王宣元,劉 蓁
(國網(wǎng)冀北電力有限公司,北京市 100054)
在“雙碳”戰(zhàn)略指引下,中國能源清潔低碳轉(zhuǎn)型全面提速。近年來,以風(fēng)電、光伏為典型代表的新能源裝機(jī)容量快速增長。截至2021 年底,中國新能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到634 GW·h,占總發(fā)電裝機(jī)容量的26.7%[1]。但是,新能源能量密度低、穩(wěn)定性差,且具有波動性、間歇性、反調(diào)峰性等特征,導(dǎo)致電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力不足[2-3]。以冀北電網(wǎng)為例,風(fēng)電日最大出力約80%以上出現(xiàn)在負(fù)荷低谷期,且統(tǒng)調(diào)供熱火電機(jī)組比例逐年增高。受地區(qū)負(fù)荷、電網(wǎng)外送能力增長不及預(yù)期的影響,新能源消納空間進(jìn)一步被壓縮,傳統(tǒng)火電資源的調(diào)節(jié)能力已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)需要[4]。因此,亟須挖掘新型調(diào)節(jié)資源,提升電力系統(tǒng)靈活性。
隨著各行各業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展,電力用戶從單一的消費(fèi)者向混合型的產(chǎn)消者轉(zhuǎn)變[5-7]。其中,分布式電源、儲能、蓄熱、電動汽車等資源都能夠相對靈活地控制自身運(yùn)行狀態(tài),從而提供相當(dāng)程度的系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力,但尚未納入電網(wǎng)調(diào)控范圍(即電網(wǎng)不可觀、不可控),本文將此類資源定義為可調(diào)節(jié)資源。截至2021 年底,可調(diào)節(jié)資源容量已超過37 GW。若能將這些資源納入電網(wǎng)調(diào)控,將有效提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力,擴(kuò)大新能源消納空間[8]。但可調(diào)節(jié)資源具有數(shù)量多、體量小、總量大、地理位置分散等特征,將其納入調(diào)控范圍,對感知、聚合、調(diào)控、運(yùn)營的技術(shù)水平、市場化激勵機(jī)制和商業(yè)模式等都提出了更高要求[9-10]。
目前,提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的措施主要包括火電靈活性改造,配置抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)等靈活電源,以及配置儲能等,但是這些措施都伴隨著大量基礎(chǔ)設(shè)施新建投資,且建設(shè)周期較長,而虛擬電廠(virtual power plant,VPP)僅需對可調(diào)節(jié)資源原有終端設(shè)備進(jìn)行改造,具有低成本、高效率、易推廣的特征[11-15]。虛擬電廠通過先進(jìn)的控制、信息、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)量等技術(shù),聚合前述可調(diào)節(jié)資源,并將負(fù)荷側(cè)的調(diào)節(jié)能力納入電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行和市場交易中,可有效提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。
本文梳理總結(jié)了虛擬電廠的國內(nèi)外發(fā)展歷程,給出了虛擬電廠的定義;介紹了澳大利亞、中國冀北虛擬電廠的運(yùn)營情況,給出了虛擬電廠技術(shù)架構(gòu)的建議;探討了聚合調(diào)控、市場交易和信息通信等關(guān)鍵技術(shù)。本文通過介紹虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)控與市場運(yùn)營的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),希望能為中國虛擬電廠建設(shè)提供技術(shù)、工程、市場機(jī)制、商業(yè)模式等方面的綜合解決方案,為“雙碳”目標(biāo)下提升新型電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提供支撐。
從世界范圍來看,歐洲、北美、澳大利亞等國家和地區(qū)均已開展了虛擬電廠工程實(shí)踐。歐洲、北美自2005 年起開展虛擬電廠的研究實(shí)踐,澳大利亞于2019 年7 月啟動虛擬電廠示范工程??傮w來看,歐洲虛擬電廠側(cè)重于電源側(cè),北美側(cè)重于負(fù)荷側(cè),而澳大利亞側(cè)重于儲能側(cè)。
歐洲虛擬電廠建設(shè)的主要目標(biāo)是提高分布式電源并網(wǎng)友好和智能互動性,以及打造持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的商業(yè)模式。在歐盟第六框架和第七框架計(jì)劃下先后開展了FENIX 項(xiàng)目和TWENTIES 項(xiàng)目。FENIX 項(xiàng)目旨在將大量的分布式電源聚合成虛擬電廠,提高歐洲電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可控性和安全性[16-18]。TWENTIES 項(xiàng)目示范的重點(diǎn)在于如何利用虛擬電廠實(shí)現(xiàn)分布式電源的智能管理[19-20],并對虛擬電廠在提供電壓控制、備用等輔助服務(wù)方面進(jìn)行了驗(yàn)證。德國Next Kraftwerke 公司通過聚合分布式能源提供歐洲電網(wǎng)平衡服務(wù)、參與短期市場交易等,聚合容量已達(dá)10.836 GW。英國Piclohe 公司、德國Sonnen 公司等均開展了虛擬電廠商業(yè)實(shí)踐,驗(yàn)證了在成熟市場環(huán)境下可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)運(yùn)行和市場運(yùn)營的必要性。
北美虛擬電廠建設(shè)的主要目標(biāo)是通過自動需求響應(yīng)和能效管理,提高綜合能源的利用效率。ConEd 虛擬電廠項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了用戶側(cè)光伏和儲能系統(tǒng)集群集中并網(wǎng),提高了電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻和緊急響應(yīng)能力[21]。美國加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(California Independent System Operator,CAISO)在加州開展了分布式能源的智慧能量管理,通過分布式能源供應(yīng)商(distributed energy resource provider,DERP)參與電力市場[22]。美國聯(lián)邦能源管理委員會(Federal Energy Regulatory Commission,F(xiàn)ERC)發(fā) 布 了 第2222 號命令,要求將分布式電源、儲能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等聚合后,通過虛擬資源參加電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和市場,以降低電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行成本。
澳大利亞虛擬電廠建設(shè)的主要目標(biāo)是降低用電成本,為電網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)。澳大利亞能源市場 運(yùn) 營 商(Australian Energy Market Operator,AEMO)與美國特斯拉公司聯(lián)合開展了虛擬電廠項(xiàng)目,該項(xiàng)目聚合分布式光伏和儲能系統(tǒng)參與澳大利亞電力市場[23],并進(jìn)行了緊急頻率響應(yīng)試驗(yàn)[24]。
中國虛擬電廠的發(fā)展主要經(jīng)歷了能效電廠、緊急切負(fù)荷、基于經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼的需求側(cè)管理、新型“虛擬電廠”4 個階段,在江蘇省、廣東省、上海市、冀北等省、市、地區(qū)初步開展了試點(diǎn)實(shí)踐。
在第1 階段,通過對商業(yè)及民用建筑中制冷和照明設(shè)備、工業(yè)電機(jī)設(shè)備、家用器具等高耗能設(shè)備進(jìn)行投資改造,提升這些設(shè)備的用電能效,并收取費(fèi)用償還貸款[25]。該階段主要是對用電設(shè)備本身進(jìn)行改造,并收取相應(yīng)費(fèi)用,缺少與大電網(wǎng)的互動以及經(jīng)濟(jì)激勵,用戶參與度和積極性不高。江蘇省、廣東省在2005 年、2009 年分別開展了能效電廠試點(diǎn)實(shí)踐,實(shí)踐過程中暴露了配套政策不健全、缺乏持續(xù)穩(wěn)定支持資金、商業(yè)模式不完善等問題,導(dǎo)致能效電廠在中國發(fā)展較慢[26]。
在第2 階段,通過毫秒級的快速精準(zhǔn)穩(wěn)定控制切負(fù)荷,解決緊急情況下電力平衡出現(xiàn)大缺口的問題,以保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。該階段主要是對電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略的優(yōu)化,從傳統(tǒng)的拉閘限電模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)實(shí)時快速的切負(fù)荷模式。江蘇省在2016 年建成了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng),針對特高壓直流閉鎖導(dǎo)致的受端電網(wǎng)頻率跌落問題,緊急切除相應(yīng)數(shù)量負(fù)荷,保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定[27-28]。但該模式僅在電網(wǎng)緊急情況下使用,動作次數(shù)少、切負(fù)荷量固定且缺乏靈活的經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制。
在第3 階段,通過基于經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼、強(qiáng)制法律、營銷宣傳等手段的需求側(cè)管理,調(diào)整用戶用電模式,引導(dǎo)用戶科學(xué)合理用電。該階段一般為離線整定,時間尺度最小為日前,且整個過程需人工干預(yù)。上海市、廣東省在2019 年、2022 年分別開展了虛擬電廠試點(diǎn)實(shí)踐,針對電網(wǎng)尖峰負(fù)荷問題,通過短信等方式提前向用戶發(fā)出邀約,引導(dǎo)用戶開展需求側(cè)管理[29-30],降低尖峰期電力負(fù)荷,并給予負(fù)荷相應(yīng)的政策補(bǔ)貼。此階段注重單次、大規(guī)模的調(diào)節(jié)作用,雖然相比第2 階段改善了經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制,但多由政策補(bǔ)貼支持,社會成本很高,在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)難以推廣。
在第4 階段,通過聚合可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)調(diào)控和市場運(yùn)營,提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。該階段虛擬電廠作為類似火電機(jī)組的可調(diào)度單元,納入大電網(wǎng)調(diào)控范圍,直接參與電網(wǎng)電力電量平衡,同時參與電力市場運(yùn)營。中國冀北地區(qū)在2019 年開展了虛擬電廠試點(diǎn)實(shí)踐,并于2019 年12 月12 日正式投入商業(yè)運(yùn)營,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)資源的感知、聚合、優(yōu)化、調(diào)控與運(yùn)營,為電力系統(tǒng)提供連續(xù)、柔性的靈活調(diào)節(jié)能力,有效促進(jìn)了新能源消納。深圳市在2022年建成了虛擬電廠管理平臺,運(yùn)行模式類似冀北,但缺乏市場機(jī)制[31]。山西省在2022 年明確規(guī)定了虛擬電廠參與現(xiàn)貨市場的運(yùn)行技術(shù)和運(yùn)營管理規(guī)范。相比第2 階段和第3 階段,第2 階段主要支撐電網(wǎng)運(yùn)行第二道防線、第3 階段主要支撐基于補(bǔ)貼的需求側(cè)管理,未實(shí)現(xiàn)市場化以及與電力系統(tǒng)的連續(xù)閉環(huán)調(diào)度運(yùn)行,該階段虛擬電廠參與了電網(wǎng)閉環(huán)調(diào)度優(yōu)化,可根據(jù)市場價格信號進(jìn)行調(diào)節(jié),具有連續(xù)、柔性、可持續(xù)的特征。
伴隨著國內(nèi)外虛擬電廠的發(fā)展進(jìn)程,虛擬電廠的概念也在不斷更新。“虛擬電廠”這一術(shù)語早在1997 年就已被提出[32],文獻(xiàn)[33]認(rèn)為虛擬電廠是與自治微網(wǎng)相同的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[16,34-37]認(rèn)為虛擬電廠是發(fā)電資源的組合,可基于互聯(lián)網(wǎng)通信,通過中央控制系統(tǒng)管理這些發(fā)電資源。文獻(xiàn)[38-40]認(rèn)為虛擬電廠是負(fù)荷側(cè)資源的組合,由可接于配電網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)的具有豐富操作模式和可用性的一系列技術(shù)組成。文獻(xiàn)[41]認(rèn)為虛擬電廠是分布式電源、可控負(fù)荷和儲能系統(tǒng)的集群,可聚合成一個特殊發(fā)電廠運(yùn)行??梢?,上述定義都強(qiáng)調(diào)了虛擬電廠通過聚合源、網(wǎng)、荷、儲各類資源,形成特殊發(fā)電廠參與電力系統(tǒng)運(yùn)行。
2018 年3 月,國 際 電 工 委 員 會(International Electrotechnical Commission,IEC)立項(xiàng)首批虛擬電廠國際標(biāo)準(zhǔn),國網(wǎng)冀北電力有限公司牽頭開展了虛擬電廠國際標(biāo)準(zhǔn)編制。隨后,重新給出了虛擬電廠的標(biāo)準(zhǔn)定義:虛擬電廠是一種聚合電網(wǎng)調(diào)度中原本看不到、控制不了的負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源,形成可調(diào)控、可交易單元,直接參與電網(wǎng)調(diào)度控制和電力市場交易的智能控制技術(shù)和商業(yè)模式[42]。
文獻(xiàn)[19,43-45]對歐洲、北美虛擬電廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述,本文主要介紹澳大利亞虛擬電廠實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)虛擬電廠正處于快速發(fā)展階段,選取具有新型“虛擬電廠”特點(diǎn)的冀北虛擬電廠介紹相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。
澳大利亞虛擬電廠項(xiàng)目試點(diǎn)[23-24]的目標(biāo)包括以下5 個主要方面:1)了解能否可靠地控制和協(xié)調(diào)資源組合,新增與頻率控制輔助服務(wù)(frequency control ancillary service,F(xiàn)CAS)、能源和電網(wǎng)支撐服務(wù)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)價值;2)研發(fā)虛擬電廠運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng),以了解其對電力系統(tǒng)安全、當(dāng)?shù)仉娔苜|(zhì)量的影響,以及如何與市場互動;3)評估虛擬電廠參與后的市場監(jiān)管和運(yùn)營管理情況,并酌情對相關(guān)規(guī)程進(jìn)行新增或修訂;4)了解未來如何改善電力用戶對虛擬電廠的體驗(yàn);5)了解虛擬電廠目前實(shí)施的信息安全措施,以及未來是否應(yīng)加強(qiáng)這些措施。
截至2021 年,澳大利亞虛擬電廠項(xiàng)目共有7 個市場主體參與,容量共31 MW,聚合資源以儲能為主,主要提供FCAS。目前,虛擬電廠可以參與緊急FCAS 市場和電能量市場。澳大利亞虛擬電廠結(jié)構(gòu)如圖1 所示。澳大利亞虛擬電廠項(xiàng)目通過市場價格信號協(xié)調(diào)屋頂光伏系統(tǒng)、儲能和可控負(fù)荷設(shè)備,如空調(diào)或水泵。實(shí)踐結(jié)果表明,虛擬電廠可以有效地響應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行需求和市場價格信號。
圖1 澳大利亞虛擬電廠示意圖Fig.1 Schematic diagram of VPP in Australia
2.1.1 緊急頻率響應(yīng)
2019 年10 月9 日,澳大利亞國家電力市場中最大的發(fā)電機(jī)組(位于昆士蘭Kogan Creek)意外脫網(wǎng),當(dāng)時機(jī)組出力為748 MW,導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率降低至49.61 Hz,低于電網(wǎng)正常運(yùn)行范圍(49.85~50.15 Hz),虛擬電廠在檢測到頻率跌落后立即響應(yīng),向電力系統(tǒng)注入功率,支撐頻率恢復(fù)(見附錄A圖A1)。
當(dāng)748 MW 機(jī)組脫網(wǎng)時,系統(tǒng)頻率跌落至49.61 Hz,虛擬電廠開始頻率響應(yīng);當(dāng)頻率未恢復(fù)到49.85 Hz 時,虛擬電廠繼續(xù)響應(yīng)直至頻率恢復(fù)至49.85 Hz 時,停止響應(yīng),直至頻率再次跌落到49.85 Hz 以下時,虛擬電廠再次開始響應(yīng)。
2.1.2 電能量市場價格響應(yīng)
根據(jù)澳大利亞市場當(dāng)前的監(jiān)管要求,虛擬電廠不參與電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行過程。因此,虛擬電廠通過監(jiān)測市場價格信號進(jìn)行響應(yīng)。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明,虛擬電廠通過優(yōu)化其控制算法,可實(shí)現(xiàn)在白天持續(xù)充電、在夜間高峰時段放電,且夜間放電時段與能量市場價格高峰時段相匹配。
冀北虛擬電廠在攻克了聚合調(diào)控、市場交易、信息通信等關(guān)鍵技術(shù)后,實(shí)現(xiàn)了參與電網(wǎng)調(diào)控和市場運(yùn)營的落地應(yīng)用。虛擬電廠采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“云、管、邊、端”體系架構(gòu),如圖2 所示。
圖2 冀北虛擬電廠架構(gòu)Fig.2 Architecture of Jibei VPP in China
1)云側(cè)設(shè)有虛擬電廠智能管控平臺。該平臺部署在公網(wǎng)環(huán)境中,采用成熟的基礎(chǔ)云計(jì)算設(shè)施以及物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)平臺、大數(shù)據(jù)平臺等成熟服務(wù),研發(fā)了資源建模、智能聚合、調(diào)控優(yōu)化、市場交易、運(yùn)營評估等核心功能算法,并與調(diào)度D5000 系統(tǒng)、電力交易平臺、營銷系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)雙向安全交互接口,實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源實(shí)時連續(xù)柔性調(diào)節(jié)。
2)管側(cè)采用運(yùn)營商通信網(wǎng)絡(luò),通過4G、5G 等移動通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)控制指令、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)營信息閉環(huán)安全傳輸。
3)邊側(cè)設(shè)置即插即用的邊緣智能網(wǎng)關(guān),通過云邊協(xié)同、邊緣計(jì)算和多場景業(yè)務(wù)、多網(wǎng)絡(luò)模式自適應(yīng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源通過物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入平臺。
4)端側(cè)設(shè)有用戶側(cè)智能終端/用戶側(cè)管理平臺,以實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源狀態(tài)感知、柔性控制,包括直控和分控2 種控制模式。直控是指虛擬電廠智能管控平臺向用戶側(cè)智能終端/管理平臺下達(dá)分解后的調(diào)控指令,終端直接對用戶側(cè)資源設(shè)備進(jìn)行功率控制,這種控制模式適用于自動化程度較高的資源,如蓄熱式電采暖、智能樓宇等;分控是指虛擬電廠智能管控平臺向可調(diào)節(jié)資源下達(dá)分解后的調(diào)控指令,資源根據(jù)自身生產(chǎn)情況對各設(shè)備進(jìn)行功率控制,這種模式適用于生產(chǎn)過程需要人為參與、控制目標(biāo)需要考慮人為隨機(jī)因素的資源,如工商業(yè)負(fù)荷等。上述2 種控制模式可以通過移動應(yīng)用程序(application,APP)開展。此外,可調(diào)節(jié)資源、虛擬電廠運(yùn)營商、虛擬電廠平臺運(yùn)營商可以通過移動APP 監(jiān)測市場運(yùn)營信息、系統(tǒng)運(yùn)行情況、虛擬電廠和可調(diào)節(jié)資源運(yùn)行情況及其他功能,以及進(jìn)行代理、運(yùn)行、運(yùn)營、分析等。
截至目前,冀北虛擬電廠示范工程接入了張家口、秦皇島、承德、廊坊地區(qū)蓄熱式電采暖、智慧樓宇、可調(diào)節(jié)工商業(yè)等11 類可調(diào)節(jié)資源,總?cè)萘繛?58 MW,最大調(diào)節(jié)能力為204 MW,占總?cè)萘康?7%。以冀北虛擬電廠參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場典型日運(yùn)行情況為例,如圖3 所示,可調(diào)節(jié)資源在參與虛擬電廠聚合優(yōu)化前,其運(yùn)行功率曲線總和與尖峰平谷時段劃分基本一致,即虛擬電廠集中在平/谷時段用電,不考慮電網(wǎng)運(yùn)行情況;在參與虛擬電廠聚合優(yōu)化后,冀北虛擬電廠一直投入自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)受控模式,控制期間積極追蹤調(diào)控指令,在電網(wǎng)晚高峰時期將用電延后,到后半夜低谷調(diào)峰困難時期(新能源大發(fā)期間),快速抬升低谷用電負(fù)荷。
圖3 冀北虛擬電廠典型日運(yùn)行曲線Fig.3 Typical daily operation curve of Jibei VPP in China
定義虛擬電廠調(diào)節(jié)速率為可調(diào)節(jié)資源響應(yīng)調(diào)度指令的速率,冀北虛擬電廠實(shí)際最大調(diào)節(jié)功率為154 MW,最大調(diào)節(jié)速率為15.7 MW/min,為虛擬電廠額定有功功率的4.4%,調(diào)節(jié)性能良好。
冀北虛擬電廠參與華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場(主要參與華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場京津唐市場,每年11 月至次年4 月開展)的流程主要包括注冊、日前運(yùn)行、日內(nèi)運(yùn)行、結(jié)算4 個階段。在注冊階段,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商上報(bào)企業(yè)信息、可調(diào)節(jié)資源明細(xì)等,調(diào)控機(jī)構(gòu)審核虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商入市資格并公布入市名單;在日前運(yùn)行階段,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商申報(bào)功率曲線、價格、調(diào)節(jié)能力等信息,調(diào)控機(jī)構(gòu)進(jìn)行市場預(yù)出清,并下發(fā)虛擬電廠次日96 點(diǎn)功率計(jì)劃等,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商接收功率計(jì)劃并分解;在日內(nèi)運(yùn)行階段,調(diào)控機(jī)構(gòu)每15 min 完成市場出清并下發(fā)實(shí)時功率計(jì)劃,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商接收功率計(jì)劃并分解;在結(jié)算階段,調(diào)控機(jī)構(gòu)根據(jù)歷史運(yùn)行功率、電量數(shù)據(jù)等核定虛擬電廠調(diào)節(jié)電量及收益,虛擬電廠運(yùn)營商按照合同約定將收益分解至各個可調(diào)節(jié)資源。
冀北虛擬電廠自2019 年12 月投運(yùn)以來,全程參與了華北調(diào)峰輔助服務(wù)市場出清,已在線連續(xù)提供調(diào)峰服務(wù)超過3 200 h,累計(jì)增發(fā)新能源電量34.12 GW·h,單位電量收益為183 元/(MW·h),虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商和用戶總收益為624.2萬元。其中,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商收益為395.95萬元,用戶側(cè)資源收益為228.25 萬元。目前,冀北虛擬電廠智能管控平臺上已有2 家虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商代理可調(diào)節(jié)資源參與調(diào)峰市場運(yùn)營。
虛擬電廠聚合的可調(diào)節(jié)資源呈現(xiàn)總體數(shù)量多、單點(diǎn)容量小、特性差異大、空間分散的特點(diǎn),這些資源如果直接接受電網(wǎng)調(diào)控中心的集中調(diào)控,會增加運(yùn)行成本。因此,需要在可調(diào)節(jié)資源和電網(wǎng)之間引入虛擬電廠作為中間層,由虛擬電廠對可調(diào)節(jié)資源進(jìn)行建模、聚合、調(diào)控和優(yōu)化,電網(wǎng)調(diào)控中心直接對虛擬電廠進(jìn)行調(diào)控。同時,引入虛擬電廠運(yùn)營商作為新興市場主體,代理可調(diào)節(jié)資源直接參與電力市場交易。根據(jù)國內(nèi)外虛擬電廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在虛擬電廠總體技術(shù)架構(gòu)、聚合調(diào)控、市場交易、信息通信關(guān)鍵技術(shù)方面仍面臨挑戰(zhàn)。
基于冀北虛擬示范工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本文建議采用如圖4 所示的虛擬電廠總體技術(shù)架構(gòu),該技術(shù)架構(gòu)分為3 級。第1 級為可調(diào)節(jié)資源層級,采集、感知并與上層通信實(shí)時的運(yùn)行信息,自動接收響應(yīng)第2級下發(fā)的調(diào)控指令和價格激勵,并通過用戶側(cè)終端/用戶側(cè)管理平臺實(shí)現(xiàn);第2 級為虛擬電廠級,負(fù)責(zé)動態(tài)聚合各類可調(diào)節(jié)資源,在線接收電網(wǎng)調(diào)控中心下發(fā)的調(diào)控指令并分解至虛擬電廠內(nèi)各類可調(diào)節(jié)資源,以及接收電力市場價格信號,同時向電網(wǎng)調(diào)控中心、電力交易中心上報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)信息,可通過虛擬電廠智能管控平臺實(shí)現(xiàn);第3 級為電網(wǎng)級,虛擬電廠與電網(wǎng)調(diào)控中心、電力交易中心進(jìn)行信息決策互動。
圖4 虛擬電廠總體技術(shù)架構(gòu)Fig.4 Overall technological architecture of VPP
虛擬電廠需要聚合可調(diào)節(jié)資源參與電網(wǎng)調(diào)控,以發(fā)揮其規(guī)模化效應(yīng),而虛擬電廠聚合調(diào)控面臨能量、空間和時間維度3 個方面技術(shù)挑戰(zhàn)。虛擬電廠動態(tài)響應(yīng)特性如圖5 所示,從能量維度來看,為響應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求,需要將電、熱、冷、氣各類能源系統(tǒng)耦合起來,提高能源綜合利用效率;從空間維度來看,可調(diào)節(jié)資源布局分散,需要合理規(guī)劃虛擬電廠的聚合范圍,當(dāng)涉及電網(wǎng)阻塞等問題時,需考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩兀粡臅r間維度來看,不同種類可調(diào)節(jié)資源的調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)時間等調(diào)節(jié)特性差異大,而且還需要為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等多類型多時間尺度的輔助服務(wù)[43,46]。
圖5 虛擬電廠動態(tài)響應(yīng)特性Fig.5 Dynamic response characteristics of VPP
為應(yīng)對上述挑戰(zhàn),需要從可調(diào)節(jié)資源建模、聚合優(yōu)化、協(xié)同調(diào)控幾個方面開展關(guān)鍵技術(shù)研究攻關(guān),如圖6 所示。
圖6 虛擬電廠聚合調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)Fig.6 Key technologies of aggregation and regulation of VPP
可調(diào)節(jié)資源建模是虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)控的基礎(chǔ),由于這些資源大多具有離散性、隨機(jī)性、異質(zhì)性的特點(diǎn),需要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的模型描述,便捷刻畫調(diào)節(jié)成本、范圍、速率等資源模型和參數(shù),實(shí)現(xiàn)模型交互與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通用化。之后,將可調(diào)節(jié)資源聚合為滿足實(shí)際控制需求的虛擬電廠等值模型,虛擬電廠對外等值為類似火電機(jī)組的調(diào)節(jié)特性,提取可調(diào)功率上下限、響應(yīng)時間、爬坡速率等技術(shù)參數(shù),對內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的控制策略,涵蓋中長期、日前、日內(nèi)、實(shí)時多時間尺度。同時,考慮電功率平衡約束、熱功率平衡約束、可調(diào)節(jié)資源運(yùn)行約束等約束條件,實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源的優(yōu)化控制。最后,虛擬電廠上報(bào)的聚合模型應(yīng)嚴(yán)格可行,且包含等值模型、基準(zhǔn)功率、成本函數(shù)等部分,進(jìn)而納入電網(wǎng)日前、日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度和AGC 閉環(huán)控制,為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等運(yùn)行支撐。
虛擬電廠等值模型可考慮隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化等技術(shù),約束條件包括:1)虛擬電廠聚合后的所有變量約束,包括但不限于每個調(diào)度時刻有功功率上下限、電量上下限、向上和向下爬坡速率等;2)可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源出力和爬坡范圍約束,包括但不限于每個調(diào)度時刻可調(diào)節(jié)負(fù)荷出力上下限、向上和向下爬坡范圍等;3)分布式電源有功功率的范圍約束,包括但不限于每個調(diào)度時刻出力范圍等;4)蓄電池運(yùn)行的范圍約束,包括但不限于電池充放電功率上限、電量上下限等;5)能量平衡約束等。
虛擬電廠市場化運(yùn)營受到電力市場規(guī)則、電力系統(tǒng)運(yùn)行需求、內(nèi)部可調(diào)節(jié)資源利益3 個方面驅(qū)動。其中,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商作為獨(dú)立的市場主體代理可調(diào)節(jié)資源參與電力市場交易。國內(nèi)原有虛擬電廠實(shí)踐主要是基于經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼的需求側(cè)管理模式,缺乏對虛擬電廠參與市場化運(yùn)營的框架研究、流程設(shè)計(jì)和商業(yè)實(shí)踐[43]。本文建議虛擬電廠采用如圖7 所示的“對外統(tǒng)一、對內(nèi)協(xié)調(diào)”的市場化運(yùn)營模式。
圖7 VPP 市場運(yùn)營模式Fig.7 Market operation modes of VPP
對外,需建立虛擬電廠運(yùn)營商參與的電力市場機(jī)制和交易規(guī)則,虛擬電廠運(yùn)營商代理可調(diào)節(jié)資源參與中長期、輔助服務(wù)、現(xiàn)貨市場,進(jìn)行市場注冊、競價申報(bào)、計(jì)量結(jié)算,接收電力市場出清結(jié)果和相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)“對外統(tǒng)一”。
對內(nèi),需建立虛擬電廠運(yùn)營商代理可調(diào)節(jié)資源的商業(yè)模式,通過聚合可調(diào)節(jié)資源,形成虛擬電廠運(yùn)營商代理交易基礎(chǔ),虛擬電廠運(yùn)營商通過考慮各可調(diào)節(jié)資源對虛擬電廠的價值貢獻(xiàn)度進(jìn)行價值分配。其中,需要考慮的因素包括響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)電量等,通過虛擬電廠內(nèi)部可調(diào)節(jié)資源主體的博弈,實(shí)現(xiàn)“對內(nèi)協(xié)調(diào)”。
可調(diào)節(jié)資源點(diǎn)多面廣、海量分散,如何實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源的大規(guī)模安全高效接入,是虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)控和市場運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。如果采用光纖接入的方式,雖然能夠保證信息通信的實(shí)時性和安全性,但通信成本較高;如果采用無線公網(wǎng)通信的方式,則對信息傳輸?shù)膶?shí)時性、安全性、高效性提出了更高要求。國內(nèi)虛擬電廠信息通信的主要流程如下。
1)采用光纖接入調(diào)度控制系統(tǒng)[28-29]的主要流程為:省調(diào)控中心?切負(fù)荷中心站?大用戶就近變電站?大用戶10 kV 配電房/智能負(fù)荷控制終端。
2)采用無線公網(wǎng)接入交易平臺和營銷需求響應(yīng)平臺[30-31]的主要流程為:電力交易平臺?用戶側(cè)管理平臺1/虛擬電廠平臺1(一般為用戶自建,用于管理其園區(qū)/樓宇等內(nèi)部資源)、用戶側(cè)管理平臺2/虛擬電廠平臺2、…?資源計(jì)量點(diǎn)。
可見,在中國虛擬電廠發(fā)展的前3 個階段,主要的信息通信方式為光纖、無線公網(wǎng)[42,46],其中,光纖通信主要用于緊急切負(fù)荷,采用這種方式,虛擬電廠通信成本較高;無線公網(wǎng)通信主要用于需求側(cè)管理,調(diào)控中心不直接向虛擬電廠下發(fā)實(shí)時調(diào)控指令,這種方式下虛擬電廠未納入電網(wǎng)調(diào)度范圍。
基于此,本文建議采用基于無線公網(wǎng)的電網(wǎng)、虛擬電廠、可調(diào)節(jié)資源信息雙向交互架構(gòu),實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源的即插即用和安全高效連接,如圖8 所示。信息交互數(shù)據(jù)分為上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)2 種,可采用4G/5G 移動網(wǎng)絡(luò)。其中,下行數(shù)據(jù)包括調(diào)控中心校核后的日前/日內(nèi)計(jì)劃值、市場出清結(jié)果、調(diào)控指令、虛擬電廠分解計(jì)劃及指令等相關(guān)信息;上行數(shù)據(jù)包括虛擬電廠運(yùn)營商注冊信息、上報(bào)信息、虛擬電廠調(diào)節(jié)資源運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)信息。
圖8 虛擬電廠信息交互架構(gòu)Fig.8 Information exchange architecture of VPP
調(diào)度控制系統(tǒng)的AGC 等核心應(yīng)用利用消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,將虛擬電廠的調(diào)度計(jì)劃及AGC 指令等下行數(shù)據(jù)發(fā)送到虛擬電廠智能管控平臺;虛擬電廠智能管控平臺將計(jì)劃及指令分解后,通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺、邊緣智能網(wǎng)關(guān),將下行數(shù)據(jù)下發(fā)至用戶側(cè)智能終端/用戶側(cè)管理平臺。用戶側(cè)智能終端將實(shí)時功率、三相電壓電流等上行數(shù)據(jù),通過邊緣網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺上送至虛擬電廠智能管控平臺,虛擬電廠智能管控平臺將聚合優(yōu)化后的結(jié)果上送至調(diào)度控制系統(tǒng)。電力交易平臺和電網(wǎng)公司相關(guān)系統(tǒng)(營銷、財(cái)務(wù)等)與虛擬電廠智能管控平臺的通信鏈路同理。
此外,虛擬電廠智能管控平臺與電網(wǎng)以及可調(diào)節(jié)資源終端的通信鏈路需要保證安全性,在互聯(lián)網(wǎng)邊界、業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)确矫嫘枰獜?qiáng)化安全措施。在互聯(lián)網(wǎng)邊界安全方面,需要在原有安全防護(hù)設(shè)備基礎(chǔ)上,增加訪問控制、入侵檢測、日志記錄和審計(jì)等安全策略,強(qiáng)化信息外網(wǎng)安全。在業(yè)務(wù)應(yīng)用安全方面,需要加強(qiáng)用戶角色分類,采用獨(dú)立的統(tǒng)一權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)用戶身份鑒別和授權(quán),重點(diǎn)加強(qiáng)外網(wǎng)服務(wù)端應(yīng)用、移動應(yīng)用、系統(tǒng)間接口安全防護(hù),確保數(shù)據(jù)傳輸、存儲的安全性。在存儲方面,需要使用SM2、SM3、SM4 算法進(jìn)行加密。在傳輸方面,需要采用HTTPS 技術(shù),由國家認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)證書,請求參數(shù)使用SM2 進(jìn)行數(shù)據(jù)加密,SM3 保障數(shù)據(jù)傳輸一致性、完整性。
引入虛擬電廠后將進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力,對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重大意義[47-48]。若要充分發(fā)揮虛擬電廠對電力系統(tǒng)的支撐作用,實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)資源納入新型電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行,需要在虛擬電廠控制、交易、信息通信關(guān)鍵技術(shù)[49-50]以及市場機(jī)制與商業(yè)模式方面展開深入研究。
1)在聚合調(diào)控技術(shù)方面,需要持續(xù)優(yōu)化虛擬電廠建模聚合、調(diào)控優(yōu)化、分析預(yù)測等方面核心技術(shù),完善可調(diào)節(jié)資源參與電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系。研究可調(diào)節(jié)資源、虛擬電廠的建模技術(shù),如虛擬電廠運(yùn)行基線、虛擬電廠和可調(diào)節(jié)資源可信調(diào)節(jié)能力等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的辨識,建立可調(diào)節(jié)資源接入的標(biāo)準(zhǔn)體系;研究考慮多重因素的可調(diào)節(jié)資源柔性控制策略,電網(wǎng)、虛擬電廠、可調(diào)節(jié)資源協(xié)調(diào)自動功率控制技術(shù),以及考慮虛擬電廠接入的安全校核方法和動態(tài)評估技術(shù),提升虛擬電廠運(yùn)行控制的可靠性;考慮歷史運(yùn)行、自然天氣、資源需求等多重因素,研究基于人工智能技術(shù)的負(fù)荷資源預(yù)測技術(shù),通過稀疏建模、集成學(xué)習(xí)、模擬學(xué)習(xí)等方法對調(diào)節(jié)能力、持續(xù)時間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,提升虛擬電廠運(yùn)行效率。
2)在市場交易技術(shù)方面,虛擬電廠交易模型、出清、結(jié)算、計(jì)量等技術(shù)有待深化研究。需要研究優(yōu)化虛擬電廠參與電能量、輔助服務(wù)等多種類市場的多時間尺度交易模型;研究不同種類可調(diào)節(jié)資源通過虛擬電廠聚合參與電力市場的標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)入規(guī)則;研究考慮系統(tǒng)運(yùn)行約束、虛擬電廠運(yùn)行約束等多重約束條件的電力市場聯(lián)合出清技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)成本最優(yōu);考慮邊際成本、運(yùn)行情況等多重因素,研究基于復(fù)雜目標(biāo)的虛擬電廠多元主體動態(tài)定價技術(shù),實(shí)現(xiàn)不同類型可調(diào)節(jié)資源價值最優(yōu)分配。在計(jì)量方面,需要對精細(xì)化智能計(jì)量技術(shù)進(jìn)行研究,提升可調(diào)節(jié)資源/虛擬電廠實(shí)際調(diào)節(jié)量的準(zhǔn)確性。
3)在信息通信技術(shù)方面,隨著可調(diào)節(jié)資源接入規(guī)模的增長,對信息網(wǎng)絡(luò)的高效性、安全性等方面提出新的要求,需要建立安全、高效的信息通信體系。需要研究虛擬電廠安全通信、低成本接入技術(shù),如可調(diào)節(jié)資源設(shè)備直通(device to device,D2D)通信技術(shù)、高效身份認(rèn)證技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)等;考慮虛擬電廠海量數(shù)據(jù)通信規(guī)模,研究虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化和控制技術(shù)、云邊協(xié)同計(jì)算技術(shù)等;考慮可調(diào)節(jié)資源計(jì)量數(shù)據(jù)缺損和失真等問題,研究可調(diào)節(jié)資源運(yùn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)、補(bǔ)全和修正等技術(shù);挖掘虛擬電廠和可調(diào)節(jié)資源數(shù)據(jù)價值,提高信息網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性。
目前,虛擬電廠商業(yè)化運(yùn)營的應(yīng)用場景以調(diào)峰為主,在無現(xiàn)貨市場的地區(qū)參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場,提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力。隨著全國統(tǒng)一電力市場體系建設(shè)提速,現(xiàn)貨、輔助服務(wù)、容量等市場建設(shè)不斷深化,需進(jìn)一步完善虛擬電廠參與電力市場的運(yùn)營體系[51-53]。
1)在市場機(jī)制方面,完善虛擬電廠參與市場類型及機(jī)制設(shè)計(jì)。一是參與電力現(xiàn)貨市場,通過實(shí)時市場價格信號引導(dǎo)虛擬電廠可調(diào)節(jié)資源進(jìn)行功率調(diào)整,促進(jìn)資源優(yōu)化配置,提升系統(tǒng)運(yùn)行能效。二是參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場,考慮由于光伏等資源大規(guī)模接入導(dǎo)致區(qū)域調(diào)頻資源缺失,亟須挖掘儲能等快速調(diào)節(jié)資源調(diào)節(jié)潛力,為系統(tǒng)提供調(diào)頻能力。三是參與調(diào)壓輔助服務(wù)市場,考慮配電網(wǎng)運(yùn)行問題,激活虛擬電廠可調(diào)節(jié)資源提供無功調(diào)節(jié)服務(wù)。除上述場景外,虛擬電廠還可參與容量市場、中長期市場等。虛擬電廠可參與的電力市場類型及優(yōu)質(zhì)資源如表1所示。
表1 虛擬電廠可參與的電力市場類型及其優(yōu)質(zhì)資源Table 1 Types of electricity market for VPP to participate in and its high-quality resources
2)在商業(yè)模式方面,虛擬電廠運(yùn)營商/負(fù)荷聚合商可在聚合可調(diào)節(jié)資源參與電力市場的基礎(chǔ)上,拓展虛擬電廠商業(yè)模式。目前,中國已經(jīng)明確虛擬電廠與儲能等并列成為市場主體,提供系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)。結(jié)合國內(nèi)外虛擬電廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),虛擬電廠運(yùn)營商可以按照市場規(guī)則要求與可調(diào)節(jié)資源簽訂代理合同,并與可調(diào)節(jié)資源約定價值分配比例。后續(xù),虛擬電廠還可基于聚合可調(diào)節(jié)資源類型和參與市場機(jī)制的不同,探索開展能源金融、大數(shù)據(jù)增值等多類型服務(wù),拓展虛擬電廠商業(yè)模式。
本文系統(tǒng)回顧了虛擬電廠的發(fā)展歷程,根據(jù)國內(nèi)外典型項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了虛擬電廠發(fā)展面臨的問題挑戰(zhàn),進(jìn)而歸納出虛擬電廠參與電網(wǎng)調(diào)控與市場運(yùn)營的技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù),主要結(jié)論如下。
1)將中國虛擬電廠發(fā)展過程總結(jié)為4 個階段,即能效電廠、緊急切負(fù)荷、需求側(cè)管理、新型“虛擬電廠”。同時,提煉出虛擬電廠的標(biāo)準(zhǔn)定義。虛擬電廠為一種聚合電網(wǎng)調(diào)度中原本看不到、控制不了的負(fù)荷側(cè)可調(diào)節(jié)資源,形成可調(diào)控、可交易單元,直接參與電網(wǎng)調(diào)度控制和電力市場交易的智能控制技術(shù)和商業(yè)模式。
2)建議虛擬電廠采用可調(diào)節(jié)資源、虛擬電廠、電網(wǎng)3 級技術(shù)架構(gòu)。提出虛擬電廠聚合調(diào)控技術(shù),將虛擬電廠聚合等值為類似火電機(jī)組參與大電網(wǎng)運(yùn)行控制;提出虛擬電廠“對內(nèi)協(xié)調(diào)、對外統(tǒng)一”的市場運(yùn)營模式,引入虛擬電廠運(yùn)營商作為獨(dú)立的市場主體代理可調(diào)節(jié)資源參與市場;建立基于無線公網(wǎng)的電網(wǎng)、虛擬電廠、可調(diào)節(jié)資源信息雙向交互流程,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠低成本、安全地納入電網(wǎng)閉環(huán)調(diào)控。
3)介紹了澳大利亞虛擬電廠項(xiàng)目和冀北虛擬電廠示范工程的建設(shè)和運(yùn)營情況。
4)隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程的加速,需求側(cè)可調(diào)節(jié)資源調(diào)節(jié)潛力巨大,為充分發(fā)揮虛擬電廠在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行和運(yùn)營中的作用,需要在虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)、市場機(jī)制、商業(yè)模式等方面開展進(jìn)一步研究和落地應(yīng)用。
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