虛擬發電廠

虛擬電廠是通過先進通信技術和軟體架構，實現地理位置分散的各種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。它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，符合中國電力發展的需求與方向。

基本介紹

• 中文名：虛擬發電廠
• 外文名：virtual power plant
• 背景：能源緊缺、環境污染
• 關鍵技術：協調控制、智慧型計量等
• 運行：商業型、技術型虛擬
• 前景：廣闊

背景

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”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為這一問題提供了解決途徑。

目前，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），並通過更高層面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。

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。

與微網的區別

虛擬電廠和微網是目前實現DG併網最具創造力和吸引力的2種形式。對於微網的定義，國內一般認為：微網是指由DG、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網併網運行，也可以孤立運行。

微網技術的提出旨在解決DG 併網運行時的主要問題，同時由於它具備一定的能量管理功能，並儘可能維持功率的局部最佳化與平衡，可有效降低系統運行人員的調度難度。實際上，儘管虛擬電廠和微網都是基於考慮解決DG及其他元件整合併網問題範疇，但二者仍有諸多區別。

1)設計理念。微網採用自下而上的設計理念，強調“自治”，即以DG與用戶就地套用為主要控制目標，實現網路正常時的併網運行以及網路發生擾動或故障時的孤島運行。而虛擬電廠的概念強調“參與”，即吸引並聚合各種DER參與電網調度和電力市場交易，最佳化DER組合以滿足電力系統或市場要求為主要控制目標，強調對外呈現的功能和效果。

2)構成條件。微網的構成依賴於元件(DG、儲能、負荷、電力線路等)的整合，由於電網拓展的成本昂貴，因此微網主要整合地理位置上接近的DG，無法包含相對偏遠和孤立的分散式發電設施。虛擬電廠的構成則依賴於軟體和技術：其轄域(聚合)範圍以及與市場的互動取決於通信的覆蓋範圍及可靠性;轄域內各DER的參數採集與狀態監控取決於智慧型計量(smart　metering)系統的套用;DER的最佳化組合由中央控制或信息代理單元進行協調、處理及決策。因此，引入虛擬電廠的概念不必對原有電網進行拓展，而能夠聚合微網所轄範圍之外的DG。

3)運行模式。微網相對於外部大電網表現為單一的受控單元，通過公共耦合開關，微網既可運行於併網模式，又可運行於孤島模式。而虛擬電廠始終與公網相連，即只運行於併網模式。

4)運行特性。微網的運行特性包含2個方面的含義，即孤島運行時配電網自身的運行特性以及併網運行時與外部系統的相互作用。而虛擬電廠作為聚合能量資源構成的特殊電廠，其與系統相互作用的要求比微網更為嚴格，可用常規電廠的統計數據和運行特性來衡量虛擬電廠的效用，如有功/無功負載能力、出力計畫、爬坡速度、備用容量、回響特性和運行成本特性等;其轄域內配電網的運行特性則由配電系統操作員(distribution　systemoperator，DSO)進行衡量。

關鍵技術

1、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。為實現上述目標，通常規劃入虛擬電廠的DG 一般由若干可再生能源發電站和至少一座傳統能源發電站構成，並建立了線性規劃最佳化分配模型。

虛擬電廠的控制結構主要分為集中和分散控制。在集中控制結構下，虛擬電廠的全部決策由中央控制單元———控制協調中心(controlcoordination　center，CCC)制定。如圖所示，虛擬電廠中的每一部分均通過通信技術與CCC相互聯繫，CCC 多採用能量管理系統(energymanagement　system，EMS)，其主要職責是協調機端潮流、可控負荷和儲能系統。圖中：ICT表示信息通信技術。

EMS根據其最佳化目標進行工作，其最佳化目標包括：發電成本最小化、溫室氣體排放量最小化、收益最大化等。為達到上述最佳化目標，EMS需要接收各個單位的狀態信息並據此作出預測，尤其對於可再生能源發電機組，如風力發電和光伏發電機組。

此外，電網中可能發生阻塞問題的信息在虛擬電廠運行的最佳化過程中也起到至關重要的作用。根據接收到的信息，EMS可以選擇最佳解決方案，最佳化電網運行。集中控制結構最易於實現虛擬電廠最優運行，但擴展性和兼容性受到一定的限制。在分散控制結構中，決策權完全下放到各DG，且其中心控制器由信息交換代理取代，如圖所示。信息交換代理只向該控制結構下的DER提供有價值的服務，如市場價格信號、天氣預報和數據採集等。由於依靠即插即用能力，因而分散控制結構比集中控制結構具有更好的擴展性和開放性。

2、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。

3、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(GSM/GPRS)、3G 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。

根據不同的場合和要求，虛擬電廠可以套用不同的通信技術。對於大型機組而言，可以使用基於IEC　60870-5-101或IEC　60870-5-104協定的普通遙測系統。隨著小型分散電力機組數量的不斷增加，通信渠道和通信協定也將起到越來越重要的作用，昂貴的遙測技術很有可能將被基於簡單的TCP/IP適配器或電力線路載波的技術所取代。

在歐盟VFCPP項目中，設計者採用了網際網路虛擬專用網路技術;荷蘭功率匹配器虛擬電廠採用了通用移動通信技術(UTMS)無線網通信技術;在歐盟FENIX項目中，虛擬電廠套用了GPRS技術和IEC104協定通信技術;德國ProViPP的通信網路則由雙向無線通信技術構成。

虛擬電廠的運行

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。為實現其最佳效益，進行了諸多研究，例如：建立DG和可控負荷參與日前電力市場的運行框架和模型;將功率匹配器技術套用於虛擬電廠等。按功能不同，虛擬電廠可劃分為兩大模組———商業型虛擬電廠(commercial　VPP，CVPP)和技術型虛擬電廠(technical　VPP，TVPP)，其運行的基本框架如圖4所示。圖中：TSO 表示輸電系統操作員。

1、商業型虛擬電廠

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。

圖中具體說明了商業型虛擬電廠活動的輸入與輸出。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。

商業型虛擬電廠可代表任意數量的DER，同時DER也可以自由選擇一個商業型虛擬電廠代表其加入電力市場。商業型虛擬電廠的商業職責可以由許多市場活動者來履行，包括現任能源供應商、獨立第三方或新的市場準入者。

2、技術型虛擬電廠

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。

圖中概括了技術型虛擬電廠活動的輸入和輸出。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。

技術型虛擬電廠的運行需要本地網路信息和網路控制功能，因此，DSO 是最適合實現技術型虛擬電廠運行的選擇。運用技術型虛擬電廠的概念，DSO也可視為主動配電網操作員，通過使用DER提供的輔助服務以最佳化網路操作。同時，主動配電網操作員可以將這些服務提供給其他系統操作員。

發展前景

目前，虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念，但虛擬電廠的特點符合中國電力發展的需求與方向，在中國有著廣闊的發展前景，具體體現在以下幾個方面。

1)虛擬電廠是高效利用和促進新能源和可再生能源發電的有效形式。近年來，中國的新能源和可再生能源發電規模持續快速增長。如前所述，可再生能源發電具有單機容量小、出力具有間歇性和隨機性等特點，其單獨併網往往會對大電網造成諸多影響。然而，可再生能源發電連同其他DG聚合成虛擬電廠的形式參與大電網的運行，通過內部的組合最佳化，可消除可再生能源發電對外部系統的間歇性和隨機性影響，提高電能質量，實現對可再生能源發電的高效利用。與此同時，開展虛擬電廠將使可再生能源發電從電力市場中獲取最大的經濟收益，縮短成本回收周期，吸引和擴大對可再生能源發電的投資，從而促進新能源和可再生能源的發展。

此外，現行的可再生能源發電工程補貼僅考慮了電量就地消納的接網工程建設運行費用，沒有考慮可再生能源發電遠距離送出、送受端電網擴建等因素，不利於可再生能源發電的發展。

虛擬電廠的概念強調DER對大電網呈現的功能和效用，很大機會上需要進行中、遠距離輸電。因而，虛擬電廠在中國的開展將對解決這一問題起到重要的促進作用。

2)虛擬電廠是推動智慧型電網建設的重要環節。中國《能源發展“十二五”規劃》已將大力發展DER，推進智慧型電網建設作為推動能源方式變革的重點任務。虛擬電廠的社會經濟效益符合智慧型電網解決能源安全與環保問題，應對氣候變化，保證安全、可靠、優質、高效的電力供應，滿足經濟社會發展對電力多樣化需求的總體目標和基本要求。虛擬電廠技術的基礎是通信技術、協調控制技術、智慧型計量技術，這也是智慧型電網發展所需的關鍵技術。虛擬電廠的運行方式符合智慧型電網信息化、自動化、互動化的基本特徵。

總的來說，虛擬電廠技術的發展對推動中國智慧型電網的建設具有重要的作用。在未來，虛擬電廠應當成為智慧型電網的重要組成部分。

3)虛擬電廠對於完善中國的電力市場體制具有重要的促進作用和指導意義。虛擬電廠的一大重要特徵是能夠聚合DER參與電力市場的運營。電價是電力市場建設的核心問題，而虛擬電廠的盈利正是源於動態電價的激勵。虛擬電廠在中國的開展將加快電價由政府定價向政府與市場定價協同並重的轉變。在電力市場中，虛擬電廠既具有傳統電廠的某些特徵，如穩定出力、批量售電，同時又具有特殊性，主要表現在多樣化的電能來源。正是由於其多樣化的發電資源，虛擬電廠既可參與前期市場、實時市場，又可參與輔助平衡市場。借鑑虛擬電廠參與多種電力市場的運營模式及調度框架，將對完善中國的電力市場體制起到積極的促進和指導作用。

發展建議

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。一方面，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。另一方面，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)。