電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）這些年來，電力系統(tǒng)中的發(fā)電資源呈現(xiàn)出了清潔型、分散型的發(fā)展趨勢，這些新型發(fā)電資源的并網(wǎng)運行，在促進節(jié)能減排的同時，也給配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)絡、電能質量、系統(tǒng)保護和調(diào)度運行等方面帶來了一系列的挑戰(zhàn)。加上這些分布式發(fā)電資源規(guī)模較小、布局分散，導致了其難以真正參與電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度，乃至電力市場的競爭，難以通過市場發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟價值。為了應對挑戰(zhàn)，充分發(fā)揮新型能源的積極作用，“虛擬電廠（Virtual Power Plant，簡稱VPP）”引起了人們的關注。

什么是虛擬電廠？它有哪些特性？

其實，早在1997年，Shimon Awerbuch博士的《虛擬公共設施：新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術及競爭力》著作中就出現(xiàn)了虛擬電廠的概念。到2007年前后，國際上對于虛擬電廠開始有了系統(tǒng)性的論述，2012年后，相關的研究報道逐漸增多。

目前，虛擬電廠雖然還沒有統(tǒng)一的定義，但普遍認為虛擬電廠是將分布式發(fā)電機組（Distributed Generation，DG）、可控負荷（Dispatchable Load，DL）和分布式儲能設施（Distributed Energy Storage，DES）有機結合，通過配套的調(diào)控技術、通信技術實現(xiàn)對各類分布式能源資源進行整合調(diào)控的載體。其核心是用于調(diào)控DG、DL、和DES能量流的集控平臺。也就是說，它是一種將分布式發(fā)電、需求側響應和儲能資源統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，響應電網(wǎng)調(diào)度指令的智能電網(wǎng)技術。虛擬電廠有望通過集控平臺中的信息通信技術和軟件系統(tǒng)管理分布式能源，對內(nèi)將相對分散的電源、電網(wǎng)、荷載和儲能等進行聚合協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制。其中集控平臺具備量大核心能力：“發(fā)電端-負荷端”：聚合協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制。以各地電力公司為主搭建虛擬電廠集控平臺，可以對收集的充電樁、居民用電等數(shù)據(jù)進行分析，做到負荷端的精準響應及管理。當負荷端供電量不足時，可以作為“正電廠”向電力系統(tǒng)供電；當發(fā)電端電量過大，負荷端難以承載時，又可以作為“負電廠”加大負荷消納電力系統(tǒng)電力，幫助電力市場削峰填谷，可以平滑新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的一系列影響。電力市場：多端主體實現(xiàn)互通，優(yōu)化電力調(diào)節(jié)能力。虛擬電廠可以將大電網(wǎng)和電力交易市場進行互聯(lián)互通，不僅有助于優(yōu)化整個電網(wǎng)系統(tǒng)，還能為內(nèi)部聚合的企業(yè)、用戶、充電樁、儲能、分布式能源等市場主體提供參與電力市場化交易的途徑，讓他們都可以成為微型發(fā)電機，參與電力市場交易，從而獲取套利收益。同時，在已知價格信號時，虛擬電廠可先算出最大的調(diào)節(jié)能力，再算出單位調(diào)節(jié)量的價格上報，充分發(fā)揮各類資源的調(diào)節(jié)能力。

虛擬電廠的特性及核心技術

與傳統(tǒng)電廠相比，虛擬電廠具有更多的優(yōu)勢，它能夠在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)獲取可再生能源經(jīng)濟利益、降低發(fā)電成本、減少溫室氣體排放，優(yōu)化資源利用等目標。具體來說，虛擬電廠具有以下幾個特性：首先是虛擬電廠內(nèi)資源具有多樣性。它能聚合管理多種可再生能源發(fā)電機組，比如光伏發(fā)電機組、風力發(fā)電機組、小型水電機組、微型熱電聯(lián)產(chǎn)機組等，每一種資源都有自身的輸出特性，需要協(xié)調(diào)配合運行。虛擬電廠還可以根據(jù)分時電價調(diào)整可控負荷，利用儲能裝置充放電，從而改變虛擬電廠的輸出，對電網(wǎng)呈現(xiàn)虛擬發(fā)電特性。其次是虛擬電廠的資產(chǎn)具有虛擬性。虛擬電廠內(nèi)部的資產(chǎn)并不一定屬于虛擬電廠代理商所有，虛擬電廠代理商與資產(chǎn)的關系主要是能量流的調(diào)度、貨幣流的分配和信息流的共享，類似于傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)度、交易中心與各發(fā)電廠之間的關系。三是虛擬電廠的運行需要協(xié)同性。虛擬電廠聚合了多種具有不同輸出特性、不同發(fā)電成本、屬于不同供應商的可再生能源，因此，為了實現(xiàn)虛擬電廠能有效產(chǎn)于電力市場運營，需要多家虛擬電廠在不同的運營機構內(nèi)互相配合、協(xié)同合作。從技術趨勢層面來看，當前虛擬電廠建設聚焦四大核心技術：1）智能計量：能夠精確地計量用戶側電、熱、氣、水等耗量，快速捕捉數(shù)據(jù)變化，更為主動的向系統(tǒng)預警設備故障。2）信息通信：雙向通信技術，既能夠接收各個單元的當前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標發(fā)送控制信號。3）協(xié)調(diào)控制：利用優(yōu)化算法、通信控制技術，幫助虛擬電廠存儲和處理海量的電力數(shù)據(jù)，分析、預測電力負荷和調(diào)節(jié)、調(diào)控的負荷，高效完成響應分配。4）信息安全防護：虛擬電廠與各個分布式能源站的工業(yè)控制系統(tǒng)、面向用戶的用電信息系統(tǒng)、公開的市場營銷信息系統(tǒng)、電網(wǎng)的調(diào)度信息系統(tǒng)都存在接口，做好系統(tǒng)安全防護。

虛擬電廠的應用實例

目前，歐美已經(jīng)有一些虛擬電廠的應用案例可供借鑒了。歐洲在2001年起就開始了以小型分布式發(fā)電單元為主要目標的虛擬電廠研究項目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國和丹麥等。2005年～2009年，來自歐盟8個國家的20個研究機構和組織合作實施和開展了FENIX項目，希望通過將分布式能源資源聚合成大型虛擬電廠和分散管理，最大限度地提高分布式能源對電力系統(tǒng)的貢獻，擺脫傳統(tǒng)對電力系統(tǒng)小單元的管理。2012年，歐洲虛擬電廠正式落地，北歐能源公司Statkraft在德國建立了第一個虛擬發(fā)電廠，其發(fā)電量相當于10個核反應堆，也是歐洲于2010年起關閉核電廠后的一大重要突破。如今，歐洲虛擬電廠已經(jīng)開始商業(yè)化，商業(yè)模式以電力資源聚合為主。比如2009年創(chuàng)立的Next Kraftwerke是德國乃至歐洲最大的虛擬電廠廠商，獲得了歐洲電力交易市場（EPEX）認證，在EPEX SPOT和EEX等歐洲交易所可以參與能源的現(xiàn)貨市場交易，在七個歐洲輸電系統(tǒng)運營商（Transmission System Operator）TSO地區(qū)提供平衡服務，其為電力市場提供的服務主要有：1）系統(tǒng)建設：通過網(wǎng)絡提供軟件服務：除了運行虛擬電廠，NEXT公司還提供可定制虛擬電廠（NEMOCS）服務，為能源公司建立自己的虛擬電廠提供軟件解決方案。此外，NEXT 公司還提供電力系統(tǒng)平衡區(qū)管理軟件（NEXTRA）。2）電力消納：根據(jù)日間市場信號調(diào)整電力資源，NEXT 公司根據(jù)電力市場波動調(diào)整其資源池中的可調(diào)度能源發(fā)電機組（例如沼氣廠）和負荷的出力和需求，為這些客戶帶來收入，同時為系統(tǒng)平衡做出貢獻。3）平衡服務（電力交易）：利用聚合的能源資源提供平衡服務：NEXT 公司活躍在所有三個平衡市場。截至 2021 年中，NEXT 公司已累計擁有 2780MW 的虛擬電廠資源來提供平衡服務（75MW 一級備用、983MW 二級備用、1762MW 三級備用）。其客戶通過參與平衡市場獲得收入。NEXT 公司從收入中獲得提成。美國則比較少采用虛擬電廠的概念，而是主要推進利用用戶側可控負荷的需求響應，并取得了不少的成效。美國的虛擬電廠項目主要針對需求側管理，結合需求響應的相關機理，兼顧源側可再生能源的利用，因此，對負荷的控制和儲能設備的投入占其虛擬電廠的主要部分。從地域角度看，美國的虛擬電廠市場以加利福尼亞州、佛蒙特州和紐約州3 個地區(qū)為代表：加利福尼亞州是美國開展電力需求側管理最早的州，而佛蒙特州是最早提出虛擬電廠概念并付諸實施的州。具體落地應用方面：2017年，美國德蒙特州Green Mountain Power公司搭建自己的虛擬電廠平臺，接入2000余個家庭客戶。2022年，太平洋天然氣與電力公司（PG＆E）和特斯拉推出一項新的試點計劃，通過創(chuàng)建虛擬電廠以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前，特斯拉已經(jīng)邀請約25000名擁有Powerwalls的PG＆E客戶加入虛擬電廠。商業(yè)模式方面，美國的虛擬電廠通常由公共事業(yè)企業(yè)運營，主要采用設備租用模式。以Con Edison項目為例：Sunverage提供鋰離子電池存儲系統(tǒng)，SunPower租賃其太陽能電池板，公用事業(yè)Con Edison管理存儲電力的電網(wǎng)供電，主要對象為自用單戶住宅。此外，佛蒙特州的虛擬電廠主要采用系統(tǒng)效益收費模式。我國在2000年左右也提出了虛擬電廠的概念，從東北現(xiàn)貨市場起步，后來為了平衡賬戶虧空，2007年提出了市場化改革，但國內(nèi)現(xiàn)貨達不到國外的規(guī)模，加上國內(nèi)保供電壓力比較大，不可能像國外市場那樣80%的電力放在現(xiàn)貨市場。我國不會單純學歐洲或美國，更多的是采用混合型，既有電源也有負荷型，比如我國最先進的虛擬電廠代表冀北電力虛擬電廠示范工程就是混合型的，在2019年12月正式投運后，實時接入11類靈活性資源，容量約226兆瓦，涵蓋張家口、秦皇島和廊坊3個地市。ABB 集團利用了在歐洲實施虛擬電廠的豐富經(jīng)驗和在控制領域的領先技術，給冀北電力虛擬電廠項目中來自不同行業(yè)的 9 類用戶，如分布式光伏、空氣源熱泵、民用及工業(yè)空調(diào)機組、電動汽車充電站等用戶，定制了相應的智能配電計量與協(xié)調(diào)控制解決方案?！笆奈濉币詠?，北京、上海、深圳、江蘇、河北等全國多省市已開始虛擬電廠的試點建設并正式投入運行。2022年5月20日，部署于國電投深圳能源發(fā)展有限公司的虛擬電廠平臺發(fā)出指令，調(diào)度尚呈新能源蛤地智能充電站將50千瓦時電量從0時轉移至4時。根據(jù)5月26日廣東電力現(xiàn)貨市場數(shù)據(jù)，深圳能源通過此次試驗獲利，平均度電收益0.274元，成為我國首個虛擬電廠調(diào)度用戶負荷參與電力現(xiàn)貨市場盈利的案例。

結語

總體來說，目前我國在虛擬發(fā)電廠領域的研究尚處于起步階段。為適應我國的地理、天氣、發(fā)電類型結構等具體國情，我國構建虛擬發(fā)電廠的結構形式和功能配置必須進行有針對性的設計和調(diào)整。但從目前我國對電力能源經(jīng)濟環(huán)保性的迫切需求及新能源發(fā)電規(guī)模的快速發(fā)展趨勢來看，虛擬電廠在我國將有廣闊的發(fā)展空間。當然，國內(nèi)現(xiàn)在還屬于剛起步階段，裝機規(guī)模在百MW規(guī)模，還沒有出現(xiàn)GW級別，在國內(nèi)政策的推動下，接下來3、4年虛擬電廠行業(yè)應該會迎來一個快速發(fā)展期，預計到2030年能達到1000億元的市場規(guī)模。