從技術(shù)層面講，虛擬電廠并未改變每個(gè)分布式能源并網(wǎng)的方式，而是通過先進(jìn)的控制、計(jì)量、通信等技術(shù)聚合分布式電源、可控負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等不同類型的分布式電源，并通過更高層面的軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，使其能夠參與電力市場和輔助服務(wù)市場運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電能交易，同時(shí)優(yōu)化資源利用，大大提高供電可靠性。

 

虛擬電廠的概念更多強(qiáng)調(diào)的是對(duì)外呈現(xiàn)的功能和效果，這種方法無需對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造而能夠聚合分布式能源對(duì)公網(wǎng)穩(wěn)定輸電，并提供快速相應(yīng)的輔助服務(wù)，成為分布式能源加入電力市場的有效方法，降低了其在市場中孤島運(yùn)行的失衡風(fēng)險(xiǎn)，可以獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效益。同時(shí)，分布式能源的可視化以及虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化大大減小了分布式能源并網(wǎng)對(duì)公網(wǎng)造成的沖擊，降低了分布式能源增長帶來的調(diào)度難度，使使配電管理更趨于合理有序，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

 

（虛擬電廠的典型結(jié)構(gòu)，來源：《虛擬發(fā)電廠研究綜述》中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)）

 

分布式能源發(fā)電系統(tǒng)按照用途分為家庭型和公用型兩類，家庭型發(fā)電系統(tǒng)首先需要滿足用戶自身負(fù)荷，當(dāng)產(chǎn)生電能剩余時(shí)才會(huì)輸送給電網(wǎng)，當(dāng)產(chǎn)生電能不足時(shí)，依然由電網(wǎng)向用戶供電。典型的家庭型分布式電源可以是光伏發(fā)電設(shè)備、小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備以及一些應(yīng)急發(fā)電設(shè)備等。公用型發(fā)電系統(tǒng)作為發(fā)電商，其功能即為自身產(chǎn)生電能并輸送到電網(wǎng)。典型的公用型發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)電站、光伏電站等新興能源發(fā)電裝置。

 

關(guān)鍵技術(shù)

 

1、協(xié)調(diào)控制技術(shù)

 

在分布式能源中占主要部分的可再生能源發(fā)電站，如風(fēng)力發(fā)電站、光伏發(fā)電站等，由于他們的間歇性和波動(dòng)性使得發(fā)電電能質(zhì)量和發(fā)電經(jīng)濟(jì)性成為難點(diǎn)，因此在虛擬電廠控制各種分布式能源發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及可控負(fù)荷的過程中，對(duì)他們的協(xié)調(diào)控制是最關(guān)鍵的部分。集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。虛擬電廠采用集中控制方式時(shí)，所有單元的信息都需要通過控制協(xié)調(diào)中心進(jìn)行處理和雙向通信，采用能源管理系統(tǒng)（EMS）協(xié)調(diào)機(jī)端潮流、可控負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)，找到最佳加爵方案，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。集中控制方式最容易實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的最優(yōu)化運(yùn)行，但其擴(kuò)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(kuò)展性和開放性，更適合參與電力市場。

 

以下為三種控制方式的對(duì)比：

 

 

（虛擬電廠的完全分散控制結(jié)構(gòu)，來源：《虛擬發(fā)電廠研究綜述》中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)）

 

2、信息通信技術(shù)

 

虛擬電廠要采用融合能源流與信息流的雙向通信技術(shù)，控制中心不僅可以接受各單元的當(dāng)前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標(biāo)發(fā)送控制信號(hào)。應(yīng)用于虛擬電廠中的通信技術(shù)主要基于互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、電力線路載波技術(shù)和無線技術(shù)。根據(jù)不同場合和要求，虛擬電廠要應(yīng)用不同的通信技術(shù)。在歐洲進(jìn)行的一些虛擬電廠項(xiàng)目中，主要應(yīng)用有互聯(lián)網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、GPRS技術(shù)和IEC104協(xié)議通信技術(shù)等。

 

3、智能計(jì)量技術(shù)

 

智能計(jì)量技術(shù)是虛擬電廠發(fā)展中設(shè)備應(yīng)用技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠控制技術(shù)的基礎(chǔ)。智能計(jì)量最基本的作用是自動(dòng)測量和讀取用戶住宅內(nèi)的電、熱、氣、水的消耗量和生產(chǎn)量，即自動(dòng)抄表技術(shù)，以此來作為虛擬電廠提供電源盒需求側(cè)的信息來源。

 

發(fā)展現(xiàn)狀

 

目前，VPP技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家有著較為成熟的發(fā)展，在歐美各國已有一些可供借鑒的小規(guī)模示范項(xiàng)目。自2001年起歐洲各國就開始開展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標(biāo)的虛擬發(fā)電廠研究項(xiàng)目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國、丹麥等。現(xiàn)已實(shí)施的虛擬電廠項(xiàng)目包括：德國卡塞爾大學(xué)太陽能供應(yīng)技術(shù)研究所的試點(diǎn)項(xiàng)目、o歐盟虛擬燃料電池電廠項(xiàng)目、歐盟FENIX項(xiàng)目等。北美則較少采用“虛擬發(fā)電廠”的概念，而是主要推進(jìn)利用用戶側(cè)可控負(fù)荷的需求響應(yīng)，并已取得令人矚目的成效：據(jù)統(tǒng)計(jì)2008年美國的各類需求響應(yīng)項(xiàng)目可在用電高峰時(shí)段減少高達(dá)38000MW的負(fù)荷。而在亞太地區(qū)，走在前端的是澳大利亞。2016年8月，AGL能源公司宣布在澳大利亞阿德萊德舉辦一個(gè)5兆瓦的虛擬電廠計(jì)劃。

 

在我國由于能源體制中發(fā)電、輸配電、用電三方的相對(duì)獨(dú)立，國內(nèi)尚未形成相關(guān)成熟的VPP成套解決技術(shù)，VPP基本處于前期研究階段。

 

未來與展望

 

針對(duì)中國實(shí)際情況，對(duì)未來開展虛擬電廠仍需要幾點(diǎn)進(jìn)步：

 

1）虛擬電廠需要用戶的參與，因此對(duì)于這一概念的宣傳還需加深，也需要一定鼓勵(lì)機(jī)制；

 

2）虛擬電廠的應(yīng)用需要中國電力市場的進(jìn)一步完善，為了避免管理和調(diào)度混亂，仍需合理規(guī)劃虛擬電廠的范圍和職能；

 

3）虛擬電廠的發(fā)展需要國內(nèi)擁有合理的競爭機(jī)制和有針對(duì)性的政策。

 

根據(jù)派克研究公司2014年的報(bào)告， VPP市場將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)保持穩(wěn)定增長，基準(zhǔn)情況從2010年的52億美元增長到2015年的近75億美元。在更積極的預(yù)測情況下，清潔技術(shù)市場情報(bào)公司預(yù)測，同期全球VPP收入可能達(dá)到高達(dá)117億美元。

 

派克研究部高級(jí)分析師彼得·阿斯穆斯（Peter Asmus）說：“虛擬發(fā)電廠代表著能源互聯(lián)網(wǎng)”。“這些系統(tǒng)利用現(xiàn)有的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)為客戶量身定制電力供需服務(wù)VPP使用一套復(fù)雜的基于軟件的系統(tǒng)為最終用戶和分銷公用事業(yè)提供最大的價(jià)值，它們是動(dòng)態(tài)的，實(shí)時(shí)提供價(jià)值，并能夠快速反應(yīng)客戶負(fù)荷變化。”

 

各國虛擬電廠的發(fā)展

 

德國

 

作為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)源地的德國，在其能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略中提出明確的棄核期限以及占比非常高的可再生能源發(fā)展指標(biāo)，這意味著其分布式能源的比例也將不斷提高，優(yōu)化控制這些分散的分布式“電廠”、保持電網(wǎng)穩(wěn)定成為了德國能源研究中的重點(diǎn)。在虛擬電廠這一概念的應(yīng)用上，德國也走在前列。科研上，政府的大力支持在全德開展了多個(gè)虛擬電廠試點(diǎn)項(xiàng)目和示范研究項(xiàng)目；商業(yè)上，越來越多的公司開始進(jìn)入虛擬電廠領(lǐng)域，除了大公司西門子、博世等等聯(lián)合傳統(tǒng)電力巨頭想在通訊服務(wù)領(lǐng)域占得頭籌，更多的中小型企業(yè)也看中了虛擬電廠未來的發(fā)展前景，業(yè)務(wù)涉及能效管理、節(jié)能合約、充電設(shè)施服務(wù)等等。

 

RegModHarz項(xiàng)目

 

2008年，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部啟動(dòng)了“E-Energy”計(jì)劃，目標(biāo)是建立一個(gè)能基本實(shí)現(xiàn)自我調(diào)控的智能化的電力系統(tǒng)，而其中信息和通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)此目的的關(guān)鍵。E-Energy同時(shí)也是德國綠色I(xiàn)T先鋒行動(dòng)計(jì)劃的組成部分。綠色I(xiàn)T先鋒行動(dòng)計(jì)劃總共投資1.4億歐元，包括智能發(fā)電、智能電網(wǎng)、智能消費(fèi)和智能儲(chǔ)能四個(gè)方面。為了分別開發(fā)和測試智能電網(wǎng)不同的核心要素，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部通過技術(shù)競賽選擇了6個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。在由“E-Energy”計(jì)劃支持的6個(gè)涉及能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，位于德國中北部的哈茨山脈的可再生能源示范項(xiàng)目——RegModHarz項(xiàng)目，就是將新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虛擬電廠部分。

 

該項(xiàng)目所選定的哈茨地區(qū)，在分布式電力供應(yīng)方面擁有風(fēng)能、抽水蓄能、太陽能、沼氣、生物質(zhì)能以及電動(dòng)車等多種方式，在輸配電方面主要有6家配電運(yùn)營商、4家電力零售商以及1家輸電商運(yùn)營。

 

項(xiàng)目中，虛擬電廠與分散式電源進(jìn)行通訊連接，而與原有的傳統(tǒng)大型發(fā)電場不同的是，新能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化較快，安全、穩(wěn)定性高的傳輸技術(shù)非常必要。所以在此項(xiàng)目中制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，使得虛擬電廠對(duì)于數(shù)據(jù)變化能夠快速反應(yīng)。在考慮發(fā)電端的同時(shí)，虛擬電廠同樣關(guān)注的是用電側(cè)的反應(yīng)，在哈茨地區(qū)的試樣中，家庭用戶安裝了能源管理系統(tǒng)，被稱為“雙向能源管理系統(tǒng)”(簡稱BEMI)。資料顯示，用戶安裝的能源管理系統(tǒng)每15分鐘儲(chǔ)存用戶用電數(shù)據(jù)，記錄用戶每天的用電習(xí)慣慣，并將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教摂M電廠的數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，BEMI系統(tǒng)還可以通過無線控制開關(guān)的插座，當(dāng)電價(jià)發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可以通過無線控制來調(diào)控用電時(shí)間和用電量。
 

（RegModHarz項(xiàng)目發(fā)電側(cè)及用電側(cè)負(fù)荷曲線（其中紅線表示用電量，藍(lán)線表示分布式能源發(fā)電量，風(fēng)能發(fā)電占絕大部分） 來源：RegModHarz項(xiàng)目項(xiàng)目報(bào)告）

 

在哈茨項(xiàng)目執(zhí)行的過去幾年間，項(xiàng)目方對(duì)于進(jìn)入批發(fā)市場的商業(yè)模式進(jìn)行模擬。而模擬的結(jié)果是，在當(dāng)時(shí)，如果缺乏補(bǔ)貼，可再生能源進(jìn)入電力批發(fā)市場獲利可能性很小。在示范區(qū)當(dāng)?shù)兀瑢⒖稍偕茉催M(jìn)行銷售也是另一種商業(yè)模式。隨著民眾對(duì)于可再生能源認(rèn)同感增強(qiáng)，并且對(duì)于當(dāng)?shù)仉娫窗l(fā)展的認(rèn)同與支持，虛擬電廠作為協(xié)調(diào)方，協(xié)調(diào)發(fā)電端和零售商以及最后到用戶端之間的交易。

 

歐盟FENIX項(xiàng)目

 

FENIX（Flexibleelectricity network to integrate the expected energy solution）項(xiàng)目是由來自英國、西班牙、法國等8個(gè)國家的20個(gè)研究機(jī)構(gòu)和組織，在歐盟第6框架計(jì)劃下與2005-2009年間實(shí)施的VPP研究和試點(diǎn)項(xiàng)目，其目的在于通過將大型虛擬電廠（LSVPP）和分布式能源進(jìn)行管理，來最大化地提升DER（分布式能源）對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。

 

（FENIX項(xiàng)目的合作國家及機(jī)構(gòu) 來源：FENIX報(bào)告）

 

FENIX項(xiàng)目的一般架構(gòu)如下圖所示，基于此架構(gòu)，在英國和西班牙分別實(shí)施了北部方案和南部方案。

 

（FENIX項(xiàng)目的一般架構(gòu) 來源：《虛擬電廠歐洲研究項(xiàng)目述評(píng)》電力系統(tǒng)自動(dòng)化第21期）

 

北部方案的重點(diǎn)在于以英國電力市場為依托建立商業(yè)性VPP（CVPP）運(yùn)行模式，在其架構(gòu)中，各種分布能源被分散代理，并通過分布式能源接口傳遞其當(dāng)前狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，匯總后傳給VPP代理，并形成競標(biāo)曲線，參與e-terra Trade的市場競爭和市場交易。

 

而南部方案通過在配電系統(tǒng)中聚合多種分布式發(fā)電技術(shù)同時(shí)應(yīng)用了商業(yè)型VPP和技術(shù)型VPP（TVPP）兩種概念，展示了VPP的三大功能：1）聚合DER加入日前電力市場；2）提供第三備用輔助服務(wù)：3）維持書店和配電電壓。在這個(gè)方案中，每個(gè)DER的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息提交給CVPP，CVPP由西門子公司開發(fā)的分布式能源管理系統(tǒng)（DEMS）來實(shí)現(xiàn)，聚合、制定、分配DER的發(fā)電計(jì)劃，并實(shí)時(shí)操控，在TVPP方面，配電網(wǎng)運(yùn)營商根據(jù)當(dāng)?shù)豐CADA參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息，進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，確定DER與輸電系統(tǒng)連接點(diǎn)的潮流來保證電壓穩(wěn)定。

 

NextKraftwerke公司

 

NextKraftwerke是德國一家大型的虛擬電廠運(yùn)營商，同時(shí)也是歐洲電力交易市場 (EPEX) 認(rèn)證的能源交易商，參與能源的現(xiàn)貨市場交易。除了虛擬電廠相關(guān)的一切業(yè)務(wù)，從技術(shù)，電力交易，電力銷售，用戶結(jié)算等，同時(shí)也可以為其他能源運(yùn)營商提供虛擬電廠的運(yùn)營服務(wù)。管理了超過2400個(gè)分布式發(fā)電設(shè)備，包括生物質(zhì)發(fā)電裝置，熱電聯(lián)產(chǎn)，水電站，靈活可控負(fù)荷，風(fēng)能和太陽能光伏電站等, 總體管理規(guī)模達(dá)到1450MW。是目前德國虛擬電廠方面的領(lǐng)先企業(yè)。

 

公司有兩種主要的業(yè)務(wù)模式，一方面是將風(fēng)電和光伏發(fā)電等可控性較差的發(fā)電資源直接參與電力市場交易，獲取利潤分成。另一方面，它利用生物質(zhì)發(fā)電和水電啟動(dòng)速度快、出力靈活的特點(diǎn)，來參與電網(wǎng)的二次調(diào)頻和三次調(diào)頻，從而獲取附加收益，這也是這家公司最重要的利潤來源。目前Next公司能占到德國二次調(diào)頻市場的10%的份額。

 

第一種業(yè)務(wù)模式在發(fā)電端（風(fēng)電/光伏）安裝遠(yuǎn)程控制裝置NextBox，通過這個(gè)硬件設(shè)備將電源集成到了虛擬電廠平臺(tái)；根據(jù)電源運(yùn)行參數(shù)、市場數(shù)據(jù)和電網(wǎng)狀態(tài)，通過虛擬電廠平臺(tái)對(duì)各個(gè)電源進(jìn)行控制，參與電力市場交易；虛擬電廠運(yùn)營商不需要自己投資交易基礎(chǔ)設(shè)施，就可獲取能源交易收益。
 

 

（Next Kraftwerke的業(yè)務(wù)模式圖1 來源：Next Kraftwerke）

 

另外一種業(yè)務(wù)模式是在生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的機(jī)組（CHP）安裝遠(yuǎn)程控制裝置NextBox，CHP的靈活性可以提供給電力平衡市場；平時(shí)CHP會(huì)收到備用費(fèi)補(bǔ)償，這時(shí)CHP正常運(yùn)行不需要作出調(diào)整；當(dāng)電網(wǎng)過載時(shí)，CHP可以在幾分鐘內(nèi)減少或停止出力。CHP運(yùn)營商將從Next獲得額外的調(diào)頻服務(wù)費(fèi)。
 

 

（Next Kraftwerke的業(yè)務(wù)模式圖2 來源：Next Kraftwerke）

 

澳大利亞

 

近年來，澳大利亞開始大力發(fā)展生物質(zhì)、光伏和風(fēng)電等可再生能源，盡管在全國一次能源生產(chǎn)中的比例僅占2%，但在南澳大利亞州等地區(qū)風(fēng)電已經(jīng)供應(yīng)了近40%的電力。澳大利亞對(duì)于新能源發(fā)展的扶持為其虛擬電廠的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。

 

AGL能源公司項(xiàng)目

 

澳大利亞最大的可再生能源資產(chǎn)私有者和運(yùn)營商AGL能源有限公司（AGL）去年8月宣布推出全球最大的虛擬電廠，最終在南澳的家庭和企業(yè)中安裝了1,000臺(tái)連接電池，提供5兆瓦的峰值能力，并為客戶提供節(jié)省能源費(fèi)用的機(jī)會(huì)。在這一示范項(xiàng)目中，AGl與澳大利亞可再生能源機(jī)構(gòu)（ARENA）和美國領(lǐng)先的儲(chǔ)能和管理公司Sunverge公司合作。

 

在美國，其虛擬電廠主要基于需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃發(fā)展而來，兼顧考慮可再生能源的利用，因此對(duì)負(fù)荷的控制和儲(chǔ)能設(shè)備的投入占其虛擬電廠的主要部分。

 

ConEdison項(xiàng)目

 

美國SunPower推出新型屋頂太陽能+存儲(chǔ)捆綁包，旨在紐約建立一個(gè)虛擬電廠，包括1.8兆瓦的光伏裝機(jī)容量和4兆瓦的電池存儲(chǔ)。1500萬美元項(xiàng)目是紐約“能源愿景改革（REV）”計(jì)劃的一部分，Sunverge提供鋰離子電池存儲(chǔ)系統(tǒng)，SunPower租賃其太陽能電池板，公用事業(yè)Con Edison管理存儲(chǔ)電力的電網(wǎng)供電。該項(xiàng)目就是為了將更多的太陽能集成到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，這樣Con Edison就能夠在高峰時(shí)段給客戶調(diào)度存儲(chǔ)電力。如果發(fā)生停電，住戶們還可以使用。該試驗(yàn)項(xiàng)目將為紐約布魯克林和皇后區(qū)的300個(gè)住宅用戶提供服務(wù)，Con Edison主要瞄準(zhǔn)自用單戶住宅。參與租用SunPower太陽能系統(tǒng)（從7kW 到9kW）的租戶將獲得Sunverge合適尺寸的電池--該公司提供其6kWh和19.4kWh存儲(chǔ)系統(tǒng)。該存儲(chǔ)系統(tǒng)一開始?xì)wCon Edison所有，可讓此公用事業(yè)測試該領(lǐng)域?qū)崟r(shí)應(yīng)用、調(diào)峰、調(diào)頻和技術(shù)能力。