中國儲能網(wǎng)訊：生產(chǎn)和需求隨時協(xié)調(diào)、所有人都參與電力系統(tǒng)平衡，才是實現(xiàn)100%可再生能源的最好方法。
文 | 本刊記者 范珊珊
德國聯(lián)邦環(huán)境局（UBA）年初發(fā)布的消息稱，德國2022年可再生能源生產(chǎn)創(chuàng)紀錄達到256太瓦時（TWh），可再生能源發(fā)電占德國總用電量的44.6%。在這個過去只有幾十家傳統(tǒng)發(fā)電廠的地方，現(xiàn)在擁有超過3萬臺風力發(fā)電機、超過一百萬個太陽能發(fā)電系統(tǒng)和數(shù)千個生物質(zhì)發(fā)電機組。
特別是俄烏危機爆發(fā)后，可再生能源在德國發(fā)展勢頭更加迅猛，虛擬電廠也成為一股不容忽視的力量。大量小型分布式能源(DER)逐漸取代傳統(tǒng)發(fā)電廠，虛擬電廠（VPP）作為新型電力系統(tǒng)的重要支持，不僅聚合數(shù)以千計的電力生產(chǎn)商、消費者和存儲單元，并且通過智能系統(tǒng)監(jiān)測、預(yù)測，優(yōu)化發(fā)電和調(diào)度，讓電力資源實現(xiàn)更為高效的配置，幫助電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定。
如果你駕車穿過科隆附近的萊茵褐煤礦區(qū)，一定不會錯過Niederaussem電廠高達100多米的混凝土塔，它的運營商——德國傳統(tǒng)電力集團RWE ，通過這個燃煤電站全天候向外可靠地供電。同樣在科隆一個舊廠房改造的辦公區(qū)內(nèi)，Next Kraftwerke公司作為發(fā)電企業(yè)卻并不擁有物理意義上的發(fā)電廠，但其憑借強大計算系統(tǒng)整合了上萬個發(fā)電工廠，成為歐洲最大的虛擬電廠運營商之一。
成立于2009年的Next Kraftwerke，是德國最早探索虛擬電廠的公司，也是目前德國最大的虛擬電廠運營商。2022年4月，該公司對外宣布，實現(xiàn)一個新的里程碑，即并網(wǎng)發(fā)電裝機容量已突破1萬兆瓦，通過智能控制系統(tǒng)，在德國、比利時、奧地利、法國、波蘭、荷蘭、瑞士和意大利運營著13000多個分布式能源單元，而運用的電力設(shè)備也從最初的生物質(zhì)慢慢擴展到風電、太陽能以及近兩年來的電池儲能、電動汽車等。據(jù)介紹，2018年至今，該公司的產(chǎn)品組合裝機從4600兆瓦增加到萬兆瓦，翻了一番多，其中超過6000兆瓦來自太陽能。
也正是可再生能源對電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn)給像Next Kraftwerke這樣的公司帶來新的機遇?！皵?shù)字化連接、控制和調(diào)節(jié)大量不同的能源是虛擬發(fā)電廠的任務(wù)?！钡聡茉词?(Dena)數(shù)字化專家Philipp Richard解釋說。
如何工作？
可再生能源長期以來一直是電力供應(yīng)的核心組成部分。鑒于可再生能源的快速發(fā)展，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制發(fā)揮著越來越重要的作用。在歐洲，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、配電和銷售四個環(huán)節(jié)構(gòu)成，而電網(wǎng)運營主體可以劃分為輸電系統(tǒng)運營商（TSO）和配電系統(tǒng)運營商（DSO）。其中，TSO負責輸電網(wǎng)絡(luò)的控制和運營，是具有壟斷性質(zhì)的業(yè)務(wù)；而DSO則主要負責將電力分配給用戶，是競爭性的業(yè)務(wù)。
因而，歐洲的虛擬電廠通常是由第三方運營商、發(fā)電廠，以及TSO合作運營的。首要任務(wù)也當然是為發(fā)電單位服務(wù)，并設(shè)法提升效率，降低成本。
“我們運營容量超過1萬兆瓦的虛擬發(fā)電廠，不僅說明了具有高比例可再生能源的能源系統(tǒng)如何工作，它還展示了許多分散式系統(tǒng)如何集中、智能、協(xié)同地為穩(wěn)定的電力供應(yīng)做出貢獻，Next Kraftwerke創(chuàng)始人Jochen Schwill說。
事實上，每一個獨立的能源系統(tǒng)都有可能成為虛擬電廠的一部分。Next Kraftwerke使用智能控制來聚合其成員的電力并靈活分配，相當于模仿一個集中式發(fā)電廠。也就是說，虛擬電廠以控制系統(tǒng)為核心，整合了氣象預(yù)測數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)等，首先通過算法進行功率預(yù)測與負荷預(yù)測，然后基于多維數(shù)據(jù)智能決策，對資源配置做出判斷，在主網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮電廠的調(diào)節(jié)作用。
資料顯示，Next Kraftwerke業(yè)務(wù)更為關(guān)注發(fā)電側(cè)，業(yè)務(wù)主要分為三塊：一是幫助新能源發(fā)電企業(yè)實時監(jiān)測發(fā)電情況，幫助他們降低發(fā)電成本或者負電價帶來的損失；二是面向電網(wǎng)側(cè)，幫助客戶使用發(fā)電設(shè)備為電網(wǎng)提供短期柔性儲能服務(wù)，并賺取收益；三是根據(jù)電網(wǎng)狀況調(diào)整用電側(cè)的需求，將電網(wǎng)測的需求分配到現(xiàn)貨市場的低價時段。
在德國，日間電力市場允許接近實時的電力交易，訂單到交割之間的時間縮短產(chǎn)生了對在短時間內(nèi)可獲得的快速可控靈活性資源的更多需求，而這類需求可以由虛擬電廠通過其資源組合提供。
德國國際合作機構(gòu)的報告稱，Next Kraftwerke管理系統(tǒng)可以根據(jù)日間市場信號進行調(diào)整，日間市場是保持整體電力系統(tǒng)平衡必不可少的工具。Next Kraftwerke公司根據(jù)電力市場波動調(diào)整其資源池中的可調(diào)度能源發(fā)電機組和負荷的出力和需求，為客戶帶來收入，同時為系統(tǒng)平衡做出貢獻。
以接入該公司的生物質(zhì)電廠為例，NEXT Box系統(tǒng)將電廠和遠程控制中心連接起來，實現(xiàn)無線雙向遠程傳輸，對其發(fā)電量按照15分鐘的間隔進行調(diào)控，根據(jù)電力批發(fā)市場的價格波動每天上下調(diào)整20次，以優(yōu)化發(fā)電收入。
除了管理發(fā)電，Next Kraftwerke還提供了負荷管理的服務(wù)。為鼓勵工商業(yè)客戶轉(zhuǎn)移負荷，Next Kraftwerke按照日間市場電價的變化，向工商業(yè)客戶提供不同類型的電價（電價構(gòu)成取決于使用時間、用戶調(diào)整生產(chǎn)計劃的靈活性等）信息?？蛻艨梢愿鶕?jù)Next Kraftwerke發(fā)出的價格信號自行決定執(zhí)行計劃，也可以完全由Next Kraftwerke進行遠程自動調(diào)控。
在德國，輸電運營商是獨立的機構(gòu)，Next Kraftwerke可以進行實現(xiàn)完全平衡管理或部分平衡管理，通過優(yōu)化發(fā)電量和用電量預(yù)測，繼而參與日間市場的電力交易，最終解決預(yù)測和次日實際計劃之間的偏差，實際上是充當了“電網(wǎng)調(diào)度員”的作用。
通過網(wǎng)絡(luò)提供軟件服務(wù)除了運行虛擬電廠，Next Kraftwerke還提供可定制虛擬電廠（NEMOCS）服務(wù)，為能源公司建立自己的虛擬電廠提供軟件解決方案。也就是說，虛擬電廠是一個集中分散式能源的管理系統(tǒng)，匯集可再生和不可再生單元、存儲設(shè)備和可調(diào)度負載的容量，把他們捆綁成一個規(guī)模較大的組合，為電力系統(tǒng)服務(wù)。
核心是什么？
管理巨大的分散的可再生能源系統(tǒng)，強大的收集數(shù)據(jù)、分析和做出決策的系統(tǒng)是虛擬電廠管理的核心。Next Kraftwerke亦是如此。
“我們?yōu)榭稍偕茉刺峁┦袌鰷嗜胍约鞍l(fā)電量預(yù)測，并看到到對控制可再生能源解決方案的不斷增長的需求，幫助電網(wǎng)實現(xiàn)平衡，并預(yù)測電力市場將發(fā)生什么?？稍偕茉吹娜找嫫占敖o無數(shù)國家的電網(wǎng)運營商提出了許多需要回答的問題：電力從何而來？它去哪兒了？四小時后會發(fā)生什么？我們可以告訴客戶，可再生能源這一秒在每個電網(wǎng)交叉點產(chǎn)生多少電力，并將過程可視化，預(yù)測四小時后會發(fā)生什么。”Jochen Schwill稱。
除了強大的數(shù)字化的系統(tǒng)作為支撐，在該公司國際部經(jīng)理Leonard Hirsch看來，他們善于收集客戶的數(shù)據(jù)，來預(yù)測市場的變化。特別是目前價格很貴的情況下預(yù)測更要正確，告訴輸電商第二天可以提供的電力情況，現(xiàn)貨市場的日前和日間交易更考驗公司的能力。
這是一種聚合服務(wù)，由他們的控制系統(tǒng)完成，使用基于大數(shù)據(jù)（例如電廠運行情況、 天氣數(shù)據(jù)、市場價格信號、電網(wǎng)數(shù)據(jù)）的智能算法，使可再生能源發(fā)電機組和工業(yè)用戶更加靈活，對價格信號的響應(yīng)更快。通過更有效地部署電網(wǎng)資產(chǎn)，分布式資源的聚合，降低了每個人的電力成本，尤其是虛擬電廠參與者。
在德國，虛擬電廠應(yīng)用已經(jīng)進入到了商業(yè)化的階段。作為獨立的虛擬電廠運營商，Next Kraftwerke競爭對手主要是電力交易商、電力公司和能源領(lǐng)域的技術(shù)公司。在Jochen Schwill看來，公司研發(fā)的核心在于技術(shù)和氣象學。“這就是為什么我們一直關(guān)注有趣的技術(shù)發(fā)展，這仍然是一場相當抽象的比賽，但我們將不得不面對它。例如，我們需要機器學習和改進算法來實現(xiàn)更為準確的天氣預(yù)報?！?
對Next Kraftwerke來說，電動汽車在近兩年的發(fā)展也給其提出新的挑戰(zhàn)，數(shù)以百萬計的電動汽車將在一夜之間接入電網(wǎng)，這意味他們?yōu)殡娋W(wǎng)運營商更大的靈活性提供可能，提供了大量存儲空間供我們使用，那么，這意味著虛擬電廠運營商將直接進入家庭。
Jochen Schwill認為，最遲到2050年，可再生能源可以滿足德國100%的電力需求，電力系統(tǒng)將足夠靈活，問題是兩個系統(tǒng)仍然并存：舊的中心化市場系統(tǒng)和新的去中心化市場系統(tǒng)，這從長遠來看是行不通的?！半S著可再生能源在電力系統(tǒng)中所占份額的增加，我們不能再像舊系統(tǒng)那樣簡單地跟蹤負載和供應(yīng)。而是生產(chǎn)和需求必須相互協(xié)調(diào)，現(xiàn)在是所有參與者調(diào)整和適應(yīng)新系統(tǒng)，以實現(xiàn)100%可再生能源的時候了。”
