隨著可再生能源成為未來全球能源發(fā)展的主要方向，虛擬電廠成為一種實現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的區(qū)域性多能源聚合模式。

什么是虛擬電廠?

虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源，包括分布式電源、可控負荷和儲能裝置等。其基本概念是通過分布式電力管理系統(tǒng)將電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運行和調度，協(xié)調智能電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益。虛擬電廠主要由發(fā)電系統(tǒng)、儲能設備、通信系統(tǒng)構成，如圖所示：

1)發(fā)電系統(tǒng)主要包括家庭型(domesticdistributedgeneration，DDG)和公用型(publicdistributedgeneration，PDG)這2類分布式電源。DDG的主要功能是滿足用戶自身負荷，如果電能盈余，則將多余的電能輸送給電網(wǎng);如果電能不足，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。典型的DDG系統(tǒng)主要是小型的分布式電源，為個人住宅、商業(yè)或工業(yè)分部等服務。PDG主要是將自身所生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)，其運營目的就是出售所生產(chǎn)的電能。典型的PDG系統(tǒng)主要包含風電、光伏等新能源發(fā)電裝置。

2)能量存儲系統(tǒng)可以補償可再生能源發(fā)電出力波動性和不可控性，適應電力需求的變化，改善可再生能源波動所導致的電網(wǎng)薄弱性，增強系統(tǒng)接納可再生能源發(fā)電的能力和提高能源利用效率。

3)通信系統(tǒng)是虛擬電廠進行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與電力系統(tǒng)調度中心通信的重要環(huán)節(jié)。通過與電網(wǎng)或者與其他虛擬電廠進行信息交互，虛擬電廠的管理更加可視化，便于電網(wǎng)對虛擬電廠進行監(jiān)控管理。

虛擬電廠的關鍵技術是什么?

根據(jù)虛擬電廠信息流傳輸控制結構的不同，虛擬電廠的控制方式可以分為：集中控制方式、分散控制方式、完全分散控制方式。

①集中控制方式下的虛擬電廠可以完全掌握其所轄范圍內分布式單元的所有信息，并對所有發(fā)電或用電單元進行完全控制。

②分散控制方式下的虛擬電廠被分為多個層次。處于下層的虛擬電廠的控制協(xié)調中心控制轄區(qū)內的發(fā)電或用電單元，再由該級虛擬電廠的控制協(xié)調中心將信息反饋給更高一級虛擬電廠的控制協(xié)調中心，從而構成一個整體的層次結構。

③在完全分散控制方式下，虛擬電廠控制協(xié)調中心由數(shù)據(jù)交換與處理中心代替，只提供市場價格、天氣預報等信息。而虛擬電廠也被劃分為相互獨立的自治的智能子單元。這些子單元不受數(shù)據(jù)交換與處理中心控制，只接受來自數(shù)據(jù)交換與處理中心的信息，根據(jù)接受到的信息對自身運行狀態(tài)進行優(yōu)化。

虛擬電廠的優(yōu)化調度問題可以分為2種：

①內部調度，虛擬電廠對自身內部多個電源的容量配置或出力進行優(yōu)化調度;

②外部調度，由電網(wǎng)將虛擬電廠當成一個整體進行優(yōu)化調度。

虛擬電廠與微網(wǎng)的區(qū)別在哪?

虛擬電廠和微網(wǎng)是目前實現(xiàn)分布式電源并網(wǎng)最具創(chuàng)造力和吸引力的兩種形式。

對于微網(wǎng)的定義，國內一般認為：微網(wǎng)是指由分布式電源、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、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。它能夠很好地協(xié)調大電網(wǎng)與分布式電源的技術矛盾，并具備一定的能量管理功能，但微網(wǎng)以分布式電源與用戶就地應用為主要控制目標，且受到地理區(qū)域的限制，對多區(qū)域、大規(guī)模分布式電源的有效利用及在電力市場中的規(guī)模化效益具有一定的局限性。

虛擬電廠并未改變每個分布式電源并網(wǎng)的方式，而是通過先進的控制、計量、通信等技術聚合分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等不同類型的分布式能源并通過更高層面的軟件構架實現(xiàn)多個分布式能源的協(xié)調優(yōu)化運行。它能夠聚合微網(wǎng)所轄范圍之外的分布式電源，更有利于資源的合理優(yōu)化配置及利用。

虛擬電廠未來是什么樣子的?

美國的一份報告指出，儲能使得虛擬電廠在未來幾年將“侵入能源市場”。報告認為，一個功能全面的能量云的前提是虛擬電廠，虛擬電廠的增長將使能源云成為一種交易平臺，參與者能夠在其中相互購買和出售來自多個電源點的能源，基于虛擬電廠的能源云使得能源交易雙向互動，而不是傳統(tǒng)意義上的能源單向流動。

隨著國家對清潔能源和新興技術的發(fā)展的大力推動，虛擬電廠將成為智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設中重要的能源聚合形式，具有廣闊的發(fā)展空間。

1)分布式電源的互補性減少出力的不確定性。

由于可再生能源出力存在較大的隨機性、波動性、間歇性，分布式電源的動態(tài)組合問題亟待解決。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設的推進，三部委針對可再生能源聯(lián)合發(fā)布了“一帶一路”和“一極一道”發(fā)展戰(zhàn)略，“一帶一路”沿線各國都具有豐富的風能和太陽能資源，“一極一道”更是推進了大型可再生能源基地電力送出以及各大洲之間電力交換。能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略推進跨境電力與輸電通道建設，積極開展區(qū)域電網(wǎng)升級改造合作，充分發(fā)揮不同區(qū)域內分布式電源的時差互補和季節(jié)互補特性，提高可再生能源的利用率和虛擬電廠的效益。

2)多個分布式單元靈活地進行動態(tài)組合組成虛擬電廠。

虛擬電廠與微電網(wǎng)的最大區(qū)別在于構成虛擬電廠的多個分布式發(fā)電單元不一定在同一個地理區(qū)域內，其聚合范圍以及與市場的交互取決于通信能力和可靠性。多個分布式發(fā)電單元按照一定的規(guī)則或目標進行聚合，以一個整體參與電力市場或輔助服務市場，最后將利益分配給每個分布式發(fā)電單元。虛擬電廠作為中介，根據(jù)動態(tài)組合算法或動態(tài)博弈理論等規(guī)則對多個分布式發(fā)電單元靈活地進行動態(tài)組合。動態(tài)組合的實時性和靈活性可以避免實時不平衡所帶來的成本問題以及由于電廠停機、負荷和可再生能源出力預測失誤時所導致的組合偏差問題。

3)大數(shù)據(jù)對可再生能源進行預測，提高虛擬電廠數(shù)據(jù)處理速度。

大數(shù)據(jù)是指無法在可承受的時間內用傳統(tǒng)的IT技術、軟硬件工具和數(shù)學分析方法進行感知、獲取、管理、處理和分析的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)技術可進行負荷預測和可再生能源出力預測，包括風能和太陽能。風能預測非常必要，因為數(shù)據(jù)顯示在用電高峰期，風電場的實際產(chǎn)能變化幅度很大。準確預測太陽能和風能需要分析大量數(shù)據(jù)，包括風速、云層等氣象數(shù)據(jù)。同時，利用大數(shù)據(jù)技術處理虛擬電廠內的各種信息，能有效提高數(shù)據(jù)交換與處理中心的處理速度，為虛擬電廠的數(shù)據(jù)交換與處理中心提供各子系統(tǒng)實時、精確的數(shù)據(jù)信息流。

4)虛擬電廠參與多種市場進行優(yōu)化調度和競價。

虛擬電廠通過對多個分布式單元進行聚合成為一個整體參與電力市場運營，既可以發(fā)揮傳統(tǒng)電廠出力穩(wěn)定和批量售電的特點，又由于聚合了多種發(fā)電單元而具有較好的互補性。虛擬電廠所參與的電力市場包括日前市場、實時市場、輔助服務市場等，由此可建立日前市場、雙邊合同、平衡市場及混合市場等多種市場模型?？紤]虛擬電廠中可再生能源出力、負荷和實時電價等不確定因素，在不同市場環(huán)境下建立調度和競價模型，使虛擬電廠具有更廣泛的適用性。

5)基于博弈論建立科學的合作機制，確保虛擬電廠的穩(wěn)定性。

博弈論主要研究存在利益關系或沖突的多個決策主體，根據(jù)自身能力和了解的信息，如何各自進行有利于自己或決策者群體的決策的理論?；诓┺恼?，認為虛擬電廠內的所有發(fā)電和用電單元和虛擬電廠與外部所有運營商均為合作博弈。根據(jù)合作博弈理論制訂科學的合作機制，包括虛擬電廠內部聚合的多個發(fā)電或用電單元之間的合作機制和虛擬電廠與集成運營商、配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)以及電力市場運營者之間的合作機制，保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期的參與積極性，確保虛擬電廠的穩(wěn)定性。

案例分享

上海黃浦區(qū)試點商業(yè)建筑虛擬電廠項目

在上海市中心黃浦區(qū)，一座不同尋常的電廠正在悄然建設中。它不建廠房，不燒煤、不燒氣，預計今年年末，它能在用電高峰時段釋放出約5萬千瓦電力來“削峰填谷”。這座明確寫入上海市電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，由眾多分布式儲能設備集合而成的黃埔區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠，正成為上海市電力體制改革、智能電網(wǎng)建設的獨特案例。

2018年1月，位于黃浦區(qū)九江路上的寶龍大廈第八次參與了虛擬電廠試運行，“發(fā)電”能力達100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區(qū)虛擬電廠的一個項目。迄今，虛擬電廠最大規(guī)模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。

“這個原理說來也簡單。”上海經(jīng)研院規(guī)劃評審中心(以下簡稱“規(guī)評中心”)楊建林博士告訴筆者，“以寶龍大廈為例，在冬夏兩季用電高峰期，我們的系統(tǒng)只需對大廈各樓層中央空調的預設溫度、風機轉速、送風量等參數(shù)進行一定的柔性調節(jié)，就能夠通過減負為電網(wǎng)釋放出100千瓦電能。”

目前，黃浦區(qū)內95%以上符合安裝要求的公共建筑(包括辦公樓、商場、醫(yī)院、學校、政府機關等)都實現(xiàn)了能耗在線監(jiān)測。由上海市經(jīng)信委牽頭、上海經(jīng)研院參與規(guī)劃設計、上海騰天節(jié)能技術有限公司參與實施的《上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項目》已于2016年獲國家發(fā)改委批復，將在三年內全面完成。

“辦公樓的發(fā)電原理看似簡單，具體實現(xiàn)卻不容易，這里面涉及眾多電力參數(shù)與空調參數(shù)的對應與算法。”楊建林博士介紹，“這也就是虛擬電廠比傳統(tǒng)需求響應資源調用更為先進的地方。”

傳統(tǒng)的需求響應資源調用，如負荷控制平臺，實際上相當于一個備用調峰機組。在用電高峰期，電網(wǎng)調度部門啟動該平臺，向協(xié)議用戶下達手動削減負荷指令，或遠程拉閘限電“關開關”。這種方式簡單粗放，用戶體驗感受也較差。

而虛擬電廠要實現(xiàn)的，是柔性負荷控制，柔性負荷在一定時間內靈活可變，可在基本不影響用戶的前提下，達到削減或增加負荷的目的。

目前，可參與需求響應的柔性負荷種類繁多。上海經(jīng)研院規(guī)劃評審中心具體研究了柔性負荷調控系統(tǒng)的結構組成、工作原理、參數(shù)設置、功率調節(jié)以及聚合方法等內容，設計了柔性負荷響應系統(tǒng)。楊建林介紹，“以商用大樓寶龍大廈的中央空調為例，在夏季用電高峰期，我們的響應系統(tǒng)依托精密的信息技術，通過對空調的預設溫度、風機轉速、送風量、新風量、冷凍水泵流量、冷凍水進水溫度等幾十個特性參數(shù)變量的控制，可以在不停機、不影響用戶使用的前提下，達到柔性調節(jié)空調負荷的目的。”

柔性負荷響應系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)‘削峰’的作用，還能實現(xiàn)‘填谷’的功能。同樣以夏季空調制冷為例，在系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)的負荷進入低谷期后，利用空調所屬房間儲熱能力，自動調整幾十個特性參數(shù)變量，增加空調負荷，可提前儲存一部分冷量，使電力系統(tǒng)的利用率增高。

電力系統(tǒng)運行調度的核心是功率平衡，若需求響應資源本身具備在線功率調節(jié)功能，則可以發(fā)揮更顯著的系統(tǒng)調節(jié)作用。然而傳統(tǒng)的負荷控制平臺只能參與離線調峰安排，條件和技術都難以達到接入系統(tǒng)的要求。

“虛擬電廠要達到的目標，不僅僅是收集分散的電能數(shù)據(jù)、控制負荷量，而是像一個真正的發(fā)電廠一樣，可以參與系統(tǒng)調度，提供調峰、調頻輔助服務和電力市場交易等。”上海經(jīng)研院規(guī)評中心主任費斐介紹，“從這個角度看，上海黃浦區(qū)具有建立虛擬電廠得天獨厚的條件。”

黃浦區(qū)是上海商業(yè)建筑最密集的中心城區(qū)，大型商業(yè)建筑數(shù)量超過200幢，面積近1000萬平方米，年耗電量約13億千瓦時，峰值負荷近50萬千瓦，樓宇能耗占全區(qū)總能耗的65%以上，方便對諸多分布式發(fā)電資源進行大范圍集中控制。截至2月28日，黃浦區(qū)內像寶龍大廈這樣對能耗實時在線監(jiān)測的樓宇，總數(shù)已超過230棟，年監(jiān)測用電量超過10億千瓦時，占上海市社會領域用電總量的40%。

目前，該項目正在有序推進中。根據(jù)規(guī)劃，今年上海黃浦區(qū)將建成預期具有5萬千瓦容量、1萬千瓦自動需求響應能力、0.2萬千瓦二次調頻能力，年虛擬發(fā)電運行時間不少于50小時的商業(yè)建筑虛擬電廠，總“發(fā)電”能力將達到5萬千瓦。按此推算，如果上海其他區(qū)域也能推廣這種模式，就相當于在不增加資源消耗的情況下新建一座大型電廠。

江蘇的世界上最大規(guī)模容量的“虛擬電廠”

2017年5月24日，世界上首套大規(guī)模“源網(wǎng)荷互動”系統(tǒng)在江蘇投運，它的投運，也相當于我國擁有了世界上最大規(guī)模容量的“虛擬電廠”。

這套系統(tǒng)通過“互聯(lián)網(wǎng)+電網(wǎng)”的技術，實現(xiàn)調控電廠發(fā)電的同時，也能調控用戶用電，讓兩邊都在不停變化的天平達到毫秒級的瞬時平衡。它借助“互聯(lián)網(wǎng)+”技術和智能電網(wǎng)技術的有機融合，將零散分布、不可控的負荷資源轉化為隨需應變的“虛擬電廠”資源，在清潔電源波動、突發(fā)自然災害特別是用電高峰突發(fā)電源或電網(wǎng)緊急事故時，用電客戶主動化身“虛擬電廠”，參與保護大電網(wǎng)安全。這是我國推出的創(chuàng)新舉措，最新建成投運了世界最大規(guī)模“虛擬電廠”。

“按照傳統(tǒng)的處理方式，在電網(wǎng)出現(xiàn)緊急事故時，我們將緊急調動備用的發(fā)電資源，同時立即切除部分用戶用電負荷，以此確保大電網(wǎng)安全。2016年起國家電網(wǎng)主導建設‘大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)’，在國際上首創(chuàng)將分散的海量可中斷用電負荷集中起來進行精準實時控制。”國網(wǎng)江蘇電力調度控制中心副主任羅建裕表示。

據(jù)介紹，這種可中斷負荷是指在一定補償機制下、簽訂經(jīng)濟合同或協(xié)議、客戶自愿中斷用電的負荷，主要包括家庭熱水器、空調以及工廠非連續(xù)性生產(chǎn)負荷等。由于該類負荷中斷不會對用戶生產(chǎn)生活造成實質影響，且可根據(jù)電源、電網(wǎng)的動態(tài)變化實時啟停，因此該類負荷既具有負荷特性，又具有電源特性，相當于隨時、隨地、隨需投運的“虛擬電廠”。目前，江蘇“虛擬電廠”毫秒級實時響應規(guī)模已達100萬千瓦，另有276萬千瓦秒級準實時響應能力，規(guī)模為世界最大。

特斯拉計劃在澳大利亞建全球最大虛擬發(fā)電廠

據(jù)外媒消息，近日南澳大利亞州政府公布新計劃，由特斯拉幫助建設虛擬發(fā)電廠，連接到蓄電池站的太陽能板將為該州家庭免費供電，南澳大利亞州政府將為5萬家庭免費提供太陽能板和特斯拉電池，將民居變成相互連接的巨大發(fā)電廠。如果這座發(fā)電廠建成，這將是世界上最大的電池、太陽能熱電廠，也是世界上最大的儲電廠。

州政府還宣布，將免費安裝1100套公共住房、5千瓦太陽能電池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2電池，并通過售電進行融資。

虛擬電廠是通過控制手段，把分散的分布式電源組織起來，形成一種可以控制的、規(guī)?；念愃朴陔姀S的組織。通俗講，就是每一家的太陽能板在自家不用時，將產(chǎn)生的電源送到特斯拉提供的蓄電池中儲存起來。誰提供的電能多，誰就受益多。

南澳大利亞州政府表示，他們的虛擬發(fā)電廠將通過3個階段來實現(xiàn)。第一階段是在1100戶家庭進行試驗，每家通過太陽能板為特斯拉的電池組提供5千瓦的電能。之后，該系統(tǒng)將在2.4萬個家庭中展開。最后，整個南澳大利亞州的家庭都將納入這一虛擬發(fā)電廠。州政府將為該項目提供209萬美元資金支持和3000萬貸款。