[科普中国]-虚拟电厂

简介

随着世界能源紧缺、环境污染等问题的日益突出，分布式电源( distributed generator, DG)以其可靠、经济、灵活、环保的特点而被越来越多的国家所采用。然而，尽管DG优点突出，但仍存在诸多问题。首先，DG容量小、数量大、分布不均，使得单机接入成本高，对系统操作员常不可见乃至管理困难;其次，DG的接入给电网的稳定运行带来了许多技术难题，如潮流改变、线路阻塞、电压闪变、谐波影响等;再次，目前“安装即忘记(fit and-forget)”的DG操作方式以及电力市场容量的限制亦更加阻碍了DG的大规模并网2。

当今，全世界的电力行业正在迅速转型，电力系统应该基于市场运营，但是，由于DG的特点，如容量小或其具有的间断性和随机性，仅靠它们本身加入电力市场运营并不可行。然而，将DG聚合成一个集成的实体(integrated entity)为这一问题提供了解决途径曰。目前，中国大多采用微网的概念作为DG的并网形式，它能够很好地协调大电网与DG的技术矛盾，并具备一定的能量管理功能，但微网以DG与用户就地应用为主要控制目标，且受到地理区域的限制，对多区域、大规模DG的有效利用及在电力市场中的规模化效益具有一定的局限性。主动配电网是实现大规模DG并网运行的另一种有效解决方案，它的概念将DG的接入半径进行了一定的扩展，能够对配电网实施主动管理，但对DG能够呈现给大电网及电力市场的效益考虑不足。虚拟电厂(virtual power plant, VPP)的提出则为解决这些问题提供了新的思路3。

“虚拟电厂”这一术语源于1997年Shimon Awerbuch博士在其著作《虚拟公共设施:新兴产业的描述、技术及竞争力》一书中对虚拟公共设施的定义:虚拟公共设施是独立且以市场为驱动的实体之间的一种灵活合作，这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要的高效电能服务。正如虚拟公共设施利用新兴技术提供以消费者为导向的电能服务一样，虚拟电厂并未改变每个DG并网的方式，而是通过先进的控制计量、通信等技术聚合DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的分布式能源(distributed energy resource, DER) ,并通过更高层而的软件构架实现多个DER的协调优化运行，更有利于资源的合理优化配置及利用1.1:3。虚拟电厂的概念更多强调的是对外呈现的功能和效果，更新运营理念并产生社会经济效益，其基本的应用场景是电力市场。这种方法无需对电网进行改造而能够聚合DER对公网稳定输电，并提供快速响应的辅助服务，成为DER加入电力市场的有效方法，降低了其在市场中孤独运行的失衡风险，可以获得规模经济的效益。同时，DER的可视化及虚拟电厂的协调控制优化大大减小了以往DER并网对公网造成的冲击，降低了DG增长带来的调度难度，使配电管理更趋于合理有序，提高了系统运行的稳定性。

虚拟电厂的定义目前，从整个世界范围来看，虚拟电厂的研究和实施主要集中于欧洲和北美。根据派克研究公司(Pike Research)公布的数据，截至2009年底，全球虚拟电厂总容量为19.4 GW，其中欧洲占5100，美国占4400;截至2011年底，全球虚拟电厂总容量增至55.6 GW。然而，欧洲与美国虚拟电厂的应用形式有着显著的不同，欧洲各国的虚拟电厂亦各具特色。欧洲现己实施的虚拟电厂项目，如欧盟虚拟燃料电池电厂(virtual fuel cell power plant,VFCPP)项目、荷兰基于功率匹配器的虚拟电厂项目、欧盟FENIX(flexible electricity network tointegrate expected)项目以及德国专业型虚拟电厂(professional VPP, ProViPP)试点项目，主要针对实现DG可靠并网和电力市场运营的目标考虑而来，DG占据DER的主要成分;而美国的虚拟电厂主要基于需求响应计划发展而来，兼顾考虑可再生能源的利用，因此可控负荷占据主要成分。因此，尽管虚拟电厂的概念己提出十余年之久，但对于虚拟电厂的框架尚无统一的定义卿〕。

在文献4中，虚拟电厂被定义为依赖于软件系统远程、自动分配和优化发电、需求响应和储能资源的能源互联网;在文献中，虚拟电厂被定义为与自治微网相同的网络;在文献中，虚拟电厂被定义为众多连接于低压配电网的热电联产发电机组的组合;在文献5中，虚拟电厂被定义为不同类型的分散在中压配电网不同节点的DER的集合;在文献中，虚拟电厂被定义为一个多技术和多站点异质实体;在文献6中，虚拟电厂由可接于配电网任意节点的具有丰富操作模式和可用性的一系列技术组成;在文献中，虚拟电厂被定义为以直接集中控制方式聚合可控分布式能源( controllabledistributed energy,CDE)单位或主动用户网(active customer network,ACN)的信息通信系统。

综合看来，虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信”和“聚合”。虚拟电厂可认为是通过先进信息通信技术和软件系统，实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统7。

虚拟电厂的前景“虚拟电厂”解决电力危机的思路还体现在对电力供求形势的极大适应性8。作为仅次于美国的全球第二大发电大国，我国的电力供应规模已经达到相当水平。因此如果把困扰着我们的“电荒”问题完全归结为发电规模，显然是不合适的。 高耗能一直是我国经济生活中一个严峻的问题。据相关统计，中国单位GDP的耗电量为世界平均水平的3.8倍，韩国的3.1倍，日本的11倍。能源利用效率低，资源浪费严重无疑是造成电力紧缺的症结之一。能耗高的另一面就是节电潜力大，中国的高耗能设备应用较多，照明设备、锅炉、制冷空调等都有待提高效率。据测算，中国终端用电设备的总节电潜力约为2000亿千瓦时。国家发改委的节能规划要求，到2020年，中国每万元国内生产总值耗能要由2002年的2.68吨标准煤降到1.54吨标准煤，形成节能能力14亿吨标准煤，其中很大一部分需要通过节电来完成。

“虚拟电厂”的解决思路在我国有着非常大的市场潜力，对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说，无疑是一种好的选择。

虚拟电厂的关键技术协调控制技术虚拟电厂的控制对象主要包括各种DG、储能系统、可控负荷以及电动汽车。由于虚拟电厂的概念强调对外呈现的功能和效果，因此，聚合多样化的DER实现对系统高要求的电能输出是虚拟电厂协调控制的重点和难点。实际上，一些可再生能源发电站(如风力发电站和光伏发电站)具有间歇性或随机性以及存在预测误差等特点，因此，将其大规模并网必须考虑不确定性的影响。这就要求储能系统、可分配发电机组、可控负荷与之合理配合，以保证电能质量并提高发电经济性2。

智能计量技术智能计量技术是虚拟电厂的一个重要组成部分，是实现虚拟电厂对DG和可控负荷等监测和控制的重要基础。智能计量系统最基本的作用是自动测量和读取用户住宅内的电、气、热、水的消耗量或生产量，即自动抄表(automated meter reading,AMR)，以此为虚拟电厂提供电源和需求侧的实时信息。作为AMR的发展，自动计量管理(automatic meter management,AMM)和高级计量体系(advanced metering infrastructure, AMI)能够远程测量实时用户信息，合理管理数据，并将其发送给相关各方。对于用户而言，所有的计量数据都可通过用户室内网(home area network, HAN)在电脑上显示。因此，用户能够直观地看到自己消费或生产的电能以及相应费用等信息，以此采取合理的调节措施。

信息通信技术虚拟电厂采用双向通信技术，它不仅能够接收各个单元的当前状态信息，而且能够向控制目标发送控制信号。应用于虚拟电厂中的通信技术主要有基于互联网的技术，如基于互联网协议的服务、虚拟专用网络、电力线路载波技术和无线技术(如全球移动通信系统/通用分组无线服务技术(USM/UPRS)等)。在用户住宅内，WiFi、蓝牙、ZigBee等通信技术构成了室内通信网络。

虚拟电厂的运行虚拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合DER参与电力市场和辅助服务市场运行，为配电网和输电网提供管理和辅助服务2。

商业型虚拟电厂商业型虚拟电厂是从商业收益角度考虑的虚拟电厂，是DER投资组合的一种灵活表述。其基本功能是基于用户需求、负荷预测和发电潜力预测，制定最优发电计划，并参与市场竞标。商业型虚拟电厂不考虑虚拟电厂对配电网的影响，并以与传统发电厂相同的方式将DER加入电力市场。

商业型虚拟电厂投资组合中的每个DER向其递交运行参数、边际成本等信息。将这些输入数据整合后创建唯一配置文件，它代表了投资组合中所有DER的联合容量。结合市场情报，商业型虚拟电厂将优化投资组合的潜在收益，制定发电计划，并同传统发电厂一起参与市场竞标。一旦竞标取得市场授权，商业型虚拟电厂与电力交易中心和远期市场签订合同，并向技术型虚拟电厂提交DER发电计划表和运行成本信息。

技术型虚拟电厂技术型虚拟电厂是从系统管理角度考虑的虚拟电厂，考虑DER聚合对本地网络的实时影响，并代表投资组合的成本和运行特性。技术型虚拟电厂提供的服务和功能包括为DSO提供系统管理、为TSO提供系统平衡和辅助服务。

本地网络中，DER运行参数、发电计划、市场竞价等信息由商业型虚拟电厂提供。技术型虚拟电厂整合商业型虚拟电厂提供数据以及网络信息(拓扑结构、限制条件等)，计算本地系统中每个DER可作出的贡献，形成技术型虚拟电厂成本和运行特性。技术型虚拟电厂的成本及运行特性同传统发电厂一起由TSO进行评估，一旦得到技术确认，技术型虚拟电厂将控制DER执行发电计划。

虚拟电厂在中国开展建议当然，虚拟电厂并非完全适合中国电力工业的现状，针对中国实际情况，对未来开展虚拟电厂提出以下几点建议3。

1)鼓励用户积极参与虚拟电厂。虚拟电厂在中国还是一个崭新的概念，用户及DG所有者对其知之甚少。然而，虚拟电厂的实施需要用户及大量私有DG的支持，这就要求相关部门积极宣传参与虚定义拟电厂的益处，并制定一系列的鼓励机制，从而在不同地区建立虚拟电厂试点项目。

2)合理规划虚拟电厂的范围及职能。尽管虚拟电厂能够代表不同DER所有者的需求并能够为系统提供多种服务，但在中国电力市场并不完善的情况下，为避免管理和调度混乱，应当合理规划虚拟电厂的范围和职能，如在城区等负荷密集地区以可控负荷构成虚拟电厂，作为系统备用，或削减高峰用电;在乡村或郊区，以大规模DG、储能等构成虚拟电厂，实现对系统的稳定和持续供电。

3)制定合理的竞争机制和有针对性的政策，完善电力市场运营机制。虚拟电厂与传统电厂的效用基本相同，但发电来源丰富多样。为鼓励新能源和可再生能源发电的发展，中国制定了一系列相应的优惠和补贴政策。一方而，为了避免投机倒把行为以及不必要的购电支出，虚拟电厂的实施应由政府主导，系统调度机构和供电公司负责实施，购电电价应根据虚拟电厂中的可再生能源所占成分区别设定，同时规定可再生能源发电应尽量并网，并进一步完善现行的分时电价办法，鼓励和促进用电高峰时用户节电和DG发电。另一方而，应区别对待不同职能的虚拟电厂(如以DG尤其是可再生能源发电为主的供电虚拟电厂，以参与前期市场为主，实时市场为辅，辅助服务市场为补充;以可控负荷和少量DG为主的备用或平衡虚拟电厂，以参与辅助服务市场为主，实时市场为辅)。