虛擬電廠

虛擬電廠是一種通過先進信息通信技術和軟體系統，實現DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協調最佳化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。虛擬電廠概念的核心可以總結為“通信”和“聚合”。虛擬電廠的關鍵技術主要包括協調控制技術、智慧型計量技術以及信息通信技術。虛擬電廠最具吸引力的功能在於能夠聚合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。“虛擬電廠”的解決思路在我國有著非常大的市場潛力，對於面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說，無疑是一種好的選擇。

2018年9月，“虛擬電廠”標準獲得國際電工委員會（IEC）批准立項，成為全球這一領域首批國際標準。

基本介紹

• 中文名：虛擬電廠
• 外文名：Virtual Power Plant VPP
• 提出時間：1997年
• 提出者：Shimon Awerbuch博士
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

發展歷程

隨著世界能源緊缺、環境污染等問題的日益突出，分散式電源( distributed generator, DG)以其可靠、經濟、靈活、環保的特點而被越來越多的國家所採用。然而，儘管DG優點突出，但仍存在諸多問題。首先，DG容量小、數量大、分布不均，使得單機接入成本高，對系統操作員常不可見乃至管理困難;其次，DG的接入給電網的穩定運行帶來了許多技術難題，如潮流改變、線路阻塞、電壓閃變、諧波影響等;再次，目前“安裝即忘記(fit and-forget)”的DG操作方式以及電力市場容量的限制亦更加阻礙了DG的大規模併網。

當今，全世界的電力行業正在迅速轉型，電力系統應該基於市場運營，但是，由於DG的特點，如容量小或其具有的間斷性和隨機性，僅靠它們本身加入電力市場運營並不可行。然而，將DG聚合成一個集成的實體(integrated entity)為這一問題提供了解決途徑曰。

中國大多採用微網的概念作為DG的併網形式，它能夠很好地協調大電網與DG的技術矛盾，並具備一定的能量管理功能，但微網以DG與用戶就地套用為主要控制目標，且受到地理區域的限制，對多區域、大規模DG的有效利用及在電力市場中的規模化效益具有一定的局限性。主動配電網是實現大規模DG併網運行的另一種有效解決方案，它的概念將DG的接入半徑進行了一定的擴展，能夠對配電網實施主動管理，但對DG能夠呈現給大電網及電力市場的效益考慮不足。虛擬電廠(virtual power plant, VPP)的提出則為解決這些問題提供了新的思路。

“虛擬電廠”這一術語源於1997年Shimon Awerbuch博士在其著作《虛擬公共設施:新興產業的描述、技術及競爭力》一書中對虛擬公共設施的定義: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，虛擬電廠並未改變每個DG併網的方式，而是通過先進的控制計量、通信等技術聚合DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等不同類型的分散式能源(distributed energy resource, DER) ,並通過更高層而的軟體構架實現多個DER的協調最佳化運行，更有利於資源的合理最佳化配置及利用1.1:3。虛擬電廠的概念更多強調的是對外呈現的功能和效果，更新運營理念並產生社會經濟效益，其基本的套用場景是電力市場。這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合DER對公網穩定輸電，並提供快速回響的輔助服務，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，可以獲得規模經濟的效益。同時，DER的可視化及虛擬電廠的協調控制最佳化大大減小了以往DER併網對公網造成的衝擊，降低了DG增長帶來的調度難度，使配電管理更趨於合理有序，提高了系統運行的穩定性。

2018年9月，中國風電、太陽能發電裝機年均增長44%和191%，遠高於全球平均增速。但風能、太陽能等隨機性、間歇性和波動性特徵，大規模、高比例接入將給電力系統平衡和電網安全運行帶來一系列挑戰。

國際標準

2017年10月，由國網冀北電力公司和中國電科院組成的專家團隊代表中國向國際電工技術委員會（IEC）提交了提案。經過激烈競爭於今年獲批正式立項，成為IEC在虛擬電廠領域首批國際標準。

2018年9月21日，從國家電網公司獲悉，由其主導發起的兩項“虛擬電廠”標準獲得國際電工委員會（IEC）批准立項，成為全球這一領域首批國際標準，填補了行業空白。

定義

從整個世界範圍來看，虛擬電廠的研究和實施主要集中於歐洲和北美。根據派克研究公司(Pike Research)公布的數據，截至2009年底，全球虛擬電廠總容量為19.4 GW，其中歐洲占5100，美國占4400;截至2011年底，全球虛擬電廠總容量增至55.6 GW。然而，歐洲與美國虛擬電廠的套用形式有著顯著的不同，歐洲各國的虛擬電廠亦各具特色。歐洲現己實施的虛擬電廠項目，如歐盟虛擬燃料電池電廠(virtual fuel cell power plant,VFCPP)項目、荷蘭基於功率匹配器的虛擬電廠項目、歐盟FENIX(flexible electricity network tointegrate expected)項目以及德國專業型虛擬電廠(professional VPP, ProViPP)試點項目，主要針對實現DG可靠併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於需求回響計畫發展而來，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，儘管虛擬電廠的概念己提出十餘年之久，但對於虛擬電廠的框架尚無統一的定義卿〕。

在文獻中，虛擬電廠被定義為依賴於軟體系統遠程、自動分配和最佳化發電、需求回響和儲能資源的能源網際網路;在文獻中，虛擬電廠被定義為與自治微網相同的網路;在文獻中，虛擬電廠被定義為眾多連線於低壓配電網的熱電聯產發電機組的組合;在文獻中，虛擬電廠被定義為不同類型的分散在中壓配電網不同節點的DER的集合;在文獻中，虛擬電廠被定義為一個多技術和多站點異質實體;在文獻中，虛擬電廠由可接於配電網任意節點的具有豐富操作模式和可用性的一系列技術組成;在文獻中，虛擬電廠被定義為以直接集中控制方式聚合可控分散式能源( controllabledistributed energy,CDE)單位或主動用戶網(active customer network,ACN)的信息通信系統。

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體系統，實現DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協調最佳化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。

前景

“虛擬電廠”解決電力危機的思路還體現在對電力供求形勢的極大適應性。作為僅次於美國的全球第二大發電大國，我國的電力供應規模已經達到相當水平。因此如果把困擾著我們的“電荒”問題完全歸結為發電規模，顯然是不合適的。 高耗能一直是我國經濟生活中一個嚴峻的問題。據相關統計，中國單位GDP的耗電量為世界平均水平的3.8倍，韓國的3.1倍，日本的11倍。能源利用效率低，資源浪費嚴重無疑是造成電力緊缺的癥結之一。能耗高的另一面就是節電潛力大，中國的高耗能設備套用較多，照明設備、鍋爐、製冷空調等都有待提高效率。據測算，中國終端用電設備的總節電潛力約為2000億千瓦時。國家發改委的節能規劃要求，到2020年，中國每萬元國內生產總值耗能要由2002年的2.68噸標準煤降到1.54噸標準煤，形成節能能力14億噸標準煤，其中很大一部分需要通過節電來完成。

“虛擬電廠”的解決思路在我國有著非常大的市場潛力，對於面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說，無疑是一種好的選擇。

關鍵技術

協調控制技術

虛擬電廠的控制對象主要包括各種DG、儲能系統、可控負荷以及電動汽車。由於虛擬電廠的概念強調對外呈現的功能和效果，因此，聚合多樣化的DER實現對系統高要求的電能輸出是虛擬電廠協調控制的重點和難點。實際上，一些可再生能源發電站(如風力發電站和光伏發電站)具有間歇性或隨機性以及存在預測誤差等特點，因此，將其大規模併網必須考慮不確定性的影響。這就要求儲能系統、可分配發電機組、可控負荷與之合理配合，以保證電能質量並提高發電經濟性。

智慧型計量技術

智慧型計量技術是虛擬電廠的一個重要組成部分，是實現虛擬電廠對DG和可控負荷等監測和控制的重要基礎。智慧型計量系統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(automated meter reading,AMR)，以此為虛擬電廠提供電源和需求側的實時信息。作為AMR的發展，自動計量管理(automatic meter management,AMM)和高級計量體系(advanced metering infrastructure, AMI)能夠遠程測量實時用戶信息，合理管理數據，並將其傳送給相關各方。對於用戶而言，所有的計量數據都可通過用戶室區域網路(home area network, 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，以此採取合理的調節措施。

信息通信技術

虛擬電廠採用雙向通信技術，它不僅能夠接收各個單元的當前狀態信息，而且能夠向控制目標傳送控制信號。套用於虛擬電廠中的通信技術主要有基於網際網路的技術，如基於網際網路協定的服務、虛擬專用網路、電力線路載波技術和無線技術(如全球移動通信系統/通用分組無線服務技術(USM/UPRS)等)。在用戶住宅內，WiFi、藍牙、ZigBee等通信技術構成了室內通信網路。

運行

虛擬電廠最具吸引力的功能在於能夠聚合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。

商業型

商業型虛擬電廠是從商業收益角度考慮的虛擬電廠，是DER投資組合的一種靈活表述。其基本功能是基於用戶需求、負荷預測和發電潛力預測，制定最優發電計畫，並參與市場競標。商業型虛擬電廠不考慮虛擬電廠對配電網的影響，並以與傳統發電廠相同的方式將DER加入電力市場。

商業型虛擬電廠投資組合中的每個DER向其遞交運行參數、邊際成本等信息。將這些輸入數據整合後創建唯一配置檔案，它代表了投資組合中所有DER的聯合容量。結合市場情報，商業型虛擬電廠將最佳化投資組合的潛在收益，制定發電計畫，並同傳統發電廠一起參與市場競標。一旦競標取得市場授權，商業型虛擬電廠與電力交易中心和遠期市場簽訂契約，並向技術型虛擬電廠提交DER發電計畫表和運行成本信息。

技術型

技術型虛擬電廠是從系統管理角度考慮的虛擬電廠，考慮DER聚合對本地網路的實時影響，並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提供系統管理、為TSO提供系統平衡和輔助服務。

本地網路中，DER運行參數、發電計畫、市場競價等信息由商業型虛擬電廠提供。技術型虛擬電廠整合商業型虛擬電廠提供數據以及網路信息(拓撲結構、限制條件等)，計算本地系統中每個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發電廠一起由TSO進行評估，一旦得到技術確認，技術型虛擬電廠將控制DER執行發電計畫。

開展建議

當然，虛擬電廠並非完全適合中國電力工業的現狀，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定義擬電廠的益處，並制定一系列的鼓勵機制，從而在不同地區建立虛擬電廠試點項目。

2)合理規劃虛擬電廠的範圍及職能。儘管虛擬電廠能夠代表不同DER所有者的需求並能夠為系統提供多種服務，但在中國電力市場並不完善的情況下，為避免管理和調度混亂，應當合理規劃虛擬電廠的範圍和職能，如在城區等負荷密集地區以可控負荷構成虛擬電廠，作為系統備用，或削減高峰用電;在鄉村或郊區，以大規模DG、儲能等構成虛擬電廠，實現對系統的穩定和持續供電。

3)制定合理的競爭機制和有針對性的政策，完善電力市場運營機制。虛擬電廠與傳統電廠的效用基本相同，但發電來源豐富多樣。為鼓勵新能源和可再生能源發電的發展，中國制定了一系列相應的優惠和補貼政策。一方而，為了避免投機倒把行為以及不必要的購電支出，虛擬電廠的實施應由政府主導，系統調度機構和供電公司負責實施，購電電價應根據虛擬電廠中的可再生能源所占成分區別設定，同時規定可再生能源發電應儘量併網，並進一步完善現行的分時電價辦法，鼓勵和促進用電高峰時用戶節電和DG發電。另一方而，應區別對待不同職能的虛擬電廠(如以DG尤其是可再生能源發電為主的供電虛擬電廠，以參與前期市場為主，實時市場為輔，輔助服務市場為補充;以可控負荷和少量DG為主的備用或平衡虛擬電廠，以參與輔助服務市場為主，實時市場為輔)。