虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述

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第 4 4 卷第 6 期 2 0 2 2 年 6 月 V o l . 4 4 N o . 6 J u n . 2 0 2 2 虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述 O v e r v i e w o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s ， c o n n o t a t i o n a n d d e v e l o p m e n t s t a t u s o f v i r t u a l p o w e r p l a n t s i n C h i n a 钟永洁，纪陵，李靖霞，蒋衍君，吴世伟，王紫东 Z H O N G Y o n g j i e ， J I L i n g ， L I J i n g x i a ， J I A N G Y a n j u n ， W U S h i w e i ， W A N G Z i d o n g （国电南京自动化股份有限公司，南京 2 1 1 1 5 3 ）（ G u o d i a n N a n j i n g A u t o m a t i o n C o m p a n y L i m i t e d ， N a n j i n g 2 1 1 1 5 3 ， C h i n a ）摘要在国家 “ 3 0 · 6 0 ” 战略推动下，虚拟电厂成为开展新型电力系统建设、解决能源变革的重要手段，是实现 “ 双碳 ” 目标的一个重要发展方向，为新能源电力的安全高效利用开辟了一条新的路径。首先，对虚拟电厂的内涵概念进行阐述，并在此基础上分析了我国虚拟电厂产生的客观大背景，结合目前我国虚拟电厂的外部政策环境剖析了当前虚拟电厂的主流业务板块；然后，简要介绍了国内外已经开展的虚拟电厂应用案例，进而归纳出虚拟电厂当前和未来快速发展所必须的可控资源、关键技术、市场机制等支撑要素；其次，对虚拟电厂的 3 个发展阶段进一步阐述，并对我国虚拟电厂发展中的现实问题进行了概况分析；最后，在完成对虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述的基础上对虚拟电厂在未来的发展进行了展望。关键词虚拟电厂；碳中和；需求响应；能源互联网；可控资源；新型电力系统；综合能源；储能中图分类号 T K 0 1 T M 7 3 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7 - 0 7 0 6 （ 2 0 2 2 ） 0 6 - 0 0 2 5 - 1 2 A b s t r a c t T o a c h i e v e t h e “ 3 0 · 6 0 “ g o a l ， v i r t u a l p o w e r p l a n t s h a v e b e e n t a k e n a s a n i m p o r t a n t m e a s u r e t o c o n s t r u c t a n e w p o w e r s y s t e m a n d c o m p l e t e e n e r g y t r a n s f o r m a t i o n . I t i s a l s o t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n f o r t h e s a f e a n d e f f i c i e n t u t i l i z a t i o n o f n e w e n e r g y . T h e c o n n o t a t i o n a n d o v e r a l l c h a r a c t e r i s t i c s o f v i r t u a l p o w e r p l a n t s a r e i n t r o d u c e d . A n d a g a i n s t t h e b a c k d r o p o f t h e s t a t u s q u o i n C h i n a ， t h e m a i n b u s i n e s s s e g m e n t s o f a v i r t u a l p o w e r p l a n t a n d i t s p o l i t i c a l e n v i r o n m e n t a r e e x p o u n d e d . G i v e n t h e e x i s t i n g c a s e s h o m e a n d a b r o a d ， t h e s u p p o r t i n g e l e m e n t s i n c l u d i n g c o n t r o l l a b l e r e s o u r c e s ， k e y t e c h n o l o g i e s a n d m a r k e t m e c h a n i s m f o r t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f v i r t u a l p o w e r p l a n t s a r e s u m m a r i z e d . T h e n ， t h e p r o b l e m s i n t h e p r o m o t i o n o f v i r t u a l p o w e r p l a n t s i n C h i n a a r e s u m m a r i z e d b a s e d o n t h e t h r e e d e v e l o p m e n t p h a s e s . B a s e d o n t h e u n d e r s t a n d i n g o n t h e c o n n o t a t i o n a n d b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s ， i t i s b e l i e v e d t h a t v i r t u a l p o w e r p l a n t s a r e p r o m i s i n g i n i n t e g r a t e d a p p l i c a t i o n w i t h d i g i t a l i z a t i o n ， i n t e l l i g e n t i z a t i o n ， c l o u d s h a r i n g ， a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ， b i g d a t a ， I n t e r n e t o f T h i n g s a n d o t h e r t e c h n o l o g i e s . K e y w o r d s v i r t u a l p o w e r p l a n t ； c a r b o n n e u t r a l i t y ； d e m a n d r e s p o n s e ； E n e r g y I n t e r n e t ； c o n t r o l l a b l e r e s o u r c e s ； n e w p o w e r s y s t e m ； i n t e g r a t e d e n e r g y ； e n e r g y s t o r a g e 0 引言在碳中和、碳达峰背景和目标的驱动下，我国大力推动能源绿色转型，以坚强智能电网为枢纽平台［ 1 - 4 ］，以源、网、荷、储互动与多能互补集成为支撑［ 1 - 3 ， 5 - 7 ］，集中式发电与分布式发电结构并举［ 1 ， 3 - 5 ］，构建以新能源为主体的更加清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动的新型电力系统［ 2 - 3 ， 6 - 9 ］。然而，我国电力行业正处于新老电力系统的转型期，市场主体将从单一化向多元化转变，电力输送将从传统的 “ 发、输、配、用 ” 向新型的 “ 源、网、荷、储 ” 转变［ 3 - 4 ， 7 - 1 0 ］。尤其是碳达峰、碳中和目标确立后，分布式能源和分布式储能的加入，让原有的电力系统变得更加复杂［ 4 ， 6 ， 9 - 1 2 ］。与此同时，新能源装机比例及用户侧间歇性负荷的进一步增长，对电力系统灵活调节能力提出了越来越高的要求，传统 “ 源随荷动 ” 的运行模式亟须向 “ 源荷互动 ” 转变［ 5 - 7 ， 1 3 - 1 6 ］。随着碳中和、碳达峰目标的持续推进，可再生能源、分布式发电的开发得到前所未有的重视，新能源发电大规模布局逐渐成为新业态［ 2 - 5 ， 1 1 ， 1 6 - 2 0 ］。挖掘负荷侧的灵活性资源和调节潜力，成为提升电力系统调节能力和保障电力供应的 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 2 0 9 7 - 0 7 0 6 . 2 0 2 2 . 0 6 . 0 0 3 收稿日期 2 0 2 2 - 0 3 - 1 1 ；修回日期 2 0 2 2 - 0 6 - 0 1 基金项目中国华电集团科技项目（ C H D K J 2 1 - 0 1 - 1 0 7 ）第 4 4 卷重要手段［ 6 - 9 ， 1 6 ， 2 1 - 2 4 ］。新型电力系统的发展成为未来趋势，在新的发电、输电、配电、用电新势态下， “ 虚拟电厂 ” 应运而生，虚拟电厂是当前国家开展新型电力系统建设，实现碳达峰、碳中和目标的一个重要建设方向［ 5 - 9 ， 1 8 ， 2 4 - 2 8 ］，虚拟电厂在破解清洁能源消纳难题、绿色能源转型方面将发挥重要作用，它能够提升能源服务，实现对分布式能源的响应分配、灵活潜力挖掘、多元负荷预测、实时协调控制，参与电力交易市场和需求响应［ 8 ， 1 2 ， 2 9 - 3 2 ］。虚拟电厂作为新型电力系统转型中的重要配置，在政策扶持、技术验证、商业模式等方面都日趋成熟［ 1 4 ， 2 6 ， 3 3 - 3 7 ］。可以预见，虚拟电厂将成为未来解决能源变革问题的重要手段，即将迈入快速增长期［ 1 5 ， 2 9 ， 3 8 - 4 2 ］。目前，国内外学者在虚拟电厂的结构特征、运行机制、优化调度、发展应用等方面已经有了一些基础性研究。文献［ 2 ］阐述了虚拟电厂的基础概念与实现架构，并从电动汽车、综合能源、可再生能源 3 个视角介绍了虚拟电厂优化调度相关的关键技术。文献［ 5 ］分析了虚拟电厂在协调控制、优化调度、参与电力市场交易 3 个方面的研究现状。文献［ 1 0 ］建立了基于多代理系统的虚拟电厂控制架构，并提出了多虚拟电厂参与电力市场时的双层协调运行机制。文献［ 2 2 ］从聚合、经济、运营 3 个维度研究了虚拟电厂协调优化机理，并对虚拟电厂未来发展进行了合理展望。文献［ 2 4 ］提出了一个数据挖掘驱动的基于激励需求响应方案来模拟虚拟电厂及其参与者之间的电力交易，方案通过提供激励来诱导消费者减少负荷并使分布式能源资源得到最大利用。文献［ 2 9 ］对上海电力市场现状进行了研究，并以虚拟电厂为主体建立了其运营市场体系。文献［ 3 8 ］根据虚拟电厂的组成单元特征构建虚拟电厂源、荷、储多元备用容量体系。综合以上分析，已有研究相对缺乏从不同视角对虚拟电厂基础特征内涵的深度剖析及其发展现状的综合概述研究，亟须进一步开展相关方面研究分析。基于此，文中接下来将对虚拟电厂的基础内涵、概念、特征开展简要的阐述，并对我国虚拟电厂产生、发展背景及外部政策环境的支撑情况进行分析。进一步介绍当前虚拟电厂的主流业务板块，并结合虚拟电厂应用案例进行分析，进而概括出虚拟电厂发展中所必需的几个支撑要素。阐述虚拟电厂的 3 个发展阶段，并对我国虚拟电厂发展中的现实问题进行了概况分析。最后对虚拟电厂在未来的发展进行合理展望。 1 虚拟电厂概念特征 1 . 1 虚拟电厂概念虚拟电厂其实不是一个新概念或新事物，它的提出已有 2 0 余年。 2 1 世纪初在德国、英国、法国、荷兰等欧洲国家兴起，并已拥有多个成熟的示范项目，其主要关注分布式能源的可靠并网，同时构筑电力市场中稳定的商业模式［ 9 - 1 1 ， 3 2 - 3 5 ］。近年来，我国虚拟电厂发展受到越来越多的关注和重视，且在日前邀约阶段开展了一定程度上的示范实践，缘由是我国电力系统和政策市场在发生变化，逐渐满足了虚拟电厂诞生、发展的基础土壤环境［ 1 - 3 ， 2 7 ， 3 6 - 3 7 ］。虚拟电厂顾名思义就是虚拟化的电厂，其结构示意如图 1 所示。它不是一个真实的物理电厂，但起到了电厂的作用发出电能，参与能量市场；通过调节功率来参与辅助服务市场调峰、调频等［ 1 4 ， 3 8 - 4 1 ］。虚拟电厂内部通过信息技术将发电、用电、储能等资源进行梳理聚合，与外部集控系统、管理平台配合进行协同控制、协同优化，实现数据分析、运行策略调整［ 2 6 - 2 8 ， 3 9 - 4 1 ］。虚拟电厂对外进行能量传输，根据市场变化需求进行碳市场、电力市场交易。因此，可以将虚拟电厂理解为一种能发挥电厂作用的某种 “ 黑匣子 ” ，它不需要新建一个电厂，但是对外既可以作为 “ 正电厂 ” 向系统供电，也可以作为 “ 负电厂 ” 接收系统的电力。 “ 黑匣子 ” 包含分布式电源、多元储能设施、电动汽车、可控负荷等资源［ 1 - 3 ， 1 8 ， 2 6 - 2 9 ］。但只有这些资源还不足以使之成为有效的能源系统，虚拟电厂还需要一套技术和系统来将它们智能的聚合起来。虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、可控负荷、微网、电动汽车等分布式能源资源的聚合和协调协同优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统［ 1 1 - 1 4 ， 2 8 ， 3 5 - 3 8 ］。虚拟电厂通过分布式能源管理系统将分散安装的清洁能源、可控图 1 虚拟电厂结构示意 F i g . 1 S c h e m a t i c s t r u c t u r e o f a v i r t u a l p o w e r p l a n t · · 2 6第 6 期钟永洁，等虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述负荷和储能聚合作为一个特别的电厂参与电网运行。汇聚的资源可以是发电侧的正电厂，也可以是用户侧的负电厂，还可以是发电用电都有的综合电厂，其核心思想就是把各类分散可调电源、可控负荷、储能聚合起来，通过数字化的手段形成一个虚拟的电厂来做统一的管理和调度，同时作为聚合主体参与电力市场［ 1 4 ， 3 9 - 4 1 ］。所以，虚拟电厂本质上是一套软件平台系统，它聚合了现有的分布式资源，并通过协同控制，参与电力市场，从而替代新建真实的物理电厂［ 6 ， 1 7 ， 4 0 ］。虚拟电厂是对大规模新能源电力进行安全高效利用的有效形式。以风能和太阳能为代表的新能源具有显著的间歇性和强随机波动性，以此为一次能源的发电方式不仅会将这些特性继承下来，还会随时空范围的变化产生规律性改变［ 1 5 - 2 1 ］。因此，若将单一形式的多台新能源发电机组规模化地接入大电网，将产生较严重的系统稳定性问题，这将是制约新能源电力大规模开发利用的瓶颈［ 3 ， 2 2 ， 2 9 - 3 2 ］。虚拟电厂提供的新能源电力与传统能源和储能装置集成的模式，能够在智能协同调控和决策支持下对大电网呈现出稳定的电力输出特性，为新能源电力的安全高效利用开辟了一条新的路径［ 1 9 ， 2 6 - 2 9 ， 3 8 ］。 1 . 2 虚拟电厂特征简单来看，虚拟电厂和需求侧响应比较相似，本质内涵也比较一致，尤其是虚拟电厂参与日前邀约需求响应实现削峰的目的时，表面特征比较类似［ 2 1 ， 3 0 ， 3 9 - 4 0 ］。实际上，广义来讲，虚拟电厂是需求侧响应的延伸版，需求侧响应主要是削峰，主要针对用户负荷；虚拟电厂则是削峰和填谷兼顾，部分具有储能特征，源、网、荷、储都包含在内［ 2 - 5 ， 3 6 ， 3 9 - 4 1 ］。与需求响应的调节方式相比，虚拟电厂由于接入了更多元化的用户，如储能、分布式发电、可控负荷等，在用户参与调节时，不仅负荷侧的用户可以调节自身用电增减，还可以召集储能侧、电源侧的用户调节电能输出，具有丰富的调节方式和手段［ 3 5 ， 4 0 ］。从 “ 黑匣子 ” 视角来看，虚拟电厂由于聚集了分布式能源（发电）、储能（充电 / 放电）、可控负荷（用电）等，因此可根据实际的组成将其划分为电源型、负荷型、储能型、混合型 4 类，具体特征如图 2 所示。虚拟电厂由可控机组、不可控机组，如风、光等分布式能源、储能、可控负荷、电动汽车、通信设备等聚合而成，并进一步考虑需求响应、不确定性等要素，通过与控制中心、云中心、电力交易中心等进行信息通信，实现与大电网的能量互换［ 1 9 - 2 3 ， 3 9 - 4 0 ］。在更广义的概念中，虚拟电厂是基于互联网的能源高度聚合，以及以此为基础而拓展出的多样化衍生服务，其核心是 “ 聚合 ” 和 “ 通信 ” 。将资源进行聚合，并将接入的资源参与到电网互动中，互动内容包括需求响应、辅助服务、电力现货交易等，优化电网的运行状态与电力市场的广泛参与，是虚拟电厂近期和远期所能提供的主要服务［ 2 6 - 2 9 ， 3 3 - 3 6 ］。根据虚拟电厂对外特征，不同类型特征的虚拟电厂具有不同的服务能力。（ 1 ）电源型虚拟电厂具有能量出售的能力，可以参与能量市场，并视实际情形参与辅助服务市场。（ 2 ）负荷型虚拟电厂具有功率调节能力，可以参与辅助服务市场，能量出售属性不足。（ 3 ）储能型虚拟电厂可参与辅助服务市场，也可以部分时段通过放电来出售电能。（ 4 ）混合型虚拟电厂全能型角色。在国外案例中，各国各有特点，日本和德国以储能和分布式电源作为虚拟电厂的主体，美国则是以可控负荷为主，规模已占尖峰负荷的 5 以上［ 1 8 ， 3 6 - 3 8 ， 4 0 ］。根据上述可知，虚拟电厂就是虚拟化的发电厂，它并不具备实体发电厂物理属性，而是一种管理模式或者说是一套系统，通过配套的技术把分散在不同空间的小型太阳能、风能等新能源发电装置、储能电池和各类可控制、可调节的用电设备、负荷整合集成，协调控制，对外等效形成一个可控电源，辅助电力系统运行，并可参与电力市场交易，同时优化资源利用，维护区域内，甚至跨区域的用电稳定与用电安全［ 2 0 ， 2 6 ， 3 3 - 3 6 ］。它既可以有计划地接收电力系统的电力，又可以向电力系统反向输出电力，更灵活高效地进行 “ 削峰填谷 ” 等作业，并获得可观的经济收益［ 7 ， 1 8 ， 4 0 - 4 2 ］。 2 虚拟电厂产生背景目前，我国电力系统主要是以火力发电为主，水电、风电、光伏发电、核电等发电形式作为补充的图 2 虚拟电厂对外特征示意 F i g . 2 C h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t v i r t u a l p o w e r p l a n t s · · 2 7第 4 4 卷电力能源系统［ 6 ， 1 5 - 1 7 ， 3 8 ］。传统电力能源生态系统和虚拟电厂能源生态系统示意如图 3 所示。传统电力能源生态系统总体上围绕电力的生产和消耗，大体上可分为发电侧、输配侧、用电侧；传统电力能源生态系统发电、输电、配电、用电界限较为清晰，生产者与消费者关系也是相对明确，能源系统为典型的 “ 源随荷动 ” 运行模式［ 2 - 5 ， 1 9 ， 3 5 ］。相对于传统电力能源生态系统，虚拟电厂的能源生态系统出现了明显变化，发电、输电、配电、用电界限相互交叉，同时兼具生产者与消费者的角色，根据需求可以改变角色身份特征，运行方式特征为 “ 源荷互动 ” ［ 6 - 8 ， 1 7 ， 4 0 ］。虚拟电厂系统和服务平台将发、输、配、用电综合聚合一起，内部的每一部分都是一个小能源系统，虚拟电厂丰富了智能电网的内涵，也扩展了智能电网的外延，为保证安全、可靠、优质、高效的电力供应，满足经济社会发展对电力的多样化需求，解决能源与环保问题提供了可行的解决方案。电网对运行安全有着严格要求，而电网安全的首要目标就是保证发用电的实时平衡，需要发电侧的不断调节去拟合负荷曲线。但是，新能源发电严重依赖于光照强度、风力强度等自然资源特性指标，具有随机性、间歇性和波动性的特点，对负荷的支撑能力不足［ 1 1 ， 3 6 - 3 7 ， 4 0 - 4 1 ］。若规模化直接并入电网发电，将会对电网造成巨大冲击，威胁电力系统安全以及供电的稳定性。另外，由于小型分布式新能源发电设施、储能设施、可控制用电设备、电动汽车等的持续发展普及，在用电侧，很多电力用户也从单一的消费者转变为混合形态的产销者［ 3 - 6 ， 2 8 ， 3 3 ］，并且各类激增的大功率用电设备，如充电桩所消耗的电也让电网供应尖峰负荷时压力倍增，显然不能任由尖峰负荷 “ 一哄而上 ” 。因而，新的发用电势态下， “ 虚拟电厂 ” 应运而生，为电力能源的安全高效利用开辟了一条新的路径［ 1 8 - 2 2 ， 3 7 ］。随着分布式能源发电技术的逐步成熟与推广，越来越多的分布式能源被广泛运用于电力系统用户侧，作为配网中不可或缺的清洁能源，分布式能源的加入既有效降低了用户侧的碳排放水平又缓解了电力供需间的不平衡现象。另外，如何实现 “ 源、网、荷、储 ” 电力电量平衡、储能管理、策略运营和优化协调运行等功能成了未来价值投资的关键技术，而虚拟电厂作为分布式能源管理的重要技术手段在工业界和学术界都得到了广泛的研究和运用，其以技术可行、经济合理、互利共赢的模式实现低碳、经济转型，助力实现可持续发展、推动碳达峰、碳中和目标的实施［ 1 5 ， 2 6 ， 3 4 - 3 6 ］。 3 虚拟电厂政策环境 2 0 2 1 年，中央深改委通过了关于加快建设全国统一电力市场体系的指导意见，电力市场改革再提速，虚拟电厂作为市场主体，通过参与市场交易完成商业活动，获得经济收益［ 1 5 - 1 9 ， 3 9 - 4 2 ］。 2 0 2 2 年，国家发展改革委和国家能源局发布的图 3 传统电力能源生态系统和虚拟电厂能源生态系统示意 F i g . 3 E x t e r n a l e n v i r o n m e n t o f a t r a d i t i o n a l p o w e r p l a n t a n d a v i r t u a l p o w e r p l a n t · · 2 8第 6 期钟永洁，等虚拟电厂基础特征内涵与发展现状概述 “ 十四五 ” 现代能源体系规划中提出，大力推进电源侧储能发展，合理配置储能规模，改善新能源场站出力特性，支持分布式新能源合理配置储能系统，开展工业可调节负荷、楼宇空调负荷、大数据中心负荷、用户侧储能、电动汽车与电网能量互动等各类资源聚合的虚拟电厂示范。 2 0 2 2 年，国家能源局南方监管局发布了 2 0 2 2 年南方区域电力