虚拟电厂——分布式能源参与智能电网的契机

虚拟电厂(Virtual Power Plants, VPP)是实现智能配电网的重要技术之一。它是指通过分布式能源管理系统将配电网中分散安装的清洁能源、可控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行，从而很好地协调智能电网与分布式能源之间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。

虚拟电厂的概念

在虚拟电厂中，分散安装在配电网中的清洁电源、受控负荷和储能系统合并作为一个特别的电厂参与电网运行，每一部分均与能量管理系统(EMS)相连，控制中心通过智能电网的双向信息传送，利用EMS系统进行统一调度协调机端潮流、受端负荷以及储能系统，从而达到降低发电损耗、减少温室气体排放、优化资源利用、降低电网峰值负荷和提高供电可靠性的目的。

(1)发电系统主要包括家庭型(domestic distributed generation，DDG)和公用型(public distributed generation，PDG)这2类分布式电源。DDG的主要功能是满足用户自身负荷，如果电能盈余，则将多余的电能输送给电网;如果电能不足，则由电网向用户提供电能。典型的DDG系统主要是小型的分布式电源，为个人住宅、商业或工业分部等服务。PDG主要是将自身所生产的电能输送到电网，其运营目的就是出售所生产的电能。典型的PDG系统主要包含风电、光伏等新能源发电装置。

(2)能量存储系统可以补偿可再生能源发电出力波动性和不可控性，适应电力需求的变化，改善可再生能源波动所导致的电网薄弱性，增强系统接纳可再生能源发电的能力和提高能源利用效率。

(3)通信系统是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控，以及与电力系统调度中心通信的重要环节。通过与电网或者与其他虚拟电厂进行信息交互，虚拟电厂的管理更加可视化，便于电网对虚拟电厂进行监控管理。

虚拟电厂相当于一个带有传输系统的发电站，它在电力传输过程中负责了许多其他工作，比如：负责制定发电时间表、限定发电上限、控制经营成本等。有了这些功能之后，一个独立的虚拟电站可以随时与电力运营的其他参与者取得联系，并提供相应的服务。在通过批发商销售电能的同时，虚拟电厂可以通过直接与通信中心联系来实现为电网整体运行做出贡献。在单独运行时，分布式电源没有足够的能力、灵活性和控制力使得发电站在管理以及市场前提下的运作既做到成本合理，在技术上也可行。然而，如果将一系列的分布式能源整合成为虚拟电厂，这些问题就迎刃而解了。3)

虚拟电厂作为一个灵活整合各类分布式电源的方案，它不仅可以整合各种具有不同发电方式的分布式能源，并且可以结合各类分布式电源的功能特性，综合空间的条件来合理将一系列分布式电源组合成一个整体。可以用常规发电站所使用的统计数据来衡量虚拟电厂的效用，比如：预计产量、电压调节能力、电能储备能力、电能上升率等。此外，虚拟电厂也满足了一些可控的需求，比如需求价格弹性、负荷恢复模式，这些参数也可作为衡量虚拟电厂作用的参数。4)

虚拟电厂概念的提出，使得分布式能源大范围投入电网运行成为可能，也可以为传输系统的管理提供服务。5)

虚拟电厂的控制方式

根据控制结构以及相关信息指示方式不同，可以分成以下三种不同的基本分类。6)

(1)集中控制的虚拟电厂(Centralized Controlled VPP，CCVPP)：这一结构下的虚拟电厂，要求电厂可以完整掌握涉及分布式运行的每一个单位的信息，同时，其操作设置需要满足当地电力系统的不同需求。这一类型的虚拟电厂，在达到最佳运行模式时会有很大的潜力。但是，往往由于具体的运行实际的限制，可扩展性和兼容性较为有限。7)

(2)分散控制的虚拟电厂(Decentralized Controlled VPP，DCVPP)： 这个是指本地控制的分布式运行模式，在本地控制的系统中，构成一个整体的层次结构。针对上一种集中控制模式模式中的弱点，DCVPP模式通过模块化的本地运行模式和信息收集模式有效地改进了缺陷。然而，中央控制系统在运行时仍然需要位于整个分散控制的虚拟发电系统的最顶端，以确保系统运行时的安全性和整体运行的经济性。8)

(3)完全分散控制的虚拟电厂(Fully Decentralized Controlled VPP，FDCVPP)：改运行模式可以认为是DCVPP的一种延伸。分散式控制模式中的中央控制系统由数据交换处理器代替，这些数据交换代理提供如市场价格、天气预报以及数据记录等有价值的信息。对于分散控制模式中的小单位来说，由于FDCVPP模式下的即插即用能力(plug and play ability)，在此模式下运行，相比前两种模式，会具有很好的可扩展性和开放性。9)

基于以上三种模式的运行特点，完全分散控制的虚拟电厂虚拟电站更适合于在市场中投入运行的模式。在欧盟研究委员会规划设计的一个未来电力系统网络模型中，将一个完全分散控制的虚拟电厂视为分布式发电成功迈向全面运营的基础，在这个规划中，电网中的每一个节点都被激活，反应灵敏，对于周围环境的变化敏感，并且可以智能调整价格。10)

虚拟电厂的优化调度问题

虚拟电厂的优化调度问题可以分为2种：11)

(1)内部调度，虚拟电厂对自身内部多个电源的容量配置或出力进行优化调度;

(2)外部调度，由电网将虚拟电厂当成一个整体进行优化调度。

虚拟电厂投入运行所需技术

驱使人们研究智能电网以及虚拟电厂的主要原因不是制造电力本身的成本，而是保证合格电力所需要的成本。虚拟电厂技术可以提高智能电网各方面的优点，包括兼容性、优化电能质量、互动性以及集成系统资源等。如今，通信以及计算机技术的长足发展使得虚拟电厂内部各部分的实时通信成为可能。但是，为了在实际市场的运行中发挥虚拟电厂兼容、互动和自愈等优势，还有一系列的关键技术问题需要解决。12)

(1)数字化的量测体系

在虚拟电厂的发电侧及用户侧都引入数字化仪表(Advanced Metering Infrastructure, AMI)。AMI相对于相对于现行的测量仪表的一大特点是授权于用户，将电网和用户联系起来，让用户可以支撑电网的运行。AMI的组成和特点具体包括：13)

a.高级智能仪表

高级智能仪表相对于现有的电表的区别在于，它们类似于电网上的传感器，可以将用户端的实时数据，如电量、电压、电流、用电功率等信息即使传送到发电端。这样可以为电网的运行、调度和规划提供大量准确信息，方便运行人员精确把握电网的运行状态。尤其是针对分布式电源的管理，更需要通过高级智能仪表，精确掌握和预测分布式能源的状态信息。14)

b.供用电服务

在用户端引入智能仪表后，系统可以根据电网的用电信息，对用户的用电量实行实时计价，不同时段不同电价，鼓励用户在电价高时少用电，电价低时多用电，实现负荷的平衡和优化控制。这样不仅可以大大降低用户的用电成本，同时也大大提高了电能的利用效率，并且实现与用户互动的负荷侧管理。15)

c.用户室内网(HAN)

一旦智能电网得到完善和普及后，用户端将不再仅仅担当负荷侧这一种角色，在一定情况下，用户本身也可以成为一个小型的虚拟电厂，参与电网的运行。通过网关或用户入口把智能电表和用户室内可控的电气或装置连接起来，让用户能根据电网公司的需要，积极参与需求、响应电力市场的功能。16)

d.远程接通或断开

AMI将为虚拟电厂提供系统故障快速检测功能，一旦故障发生，系统将立刻切断故障区域，等待故障修复之后自动合闸。17)

(2)广域测量系统

目前的广域测量系统(WAMS)的电源管理单位(PMU)装置以GPS为采样基准的，它能实现全网同步采集机组和线路的电压、电流以及重要的开关保护信号;并且能够计算出相应的电压和电流相量、频率和频率变化率、机组和线路功率、发电机内电势(功角)以及根据机组键相信号实测机组功角;同时还能提供扰动触发的暂态记录。18)

广域测量系统能实现对电力系统动态过程的监测，其测量的数据能反映系统的动态行为特征。广域测量系统为电力系统提供了新的测量和监控手段，其突出优点是：广域测量可以实现在时间/空间/幅值三维坐标下，同时观察电力系统全局的电力动态过程全貌。19)

(3)先进的监控软件和辅助决策体系

目前电网的调度和监控采用的大多是EMS，SCADA系统或者其扩展功能，这些系统的弊端存在处理问题速度慢，系统储存的信息量十分有限，并且系统的在线分析能力较差，在多数时间需要人脑经验来解决问题，而这些弊端使得这一系统已经无法使用如今日益复杂多变的电力系统。20)

而智能电网在运行时，需要实施监控网内所有节点、线路和设备上的所有数据，这是传统的监控软件和决策系统无法完成的任务。虚拟电厂需要依靠最先进的计算机优化算法来实现采集、组织、分类和处理智能电网中的海量信息，并基于数据和分析为运行人员提供辅助决策。21)

实现符合虚拟电厂运行要求的监控软件，可以通过将分布式监控系统与集中式监控系统相结合的方式实现。目前电力系统的调度方式是采用将所有信息在电网调度中心进行统一处理，然后向相应的下级发电厂发布处理决定的模式。而在智能电网中，随着负荷侧管理数字化仪表的应用，分布式的监控系统不仅能够采集、分析本地的数据，并且筛选出需要与上级或其他分布式系统通行的数据，分布式的监控系统还能根据计算的结果决定采取必要的本地控制措施，而不是通过控制中心下达命令。在智能电网中，虚拟电厂可以引入多代理系统，将信息发布至相应等级的代理来处理，而集中式的监控层主要负责统筹和协调各个代理之间的信息通信和交流。22)

在辅助决策层面，虚拟电站可引入高级的可视化界面和运行决策支持。通过数据过滤和分析，高级的可视化界面能够将大量数据分层次，具体而清晰地呈现出来，从整体到局部地向运行人员展示精确、实时的电网运行状态，并且提供相应的辅助决策支持，包括预警工具、事故预想(what-if)工具和行动方案工具，这样较为完善的辅助决策系统便可成型。同时，系统也可通过内部储存的数据，对电网可能出现的问题进行预测，方便虚拟电厂对潜在危险采取一定的预防措施。23)

(4)快速仿真和模拟

快速仿真和模拟包括风险评估、自愈控制与优化等高级软件系统，可实时监测和分析系统目前状态，帮助虚拟电厂做出快速响应和预测。通过其数字运算和预测功能，应用于虚拟电厂的配电快速仿真模拟(DFSM)可支持四个主要的自愈功能：网络重构、电压与无功控制、故障定位、隔离和恢复供电以及当系统拓扑结构发生变化时继保再整定，提高了智能电网的稳定性、安全性和可靠性。24)

虚拟电厂未来发展

美国的一份报告指出，储能使得虚拟电厂在未来几年将“侵入能源市场”。报告认为，一个功能全面的能量云的前提是虚拟电厂，虚拟电厂的增长将使能源云成为一种交易平台，参与者能够在其中相互购买和出售来自多个电源点的能源，基于虚拟电厂的能源云使得能源交易双向互动，而不是传统意义上的能源单向流动。25)

随着国家对清洁能源和新兴技术的发展的大力推动，虚拟电厂将成为智能电网和全球能源互联网建设中重要的能源聚合形式，具有广阔的发展空间。26)

(1)分布式电源的互补性减少出力的不确定性。27)

由于可再生能源出力存在较大的随机性、波动性、间歇性，分布式电源的动态组合问题亟待解决。随着全球能源互联网建设的推进，三部委针对可再生能源联合发布了“一带一路”和“一极一道”发展战略，“一带一路”沿线各国都具有丰富的风能和太阳能资源，“一极一道”更是推进了大型可再生能源基地电力送出以及各大洲之间电力交换。能源互联网战略推进跨境电力与输电通道建设，积极开展区域电网升级改造合作，充分发挥不同区域内分布式电源的时差互补和季节互补特性，提高可再生能源的利用率和虚拟电厂的效益。

(2)多个分布式单元灵活地进行动态组合组成虚拟电厂。28)

虚拟电厂与微电网的最大区别在于构成虚拟电厂的多个分布式发电单元不一定在同一个地理区域内，其聚合范围以及与市场的交互取决于通信能力和可靠性。多个分布式发电单元按照一定的规则或目标进行聚合，以一个整体参与电力市场或辅助服务市场，最后将利益分配给每个分布式发电单元。虚拟电厂作为中介，根据动态组合算法或动态博弈理论等规则对多个分布式发电单元灵活地进行动态组合。动态组合的实时性和灵活性可以避免实时不平衡所带来的成本问题以及由于电厂停机、负荷和可再生能源出力预测失误时所导致的组合偏差问题。

(3)大数据对可再生能源进行预测，提高虚拟电厂数据处理速度。29)

大数据是指无法在可承受的时间内用传统的IT技术、软硬件工具和数学分析方法进行感知、获取、管理、处理和分析的数据集合。大数据技术可进行负荷预测和可再生能源出力预测，包括风能和太阳能。风能预测非常必要，因为数据显示在用电高峰期，风电场的实际产能变化幅度很大。准确预测太阳能和风能需要分析大量数据，包括风速、云层等气象数据。同时，利用大数据技术处理虚拟电厂内的各种信息，能有效提高数据交换与处理中心的处理速度，为虚拟电厂的数据交换与处理中心提供各子系统实时、精确的数据信息流。

(4)虚拟电厂参与多种市场进行优化调度和竞价。30)

虚拟电厂通过对多个分布式单元进行聚合成为一个整体参与电力市场运营，既可以发挥传统电厂出力稳定和批量售电的特点，又由于聚合了多种发电单元而具有较好的互补性。虚拟电厂所参与的电力市场包括日前市场、实时市场、辅助服务市场等，由此可建立日前市场、双边合同、平衡市场及混合市场等多种市场模型。考虑虚拟电厂中可再生能源出力、负荷和实时电价等不确定因素，在不同市场环境下建立调度和竞价模型，使虚拟电厂具有更广泛的适用性。

(5)基于博弈论建立科学的合作机制，确保虚拟电厂的稳定性。31)

博弈论主要研究存在利益关系或冲突的多个决策主体，根据自身能力和了解的信息，如何各自进行有利于自己或决策者群体的决策的理论。基于博弈论，认为虚拟电厂内的所有发电和用电单元和虚拟电厂与外部所有运营商均为合作博弈。根据合作博弈理论制订科学的合作机制，包括虚拟电厂内部聚合的多个发电或用电单元之间的合作机制和虚拟电厂与集成运营商、配电网或输电网以及电力市场运营者之间的合作机制，保证所有参与者的合理收益，使参与者保持长期的参与积极性，确保虚拟电厂的稳定性。

虚拟电厂案例

(1)上海黄浦区试点商业建筑虚拟电厂项目32)

在上海市中心黄浦区，一座不同寻常的电厂正在悄然建设中。它不建厂房，不烧煤、不烧气，预计今年年末，它能在用电高峰时段释放出约5万千瓦电力来“削峰填谷”。这座明确写入上海市电力发展“十三五”规划，由众多分布式储能设备集合而成的黄埔区商业建筑虚拟电厂，正成为上海市电力体制改革、智能电网建设的独特案例。

2018年1月，位于黄浦区九江路上的宝龙大厦第八次参与了虚拟电厂试运行，“发电”能力达100千瓦。宝龙大厦仅仅是黄浦区虚拟电厂的一个项目。迄今，虚拟电厂最大规模的一次试运行，参与楼宇超过50栋，释放负荷约1万千瓦。

“这个原理说来也简单。”上海经研院规划评审中心(以下简称“规评中心”)杨建林博士告诉笔者，“以宝龙大厦为例，在冬夏两季用电高峰期，我们的系统只需对大厦各楼层中央空调的预设温度、风机转速、送风量等参数进行一定的柔性调节，就能够通过减负为电网释放出100千瓦电能。”

目前，黄浦区内95%以上符合安装要求的公共建筑(包括办公楼、商场、医院、学校、政府机关等)都实现了能耗在线监测。由上海市经信委牵头、上海经研院参与规划设计、上海腾天节能技术有限公司参与实施的《上海黄浦区商业建筑虚拟电厂示范项目》已于2016年获国家发改委批复，将在三年内全面完成。

“办公楼的发电原理看似简单，具体实现却不容易，这里面涉及众多电力参数与空调参数的对应与算法。”杨建林博士介绍，“这也就是虚拟电厂比传统需求响应资源调用更为先进的地方。”

传统的需求响应资源调用，如负荷控制平台，实际上相当于一个备用调峰机组。在用电高峰期，电网调度部门启动该平台，向协议用户下达手动削减负荷指令，或远程拉闸限电“关开关”。这种方式简单粗放，用户体验感受也较差。

而虚拟电厂要实现的，是柔性负荷控制，柔性负荷在一定时间内灵活可变，可在基本不影响用户的前提下，达到削减或增加负荷的目的。

目前，可参与需求响应的柔性负荷种类繁多。上海经研院规划评审中心具体研究了柔性负荷调控系统的结构组成、工作原理、参数设置、功率调节以及聚合方法等内容，设计了柔性负荷响应系统。杨建林介绍，“以商用大楼宝龙大厦的中央空调为例，在夏季用电高峰期，我们的响应系统依托精密的信息技术，通过对空调的预设温度、风机转速、送风量、新风量、冷冻水泵流量、冷冻水进水温度等几十个特性参数变量的控制，可以在不停机、不影响用户使用的前提下，达到柔性调节空调负荷的目的。”

柔性负荷响应系统不仅能够实现‘削峰’的作用，还能实现‘填谷’的功能。同样以夏季空调制冷为例，在系统检测到电网的负荷进入低谷期后，利用空调所属房间储热能力，自动调整几十个特性参数变量，增加空调负荷，可提前储存一部分冷量，使电力系统的利用率增高。

电力系统运行调度的核心是功率平衡，若需求响应资源本身具备在线功率调节功能，则可以发挥更显著的系统调节作用。然而传统的负荷控制平台只能参与离线调峰安排，条件和技术都难以达到接入系统的要求。

“虚拟电厂要达到的目标，不仅仅是收集分散的电能数据、控制负荷量，而是像一个真正的发电厂一样，可以参与系统调度，提供调峰、调频辅助服务和电力市场交易等。”上海经研院规评中心主任费斐介绍，“从这个角度看，上海黄浦区具有建立虚拟电厂得天独厚的条件。”

黄浦区是上海商业建筑最密集的中心城区，大型商业建筑数量超过200幢，面积近1000万平方米，年耗电量约13亿千瓦时，峰值负荷近50万千瓦，楼宇能耗占全区总能耗的65%以上，方便对诸多分布式发电资源进行大范围集中控制。截至2月28日，黄浦区内像宝龙大厦这样对能耗实时在线监测的楼宇，总数已超过230栋，年监测用电量超过10亿千瓦时，占上海市社会领域用电总量的40%。

目前，该项目正在有序推进中。根据规划，今年上海黄浦区将建成预期具有5万千瓦容量、1万千瓦自动需求响应能力、0.2万千瓦二次调频能力，年虚拟发电运行时间不少于50小时的商业建筑虚拟电厂，总“发电”能力将达到5万千瓦。按此推算，如果上海其他区域也能推广这种模式，就相当于在不增加资源消耗的情况下新建一座大型电厂。

(2)江苏的世界上最大规模容量的“虚拟电厂”33)

2017年5月24日，世界上首套大规模“源网荷互动”系统在江苏投运，它的投运，也相当于我国拥有了世界上最大规模容量的“虚拟电厂”。

这套系统通过“互联网+电网”的技术，实现调控电厂发电的同时，也能调控用户用电，让两边都在不停变化的天平达到毫秒级的瞬时平衡。它借助“互联网+”技术和智能电网技术的有机融合，将零散分布、不可控的负荷资源转化为随需应变的“虚拟电厂”资源，在清洁电源波动、突发自然灾害特别是用电高峰突发电源或电网紧急事故时，用电客户主动化身“虚拟电厂”，参与保护大电网安全。这是我国推出的创新举措，最新建成投运了世界最大规模“虚拟电厂”。

“按照传统的处理方式，在电网出现紧急事故时，我们将紧急调动备用的发电资源，同时立即切除部分用户用电负荷，以此确保大电网安全。2016年起国家电网主导建设‘大规模源网荷友好互动系统’，在国际上首创将分散的海量可中断用电负荷集中起来进行精准实时控制。”国网江苏电力调度控制中心副主任罗建裕表示。

据介绍，这种可中断负荷是指在一定补偿机制下、签订经济合同或协议、客户自愿中断用电的负荷，主要包括家庭热水器、空调以及工厂非连续性生产负荷等。由于该类负荷中断不会对用户生产生活造成实质影响，且可根据电源、电网的动态变化实时启停，因此该类负荷既具有负荷特性，又具有电源特性，相当于随时、随地、随需投运的“虚拟电厂”。目前，江苏“虚拟电厂”毫秒级实时响应规模已达100万千瓦，另有276万千瓦秒级准实时响应能力，规模为世界最大。

(3)特斯拉计划在澳大利亚建全球最大虚拟发电厂34)

据外媒消息，近日南澳大利亚州政府公布新计划，由特斯拉帮助建设虚拟发电厂，连接到蓄电池站的太阳能板将为该州家庭免费供电，南澳大利亚州政府将为5万家庭免费提供太阳能板和特斯拉电池，将民居变成相互连接的巨大发电厂。如果这座发电厂建成，这将是世界上最大的电池、太阳能热电厂，也是世界上最大的储电厂。

州政府还宣布，将免费安装1100套公共住房、5千瓦太阳能电池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2电池，并通过售电进行融资。

虚拟电厂是通过控制手段，把分散的分布式电源组织起来，形成一种可以控制的、规模化效应的类似于电厂的组织。通俗讲，就是每一家的太阳能板在自家不用时，将产生的电源送到特斯拉提供的蓄电池中储存起来。谁提供的电能多，谁就受益多。

南澳大利亚州政府表示，他们的虚拟发电厂将通过3个阶段来实现。第一阶段是在1100户家庭进行试验，每家通过太阳能板为特斯拉的电池组提供5千瓦的电能。之后，该系统将在2.4万个家庭中展开。最后，整个南澳大利亚州的家庭都将纳入这一虚拟发电厂。州政府将为该项目提供209万美元资金支持和3000万贷款。

参考资料：

1), 3) - 10), 12) - 24) 《分布式发电与智能电网》, 2013.

2) , 11) , 25) - 34) 大规模可再生能源接入电网的模式-虚拟电厂!实际案例有哪些?, 2018.北极星储能网.