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(shí)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(fù)荷和儲(chǔ)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(fù)荷和儲(chǔ)能裝置聚合成一個(gè)虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度，協(xié)調(diào)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(jià)值和效益。虛擬電廠主要由發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)備、通信系統(tǒng)構(gòu)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(fù)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(gè)人住宅、商業(yè)或工業(yè)分部等服務(wù)。PDG主要是將自身所生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)，其運(yùn)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(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電裝置。

2)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以補(bǔ)償可再生能源發(fā)電出力波動(dòng)性和不可控性，適應(yīng)電力需求的變化，改善可再生能源波動(dòng)所導(dǎo)致的電網(wǎng)薄弱性，增強(qiáng)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(jìn)行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與電力系統(tǒng)調(diào)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(jìn)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(jìn)行監(jiān)控管理。

虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)是什么?

根據(jù)虛擬電廠信息流傳輸控制結(jié)構(gòu)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(nèi)分布式單元的所有信息，并對所有發(fā)電或用電單元進(jìn)行完全控制。

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

③在完全分散控制方式下，虛擬電廠控制協(xié)調(diào)中心由數(shù)據(jù)交換與處理中心代替，只提供市場價(jià)格、天氣預(yù)報(bào)等信息。而虛擬電廠也被劃分為相互獨(dú)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度問題可以分為2種：

①內(nèi)部調(diào)度，虛擬電廠對自身內(nèi)部多個(gè)電源的容量配置或出力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度;

②外部調(diào)度，由電網(wǎng)將虛擬電廠當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化調(diào)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(shí)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(nèi)一般認(rèn)為：微網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。它能夠很好地協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源的技術(shù)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(yīng)用為主要控制目標(biāo)，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)?；б婢哂幸欢ǖ木窒扌?。

虛擬電廠并未改變每個(gè)分布式電源并網(wǎng)的方式，而是通過先進(jìn)的控制、計(jì)量、通信等技術(shù)聚合分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等不同類型的分布式能源并通過更高層面的軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)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(bào)告指出，儲(chǔ)能使得虛擬電廠在未來幾年將“侵入能源市場”。報(bào)告認(rèn)為，一個(gè)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(tái)，參與者能夠在其中相互購買和出售來自多個(gè)電源點(diǎn)的能源，基于虛擬電廠的能源云使得能源交易雙向互動(dòng)，而不是傳統(tǒng)意義上的能源單向流動(dòng)。

隨著國家對清潔能源和新興技術(shù)的發(fā)展的大力推動(dòng)，虛擬電廠將成為智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)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(bǔ)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(jī)性、波動(dòng)性、間歇性，分布式電源的動(dòng)態(tài)組合問題亟待解決。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，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(fēng)能和太陽能資源，“一極一道”更是推進(jìn)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(jìn)跨境電力與輸電通道建設(shè)，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(nèi)分布式電源的時(shí)差互補(bǔ)和季節(jié)互補(bǔ)特性，提高可再生能源的利用率和虛擬電廠的效益。

2)多個(gè)分布式單元靈活地進(jìn)行動(dòng)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(gòu)成虛擬電廠的多個(gè)分布式發(fā)電單元不一定在同一個(gè)地理區(qū)域內(nèi)，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(gè)分布式發(fā)電單元按照一定的規(guī)則或目標(biāo)進(jìn)行聚合，以一個(gè)整體參與電力市場或輔助服務(wù)市場，最后將利益分配給每個(gè)分布式發(fā)電單元。虛擬電廠作為中介，根據(jù)動(dòng)態(tài)組合算法或動(dòng)態(tài)博弈理論等規(guī)則對多個(gè)分布式發(fā)電單元靈活地進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合。動(dòng)態(tài)組合的實(shí)時(shí)性和靈活性可以避免實(shí)時(shí)不平衡所帶來的成本問題以及由于電廠停機(jī)、負(fù)荷和可再生能源出力預(yù)測失誤時(shí)所導(dǎo)致的組合偏差問題。

3)大數(shù)據(jù)對可再生能源進(jìn)行預(yù)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(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)的IT技術(shù)、軟硬件工具和數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)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(shù)可進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和可再生能源出力預(yù)測，包括風(fēng)能和太陽能。風(fēng)能預(yù)測非常必要，因?yàn)閿?shù)據(jù)顯示在用電高峰期，風(fēng)電場的實(shí)際產(chǎn)能變化幅度很大。準(zhǔn)確預(yù)測太陽能和風(fēng)能需要分析大量數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、云層等氣象數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理虛擬電廠內(nèi)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(shí)時(shí)、精確的數(shù)據(jù)信息流。

4)虛擬電廠參與多種市場進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度和競價(jià)。

虛擬電廠通過對多個(gè)分布式單元進(jìn)行聚合成為一個(gè)整體參與電力市場運(yùn)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(diǎn)，又由于聚合了多種發(fā)電單元而具有較好的互補(bǔ)性。虛擬電廠所參與的電力市場包括日前市場、實(shí)時(shí)市場、輔助服務(wù)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(fù)荷和實(shí)時(shí)電價(jià)等不確定因素，在不同市場環(huán)境下建立調(diào)度和競價(jià)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(xué)的合作機(jī)制，確保虛擬電廠的穩(wěn)定性。

博弈論主要研究存在利益關(guān)系或沖突的多個(gè)決策主體，根據(jù)自身能力和了解的信息，如何各自進(jìn)行有利于自己或決策者群體的決策的理論?；诓┺恼?，認(rèn)為虛擬電廠內(nèi)的所有發(fā)電和用電單元和虛擬電廠與外部所有運(yùn)營商均為合作博弈。根據(jù)合作博弈理論制訂科學(xué)的合作機(jī)制，包括虛擬電廠內(nèi)部聚合的多個(gè)發(fā)電或用電單元之間的合作機(jī)制和虛擬電廠與集成運(yùn)營商、配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)以及電力市場運(yùn)營者之間的合作機(jī)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(diǎn)商業(yè)建筑虛擬電廠項(xiàng)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(shè)中。它不建廠房，不燒煤、不燒氣，預(yù)計(jì)今年年末，它能在用電高峰時(shí)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(chǔ)能設(shè)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(shè)的獨(dú)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(yùn)行，“發(fā)電”能力達(dá)100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區(qū)虛擬電廠的一個(gè)項(xiàng)目。迄今，虛擬電廠最大規(guī)模的一次試運(yùn)行，參與樓宇超過50棟，釋放負(fù)荷約1萬千瓦。

“這個(gè)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(diào)的預(yù)設(shè)溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、送風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行一定的柔性調(diào)節(jié)，就能夠通過減負(fù)為電網(wǎng)釋放出100千瓦電能。”

目前，黃浦區(qū)內(nèi)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(xué)校、政府機(jī)關(guān)等)都實(shí)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(shè)計(jì)、上海騰天節(jié)能技術(shù)有限公司參與實(shí)施的《上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑虛擬電廠示范項(xiàng)目》已于2016年獲國家發(fā)改委批復(fù)，將在三年內(nèi)全面完成。

“辦公樓的發(fā)電原理看似簡單，具體實(shí)現(xiàn)卻不容易，這里面涉及眾多電力參數(shù)與空調(diào)參數(shù)的對應(yīng)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(yīng)資源調(diào)用更為先進(jìn)的地方。”

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)資源調(diào)用，如負(fù)荷控制平臺(tái)，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)備用調(diào)峰機(jī)組。在用電高峰期，電網(wǎng)調(diào)度部門啟動(dòng)該平臺(tái)，向協(xié)議用戶下達(dá)手動(dòng)削減負(fù)荷指令，或遠(yuǎn)程拉閘限電“關(guān)開關(guān)”。這種方式簡單粗放，用戶體驗(yàn)感受也較差。

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

目前，可參與需求響應(yīng)的柔性負(fù)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(fù)荷調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、參數(shù)設(shè)置、功率調(diào)節(jié)以及聚合方法等內(nèi)容，設(shè)計(jì)了柔性負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)。楊建林介紹，“以商用大樓寶龍大廈的中央空調(diào)為例，在夏季用電高峰期，我們的響應(yīng)系統(tǒng)依托精密的信息技術(shù)，通過對空調(diào)的預(yù)設(shè)溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、送風(fēng)量、新風(fēng)量、冷凍水泵流量、冷凍水進(jìn)水溫度等幾十個(gè)特性參數(shù)變量的控制，可以在不停機(jī)、不影響用戶使用的前提下，達(dá)到柔性調(diào)節(jié)空調(diào)負(fù)荷的目的。”

柔性負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)‘削峰’的作用，還能實(shí)現(xiàn)‘填谷’的功能。同樣以夏季空調(diào)制冷為例，在系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)入低谷期后，利用空調(diào)所屬房間儲(chǔ)熱能力，自動(dòng)調(diào)整幾十個(gè)特性參數(shù)變量，增加空調(diào)負(fù)荷，可提前儲(chǔ)存一部分冷量，使電力系統(tǒng)的利用率增高。

電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的核心是功率平衡，若需求響應(yīng)資源本身具備在線功率調(diào)節(jié)功能，則可以發(fā)揮更顯著的系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。然而傳統(tǒng)的負(fù)荷控制平臺(tái)只能參與離線調(diào)峰安排，條件和技術(shù)都難以達(dá)到接入系統(tǒng)的要求。

“虛擬電廠要達(dá)到的目標(biāo)，不僅僅是收集分散的電能數(shù)據(jù)、控制負(fù)荷量，而是像一個(gè)真正的發(fā)電廠一樣，可以參與系統(tǒng)調(diào)度，提供調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)和電力市場交易等。”上海經(jīng)研院規(guī)評中心主任費(fèi)斐介紹，“從這個(gè)角度看，上海黃浦區(qū)具有建立虛擬電廠得天獨(dú)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(shí)，峰值負(fù)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(jìn)行大范圍集中控制。截至2月28日，黃浦區(qū)內(nèi)像寶龍大廈這樣對能耗實(shí)時(shí)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(shí)，占上海市社會(huì)領(lǐng)域用電總量的40%。

目前，該項(xiàng)目正在有序推進(jìn)中。根據(jù)規(guī)劃，今年上海黃浦區(qū)將建成預(yù)期具有5萬千瓦容量、1萬千瓦自動(dòng)需求響應(yīng)能力、0.2萬千瓦二次調(diào)頻能力，年虛擬發(fā)電運(yùn)行時(shí)間不少于50小時(shí)的商業(yè)建筑虛擬電廠，總“發(fā)電”能力將達(dá)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(dāng)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(dòng)”系統(tǒng)在江蘇投運(yùn)，它的投運(yùn)，也相當(dāng)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(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控電廠發(fā)電的同時(shí)，也能調(diào)控用戶用電，讓兩邊都在不停變化的天平達(dá)到毫秒級的瞬時(shí)平衡。它借助“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)和智能電網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)融合，將零散分布、不可控的負(fù)荷資源轉(zhuǎn)化為隨需應(yīng)變的“虛擬電廠”資源，在清潔電源波動(dòng)、突發(fā)自然災(zāi)害特別是用電高峰突發(fā)電源或電網(wǎng)緊急事故時(shí)，用電客戶主動(dòng)化身“虛擬電廠”，參與保護(hù)大電網(wǎng)安全。這是我國推出的創(chuàng)新舉措，最新建成投運(yùn)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(shí)，我們將緊急調(diào)動(dòng)備用的發(fā)電資源，同時(shí)立即切除部分用戶用電負(fù)荷，以此確保大電網(wǎng)安全。2016年起國家電網(wǎng)主導(dǎo)建設(shè)‘大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)’，在國際上首創(chuàng)將分散的海量可中斷用電負(fù)荷集中起來進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制。”國網(wǎng)江蘇電力調(diào)度控制中心副主任羅建裕表示。

據(jù)介紹，這種可中斷負(fù)荷是指在一定補(bǔ)償機(jī)制下、簽訂經(jīng)濟(jì)合同或協(xié)議、客戶自愿中斷用電的負(fù)荷，主要包括家庭熱水器、空調(diào)以及工廠非連續(xù)性生產(chǎn)負(fù)荷等。由于該類負(fù)荷中斷不會(huì)對用戶生產(chǎn)生活造成實(shí)質(zhì)影響，且可根據(jù)電源、電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)啟停，因此該類負(fù)荷既具有負(fù)荷特性，又具有電源特性，相當(dāng)于隨時(shí)、隨地、隨需投運(yùn)的“虛擬電廠”。目前，江蘇“虛擬電廠”毫秒級實(shí)時(shí)響應(yīng)規(guī)模已達(dá)100萬千瓦，另有276萬千瓦秒級準(zhǔn)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，規(guī)模為世界最大。

特斯拉計(jì)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(jì)劃，由特斯拉幫助建設(shè)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(fèi)供電，南澳大利亞州政府將為5萬家庭免費(fèi)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(chǔ)電廠。

州政府還宣布，將免費(fèi)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(jìn)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)?；?yīng)的類似于電廠的組織。通俗講，就是每一家的太陽能板在自家不用時(shí)，將產(chǎn)生的電源送到特斯拉提供的蓄電池中儲(chǔ)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(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。第一階段是在1100戶家庭進(jìn)行試驗(yàn)，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(gè)家庭中展開。最后，整個(gè)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(xiàng)目提供209萬美元資金支持和3000萬貸款。