我國新能源近幾年持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，應用規(guī)模不斷擴大，清潔替代作用日益顯著。新能源的快速發(fā)展離不開新技術的創(chuàng)新與應用。目前主要包括新能源發(fā)電技術和支撐技術。發(fā)電技術有風力發(fā)電技術、太陽能電池技術、電熱能發(fā)電技術、氫燃料電池技術、滲透能發(fā)電技術等。支撐技術有熒光太陽能聚合器、虛擬電廠、人工智能與大數(shù)據(jù)在智慧風電場的建設應用等。
虛擬電廠不同于單純的發(fā)電技術，也不同于其他的輔助支撐技術，它是協(xié)調各類新能源進行資源優(yōu)化配置的智慧平臺，是一個能源聚合的綜合體。風光發(fā)電的波動性、間歇性以及隨機性，使其難以與電網(wǎng)負荷進行實時互動。虛擬電廠成立的初衷，是兼顧電源、電網(wǎng)、用戶多方，將一定規(guī)模的新能源進行聚合，成為一個整體參與電網(wǎng)運行，促進新能源消納、輔助電網(wǎng)調峰調頻、提高電網(wǎng)安全運行水平。
虛擬電廠概述
虛擬電廠，指通過先進信息通信技術和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式電源、儲能系統(tǒng)、熱電聯(lián)產、可控負荷、電動汽車等分布式能源統(tǒng)籌和協(xié)調優(yōu)化，作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調管理系統(tǒng)，將泛在可調資源與電網(wǎng)柔性互動，實現(xiàn)電能交易的同時優(yōu)化資源利用，是提高供電可靠性的一種綜合體。它打破了傳統(tǒng)上物理電廠之間、發(fā)電和用電側之間以及地域間的界限，是一種非實體存在的電廠形式。
虛擬電廠用途較廣，既可作為“正電廠”向系統(tǒng)供電調峰，又可作為“負電廠”加大負荷消納配合系統(tǒng)填谷；既可快速響應指令配合保障系統(tǒng)穩(wěn)定并獲得經(jīng)濟補償，也可等同于電廠參與容量、電量、輔助服務等各類電力市場獲得經(jīng)濟收益。
虛擬電廠最具吸引力的功能在于它能夠聚合多種類型的分布式能源參與電力市場運行，可以以市場手段促進發(fā)電資源的優(yōu)化配置。虛擬電廠充當分布式能源與電網(wǎng)調度、電力市場之間的中介，代表分布式能源所有者執(zhí)行市場出清結果，實現(xiàn)電力交易。由于擁有多樣化的發(fā)電資源，虛擬電廠還可以參與輔助服務市場，參與多種電力市場的運營模式及調度框架，對發(fā)電資源的廣泛優(yōu)化配置起到積極的促進作用。
虛擬電廠基本結構，如圖1所示。
國內外虛擬電廠發(fā)展應用情況
虛擬電廠的起源
虛擬電廠在21世紀初期，于德國、英國、西班牙、法國、丹麥等歐洲國家興起，同期美國也推行與虛擬電廠意義類似的“電力需求響應（DR，Demand Response）”。虛擬電廠發(fā)展至今，其理論和實踐在發(fā)達國家已較為成熟。歐盟國家主要以實現(xiàn)分布式電源可靠并網(wǎng)和電力市場運營為目標；美國的虛擬電廠主要基于需求響應計劃發(fā)展而來，可控負荷占據(jù)主要成分；日本以用戶側儲能和分布式電源為主；澳大利亞則以用戶側儲能為主，特斯拉公司在南澳建成了號稱世界上最大的以電池組為支撐的虛擬電廠。
我國虛擬電廠發(fā)展現(xiàn)狀
目前我國同時發(fā)展虛擬電廠及電力需求響應，二者目前在我國統(tǒng)稱為“虛擬電廠”。近三四年來，國內進一步開展虛擬電廠試點項目等應用實踐，在河北、江蘇、上海、廣東等地也相繼開展電力需求響應和虛擬電廠試點。
冀北地區(qū)虛擬電廠試點情況：2019年，冀北電力公司基于泛(FUN)電平臺的虛擬電廠，聚合優(yōu)化“源、網(wǎng)、荷、儲、售、服”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術和互動商業(yè)模式，將泛在可調資源聚合為可與電網(wǎng)柔性互動的互聯(lián)網(wǎng)電廠。虛擬電廠的優(yōu)化調度是指在滿足各機組出力約束和網(wǎng)絡約束的前提下,以收益最大化、運行成本最小、碳排放最小為目標,對自身內部多個電源的容量配置或出力進行優(yōu)化調度，或者將虛擬電廠作為一個整體參與電網(wǎng)調度。示范工程一期實時接入與控制蓄熱式電采暖，可調節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等11類19家泛在可調資源，容量約16萬千瓦，涵蓋張家口、秦皇島、廊坊三個地市。
冀北電力公司后續(xù)計劃打造虛擬電廠推動能源互聯(lián)，擴大虛擬電廠接入資源規(guī)模，拓展交易品種和商業(yè)模式，應用虛擬電廠技術服務綠色冬奧，打造虛擬電廠二期示范工程。作為推進能源互聯(lián)網(wǎng)建設有效手段，虛擬電廠示范工程如今已經(jīng)從理論高地走進冀北實地，在激活能源互動消費上發(fā)揮了重要作用。
江蘇地區(qū)虛擬電廠試點情況：2021年1月，江蘇南京供電公司江北新區(qū)智慧能源協(xié)調控制系統(tǒng)上線虛擬電廠模塊。通過該模塊，調控人員可實時監(jiān)測江北新區(qū)各類用戶用能情況及分布式新能源發(fā)電情況，提升電網(wǎng)調峰能力。
該模塊在不改變分布式能源并網(wǎng)方式的前提下，通過串聯(lián)分布式光伏、儲能設備及各類可控負荷，參與電網(wǎng)調峰輔助服務市場，按需增減各類能源使用比例。在用電高峰時段，可緩解負荷高峰時段電網(wǎng)運行壓力。同時，江北新區(qū)智慧能源協(xié)調控制系統(tǒng)通過構建分布式能源交易平臺，在用能客戶內部開展能源互補交易，充分釋放虛擬電廠的集聚效應和多能互補能力。
據(jù)了解，南京江北新區(qū)智慧能源協(xié)調控制系統(tǒng)目前已接入電動汽車充電樁、光伏、用戶側儲能等數(shù)據(jù)，后續(xù)還將接入電網(wǎng)側儲能等多類型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”自主協(xié)同運行，提升能源綜合利用效率，支撐城市能源互聯(lián)網(wǎng)智慧運營。
國內虛擬電廠發(fā)展成效
虛擬電廠經(jīng)過幾年的理論研究與實踐應用，已取得了良好的效果。其中，主要發(fā)展成效總結為以下三點。一是可以提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。當前我國中東部地區(qū)受電比例上升、大規(guī)模新能源接入、電力電子裝備增加，對電力系統(tǒng)平衡、調節(jié)和支撐能力形成巨大壓力。將需求側分散資源聚沙成塔，發(fā)展虛擬電廠，與電網(wǎng)進行靈活、精準、智能化互動響應，有助于平抑電網(wǎng)峰谷差，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。二是可以降低用戶用能成本。從冀北等地試點看，參與虛擬電廠后用戶用能效率大幅提升，在降低電費的同時，還可以獲取需求響應收益。三是可以促進各類新能源消納。特別是針對部分地區(qū)、部分時段棄風棄光棄水現(xiàn)象嚴重情況，發(fā)展虛擬電廠，可大大提升系統(tǒng)調節(jié)能力，降低“三棄”電量。
虛擬電廠在中國仍然處于發(fā)展的初期，作為一種新興技術手段，其發(fā)展過程中仍然存在一些技術問題和管理問題。目前各省開展虛擬電廠項目，多數(shù)以試點為主，其虛擬電廠的規(guī)模、聚合的能源范圍，以及采取的關于新能源的協(xié)調控制策略、調度算法等，全國沒有統(tǒng)一標準。因此還需要國家和相關能源行業(yè)積極參與，結合外界多方優(yōu)勢，在新技術應用、源網(wǎng)荷儲互動等方面，科學有序引導，使其從試點走向成熟，走向市場化，參與電網(wǎng)運行與電力交易。
虛擬電廠推廣存在的技術難點
功能定位、接入規(guī)模及范圍研究
中國的分布式能源分布較為廣泛，且存在明顯的地域性特點，虛擬電廠雖然可以統(tǒng)籌不同地域、不同層級的能源，但應結合可參與的電網(wǎng)規(guī)模、電源規(guī)模以及自身的成本與經(jīng)濟效益等綜合因素，考慮虛擬電廠控制協(xié)調各類能源的功能特點和接入規(guī)模。
虛擬電廠功效可定位于引導用戶開展需求響應，優(yōu)化用電行為和時序，實現(xiàn)削峰填谷，塑造泛在調節(jié)資源系統(tǒng)生態(tài)，改善電力系統(tǒng)運行特性、緩解電網(wǎng)運行壓力、增強電網(wǎng)應急調節(jié)能力；輔助降低發(fā)輸供電環(huán)節(jié)投資，提升電力系統(tǒng)的整體運行效益同時，提升新能源消納能力。
接入規(guī)模與范圍方面，一是確定不同時期統(tǒng)籌控制的能源規(guī)模，如風、光資源的間歇性、波動性，水資源的季節(jié)性等，以及各類能源比重大小等，在不同負荷時期，體現(xiàn)著不同的電網(wǎng)支撐與互助能力。所以，虛擬電廠成立時，應做好自身的功能定位，同時與電網(wǎng)公司、能源供應商建立良性互動機制，真正實時、動態(tài)地輔助電網(wǎng)運行。二是虛擬電廠參與電網(wǎng)運行，應基本確定參與電網(wǎng)涉及的范圍。可以結合虛擬電廠接入的新能源規(guī)模與類型，能輸出的發(fā)電能力，尋找匹配的負荷范圍等因素確定。三是虛擬電廠在一個區(qū)域內的功能、規(guī)模、數(shù)量，應充分結合區(qū)域各類型能源發(fā)電規(guī)模、負荷水平、電網(wǎng)規(guī)模及結構等，科學建設，穩(wěn)步發(fā)展。
優(yōu)化調度算法問題
虛擬電廠的控制能源的最優(yōu)算法，目前已有相關探索，但仍需要深化研究。虛擬電廠調度問題可分為2種：內部調度，虛擬電廠對自身內部接入的多類型電源容量或者出力進行優(yōu)化配置；比如內部在滿足各機組出力約束和網(wǎng)絡約束的前提下，如何考慮在收益最大化、碳排放最小等目標的前提下，利用內能算法，實現(xiàn)內部優(yōu)化調度。外部調度，將虛擬電廠當成一個整體參與電網(wǎng)調度，考慮在最小化系統(tǒng)頻率偏差、聯(lián)絡線功率偏差、電壓質量偏差、棄風棄光功率、系統(tǒng)損耗成本等多因素的目標函數(shù)算法等。
虛擬電廠如何利用大數(shù)據(jù)技術參與協(xié)調控制
虛擬電廠一旦運行，將不斷產生能源和交易數(shù)據(jù)。運行初期，主要是算法指導運行，后期隨著虛擬電廠的數(shù)據(jù)不斷增加，將演變成一個較大的數(shù)據(jù)流，進而達到大數(shù)據(jù)體量。那時，可以利用大數(shù)據(jù)的算法，結合電網(wǎng)自身的約束，進一步優(yōu)化協(xié)調控制。
大數(shù)據(jù)技術可進行負荷預測、新能源出力預測，包括風電、太陽能。準確預測風能、太陽能，需要分析大量數(shù)據(jù)，包括風速、云層等氣象數(shù)據(jù)。同時，利用大數(shù)據(jù)技術，可以尋找虛擬電廠內部能源向電網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)，與電網(wǎng)安全運行的最優(yōu)配置信息，適應電力大數(shù)據(jù)的數(shù)學建模方法，以及不同方法之間的相互驗證，進而實現(xiàn)雙向最佳匹配模型。
突破區(qū)塊鏈技術的應用難題
區(qū)塊鏈是一個沒有信任或者缺乏信任關系而建立起來的信任機器。區(qū)塊鏈技術是數(shù)據(jù)經(jīng)濟的重要組成部分。未來分布式發(fā)電市場化后，電力市場交易需要一個點對點、公開透明、安全可信的交易環(huán)境，基于區(qū)塊鏈技術可以實現(xiàn)這種交易環(huán)境的構建，在此環(huán)境下，交易主體可以自動建立信任機制，簽訂智能購電合同，實現(xiàn)點對點的實時交易結算，同時交易數(shù)據(jù)又可以變?yōu)橐环N新的數(shù)據(jù)資產，進而演化為增值服務。同時，區(qū)塊鏈技術在虛擬電廠中的應用還需要突破一些技術瓶頸，一是在交易節(jié)點眾多、涉及范圍較廣的交易場景中，大規(guī)模應用或者大數(shù)據(jù)量的情況下，區(qū)塊鏈性能會急劇下降。要支撐大規(guī)模多種網(wǎng)絡結構組網(wǎng)，需要實現(xiàn)高性能的共識算法、高效智能合約引擎、新型共識機制等技術突破。二是區(qū)塊鏈的匿名性，加密算法在商業(yè)應用需要平臺支持對業(yè)務數(shù)據(jù)的隱私保護，實現(xiàn)交易可驗證但不可見，也給監(jiān)管帶來一定的難度。
虛擬電廠軟件開發(fā)語言
虛擬電廠的運行需要一種主流開發(fā)語言，而能源行業(yè)的特殊性，首先要在保證數(shù)據(jù)、信息以及整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎上，再考慮適合其自身的編程語言。由于電力或者能源系統(tǒng)本身處于傳統(tǒng)行業(yè)轉型時期，電網(wǎng)本身數(shù)據(jù)量較大，安全性要求高，系統(tǒng)更新慢，所以之前該行業(yè)軟件開發(fā)主要采用java、c語言較多。
虛擬電廠不同于單純的能源行業(yè)，它不僅關聯(lián)能源行業(yè)，還關聯(lián)用戶、各類能源服務商等，可以考慮一種目前普遍流行的編程語言進行軟件開發(fā)，比如python語言等。Python擁有著優(yōu)雅的結構和清晰的語法，簡單易學，同時具有非常豐富的第三方庫，一些流行的Python庫例如用于數(shù)學、工程和科學領域的scipy、用于庫建模和數(shù)據(jù)分析領域的“pandas”。綜合以上優(yōu)點，所以Python可以在大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等非常多的領域內使用。
除了比對編程語言之外，還需考慮軟件開發(fā)架構、平臺與電力其他平臺的接口、軟件開發(fā)功能模塊的可擴展性，提高信息交互的效率（見圖2）。
虛擬電廠發(fā)展所需的機制保障與政策支持
除了技術層面之外，當前在機制保障與政策支持方面，還存在以下幾個突出問題。
一是認識不到位。目前，我國虛擬電廠處于初期階段，其組織、實施和管理基本上還是沿襲需求側管理的舊模式，沒有形成體系化、常態(tài)化工作機制。二是管理部門不明確。虛擬電廠屬于新業(yè)態(tài)，目前的運行遵循的是國家發(fā)展改革委、工信部、財政部、住建部、國資委、國家能源局等六部門于2017年發(fā)布的《電力需求側管理辦法（修訂版）》，但牽頭部門不明確，管理職能有交叉。三是規(guī)范標準不統(tǒng)一。國家層面沒有相關文件，潛力巨大的分布式發(fā)電無法進入，限制了虛擬電廠發(fā)展空間。沒有虛擬電廠的國家、行業(yè)標準，各類設備及負荷聚合商的通信協(xié)議不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交互壁壘高、不順暢，增加了建設難度和成本。四是激勵和市場化機制不到位。目前，僅有部分省市出臺了支持政策，但激勵資金盤子小、來源不穩(wěn)定，難以支撐虛擬電廠規(guī)?；l(fā)展。因此，在機制保障和政策支持方面，建議還應重視以下幾點。
各方協(xié)同豐富、完善電力需求響應市場，提高能源相關方的參與度。一是從短期運行角度，良好的價格引導機制非常關鍵。應充分發(fā)揮市場機制作用，有效銜接批發(fā)市場與零售市場。因此，對于售電公司而言，購電價格由批發(fā)市場決定，售電市場由零售市場決定。由于在我國用戶的電價受到政府管制，如果這兩個市場價格無法聯(lián)動，售電公司會因為價差而承受較大的經(jīng)濟損失，而且零售電價無法反映出電力稀缺的狀態(tài)，如果用戶無法進行響應，會使得電網(wǎng)整體處于供電緊張狀態(tài)。設計合理的激勵機制，明確激勵機制中的補貼系數(shù)及標準，補貼系數(shù)及其標準的高低，不僅能夠影響需求側響應的穩(wěn)定及響應活力，而且能夠影響負荷集成商的服務質量及積極性。保證政策的連續(xù)性和穩(wěn)定性。政府發(fā)布的政策可以為市場主體提供明確的投資信號。為了避免哄抬電力市場價格或者無規(guī)劃的大規(guī)模集中投資，而造成電力市場運行失穩(wěn)、某些參與方的利益受損等情況發(fā)生，政策要有一定的連續(xù)性。
二是挖掘需求響應更廣泛的空間價值并有針對性地進行激勵引導。集中式可再生能源發(fā)電資源參與批發(fā)市場交易，需要在批發(fā)市場中引入超額可再生能源有償消納的效益分享機制，從而更充分激發(fā)用戶的參與積極性。針對分布式可再生電力上網(wǎng)問題，可以借助綠色證書來協(xié)助分布式電源與需求響應用戶之間的交易。如果需求響應用戶協(xié)助分布式能源發(fā)電商入網(wǎng)，建議發(fā)電商與響應用戶分享綠證收益。
三是現(xiàn)貨市場頂層設計應積極考慮需求響應的參與方式。隨著電力市場化改革逐步深入，中國的電力交易正逐漸從中長期交易向時間周期更短的現(xiàn)貨交易發(fā)展。需建立與現(xiàn)有電力市場發(fā)展配套的容量市場，吸引有效投資、提供引導信號、完善電力市場，配套建設容量市場或相應的容量費用補償機制。允許需求響應資源參與容量市場競價，簽訂需求響應協(xié)議。
電網(wǎng)側打造先進智能配電網(wǎng)，提升新能源消納能力。打造現(xiàn)代化配電網(wǎng)，做到結構合理，根據(jù)負荷預測，優(yōu)化供電區(qū)域分類，因地制宜確定規(guī)劃標準，提升互聯(lián)率與轉供轉帶能力。要做到技術先進，積極應用自動化、智能化、現(xiàn)代信息通信等先進技術，滿足各類供用電主體靈活接入、設備即插即用需要，增強配電網(wǎng)運行靈活性、自愈性和互動性。
大力推進新能源重點工程配套工程建設，提升各電壓等級清潔能源輸送能力，擴大交易規(guī)模，堅持清潔能源全網(wǎng)統(tǒng)一調度，加快調峰輔助服務市場建設，挖掘電網(wǎng)調峰能力。
電源側深入研究分布式電源、微電網(wǎng)儲能的運行特性，構建城市電網(wǎng)安全風險評估模型。探索不同場景下運行工況下分布式電源，微電網(wǎng)儲能接入對城市電網(wǎng)運行特性的影響。分別從電網(wǎng)潮流電壓分布短路電流及繼電保護配電自動化電能質量分布式電源最大準入容量以及電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面開展研究。開展各類新能源與儲能接入，對城市電網(wǎng)運行安全風險影響分析研究，以及對城市電網(wǎng)網(wǎng)架風險、過負荷風險、設備風險等風險發(fā)生的概率及電網(wǎng)運行可靠性分析，從不同角度提出各類新能源對城市電網(wǎng)影響的安全風險評估指標，確定相關特征參數(shù)，研究變化規(guī)律，建立風險模型。
國家層面大力推進虛擬電廠、電力市場建設，完善激勵政策，加強能源監(jiān)管。一是統(tǒng)籌推進電力中長期交易、現(xiàn)貨市場和輔助服務市場建設。做好各交易品種之間的銜接；全面深化電力輔助服務市場，完善跨省跨區(qū)輔助服務交易機制，推動建立電力用戶參與輔助服務的費用分擔共享機制。加強能源市場秩序監(jiān)管。指導建立市場自律監(jiān)督工作機制，督促市場運營機構做好市場監(jiān)控和風險防控，建立健全在線監(jiān)測系統(tǒng)。二是盡快啟動虛擬電廠頂層設計。建議由國家層面出臺虛擬電廠指導性文件，明確虛擬電廠定義、范圍；積極培育“聚合商”市場主體；建立虛擬電廠標準體系；可以明確能源主管部門牽頭建設虛擬電廠。三是建設虛擬電廠基礎設施與系統(tǒng)平臺。政府部門統(tǒng)籌規(guī)劃，可以充分引入華為、阿里、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)技術優(yōu)勢，建設虛擬電廠的基礎設施與系統(tǒng)平臺，為廣大用能企業(yè)提供智慧能源服務。四是加快完善激勵政策和市場化交易機制。豐富虛擬電廠激勵資金，來源可包括尖峰電價中增收資金、超發(fā)電量結余資金、現(xiàn)貨市場電力平衡資金等。加快完善虛擬電廠與現(xiàn)貨市場、輔助服務市場、容量市場的銜接機制。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年02期，作者單位：國網(wǎng)冀北電力經(jīng)濟技術研究院
