中國儲能網(wǎng)訊：隨著可再生能源成為未來全球能源發(fā)展的主要方向，虛擬電廠成為一種實現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的區(qū)域性多能源聚合模式。首先對虛擬電廠進行概述，其次對虛擬電廠的研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外的虛擬電廠示范項目進行綜述，最后提出了虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括多代理系統(tǒng)、聚合管理方式、通信技術(shù)，并從分布式能源的互補性、動態(tài)組合、大數(shù)據(jù)技術(shù)、市場環(huán)境和合作機制等方面對虛擬電廠的未來研究進行了展望。
引言
隨著電力需求的不斷增長以及全球范圍內(nèi)能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴峻，傳統(tǒng)能源發(fā)電的弊端日趨凸顯。在全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念下，“一帶一路”、“一極一道”等戰(zhàn)略建設(shè)均致力于解決能源問題。由于風(fēng)能、太陽能等清潔性高、發(fā)電成本降低，可再生能源成為了未來全球能源發(fā)展的主要方向。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，可再生能源的開發(fā)將迎來重大發(fā)展期。
分布式能源單獨運行時，其出力隨機性、間歇性和波動性較大。當分布式能源接入目前的傳統(tǒng)大電網(wǎng)體系時，電網(wǎng)的安全性和供電可靠性將會受到威脅。為了實現(xiàn)分布式電源的協(xié)調(diào)控制與能量管理，可以通過虛擬電廠（virtual power plant，VPP）的形式實現(xiàn)對大量分布式電源的靈活控制，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。虛擬電廠通過將分布式電源、可控負荷和儲能系統(tǒng)聚合成一個整體，使其能夠參與電力市場和輔助服務(wù)市場運營，實現(xiàn)實時電能交易，同時優(yōu)化資源利用，提高供電可靠性。
本文先對虛擬電廠的定義及控制方式進行概述，然后介紹虛擬電廠在模型框架、優(yōu)化調(diào)度、運行控制、市場競價4個方面的研究現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外虛擬電廠的示范工程，并進一步指出虛擬電廠發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。最后對虛擬電廠的未來進行展望，分布式能源的互補性、虛擬電廠動態(tài)組合、大數(shù)據(jù)技術(shù)、市場環(huán)境和合作機制都使得虛擬電廠具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
1、虛擬電廠概述
虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源，包括分布式電源、可控負荷和儲能裝置等。其基本概念是通過分布式電力管理系統(tǒng)將電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運行和調(diào)度，協(xié)調(diào)智能電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益。虛擬電廠主要由發(fā)電系統(tǒng)、儲能設(shè)備、通信系統(tǒng)構(gòu)成，見圖1。
1）發(fā)電系統(tǒng)主要包括家庭型（domestic distributed generation，DDG）和公用型（public distributed generation，PDG）這2類分布式電源。DDG的主要功能是滿足用戶自身負荷，如果電能盈余，則將多余的電能輸送給電網(wǎng)；如果電能不足，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。典型的DDG系統(tǒng)主要是小型的分布式電源，為個人住宅、商業(yè)或工業(yè)分部等服務(wù)。PDG主要是將自身所生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)，其運營目的就是出售所生產(chǎn)的電能。典型的PDG系統(tǒng)主要包含風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電裝置。
2）能量存儲系統(tǒng)可以補償可再生能源發(fā)電出力波動性和不可控性，適應(yīng)電力需求的變化，改善可再生能源波動所導(dǎo)致的電網(wǎng)薄弱性，增強系統(tǒng)接納可再生能源發(fā)電的能力和提高能源利用效率。
3）通信系統(tǒng)是虛擬電廠進行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信的重要環(huán)節(jié)。通過與電網(wǎng)或者與其他虛擬電廠進行信息交互，虛擬電廠的管理更加可視化，便于電網(wǎng)對虛擬電廠進行監(jiān)控管理。
根據(jù)虛擬電廠信息流傳輸控制結(jié)構(gòu)的不同，虛擬電廠的控制方式可以分為：集中控制方式、分散控制方式、完全分散控制方式。①集中控制方式下的虛擬電廠可以完全掌握其所轄范圍內(nèi)分布式單元的所有信息，并對所有發(fā)電或用電單元進行完全控制。②分散控制方式下的虛擬電廠被分為多個層次。處于下層的虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心控制轄區(qū)內(nèi)的發(fā)電或用電單元，再由該級虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心將信息反饋給更高一級虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心，從而構(gòu)成一個整體的層次結(jié)構(gòu)。③在完全分散控制方式下，虛擬電廠控制協(xié)調(diào)中心由數(shù)據(jù)交換與處理中心代替，只提供市場價格、天氣預(yù)報等信息。而虛擬電廠也被劃分為相互獨立的自治的智能子單元。這些子單元不受數(shù)據(jù)交換與處理中心控制，只接受來自數(shù)據(jù)交換與處理中心的信息，根據(jù)接受到的信息對自身運行狀態(tài)進行優(yōu)化。
2、虛擬電廠的研究現(xiàn)狀
2.1
模擬框架問題
對于虛擬電廠的模型框架構(gòu)造方面，國內(nèi)外的學(xué)者們進行了一系列的研究。虛擬電廠通常是一系列分布式電源的聚合。文獻［4］將虛擬電廠定義為分散在中壓配電網(wǎng)的各點處的不同分布式電源的聚合。為了確保虛擬電廠的安全穩(wěn)定運行，學(xué)者們建立考慮儲能系統(tǒng)、可控負荷、需求響應(yīng)等的虛擬電廠模型。文獻［5］將區(qū)域風(fēng)力發(fā)電機組和常規(guī)水、火電機組及儲能設(shè)備聚合為虛擬電廠，建立虛擬電廠數(shù)據(jù)模型，并采用實際電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)驗證了方案的可行性。文獻［6］對電動汽車、可控負荷和熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)以虛擬電廠方式聚合管理，進行頻率二次調(diào)整，提供負荷頻率控制功能。文獻［7］在虛擬電廠模型中加入儲存能量的設(shè)備作為附加能源或電能的緩沖裝置，以提高供電質(zhì)量，校正電壓波動和閃變或穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。文獻［8］在虛擬電廠模型中增加可控負荷，通過調(diào)節(jié)可控負荷應(yīng)對可再生能源發(fā)電出力的隨機波動或突發(fā)故障，平衡電能供需，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。文獻［9］按照需求響應(yīng)的不同機理，考慮需求響應(yīng)的不確定性，分別建立基于激勵的和基于價格的需求響應(yīng)虛擬電廠模型。
2.2
優(yōu)化調(diào)度問題
虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度問題可以分為2種：①內(nèi)部調(diào)度，虛擬電廠對自身內(nèi)部多個電源的容量配置或出力進行優(yōu)化調(diào)度；②外部調(diào)度，由電網(wǎng)將虛擬電廠當成一個整體進行優(yōu)化調(diào)度。對于內(nèi)部優(yōu)化調(diào)度問題，文獻［10］提出將虛擬電廠可再生能源出力隨機性映射到一般投資組合模型?？紤]價格隨機性，建立了考慮多個可再生能源發(fā)電電源不確定性的容量配置模型。文獻［11］考慮儲能設(shè)備和需求響應(yīng)，建立虛擬電廠的日前優(yōu)化調(diào)度模型，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃進行最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的求解。文獻［12］建立基于機會約束規(guī)劃的虛擬電廠經(jīng)濟調(diào)度模型。該模型以最大化虛擬電廠經(jīng)濟效益為目標、旋轉(zhuǎn)備用約束為機會約束，求解虛擬電廠的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果和風(fēng)險水平。對于外部優(yōu)化調(diào)度問題，文獻［13］采用場景抽樣生產(chǎn)與縮減技術(shù)處理風(fēng)電和光伏出力的不確定性，根據(jù)合作博弈理論，建立基于場景分析的虛擬電廠單獨調(diào)度、與配電公司聯(lián)合調(diào)度模型，分析含風(fēng)光水的虛擬電廠與配電公司的合作空間以及利益公平分配問題。文獻［14］基于多變量非線性自適應(yīng)控制思想，建立了含虛擬電廠的區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化模型。該模型的目標函數(shù)包括最小化系統(tǒng)頻率偏差、聯(lián)絡(luò)線功率偏差、電壓偏差、監(jiān)測線路的線路功率波動、系統(tǒng)損耗、發(fā)電成本、棄風(fēng)功率，通過近似動態(tài)規(guī)劃方法，得到電網(wǎng)中發(fā)電機的有功功率和電壓值、帶變流器的可控電源及負荷的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。
2.3
運行控制問題
虛擬電廠的控制方式有集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。文獻［15］中包括微型熱電聯(lián)產(chǎn)單元、風(fēng)電和光伏等可再生能源的虛擬電廠采用集中控制結(jié)構(gòu)參與配電網(wǎng)的運行調(diào)度。文獻［16］中的虛擬電廠采用分散控制結(jié)構(gòu)，基于混合整數(shù)規(guī)劃對虛擬電廠接入時包括熱電聯(lián)產(chǎn)、熱鍋爐和熱儲備的本地熱供應(yīng)系統(tǒng)進行控制管理。文獻［17］由可再生能源、儲能設(shè)備、熱力發(fā)電機和需求側(cè)響應(yīng)組成虛擬電廠，各單元采用分散控制方式，建立了虛擬電廠日前調(diào)度模型。文獻［18］基于多代理結(jié)構(gòu)建立了虛擬電廠內(nèi)部的調(diào)度模型，模型中采用完全分散控制方式對各單元進行控制與調(diào)度。虛擬電廠采用集中控制方式時，所有單元的信息都需要通過控制協(xié)調(diào)中心進行處理和雙向通信，所以集中控制方式的擴展性和兼容性受到很大局限。分散控制方式能使虛擬電廠模塊化，改善集中控制方式下的通信堵塞和兼容性差的問題。完全分散控制方式使得虛擬電廠具有很好的擴展性和開放性，更適合參與電力市場。
2.4
市場競價問題
對于虛擬電廠的競標模型與策略，國內(nèi)外展開了廣泛的研究。虛擬電廠的市場競價問題包含單一日前市場競價和聯(lián)合市場競價。文獻［19］建立了單一日前市場下虛擬電廠優(yōu)化競價的隨機規(guī)劃模型。文獻［20］提出了一種虛擬電廠在電力能源和熱備用市場中的非線性混合整數(shù)規(guī)劃的聯(lián)合競價模型，考慮虛擬電廠的電力供需平衡和安全約束。針對虛擬電廠的不確定性，國內(nèi)外也展開了考慮不確定性時虛擬電廠競價策略的研究。文獻［21］采用點估計法處理電力市場價格和新能源發(fā)電的不確定性，提出一種虛擬電廠在日前電力市場中的競標策略。文獻［22］建立虛擬電廠魯棒隨機競標模型，模型中采用隨機規(guī)劃的方法處理電價的不確定性，采用魯棒優(yōu)化的方法處理新能源出力的不確定性。文獻［23］考慮電動汽車數(shù)量和風(fēng)電出力的不確定性，建立虛擬電廠參與日前能量市場和調(diào)節(jié)市場的聯(lián)合競價策略的魯棒優(yōu)化模型。
3、虛擬電廠的示范項目
3.1
國外示范項目
基于虛擬電廠的理論研究，國外相繼開展了一系列虛擬電廠工程示范項目。2005～2009年，在歐盟第6框架計劃下，由來自歐盟8個國家的20個研究機構(gòu)和組織合作實施和開展了FENIX項目，旨在將大量的分布式電源聚合成虛擬電廠并使未來歐盟的供電系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性、安全性和可持續(xù)性。
EDISON是由丹麥、德國等國家的7個公司和組織開展的虛擬電廠試點項目，研究如何聚合電動汽車成為虛擬電廠，實現(xiàn)接入大量隨機充電或放電單元時電網(wǎng)的可靠運行。2012～2015年，在歐盟第7框架計劃下，由比利時、德國、法國、丹麥、英國等國家聯(lián)合開展了TWENTIES研究項目，其中對于虛擬電廠的示范重點在于如何實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式電源和負荷的智能管理。WEB2ENERGY項目同樣是在歐盟第7框架計劃下開展的，以虛擬電廠的形式聚合管理需求側(cè)資源和分布式能源。德國庫克斯港的eTelligence項目建立了能源互聯(lián)網(wǎng)示范地區(qū)，其核心是建立一個基于互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域性能源市場。而虛擬電廠技術(shù)是實現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)聚合的一種重要模式。
3.2
國內(nèi)示范項目
國內(nèi)對于虛擬電廠工程示范的建設(shè)處于快速發(fā)展階段。隨著國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)行動計劃的推進，上海首個能源互聯(lián)網(wǎng)試點項目在2015年初投產(chǎn)。該項目將實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)屋頂光伏分階段全覆蓋和充電樁分階段全覆蓋的目標，并借助“互聯(lián)網(wǎng)+”建成功能強大的虛擬電廠，從而完成清潔替代和實現(xiàn)區(qū)域冷熱電三聯(lián)供。能源互聯(lián)網(wǎng)行動計劃中的另一個重點項目是張家口的奧運項目。該項目將在張家口市建立可再生能源示范區(qū)，實現(xiàn)高比例的風(fēng)電、光伏等可再生能源，其中，虛擬電廠技術(shù)成為解決可再生能源規(guī)?；_發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
4、虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)問題
4.1
基于多代理系統(tǒng)對虛擬電廠進行協(xié)調(diào)控制
多代理系統(tǒng)（multi agent system，MAS）是由多個相互獨立、可以雙向互動通信的智能代理組合形成的，通過確定每個代理在系統(tǒng)中扮演的角色以及相互配合時的行為準則，使系統(tǒng)易于控制與管理?；诙啻硐到y(tǒng)的虛擬電廠協(xié)調(diào)控制邏輯關(guān)系圖見圖2。通過各個代理之間的雙向通信，可以實現(xiàn)虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制和能量優(yōu)化管理；各個代理的行為具有自治性和獨立性，可以根據(jù)電網(wǎng)的環(huán)境適當做出改變以滿足電網(wǎng)的需求，充分提高分布式電源的利用率。
4.2
采用高效聚合方法實現(xiàn)互補合作
由于分散在電網(wǎng)中的分布式電源容量有限，其出力的隨機性、波動性、間歇性也較大，需研究對不同區(qū)域的虛擬電廠以及虛擬電廠內(nèi)不同發(fā)電單元的高效聚合方法。通過將不同區(qū)域的虛擬電廠進行高效聚合，解決分布式能源出力的隨機性、波動性、間歇性，實現(xiàn)分布式能源的互補。根據(jù)不同的優(yōu)化目標，利用智能算法實現(xiàn)虛擬電廠內(nèi)部的多目標優(yōu)化調(diào)度，充分利用虛擬電廠內(nèi)的分布式能源。
4.3
建立開放可靠的通信系統(tǒng)
在虛擬電廠內(nèi)，各發(fā)電單元與負荷均直接或間接與控制協(xié)調(diào)中心相連接?？刂茀f(xié)調(diào)中心不僅要能夠接收每一單元的當前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標發(fā)送控制信號。而虛擬電廠中的各單元不僅要能夠發(fā)送自身的當前狀態(tài)信息，而且能夠接收控制協(xié)調(diào)中心發(fā)送的控制信號。因此，需要研發(fā)開放、可靠的融合能源流和信息流的雙向通信技術(shù)，加強電力傳輸與信息處理的融合。
5、虛擬電廠的展望
隨著國家對清潔能源和新興技術(shù)的發(fā)展的大力推動，虛擬電廠將成為智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中重要的能源聚合形式，具有廣闊的發(fā)展空間。
1）分布式電源的互補性減少出力的不確定性。
由于可再生能源出力存在較大的隨機性、波動性、間歇性，分布式電源的動態(tài)組合問題亟待解決。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，三部委針對可再生能源聯(lián)合發(fā)布了“一帶一路”和“一極一道”發(fā)展戰(zhàn)略，“一帶一路”沿線各國都具有豐富的風(fēng)能和太陽能資源，“一極一道”更是推進了大型可再生能源基地電力送出以及各大洲之間電力交換。能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略推進跨境電力與輸電通道建設(shè)，積極開展區(qū)域電網(wǎng)升級改造合作，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)分布式電源的時差互補和季節(jié)互補特性，提高可再生能源的利用率和虛擬電廠的效益。
2）多個分布式單元靈活地進行動態(tài)組合組成虛擬電廠。
虛擬電廠與微電網(wǎng)的最大區(qū)別在于構(gòu)成虛擬電廠的多個分布式發(fā)電單元不一定在同一個地理區(qū)域內(nèi)，其聚合范圍以及與市場的交互取決于通信能力和可靠性。多個分布式發(fā)電單元按照一定的規(guī)則或目標進行聚合，以一個整體參與電力市場或輔助服務(wù)市場，最后將利益分配給每個分布式發(fā)電單元。虛擬電廠作為中介，根據(jù)動態(tài)組合算法或動態(tài)博弈理論等規(guī)則對多個分布式發(fā)電單元靈活地進行動態(tài)組合。動態(tài)組合的實時性和靈活性可以避免實時不平衡所帶來的成本問題以及由于電廠停機、負荷和可再生能源出力預(yù)測失誤時所導(dǎo)致的組合偏差問題。
3）大數(shù)據(jù)對可再生能源進行預(yù)測，提高虛擬電廠數(shù)據(jù)處理速度。
大數(shù)據(jù)是指無法在可承受的時間內(nèi)用傳統(tǒng)的IT技術(shù)、軟硬件工具和數(shù)學(xué)分析方法進行感知、獲取、管理、處理和分析的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)技術(shù)可進行負荷預(yù)測和可再生能源出力預(yù)測，包括風(fēng)能和太陽能。風(fēng)能預(yù)測非常必要，因為數(shù)據(jù)顯示在用電高峰期，風(fēng)電場的實際產(chǎn)能變化幅度很大。準確預(yù)測太陽能和風(fēng)能需要分析大量數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、云層等氣象數(shù)據(jù)。同時，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理虛擬電廠內(nèi)的各種信息，能有效提高數(shù)據(jù)交換與處理中心的處理速度，為虛擬電廠的數(shù)據(jù)交換與處理中心提供各子系統(tǒng)實時、精確的數(shù)據(jù)信息流。
4）虛擬電廠參與多種市場進行優(yōu)化調(diào)度和競價。
虛擬電廠通過對多個分布式單元進行聚合成為一個整體參與電力市場運營，既可以發(fā)揮傳統(tǒng)電廠出力穩(wěn)定和批量售電的特點，又由于聚合了多種發(fā)電單元而具有較好的互補性。虛擬電廠所參與的電力市場包括日前市場、實時市場、輔助服務(wù)市場等，由此可建立日前市場、雙邊合同、平衡市場及混合市場等多種市場模型?？紤]虛擬電廠中可再生能源出力、負荷和實時電價等不確定因素，在不同市場環(huán)境下建立調(diào)度和競價模型，使虛擬電廠具有更廣泛的適用性。
5）基于博弈論建立科學(xué)的合作機制，確保虛擬電廠的穩(wěn)定性。
博弈論主要研究存在利益關(guān)系或沖突的多個決策主體，根據(jù)自身能力和了解的信息，如何各自進行有利于自己或決策者群體的決策的理論?；诓┺恼?，認為虛擬電廠內(nèi)的所有發(fā)電和用電單元和虛擬電廠與外部所有運營商均為合作博弈。根據(jù)合作博弈理論制訂科學(xué)的合作機制，包括虛擬電廠內(nèi)部聚合的多個發(fā)電或用電單元之間的合作機制和虛擬電廠與集成運營商、配電網(wǎng)或輸電網(wǎng)以及電力市場運營者之間的合作機制，保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期的參與積極性，確保虛擬電廠的穩(wěn)定性。
6、結(jié)語
本文對虛擬電廠的概念、發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，指出虛擬電廠亟待解決的問題，包括基于多代理系統(tǒng)對虛擬電廠進行協(xié)調(diào)控制，采用高效聚合管理方法實現(xiàn)虛擬電廠間的協(xié)同合作，建立開放可靠的信息交互系統(tǒng)，并對虛擬電廠的未來發(fā)展進行展望。
作者簡介
方燕瓊，碩士研究生，主要研究方向為微電網(wǎng)的運行與優(yōu)化。
艾芊，教授，主要研究方向為電能質(zhì)量、人工智能、大數(shù)據(jù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電力系統(tǒng)建模、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)。
范松麗，博士研究生，主要研究方向為分布式電源協(xié)調(diào)控制、虛擬電廠、智能電網(wǎng)。
