中國儲能網(wǎng)訊：首先，如果要了解虛擬電廠與輔助服務的聯(lián)系，就需要連帶了解一下虛擬電廠的誕生背景。本期我們了解一下電力輔助服務市場與虛擬電廠誕生的背景、電力輔助服務市場的內(nèi)涵、以及電力輔助服務市場與虛擬電廠二者之間的關系。
1、電力輔助服務市場&虛擬電廠誕生的背景
構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的有效抓手。
為確保新型電力系統(tǒng)安全、高效、綠色運行，實現(xiàn)系統(tǒng)中靈活性資源的充裕性是至關重要的一環(huán)。隨著以光伏、風電為主的新能源快速發(fā)展，大量分布式新能源并網(wǎng)將給電力系統(tǒng)帶來巨大的挑戰(zhàn)，源荷不確定性進一步擴大，電網(wǎng)運行方式更加復雜多樣，電力系統(tǒng)電力電量平衡運行決策的對象和方法發(fā)生了顯著變化，傳統(tǒng)的源隨荷動調(diào)控模式難以滿足調(diào)峰、調(diào)頻、備用等需求。此外，隨著充電樁、空調(diào)負荷、儲能設備等新型負荷以及負荷聚合商、智能樓宇等新的用能形式不斷涌現(xiàn)，海量用戶側異構資源呈現(xiàn)地理位置分散、單體容量小、調(diào)控難度大等特征，難以直接參與電網(wǎng)調(diào)控運行[1]。
虛擬電廠的提出為解決上述難題提供了新的思路。
虛擬電廠的概念：
虛擬電廠是聚合優(yōu)化“源網(wǎng)荷儲”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術和互動商業(yè)模式。
它依托現(xiàn)代化的信息通信和先進的智能技術，把多類型、多能流、多主體資源以電為中心相聚合，實現(xiàn)電源側的多能互補、負荷側的柔性互動，對電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務[2]，并為用戶和分布式能源等市場主體提供參與電力市場交易的途徑。
技術特征：
多元資源組合
具有運行互動協(xié)調(diào)性
有一定調(diào)控范圍
在電力市場中具備競爭性
電源和負荷雙重身份
總之，電力輔助服務市場和虛擬電廠誕生的最主要原因是，為維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電能質(zhì)量，促進清潔能源消納。
2、電力輔助服務市場的內(nèi)涵：
2.1、概念：
電力輔助服務是指（為維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電能質(zhì)量，促進清潔能源消納），除正常電能生產(chǎn)、輸送、使用外，由發(fā)電企業(yè)（火電、水電、核電、風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、自備電廠等發(fā)電側并網(wǎng)主體），電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)、（電化學、壓縮空氣、飛輪等）新型儲能用戶，電力用戶（傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷、電動汽車充電網(wǎng)絡等能夠響應電力調(diào)度指令的可調(diào)節(jié)負荷(含通過聚合商、 虛擬電廠等形式聚合)）提供的服務。
本質(zhì)上是指發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和用戶以市場化交易的形式提供電力輔助服務的交易機制。
目的是：為維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電能質(zhì)量，促進清潔能源消納
這種交易機制的主體是：
發(fā)電側并網(wǎng)主體
新型儲能
能夠響應電力調(diào)度指令的可調(diào)節(jié)負荷
2.2、電力輔助服務市場，具體包括哪些輔助服務？
在我國包括：調(diào)頻輔助服務、調(diào)峰輔助服務、備用輔助服務
理論上，電力輔助服務從提供服務的性質(zhì)來說，可以分為有功、無功、事故應急及恢復服務三類[3]。
圖1:輔助服務內(nèi)容
國外成熟輔助服務市場中并無調(diào)峰服務，調(diào)峰問題是通過現(xiàn)貨市場的分時電價引導市場主體在高峰、低谷時段調(diào)整出力來解決的。不過我國現(xiàn)階段，調(diào)峰的需求仍然較大，因此，我國電力輔助服務主要包括調(diào)頻輔助服務、調(diào)峰輔助服務、備用輔助服務等，本文將詳細介紹這三種服務形式。
2.2.1調(diào)頻輔助服務
頻率是電網(wǎng)運行的核心指標,取決于電源與負荷的實時平衡電源與負荷失衡，將會引發(fā)頻率波動，甚至電網(wǎng)崩潰。我國系統(tǒng)標稱頻率為50Hz，頻率偏差為實際頻率與標稱頻率之差，我國電力系統(tǒng)的正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，當系統(tǒng)容量較小時，頻率偏差值可以放寬到±0.5Hz。
在正常情況下，系統(tǒng)頻率是電力系統(tǒng)保持一致的運行參數(shù)。電網(wǎng)的頻率是由發(fā)電功率與用電負荷大小決定的，當發(fā)電功率與用電負荷大小相等時，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；發(fā)電功率大于用電負荷時，電網(wǎng)頻率升高；發(fā)電功率小于用電負荷時，電網(wǎng)頻率降低。系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。要想保持頻率不變，就要保持發(fā)電機的轉速不變；要想維持發(fā)電機的轉速不變，就要保持穩(wěn)定的負荷。通過調(diào)整發(fā)電機的有功功率，可保持系統(tǒng)功率的供需平衡，使頻率維持在一個變化較小的范圍內(nèi)。
圖2 電力系統(tǒng)源荷平衡示意圖
由此可以給出頻率調(diào)整的一般定義：電力系統(tǒng)頻率偏離目標頻率時，并網(wǎng)主體通過調(diào)速系統(tǒng)、自動功率控制等方式，調(diào)整有功出力減少頻率偏差。頻率調(diào)整又分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，其中一次調(diào)頻是通過發(fā)電機調(diào)速器進行的，是有差調(diào)節(jié)，它適合變化幅度小，變化周期短的負荷波動。二次調(diào)頻是通過調(diào)頻器在調(diào)頻廠進行的，是無差調(diào)節(jié)，不能遠離負荷中心，適合變化變化周期長幅度大的負荷波動。
電力調(diào)頻輔助服務是指并網(wǎng)主體在一次調(diào)頻以外，通過自動功率控制技術（包括自動發(fā)電控制（AGC）、自動功率控制（APC）等）在規(guī)定的出力調(diào)整范圍內(nèi),跟蹤電力調(diào)度指令，按照一定調(diào)節(jié)速率實時調(diào)整發(fā)電岀力，滿足電力系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡線功率控制要求的服務，其調(diào)節(jié)效果通過調(diào)頻里程和綜合調(diào)頻性能指標衡量。
2.2.2 調(diào)峰輔助服務
電力調(diào)峰輔助服務是指為維護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，保證電力平衡，并網(wǎng)發(fā)電廠或電儲能設施按照電力調(diào)度指令，平滑穩(wěn)定調(diào)整出力或者改變運行狀態(tài)，所提供的服務。
電力調(diào)峰輔助服務市場包括深度調(diào)峰交易、應急停機調(diào)峰交易和電儲能調(diào)峰交易，
深度調(diào)峰是指并網(wǎng)發(fā)電機組根據(jù)系統(tǒng)運行需要，調(diào)減出力至低于有償調(diào)峰基準值以下，所提供的輔助服務。深度調(diào)峰交易賣方原則上為燃煤發(fā)電機組。
應急停機調(diào)峰是指發(fā)電機組根據(jù)日內(nèi)電網(wǎng)調(diào)峰需要，按照電力調(diào)度指令調(diào)停備用，并具備根據(jù)電力調(diào)度指令隨時再次并網(wǎng)條件，提供的輔助服務。
電儲能調(diào)峰是指蓄電設施在電網(wǎng)調(diào)峰能力不足時段，根據(jù)調(diào)度指令減少放電功率或者增加充電功率，提供的輔助服務。電儲能既可在電源側，也可在負荷側，或者是公用電儲能。
2.2.3 備用輔助服務
備用輔助服務一般指旋轉正備用，即在規(guī)定時間內(nèi)可供調(diào)用的備用容量，用以滿足負荷預計誤差、設備的意外停運和維保地區(qū)負荷等所需的額外有功容量。
旋轉備用是指在發(fā)電或輸電系統(tǒng)故障時可快速提供的同步容量,一般而言,旋轉備用是系統(tǒng)中同步機組的當前出力與其最大可用出力之差的總和。發(fā)電機組上留有足夠大的旋轉備用,可以提高系統(tǒng)應付可能出現(xiàn)的系統(tǒng)頻率偏移、快速系統(tǒng)負荷投切、機組被迫停機及其他系統(tǒng)擾動等問題的能力,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
3、虛擬電廠如何參與電能量市場和電力輔助服務市場？
3.1、電能量市場和電力輔助服務市場，兩者間的關系：
圖3:虛擬電廠交易機制
電能量市場和電力輔助服務市場是電力行業(yè)中兩個相互關聯(lián)但具有不同功能的市場。它們的關系可以理解為電能量市場是主要的電力交易市場，而電力輔助服務市場是為電能量市場提供支持和平衡的市場。
1、電能量市場：是供需電力的交易場所，用于買賣電能。
在電能量市場中，發(fā)電廠、發(fā)電商、虛擬電廠和其他電力生產(chǎn)者將其電力產(chǎn)量以不同形式（如競標、雙邊協(xié)商等）出售給電力消費者、電力批發(fā)商、零售商和其他電力購買者。電能量市場是實現(xiàn)電力供求平衡和定價的主要機制，通過市場交易形式確保電力供應能夠滿足電力需求。
2、電力輔助服務市場：電力輔助服務市場是一個補充性市場，旨在支持電能量市場的平穩(wěn)運行和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
電力系統(tǒng)在運行過程中需要保持一定的頻率、電壓和穩(wěn)定性，以確保電力供應的可靠性。然而，電力系統(tǒng)中會出現(xiàn)波動、突發(fā)負荷變化等情況，這可能影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了解決這些問題，電力輔助服務市場提供多種輔助服務。
電力輔助服務市場的參與者通常是那些能夠提供多種輔助服務的發(fā)電設施、儲能系統(tǒng)或特定的能源消費者。這些參與者可以根據(jù)實際需要，向電力系統(tǒng)提供輔助服務，并從中獲得相應的收益。
所以說，電能量市場和電力輔助服務市場之間的關系是互補的。電能量市場為電力供求提供了主要的交易平臺，而電力輔助服務市場為電能量市場的穩(wěn)定運行和電力系統(tǒng)的可靠性提供了必要的支持。兩個市場的合作有助于保障電力供應的穩(wěn)定性和安全性。
3.2、虛擬電廠所聚合資源的特點是什么，分別如何參與市場交易？
3.2.1、分布式能源資源參與輔助服務市場所亟待解決的問題：
需要通過資源整合、優(yōu)化調(diào)控，提升資源利用率和可靠性，并形成成熟的商業(yè)模式。
3.2.2、虛擬電廠聚合的分布式資源分別如何參與市場交易？
虛擬電廠聚合的分布式資源[4]（包括光伏、儲能、可控負荷、充電樁等）按照各自特性、特點，參與電能量市場和電力輔助服務市場交易的方式如圖和表所示：
圖4:分布式資源參與市場交易方式
4、發(fā)展階段及輔助服務市場內(nèi)容：
因虛擬電廠模式發(fā)展處在不同階段，輔助服務市場主要內(nèi)容也不同：
5、虛擬電廠參與輔助服務市場國內(nèi)外概況
5.1、我國的輔助服務現(xiàn)狀與項目舉例：
5.1.1、現(xiàn)狀與趨勢：
根據(jù)系統(tǒng)需要，不同國家和地區(qū)對輔助服務的定義、分類和標準有各自的約定。我國現(xiàn)行的輔助服務主要在發(fā)電環(huán)節(jié)，分為基本輔助服務和有償輔助服務兩大類。基本輔助服務是指為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電能質(zhì)量，發(fā)電機組必須提供的輔助服務；有償輔助服務是指并網(wǎng)發(fā)電廠在基本輔助服務之外所提供的輔助服務。其中，一次調(diào)頻屬于基本輔助服務，不進行經(jīng)濟補償；自動發(fā)電控制（AGC）、有償調(diào)峰、旋轉備用等調(diào)頻服務屬于有償輔助服務，基于成本進行經(jīng)濟補償。
我國的電力輔助服務市場建設也是和電力市場化進程相伴相隨。早在2009年5月，京津唐電網(wǎng)根據(jù)華北區(qū)域輔助服務與并網(wǎng)考核實施細則，率先在全國建立了基于成本加合理收益的輔助服務交易機制，品種有自動發(fā)電控制（AGC）、無功、調(diào)峰、黑啟動等。隨后輔助服務交易陸續(xù)在華東地區(qū)等地開展。
新電改也將輔助服務市場建設視為一大重點，在“電改九號文”中已明確提出，要“建立輔助服務分擔共享新機制”。2016年5月，國家能源局發(fā)布《國家能源局關于促進電儲能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務補償（市場）機制試點工作的通知》；8月，湖南省發(fā)布《抽水蓄能輔助服務專項市場交易規(guī)則》；11月，國家能源局發(fā)布《關于同意開展東北區(qū)域電力輔助服務市場專項改革試點的復函》。
2016年12月29日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)《電力中長期交易基本規(guī)則（暫行）》。其中不僅詳細規(guī)定了電能量中長期交易規(guī)則，還對輔助服務市場化提出了指導性要求，是對“九號文”進一步深化。
按照規(guī)劃，未來我國成熟的電力市場中，會有雙邊交易、中長期交易、日前和實時交易等多種交易方式，特別是在風、光、儲等新能源迅速發(fā)展，大電網(wǎng)結構日趨復雜的背景下，完善優(yōu)質(zhì)的輔助服務是能量市場和電網(wǎng)安全可靠運行的基礎。通過市場機制建立公平、規(guī)范、高效的輔助服務交易平臺，分階段逐步深化開展調(diào)頻、調(diào)峰、備用、無功等多品種的交易，可以提高電力系統(tǒng)的運行效率，提升電網(wǎng)安全可靠運行的綜合效益。
2021年12月，國家能源局印發(fā)新版“兩個細則”，開啟我國輔助服務市場新篇章。此后各區(qū)域電網(wǎng)積極響應，2022年3月南方電網(wǎng)最先發(fā)布了“兩個細則”征求意見稿。此后，華東電網(wǎng)、華北電 網(wǎng)、西北電網(wǎng)均發(fā)布了新版“兩個細則”模擬運行稿[5]。
截至2022年底,我國電力輔助服務實現(xiàn)了 6大區(qū)域、33個省區(qū)電網(wǎng)的全覆蓋,統(tǒng)一的輔助服務 規(guī)則體系基本形成。通過輔助服務市場化機制,2022年全國共挖掘全系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力超過9000萬千瓦, 年均促進清潔能源增發(fā)電量超過1000億千瓦時;煤電企業(yè)因為輔助服務獲得補償收益約320億元。
交易品種方面,除傳統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰市場外,山西增加一次調(diào)頻輔助服務市場,華北、西北分別建設 了調(diào)峰容量市場、備用市場等。
參與主體方面,除常規(guī)電源外,18個網(wǎng)省公司推動儲能、虛擬電廠等 新型市場主體參與輔助服務市場。
此外,川渝一體化輔助服務市場2022年7月6日正式啟動。當日通過日前市場交易電量118萬 千瓦時,川渝兩地調(diào)峰資源首次實現(xiàn)跨省優(yōu)化配置[6]。
5.1.2、國內(nèi)虛擬電廠項目舉例：
5.2、 國外虛擬電廠項目側重點
由于各國電力結構不同和推廣目的不同，各國VPP側重點和電力市場環(huán)境有所不同。
歐洲大多數(shù)國家分布式能源較為普及，重點要解決可再生能源消納和電網(wǎng)平衡問題，因此從發(fā)展分布式能源思路更加強調(diào)VPP在輔助市場的功能；
而美國電力需求旺盛，需要建設大量配套電站作為備用電源，為解決備用電源的經(jīng)濟性問題，從電源需求側管理出發(fā)更加強調(diào)DR在容量市場的作用；
而日本由于能源短缺，從節(jié)能角度出發(fā)更加重視兩者融合發(fā)展，故要兼顧容量市場與輔助市場。
澳大利亞虛擬電廠建設的主要目標是降低用電成本，為電網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務。
6、虛擬電廠參與輔助服務關鍵技術
6.1 海量資源等值聚合
虛擬電廠最具吸引力的功能在于能夠聚合分布式能源、可控負荷、儲能設備等各類資源參與電力市場和輔助服務市場運行，但由于各類資源特點各異，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并不可行。所以需要對所聚合的各類資源進行建模，精細考慮各種能源設備的運行約束，包括設備自身參數(shù)、安全約束、經(jīng)濟約束、環(huán)境約束，以及每種資源是什么類型，其調(diào)節(jié)成本、調(diào)節(jié)空間、可靠性，擬合得到聚合體對外的成本特性、調(diào)節(jié)特性。
6.2 邊界條件分析預測
這里包含兩個方面，第一方面，需要預測各類設備的功率曲線，包括用電負荷曲線、分布式電源，如光伏，風電的發(fā)電曲線，用以評估虛擬電廠的調(diào)節(jié)能力。
對于較復雜的用電負荷，需要考慮綜合考慮其業(yè)務邏輯以及社會因素，比如污水廠的功率預測需要考慮排污計劃，除臭、消毒等工藝流程；數(shù)據(jù)中心的功率預測，需要考慮雙11、618活動對網(wǎng)絡流量造成的沖擊等。
第二方面，需預測輔助服務品類的出清價格等，作為交易策略優(yōu)化模型的輸入，精準的短期電價的變化趨勢預測可以提高虛擬電廠的收益。
圖10 虛擬電廠負荷預測算法框架
6.3交易決策輔助優(yōu)化以及調(diào)控指令細化拆解
綜合考慮期望收益、交易風險偏好、調(diào)節(jié)能力與成本評估的不準確性，以及虛擬電廠歷史運行情況，推薦匹配輸入的量價組合和分段報價方案，助發(fā)電側快速積累電力市場實戰(zhàn)經(jīng)驗，權衡聚合商與不同電力用戶之間的利益分配關系，做出收益與風險取得最佳平衡的報量報價策略，降低交易策略的試錯成本，進一步增加虛擬電廠的收益。
在申報中標以后，與聚合等值相對，當市場運營機構向負荷聚合商下發(fā)調(diào)度指令時，聚合商需要將調(diào)度指令分解下發(fā)到所聚合的設備單元并確保調(diào)度指令精準執(zhí)行。此時需要充分考慮各資源的運行約束、調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)成本，分解得出各資源的出力或用電曲線，使得各資源盡可能安全、經(jīng)濟、高效地協(xié)同完成整體調(diào)度指令。
圖11 虛擬電廠交易決策輔助優(yōu)化和調(diào)控指令細化拆解算法示意
6.4 儲能技術發(fā)展變革
通過虛擬電廠的儲能裝置，才能聚合分布式能源。由此可見，儲能技術為虛擬電廠的實現(xiàn)提供了重要動力，儲能資源的安全和全生命周期管理是虛擬電廠運行的重要支撐。打造安全、可靠、高效的儲能資源，關鍵在于，要建立儲能電池一致性管理和溯源系統(tǒng)，進行儲能電池健康管理、安全預警、內(nèi)短路風險判斷、故障預警與追蹤，實現(xiàn)準確監(jiān)控、云端運維，才能全面保障儲能安全與壽命。
6.5 信息通信
隨著可調(diào)節(jié)資源接入規(guī)模的增長，對信息網(wǎng)絡的高效性、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，如可調(diào)節(jié)資源設備直通(device to device，D2D)通信技術、高效身份認證技術、標準化接口技術等;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)絡資源 優(yōu)化和控制技術、云邊協(xié)同計算技術等;考慮可調(diào)節(jié)資源計量數(shù)據(jù)缺損和失真等問題，研究可調(diào)節(jié)資源運行數(shù)據(jù)恢復、補全和修正等技術;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)絡安全性、可靠性。主要包括基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務、虛擬專用網(wǎng)絡、電力線路載波技術、無線技術、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡與信息安全等。
6.6 智能計量裝置與技術
智能計量技術是虛擬電廠的一個重要組成部分，是實現(xiàn)虛擬電廠對DG和可控負荷等監(jiān)測和控制的重要基礎。智能計量系統(tǒng)最基本的作用是自動測量和讀取用戶住宅內(nèi)的電、氣、熱、水的消耗量或生產(chǎn)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(fā)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(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給相關各方。對于用戶而言，所有的計量數(shù)據(jù)都可通過用戶室內(nèi)網(wǎng)(home area network, HAN)在HMI上顯示。因此，用戶能夠直觀地看到自己消費或生產(chǎn)的電能以及相應費用等信息，以此采取合理的調(diào)節(jié)措施。信息通信技術虛擬電廠采用雙向通信技術，它不僅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。
