虚拟电厂——打造数字化能源世界

　　前言：21世纪以来，随着世界能源储量的紧缺和环境问题的愈加突出，智能电网的发展方向更加注重分布式能源的建设。分布式电力能源具有经济、可靠、灵活和环保的特点，这种调度管理模式不仅有利于提高能源利用率，同时可以在促进能源可持续发展的基础上，减少电力工业生产造成的污染排放。分布式电力系统的研究和应用，促进了分布式电源管理功能和集中发电之间的协调运作，是电力系统发展的一个必然趋势。作为能源综合管理调控的先进技术，虚拟电厂结合了发电，储能与数字通信系统，充分挖掘了经济价值和社会效益。

　　一、原理简介

　　虚拟电厂是通过先进的信息通信技术和软件系统，结合协调控制技术、数据分析算法、优化预测算法，实现可再生能源、储能系统、发售电侧的聚合和协调优化，每个部分与能源管理系统相连，当作特殊电厂来参与电力市场交易和电网优化运行的管理系统。它与电力交易市场、电网运营公司、售电商、发电商、用户、政策制造者相互联系，与主要能源互联网参与者进行互动。

图1：一种典型的虚拟发电厂结构[1]

　　目前，各个研究机构对虚拟电厂的实质有不同的解释：“可自愈的微电网”、“不同类型的分散在中压配电网不同节点的分布式能源集合”、“带有传输系统的发电站”、“多技术和多站点异质实体”等。基于先进的信息通信和协调控制技术，虚拟电网的功能模块可以分为4个：

　　（1）市场管理模块：基于市场接口管理、电力市场电价清算、电能交易管理等功能，参与多种电力市场（能源市场、辅助服务市场等）投标，签署多种交易协议（远期合同、期货合同、双边交易合同）；

　　（2）组合管理模块：根据天气状况、能源需求、市场环境等预测信息，结合历史数据分析，对申请加入虚拟电厂的发电上进行优化组合，冰根据发电商的报价、输出功率等指定电力市场投标策略及发电计划表；

　　（3）发电商管理模块：根据发电计划表和电网实际状态，协调虚拟电厂成员的优化运行，并对发电商状态进行实时监控评估；

　　（4）数据分析模块：为其他模块提供数据分析支持和信息检索服务，对市场电价、能源需求、竞争对手决策等数据分析，行为决策对经济效益的影响分析，运营安全性风险分析。

　　图2：虚拟电厂交易体系[5]

　　二、特性分析

　　（1）电能生产高效、环保：虚拟电厂通过利用新型可再生能源和节能调控技术和完善的运行机制，实现传统能源与新能源之间的互补协同调度，辅助电网的优化运行，最大程度地减少新能源发电的随机波动性，在保证电网稳定性和安全性的基础上提高新能源的利用率；

　　（2）具有地域分布上的分散性与运行调度上的协同性：虚拟发电厂通过监管控制中心对分布在不同区域的发电设备进行集中管理，有效整合各种特性的电源及用电负荷，对发电和用电单元实现了经济高效的控制；

　　（3）虚拟电厂不仅可以集合大量的分布式和可再生能源发电，进行统一的管理和市场交易，还可以扮演售电商的角色，设计灵活的售电套餐；

　　（4）虚拟电厂通过整合发电侧管理、需求侧响应、储能管理、中央调度、电力交易，参与电力产业链所有环节并与各个环节的市场参与者形成互动；

　　（5）虚拟电厂的资产具有虚拟性：虚拟电厂内部的祖产并不一定属于代理商，代理商与资产的关系主要是能量流的调度、货币流的分配和信息流的共享，类似于传统电网的调度、交易中心与各发电厂的关系，虚拟电厂对管辖区内的发电子产不一定具有所有权；

　　（6）虚拟电厂可实现预测功率和管理控制的智能化：综合气象数据、预报信息，并对影响用电需求的因素进行深入分析，实现对发电侧的输出功率预测和用电侧的用电功率预测；

　　（7）虚拟电厂属于可持续发展的投资，具有建设投资的可持续性，即从建设投资形成到发挥其功能的整个生命周期内，所接近或达到既满足当代人的需要，又不损害后代人需要能力的标准程度，具有生态环境相容性、技术情节性、经济合理性、社会公正性；

　　（8）虚拟电厂的实施有明显的正溢出效应即正外部效果，即由于行为主体发生某种活动或行为，而对主题外的其他因素（具有生态、环境、经济等）所产生的没有包括在预先行为目标中的正面影响结果，具有无法预计性；

　　（9）生产产品具有特殊性：一般项目的实施都是为了获得产品收益或者设备的使用效用，而虚拟电厂的建设是为了获得节点收益，即节约下的电量乘以电价后的收益，因此在计算项目投资成本、费用、收益方面有另一套方法。

　　三、应用场景

　　1. 电动汽车

　　随着能源供应的日趋紧张，电动汽车的迅速发展势在必行，大量的电动汽车储能电池的无序充电将给电网造成负面冲击。一体化电站的运营模式是指，建立包含有电动汽车充换储一体化电站和可中断负荷的虚拟电厂控制模型；以运行成本最小为调度目标，运用二进制粒子群算法，实现虚拟电厂的经济调度。在虚拟电厂的控制下，充换储一体化电站与可中断负荷相互配合，可大大缓解高峰用电的紧张，起到削峰填谷的作用。

　　2. 智能园

　　园区通常是指诸如经济技术开发区或工业园区等独立区域，园区主要为产业或技术发展聚集而设立的城市区域，可包括工业区、科技研发区和居住区等功能区。而智能园区则是在园区的基础上，采用先进的信息技术和自动化技术对园区的电网基础设施和自动化系统进行改造，使之成为具有低碳节能、供电可靠、友好互动等特征的智能园区。虚拟发电厂对电力传输过程中的很多其它工作负责，比如负责制定发电时间表、限定发点上线、控制经营成本等，我们将其看作成一个带有传输系统的发电站。虚拟电厂所负责的这些工作可以方便实现与电网运行工程中的其他参与者取得联系，并为其提供相应的服务。虚拟发电站可以在电厂批发销售电能的过程中与通信中心直接取得联系，实现电网的整体稳定运行。

　　3. 与分布式光合示范区结合

　　虚拟电厂在分布式光伏发电中的应用为整个示范区的运作提供了一种经营模式的创新方案。经营模式的创新需求来自外部的政策推动力和内部的经营管理要求，虚拟电厂与分布式光伏发电应用示范区的经营模式创新需求契合。同时，分布式光伏发电示范区为虚拟电厂提供了理想的应用平台，对其未来发展前景展开研究。

　　四、经济性分析

　　虚拟电厂有很大的节能潜力，使用过程中节省的电量可以与一座常规电厂的发电量相当。

　　表1：虚拟电厂与常规电厂的比较

　　由上表可以看出，虚拟电厂节电过程中对环境无污染，且成本较低，能获得显著的碳减排效益和更高的经济效益。

　　我国北方冬季供暖期，大量热电联产机组工作在 “以热定电” 运行模式下，造成了系统调峰能力不足，弃风形势严峻。能有效减少弃风的风电供热由于经济效益问题和调度平台尚未完善，难以大规模推广应用。为此，将一定供热区域内的热电厂、风电场、光伏电站组成虚拟电厂，并加入风电供热设备实现热电联产机组的“热电解耦”。华北电力大学控制与计算机工程学院基于虚拟电厂“热电解耦”进行了负荷优化调度和经济效益分析，建立了虚拟电厂热电负荷优化调度模型，对比了不同的虚拟电厂运行策略，并采用自适应免疫遗传算法进行求解，实现了虚拟电厂内部热电负荷优化调度。通过算例分析，验证所建立模型的合理性与有效性：表明在虚拟电厂中加入风电供热设备的运行策略可以有效地减少出力偏差与环保代价，提高经济效益。风电供热容量在一定范围内越高或风光预测精度越高，虚拟电厂经济效益越好，同时体现了虚拟电厂作为一个利益整体的经济性优势。

　　图3：虚拟电厂“热电解耦”组成结构[6]

　　五、政策支持

　　虚拟电厂在国内的发展离不开国家的支持：

　　（1）2016年2月，国家发改委发布“关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见”，指出：建设能源生产消费的智能化体系、多能协同综合能源网络、与能源系统协同的信息通信基础设施。

　　（2）“十四五”能源电力发展重大问题探讨：深入推进能源市场化改革，尽快建立完善现货市场等机制”指出：虚拟电厂将成为整合利用用户侧资源的重要手段，促进分布式能源高效利用。虚拟电厂是互联网思维与前沿信息技术促进能源电力系统业态创新的典型代表。随着泛在电力物联网逐步建成，“十四五”期间虚拟电厂有望迎来爆发式增长阶段。基于商业模式创新，通过物联网技术、先进调度控制技术，对各类分布式能源、储能、交互式用能设施进行整合调控，作为一个特殊电厂参与电网运行和市场交易，为电力系统提供调峰、调频、备用等辅助服务，对未来提高分布式能源系统友好属性、保障电力安全供应大有裨益。

　　（3）2018年10月，国际电工委员会（IEC）召开虚拟电厂工作组会议，组织研讨了两项虚拟电厂标准编制工作。据了解，这两项标准来自中国国家电网公司向IEC提交的虚拟电厂《架构与功能要求》和《用例》两项提案。国网董事长舒印彪表示：“作为IEC在虚拟电厂领域立项的首批国际标准，它们将确立我国在虚拟电厂技术模式的主导作用和领跑优势。”

　　（4）2019年国家电网有限公司“两会”提出，聚焦建设世界一流能源互联网企业，守正创新、担当作为，打造“枢纽型、平台型、共享型”企业，建设运营好“坚强智能电网、泛在电力物联网”，即为“三型两网”发展战略，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署，提出到2021年初步建成公司及智慧能源综合服务平台，新兴业务协同发展，打造完善的虚拟电厂运营模式的目标。并计划到2024年，形成共建共治共赢的能源互联网生态圈，引领能源生产、消费变革，实现涉电业务线上率90%。

　　六、国内外发展现状与案例介绍1. 北美

　　美国是最早研究虚拟电厂的国家，取得了大量的研究成果。美国以加利福尼亚州、佛蒙特州和纽约州3 个地区为代表：加利福尼亚州是美国开展电力需求侧管理最早的州；佛蒙特州是最早提出虚拟电厂概念并付诸实施的州，采用系统效益收费模式，实现了在负荷增长减少约一半的情况下，投资收益仍旧良好的局面。同美国一样，加拿大也非常注重能效管理和虚拟电厂的建设。加拿大魁北克水电公司是北美最大的发电公司，通过虚拟电厂的控制，合理利用峰谷电价、可中断电价等电价政策引导用户尽可能在低谷时段用电，合理避开高峰时段；同时吸收更多虚拟电厂参与者，采用技术更先进的节电设备提高终端用电效率，从而节约电能。

　　2.澳大利亚

　　2016年，澳大利亚公用事业AGL宣布将要打造世界上最大的虚拟电厂，以此来连接澳大利亚南部1 000个电池组，为家庭和企业供电。这个虚拟电厂造价达2000万澳元，能够存储7MWh的电能，相当于一个5MW的太阳能调峰电厂。同时，澳大利亚可再生能源机构表示，“有条件地承诺” 资助该电厂项目达500万美元。该项目所需的电池系统和能源管理系统将由美国的储能开发商Sunverge提供。

　　AGL的首席执行官表示：“我们相信这个项目能够降低电费，减少碳排放量，调节能源需求，有利于维持电网的稳定。”该项目的相关负责人透露，虚拟电厂将分成3个阶段，共计18个月。有意愿参与该计划的客户能够购买一个5kW/7.7 kWh的储能系统。有充足资金的消费者也可以期待一个7年的投资回收期。南澳大利亚能源部长兼国库部长表示：“政府祝贺 AGL通过寻找新的方法来普及可再生能源的使用。同时，我们也鼓励其他私营部门考虑如何分配通过可再生能源生产的电力。”

　　3.德国

　　作为能源匮乏的国家，德国政府在虚拟电厂的发展方面也给予了高度重视。同时，在市场机制的推动下，各大综合能源服务公司积极开发相关技术与服务，共同助力综合能源系统的建设。

　　位于德国中北部的哈茨山脉的可再生能源示范项目——RegModHarz项目，是将新能源能效优化领域的典型案例，而其中最引人注目的就是虚拟电厂部分。该项目所选定的哈茨地区，在分布式电力供应方面拥有风能、抽水蓄能、太阳能、沼气、生物质能以及电动车等多种方式，在输配电方面主要有6家配电运营商、4家电力零售商以及1家输电商运营。在该项目中，虚拟电厂与分散式电源进行通讯连接，新能源系统数据变化较快，安全、稳定性高的传输技术是这一系统稳定运行的必要条件。此项目中制定了统一的数据传输标准，使得虚拟电厂对于数据变化能够快速反应。在考虑发电端的同时，同样关注用电侧的反应，在哈茨地区的试样中，家庭用户安装了能源管理系统，即“双向能源管理系统”(简称BEMI)。用户安装的能源管理系统能够每15分钟储存用户用电数据，记录用户每天的用电习惯，并将这些数据通过网络传输到虚拟电厂的数据库中。同时，BEMI系统还可以通过无线控制开关的插座，当电价发生变动时，可以通过无线控制来调控用电时间和用电量。

　　此外，莱茵集团也开始运营第一家商用规模的“虚拟电厂”，利用电力设备的无线链接和工程巨头西门子公司设计的一套能源管理系统，莱茵集团可以将数十个小型绿色能源设备的输出组合在一起，将可再生能源发电机组产生的电力打包成较大的供应量，再通过计算机进行交易，实现稳定供电，并获得补贴。在满负荷生产时，虚拟电厂的发电量可达80兆瓦。这些电力由该公司在欧洲最大的能源交易市场，位于莱比锡的欧洲能源交易所进行销售。莱茵-鲁尔地区是人口密度最高的区域，这里设置了风力涡轮机、屋顶太阳能电池板以及其他一些可再生能源设备。而在多特蒙德发电厂操作员可以在办公大楼里的电脑屏幕前，统筹安排这些设备的能量输出。

　　4. 英国

　　英国Limejump公司已获得英国能源管理局(Ofgem)的准许，在国家电网的平衡机制中运行虚拟电厂。一套由Anesco公司在Derbyshire开发的10兆瓦Breach Farm电池储能系统已经首次为平衡机制系统供电，为国家电网在电力供应紧张期间提供额外的电源。而后壳牌新能源大举支出，收购了该公司Limejump。收购完成后，Limejump将成为壳牌的全资子公司。

　　5. 日本

　　福岛核事故暴露出大规模集中式电力供给的脆弱性，日本由此下决心建设新一代电力系统和能源综合管理，以实现电力需求侧管理的智慧化向以可再生能源、蓄能为代表的小规模分布式能源体系转型。但分布式电源如何动态优化组合、如何保证供需的实时平衡成为这一转型的难题。2018年初，在能源互联网的大背景下，需求响应和虚拟电厂成为日本电力市场的新宠，二者不仅可以降低系统基本负荷和峰值负荷，弥补因核电大量关闭带来的电力缺口，而且在负荷侧增加了电源集成的互补性，降低了火电调峰需求，提高了可再生能源的利用率。同时，促使电网根据不同类型电源输出特性实现优化配置，推动电网智能化提升。因此，需求响应和虚拟电厂成为当前日本分布式能源互联网市场创新的一大亮点。

　　6. 中国

　　与国外相比，国内虚拟电厂的概念出现得较晚，自 2005 年以来，江苏和广东已率先开始了虚拟电厂的研究。2016年6月15日，江苏大规模源网荷友好互动系统初步建成，该系统为2016年迎峰度夏期间，特高压直流2160万千瓦满功率输送时的电网安全稳定运行提供了有力支撑。苏州地区已实现1100 MW容量的快切负荷能力即“虚拟电厂”资源。

　　2017年5月24日，世界首套“大规模源网荷友好互动系统”在江苏投运，整个系统涉及华东区域的8个特高压直流子站，8个抽水蓄能子站，苏州南部地区1个江苏切负荷控制中心站、4个500 kV分区切负荷控制子站、252个电网侧变电站以及810个负荷用户控制终端。当天，按照华东电网实战演练安排，±800千伏锦苏特高压直流电被人工闭锁，江苏电网瞬间缺少300万千瓦电力供应，通过“大规模源网荷友好互动系统”统一调度控制，实时填补了负荷缺口。该系统借助“互联网+”技术和智能电网技术的有机融合，大大提升了电网的稳定性。

　　2017年12月，江苏大规模源网荷示范工程二期扩建投入运行。2018年5月28日，由南瑞集团承担建设的国内首套“大规模源网荷友好互动系统”三期扩建工程投入试运行。目前该工程可提升特高压直流送电能力154万千瓦，年增利润约8400万元。累计增供电量49.896亿千瓦时，累计新增销售额27.4428亿元，累计新增利润1.2474亿元，经济效益显著。在负荷控制能力方面，相当于4台百万千瓦火电机组，节省投资126.4亿元，环境效益显著。该系统在江苏电网成功应用，实现了快速负荷调控方式的根本性改变，起到了很好的示范作用。该成果已在山东、河南、上海、浙江、安徽、湖南6个省级电网推广应用。此外，10月11日，国网江苏与苏宁签署了合作协议，双方将在居民家庭电气化推广、智能家电高端应用、综合能源服务示范点等领域加强合作。项目鼓励客户利用家电海量微负荷参与电网互动，建立“虚拟电厂”。

　　2018年1月，位于上海市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。该项目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。