊電廠,其與系統(tǒng)相互作用的要求比微網更為嚴格,可用常規(guī)電廠的統(tǒng)計數(shù)據和運行特性來衡量虛擬電廠的效用,如:有功/無功負載能力、出力計劃、爬坡速度、備用容量、響應特性和運行成本特性等;其轄域內配電網的運行特性則由配電電系統(tǒng)操作員(distributionsystemoperator,DSO)進行衡量。運行特性3虛擬電廠的關鍵技術1.協(xié)調控制技術虛擬電廠的控制對象主要包括各種DG、儲能系統(tǒng)、可

10、控負荷以及電動汽車。由于虛擬電廠的概念強調對外呈現(xiàn)的功能和效果,因此,聚合多樣化的DER實現(xiàn)對系統(tǒng)高要求的電能輸出是虛擬電廠協(xié)調控制的重點和難點。實際上,一些可再生能源發(fā)電站(如風力發(fā)電站和光伏發(fā)電站)具有間歇性或隨機性以及存在預測誤差等特點,因此,將其大規(guī)模并網必須考慮不確定性的影響。這就要求儲能系統(tǒng)、可分配發(fā)電機組、可控負荷與之合理配合,以保證電能質量并提高發(fā)電經濟性。為實現(xiàn)上述目標,通常規(guī)劃入虛擬電廠的DG一般由若干可再生能源發(fā)電站和至少一座傳統(tǒng)能源發(fā)電站構成,并建立了線性規(guī)劃優(yōu)化分配模型;將區(qū)域風力發(fā)電機組和常規(guī)水、火電機組及儲能設備聚合為虛擬電廠,建立虛擬電廠數(shù)據模型,并采用實際電網

11、運行數(shù)據驗證了方案的可行性;研究了小型核反應堆與沿海風電場以虛擬電廠形式聚合后風電的波動問題;研究了高風電滲透率電力系統(tǒng)中聚合需求響應資源的優(yōu)化運行問題。此外,對于不具有不確定性的DER聚合,基于熱電聯(lián)產發(fā)電系統(tǒng)和儲能裝置建立混合整數(shù)優(yōu)化模型,并基于CPLEX軟件進行了仿真;對由電動汽車、可控負荷和聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)以虛擬電廠方式聚合管理以提供負荷頻率控制功能進行了研究;基于虛擬電廠的直接負荷控制模型并進行了實地測試;虛擬電廠的控制結構主要分為集中和分散控制。在集中控制結構下,虛擬電廠的全部決策由中央控制單元控制協(xié)調中心(controlcoordinationcenter,CCC)制定。如圖2所示,

12、虛擬電廠中的每一部分均通過通信技術與CCC相互聯(lián)系,CCC多采用能量管理系統(tǒng)(energymanagementsystem,EMS),其主要職責是協(xié)調機端潮流、可控負荷和儲能系統(tǒng)。EMS根據其優(yōu)化目標進行工作,其優(yōu)化目標包括:發(fā)電成本最小化、溫室氣體排放量最小化、收益最大化等。為達到上述優(yōu)化目標,EMS需要接收每一單位的狀態(tài)信息并據此作出預測,尤其對于可再生能源發(fā)電機組,如風力發(fā)電和光伏發(fā)電機組。此外,電網中可能發(fā)生阻塞問題的信息在虛擬電廠運行的優(yōu)化過程中也起到至關重要的作用。根據接收到的信息,EMS可以選擇最佳解決方案,優(yōu)化電網運行。集中控制結構最易于實現(xiàn)虛擬電廠最優(yōu)運行,但擴展性和兼容性受

13、到一定的限制。在分散控制結構中,決策權完全下放到各DG,且其中心控制器由信息交換代理取代,如圖3所示。信息交換代理只向該控制結構下的DER提供有價值的服務,如市場價格信號、天氣預報和數(shù)據采集等。由于依靠即插即用能力,因而分散控制結構比集中控制結構具有更好的擴展性和開放性。2.智能計量技術智能計量技術是虛擬電廠的一個重要組成部分,是實現(xiàn)虛擬電廠對DG和可控負荷等監(jiān)測和控制的重要基礎。智能計量系統(tǒng)最基本的作用是自動測量和讀取用戶住宅內的電、氣、熱、水的消耗量或生產量,即自動抄表(automatedmeteredreading,AMR),以此為虛擬電廠提供電源和需求側的實時信息。作為AMR的發(fā)展,自

14、動計量管理(automaticmetermanagement,AMM)和高級計量體系(advancedmeteringinfrastructure,AMI)能夠遠程測量實時用戶信息,合理管理數(shù)據,并將其發(fā)送給相關各方。對于用戶而言,所有的計量數(shù)據都可通過用戶室內網(homeareanetwork,HAN)在電腦上顯示。因此,用戶能夠直觀地看到自己消費或生產的電能以及相應費用等信息,以此采取合理的調節(jié)措施。3.信息通信技術虛擬電廠采用雙向通信技術,它不僅能夠接收每一單元的當前狀態(tài)信息,而且能夠向控制目標發(fā)送控制信號。應用于虛擬電廠中的通信技術主要有基于互聯(lián)網的技術,如基于互聯(lián)網協(xié)議的服務、虛擬專

15、用網絡、電力線路載波技術和無線技術(如全球移動通信系統(tǒng)/通用分組無線服務技術(GSM/GPRS),3G等)。在用戶住宅內,WiFi、藍牙、Zigbee等通信技術構成了室內通信網絡。根據不同的場合和要求,虛擬電廠可以應用不同的通信技術。對于大型機組而言,可以使用基于IEC60870灢5灢101或IEC60870灢5灢104協(xié)議的普通遙測系統(tǒng)。隨著小型分散電力機組數(shù)量的不斷增加,通信渠道和通信協(xié)議也將起到越來越重要的作用,昂貴的遙測技術很有可能將被基于簡單的TCP/IP適配器或電力線路載波的技術所取代。在歐盟VFCPP項目中,設計者采用了互聯(lián)網虛擬專用網絡技術;荷蘭功率匹配器虛擬電廠采用了通用移動

16、通信技術(UTMS)無線網通信技術;在歐盟FENIX項目中,虛擬電廠應用了GPRS技術和IEC104協(xié)議通信技術;德國ProViPP的通信網絡則由雙向無線通信技術構成。4虛擬電廠的運行虛擬電廠最具吸引力的功能在于能夠聚合DER參與電力市場和輔助服務市場運行,為配電網和輸電網提供管理和輔助服務。為實現(xiàn)其最佳效益,進行了諸多研究,例如:建立了DG和可控負荷參與日前電力市場的運行框架和模型;按功能不同,虛擬電廠可劃分為兩大模塊商業(yè)型虛擬電廠(commercialVPP,CVPP)和技術型虛擬電廠(technicalVPP,TVPP),其運行的基本框架如圖4所示。圖中:TSO表示輸電系統(tǒng)操作員。下文將

17、基于此兩大模塊,對虛擬電廠的運行進行具體闡述。 1.商業(yè)型虛擬電廠商業(yè)型虛擬電廠是從商業(yè)收益角度考慮的虛擬電廠,是DER投資組合的一種靈活表述。其基本功能是基于用戶需求、負荷預測和發(fā)電潛力預測,制定最優(yōu)發(fā)電計劃,并參與市場競標。商業(yè)型虛擬電廠不考慮虛擬電廠對配電網的影響,并以與傳統(tǒng)發(fā)電廠相同的方式將DER加入電力市場。圖5具體說明了商業(yè)型虛擬電廠活動的輸入與輸出。商業(yè)型虛擬電廠投資組合中的每一DER向其遞交運行參數(shù)、邊際成本等信息。將這些輸入數(shù)據整合后創(chuàng)建唯一配置文件,它代表了投資組合中所有DER的聯(lián)合容量。加之市場情報,商業(yè)型虛擬電廠將優(yōu)化投資組合的潛在收益,制定發(fā)電計劃,并同傳統(tǒng)發(fā)電廠一起

18、參與市場競標。一旦競標取得市場授權,商業(yè)型虛擬電廠與電力交易中心和遠期市場簽訂合同,并向技術型虛擬電廠提交DER發(fā)電計劃表和運行成本信息。商業(yè)型虛擬電廠可代表任意數(shù)量的DER,同時DER也可以自由選擇一個商業(yè)型虛擬電廠代表其加入電力市場。商業(yè)型虛擬電廠的商業(yè)職責可以由許多市場活動者來履行,包括現(xiàn)任能源供應商,獨立第三方或新的市場準入者。2.技術型虛擬電廠技術型虛擬電廠是從系統(tǒng)管理角度考慮的虛擬電廠,考慮DER聚合對本地網絡的實時影響,并代表投資組合的成本和運行特性。技術型虛擬電廠提供的服務和功能包括為DSO提供系統(tǒng)管理、為TSO提供系統(tǒng)平衡和輔助服務。圖6概括了技術型虛擬電廠活動的輸入和輸出。

19、本地網絡中,DER運行參數(shù)、發(fā)電計劃、市場競價等信息由商業(yè)型虛擬電廠提供。技術型虛擬電廠整合商業(yè)型虛擬電廠提供數(shù)據以及網絡信息(拓撲結構、限制條件等),計算本地系統(tǒng)中每一DER可作出的貢獻,形成技術型虛擬電廠成本和運行特性。技術型虛擬電廠的成本及運行特性同傳統(tǒng)發(fā)電廠一起由TSO進行評估,一旦得到技術確認,技術型虛擬電廠將控制DER執(zhí)行發(fā)電計劃。技術型虛擬電廠的運行需要本地網絡信息和網絡控制功能,因此DSO是最適合實現(xiàn)技術型虛擬電廠運行的選擇。運用技術型虛擬電廠的概念,DSO也可視為主動配電網操作員,通過使用DER提供的輔助服務以優(yōu)化網絡操作。同時,主動配電網操作員可以將這些服務提供給其他系統(tǒng)操

20、作員。商業(yè)型虛擬電廠和技術型虛擬電廠的主要功能及虛擬電廠所能提供的輔助服務總結如表1所示。5虛擬電廠在中國的發(fā)展前景與開展建議目前,虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念,但虛擬電廠的特點符合中國電力發(fā)展的需求與方向,在中國有著廣闊的發(fā)展前景,具體體現(xiàn)在以下幾個方面。1)虛擬電廠是高效利用和促進新能源和可再生能源發(fā)電的有效形式。近年來,中國的新能源和可再生能源發(fā)電規(guī)模持續(xù)快速增長。如前所述,可再生能源發(fā)電具有單機容量小、出力具有間歇性和隨機性等特點,其單獨并網往往會對大電網造成諸多影響。然而,可再生能源發(fā)電連同其他DG聚合成虛擬電廠的形式參與大電網的運行,通過內部的組合優(yōu)化,可消除可再生能源發(fā)電對外

21、部系統(tǒng)的間歇性和隨機性影響,提高電能質量,實現(xiàn)對可再生能源發(fā)電的高效利用。與此同時,開展虛擬電廠將使可再生能源發(fā)電從電力市場中獲取最大的經濟收益,縮短成本回收周期,吸引和擴大對可再生能源發(fā)電的投資,從而促進新能源和可再生能源的發(fā)展。此外,現(xiàn)行的可再生能源發(fā)電工程補貼僅考慮了電量就地消納的接網工程建設運行費用,沒有考慮可再生能源發(fā)電遠距離送出、送受端電網擴建等因素,不利于可再生能源發(fā)電的發(fā)展。虛擬電廠的概念強調DER對大電網呈現(xiàn)的功能和效用,很大機會上需要進行中、遠距離輸電。因而,虛擬電廠在中國的開展將對解決這一問題起到重要的促進作用。2)虛擬電廠是推動智能電網建設的重要環(huán)節(jié)。中國能源發(fā)展“十二

22、五”規(guī)劃已將大力發(fā)展DER,推進智能電網建設作為推動能源方式變革的重點任務。虛擬電廠的社會經濟效益符合智能電網解決能源安全與環(huán)保問題,應對氣候變化,保證安全、可靠、優(yōu)質、高效的電力供應,滿足經濟社會發(fā)展對電力多樣化需求的總體目標和基本要求。虛擬電廠技術的基礎是通信技術、協(xié)調控制技術、智能計量技術,亦是智能電網發(fā)展所需的關鍵技術。虛擬電廠的運行方式符合智能電網信息化、自動化、互動化的基本特征。總的來說,虛擬電廠技術的發(fā)展對推動中國智能電網的建設具有重要的作用。在未來,虛擬電廠應當成為智能電網的重要組成部分。3)虛擬電廠對于完善中國的電力市場體制具有重要的促進作用和指導意義。虛擬電廠的一大重要特征

23、是能夠聚合DER參與電力市場的運營。電價是電力市場建設的核心問題,而虛擬電廠的盈利正是源于動態(tài)電價的激勵。虛擬電廠在中國的開展將加快電價由政府定價向政府與市場定價協(xié)同并重的轉變。在電力市場中,虛擬電廠既具有傳統(tǒng)電廠的某些特征,如穩(wěn)定出力、批量售電,同時又具有特殊性,主要表現(xiàn)在多樣化的電能來源。正是由于其多樣化的發(fā)電資源,虛擬電廠既可參與前期市場、實時市場,又可參與輔助平衡市場。借鑒虛擬電廠參與多種電力市場的運營模式及調度框架,將對完善中國的電力市場體制起到積極的促進和指導作用。當然,虛擬電廠亦非完全適合中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀,針對中國實際情況,對未來開展虛擬電廠提出以下幾點建議。1)鼓勵用戶積極參

24、與虛擬電廠。虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念,用戶及DG所有者對其知之甚少。然而,虛擬電廠的實施需要用戶及大量私有DG的支持,這就要求相關部門積極宣傳參與虛擬電廠的益處,并制定一系列的鼓勵機制,從而在不同地區(qū)建立虛擬電廠試點項目。2)合理規(guī)劃虛擬電廠的范圍及職能。盡管虛擬電廠能夠代表不同DER所有者的需求并能夠為系統(tǒng)提供多種服務,但在中國電力市場并不完善的情況下,為避免管理和調度混亂,應當合理規(guī)劃虛擬電廠的范圍和職能,如在城區(qū)等負荷密集地區(qū)以可控負荷構成虛擬電廠,作為系統(tǒng)備用,或削減高峰用電;在鄉(xiāng)村或郊區(qū),以大規(guī)模DG、儲能等構成虛擬電廠,實現(xiàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)定和持續(xù)供電。3)制定合理的競爭機制和有針對性的政策,完善電