8月25-26日，首屆全國用戶側(cè)儲能細分市場開發(fā)與應用高層研討會在江蘇無錫太湖飯店召開。東南大學電力經(jīng)濟技術研究所仿真實驗室主任、副教授喻潔在會議上,就“考慮源-荷-儲互補特性的虛擬發(fā)電廠規(guī)劃與運行策略”發(fā)表演講。

 

 

演講全文如下：

 

喻潔：關于未來儲能能夠參與到電力系統(tǒng)的一些商業(yè)運營模式，我就是從我比較熟悉的虛擬發(fā)電廠概念與大家先分享一下我們團隊的一些科研成果。

 

虛擬發(fā)電廠在國外也一個比較新的概念。國外的示范工程主要集中在歐洲，虛擬發(fā)電廠最早是在配電網(wǎng)中間，是由配電網(wǎng)中的分布式可再生電源以及需求側(cè)響應的柔性負荷和多種類型的儲能技術，其中包括大規(guī)模電動汽車的技術組成的。中國的虛擬電廠其實也做了一定的拓展，也就是說也不一定局限于分布式電源。我們現(xiàn)在承擔的科技項目也有把傳統(tǒng)電廠作為虛擬電廠一部分，只要能把它很好的做一個控制。

 

虛擬電廠的概念背景最早起源于在配電網(wǎng)中間的分布式電源大規(guī)模應用，分布式電源大規(guī)模應用大家都知道是一個比較自主化的，缺少一個統(tǒng)一的管理手段和模式。分布式電源大規(guī)模接入電網(wǎng)之后，預期有可能會對電網(wǎng)的運行受到影響，首先受到影響就是負荷預測的不準確性，后面對電網(wǎng)運行可靠性有專家也做出了研究。當分布式電源占比超過了百分之多少的時候有可能對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

 

在這樣的發(fā)展背景下，提出的虛擬發(fā)電廠概念就是希望能通過一些控制手段，把這些分散的分布式電源組織起來，形成一種可以控制的、規(guī)模化效應的類似于電廠的組織。這個概念的發(fā)展過程之中后來又融入了需求側(cè)管理柔性負荷的概念，以及最后儲能設備的技術發(fā)展，就使得虛擬發(fā)電廠可控性就越來越好。所以在虛擬發(fā)電廠的定義里面其實體現(xiàn)了幾個方面的靈活性：

 

一個是組織的靈活性。因為虛擬發(fā)電廠內(nèi)部是可以有不同的組織，分布式電源、儲能單元和用電單元組合成一種虛擬組織。

 

第二個是構建的靈活性。在虛擬電廠構建過程中可以把地理位置分散的不同的分布式電源通過控制策略組織起來。

 

第三個是運行的靈活性。針對不同類型組成的虛擬電廠要適應當時實時的電網(wǎng)運行狀態(tài)。在電力市場改革的背景下適應于當時電力市場的規(guī)則，運行要有一定的靈活性。

 

第四個就是環(huán)境的適應性。大概分一下虛擬發(fā)電廠類型，我們分為基數(shù)型和商業(yè)型。但是這兩種類型的分裂并不是說把他們分割開了，而是說虛擬電廠具有這兩種方面的作用。技術型虛擬電廠主要實現(xiàn)的是對分布式單元的協(xié)調(diào)控制，還包括了儲能裝置以及可以做需求響應的負荷單元。這里包括了各種類型的聯(lián)網(wǎng)和互動，以及通過合理的控制策略使得虛擬發(fā)電廠最后總體呈現(xiàn)出一種可控的特性，類似于發(fā)電廠的可控特性。也就是說可以控制總體的輸出功率或者說總體的用電功率，或者說可調(diào)節(jié)功率。這一點是非常重要的，因為只有具有了這一點才能夠成為一個虛擬發(fā)電廠，才能夠有技術上的可能性去參與到電力市場或者其他的商業(yè)運行模式之中。所以說在技術型虛擬發(fā)電廠完成之后，要考慮的就是商業(yè)型虛擬發(fā)電廠的運行。商業(yè)型虛擬發(fā)電廠的運行應該充分考慮到當?shù)氐碾娏κ袌鰴C制以及當?shù)氐碾妰r機制。那么與電網(wǎng)互動，甚至也可以考慮到其他的相關能源領域的政策，比如說炭交易市場和剛剛出來的綠證交易等等。這兩方面的技術型和商業(yè)型其實是互為支持的。

 

在電力市場中虛擬發(fā)電廠能夠起到什么樣的作用呢？如果要是按照角色分類其實是可以作為發(fā)電商或者是輔助服務的提供商。另外，如果是負荷型為主的虛擬發(fā)電廠，可以作為負荷聚集商，虛擬發(fā)電廠也可以作為中國能源服務商。我們現(xiàn)在做的虛擬電廠就是多能互補，甚至考慮電能替代的。另外如果要是在一個智慧園區(qū)的固定區(qū)域范圍之內(nèi)，虛擬發(fā)電廠就更有點像是微電網(wǎng)，這幾個概念之間有一定的關聯(lián)性，但是也是有所區(qū)別的。

 

虛擬發(fā)電廠和傳統(tǒng)的發(fā)電廠有什么區(qū)別？虛擬發(fā)電廠這個名字的叫法其實就是借鑒了傳統(tǒng)發(fā)電廠中間的外特性的概念，比如說輸出的可控性，也就是說內(nèi)部的各個分布式單元具體的輸出是內(nèi)部控制策略決定的。但是作為虛擬發(fā)電廠的整體，就應該保證使虛擬發(fā)電廠外部的輸出具有可控特性。另外還有像爬坡速率、旋轉(zhuǎn)備用以及發(fā)電廠的外部特征都具備。只有具備了這樣特性的發(fā)電廠，未來才有可能參與到電力市場中，才有可能做到這樣的商業(yè)運行模式。不同的地方在于，傳統(tǒng)發(fā)電廠是具有穩(wěn)定屬性的。我建了幾臺機組裝機容量是固定的，但是虛擬發(fā)電廠是屬于很靈活的、可擴充的。只要分布式電源參與越來越多或者是我的負荷參與者越來越多，虛擬發(fā)電廠的容量其實是可以擴展的，并且速度是可以比較靈活的調(diào)節(jié)。大家知道，分布式電源調(diào)節(jié)速率還是很快的，這些特色其實就對虛擬發(fā)電廠的控制產(chǎn)生了更高的要求。

 

虛擬發(fā)電廠和微電網(wǎng)確實很有相似之處，首先都是由不同的分布式電源和負荷，以及儲能裝置組成的。他們的組成單元基本上都是接入配電網(wǎng)運行，但最主要的區(qū)別就在于，虛擬發(fā)電廠下面的組成單元，地理位置是可以分散的。微電網(wǎng)是地理位置比較集中的，是通過TCC的連接點連接在配電網(wǎng)中間。微電網(wǎng)的可以有孤島運行和定網(wǎng)運行兩種狀態(tài)，但是虛擬發(fā)電廠一般來講就是一個運行狀態(tài)，而且虛擬發(fā)電廠有多個不同的接入點。同時虛擬發(fā)電廠除了技術上的控制，更重要的是要考慮商業(yè)運行模式。

 

經(jīng)常聽到另外一個說法叫能效電廠。能效電廠主要是由負荷組成的，能效電廠最后獲得的能效也就是通過負荷側(cè)的需求側(cè)管理，使得負荷側(cè)節(jié)約了用電量。也就是能效電廠一般來講是不發(fā)電的，是通過節(jié)約用電量獲得能效。虛擬發(fā)電廠的概念可以包含能效電廠，但虛擬發(fā)電廠的概念更寬泛一些，是可以包括電源的。

 

下面跟大家介紹一下國外虛擬發(fā)電廠典型應用案例。虛擬發(fā)電廠示范工程大部分是在歐洲，比較典型的一個是丹麥的EVPP項目，就是跟儲能是密切相關，因為里面包含了大量的電動汽車。在電動汽車收集底層歷史數(shù)據(jù)，通過EV操作源聚合到電力市場中間的零售商中，然后通過零售商參與到電力市場中間。歐盟的WEB2ENERGY VPP項目是通過互聯(lián)網(wǎng)接入用戶，用戶端通過互聯(lián)網(wǎng)接入到虛擬發(fā)電廠的控制中心，并且通過廣域網(wǎng)實現(xiàn)這樣一個公約。和電網(wǎng)之間目前公約基本上還是在專用的通信網(wǎng)絡上，所以歐盟側(cè)重于WEB。

 

下一個項目是歐盟的FENIX VPP項目，這個項目是把技術型的VPP和商業(yè)運行的VPP做了一個結合。這里也考慮到了傳統(tǒng)發(fā)電機組和熱電聯(lián)供的風電機組一起結合在虛擬發(fā)電廠當中，通過技術手段給他們做一個協(xié)調(diào)的控制，之后通過交易軟件參與到電力市場之中。荷蘭的電力匹配器體系結構主要是一個代理的概念，也就是一個虛擬發(fā)電廠類似于代理。通過集中代理、拍賣代理等等不同的代理，在市場中間獲得自己的價格。德國的VPP項目里面所包含的分布式電源類型比較多，而且分布式電源是通過400V接入，風電場是通過20千伏接入，嘗試的是在不同電壓等級下做的集中的虛擬發(fā)電廠的嘗試。

 

再說一下我們現(xiàn)在承擔的國內(nèi)虛擬發(fā)電廠的科研項目，內(nèi)部是考慮到了多種能源互補以及電能替換，后期如果有成熟的研究成果，可以繼續(xù)與大家分享。虛擬發(fā)電廠現(xiàn)在說起來好像是具有了發(fā)電能力以及負荷側(cè)的需求響應能力和可調(diào)節(jié)能力。為什么能夠具備這些能力？就在于虛擬發(fā)電廠規(guī)劃的時候，要包含哪些成員是很重要的。虛擬發(fā)電廠在規(guī)劃的時候首先要對自己儲存的成員結構進行一個潛力評估。我們在科研過程之間列出了一些遷移評估方案，包括分布式電源的能力和特性、需求響應能力，還有儲能充放電能力。我們團隊也正在提一個新的概念，叫做虛擬發(fā)電廠的海綿特性，也就是說當電力系統(tǒng)處于負荷低谷的時候，發(fā)電量高于負荷量，那么儲能就開始吸收儲存電能。當負荷高峰的時候，發(fā)電量小于負荷量，那么儲能裝置開始釋放電能。這樣的海綿特性伸縮彈性其實是很有助于電力平衡，就是電力的第一性原理需要平衡。虛擬發(fā)電廠組建的過程中，還需要對當?shù)氐碾娋W(wǎng)情況做一個評估。電網(wǎng)的網(wǎng)架結構、電力供應情況以及當?shù)氐碾娏κ袌鰴C制。因為我國現(xiàn)在各個省的電力市場機制都有所不同，以及當?shù)氐男袠I(yè)的定價等等，這些都是要在規(guī)劃的過程中做一個經(jīng)濟性的評估。

 

另外，對于相關的能源政策也是要有所關注，包括現(xiàn)在國家規(guī)定的碳交易市場以及其他的節(jié)能減排政策和電能替代政策，這都是可以做到我們的目標函數(shù)之中。我們現(xiàn)在雖然定義了一些公式，但是缺少的還是第一手的設備資料，歡迎大家跟我們一起討論。多能協(xié)調(diào)規(guī)劃的過程中把下面的榫合度的約束條件考慮在整個的目標函數(shù)里面。目標函數(shù)可以考慮到經(jīng)濟性、可靠性和充分利用率等方面，目標函數(shù)的權重也是可以設計的，如果經(jīng)濟性第一考慮，那么經(jīng)濟性權重就設為最高。

 

虛擬發(fā)電廠在規(guī)劃完成之后就涉及到運行，虛擬發(fā)電廠的運行其實就是能夠在商業(yè)模式中獲得利潤的關鍵。虛擬發(fā)電廠的運行根據(jù)組建過程中當?shù)氐耐ㄓ崡l件以及組建的方式可以分為幾種運行控制模式：

 

一種就是集中式的控制。基本上電力系統(tǒng)現(xiàn)在就是這樣，就是把所有的組成成員信息都采集到控制中心，控制中心來下發(fā)所有的控制指令，這個就是集中式的控制模式。但是在虛擬發(fā)電廠建設過程中，集中式的控制模式有一個約束條件，就是對于所有的分布式單元都要有信息采集和控制的通路，這是在建設的時候必須要考慮到的。

 

另外一種是分散式的控制。也就是說我公布一個信息，可能是電價信息或者其他激勵信息。這個信息只是公布出去，但是我不做主動控制。對于這個信息響應，就是各個組成成員自主地響應。這種模式就是比較自由，但是也有一個缺陷，就是對于響應總體的效果很難控制。有的負荷單元也許響應得多一點、有的也許響應的少一點。

 

還有一種控制模式就是分布式控制。就是基于現(xiàn)有的通訊手段，只要分布式單元中間可以有通訊的鏈接，那么就可以通過分布式控制的算法達到整體想控制的目標。

 

還有一種方式是組合方式，可以把上面幾種方式因地制宜組合起來。

 

下面是我們團隊研究過的幾種虛擬發(fā)電廠的優(yōu)化調(diào)度的辦法。隨機優(yōu)化算法一般是考慮到分布式電源負荷的隨機波動性做的算法，隨著儲能的加入對于隨機性的要求更增強了。另外一種是分布式控制的算法，可以由各個分布式單元之間完成。還有多層優(yōu)化，可以在我們做成組合式的控制結構中間用多層優(yōu)化算法。另外就是多目標的優(yōu)化，我們可以根據(jù)不同的運行環(huán)境設置不同的目標。

 

虛擬發(fā)電廠的通訊技術也就是在配電網(wǎng)中，所有的分布式電源、所有的分布式儲能都去建設一個通信的鏈路。這個投資成本是非常高的，可以充分利用現(xiàn)有的不管是有線通訊、無線通訊還是公用的互聯(lián)網(wǎng)通訊，組建一個虛擬電廠。通過這些虛擬電廠的控制手段和技術，最終可以獲得虛擬電廠的固定參數(shù)以及的動態(tài)參數(shù)，從而組成虛擬電廠整體的控制手段，這也就是虛擬電廠與傳統(tǒng)電廠相比的競爭優(yōu)勢。

 

下面講一下我們團隊對于虛擬電廠參與到電力市場機制中的考慮。因為我們曾經(jīng)在需求側(cè)管理的方向上面做過一些累積，所以說對于峰時電價、實時電價和尖峰電價有一定基礎。在虛擬電廠中可以考慮到基于價格和基于激勵兩方面的需求側(cè)響應機制，這比較符合我國目前的現(xiàn)狀。在完善電力市場機制下，電力市場機制其實應該包括的是中長期年度市場、月度和實時市場以及各種服務市場。其實虛擬電廠如果說對內(nèi)部實現(xiàn)了有效的控制，它在參與電力市場的背景下也是很具有優(yōu)勢的，尤其是在參與電力輔助服務市場的優(yōu)勢，可能比傳統(tǒng)的機組還要更大一些。輔助服務市場包括幾個方面，一個是保持頻率穩(wěn)定的服務，另外一個保持電壓穩(wěn)定的服務、保持狀態(tài)穩(wěn)定的服務。虛擬發(fā)電廠控制的靈活性、反映快速性方面是優(yōu)于傳統(tǒng)機組的，但是這其中自身有效的控制策略是非常關鍵的。

 

總結一下，虛擬電廠在電力市場中可以承擔的角色包括發(fā)電商、發(fā)電經(jīng)紀商、輔助服務供應商、以及售電商，這其中都少不了儲能裝置的參與。跟大家說一下我們對于虛擬發(fā)電廠角色的考慮，在電力體制一體化的模式下，可以通過配電公司參與到電力系統(tǒng)整個的運行調(diào)度之中。電力批發(fā)市場競爭模式下可以作為負荷聚合商，當負荷聚合商達到一定規(guī)模的時候可以作為獨立的輔助服務提供商，電力市場零售競爭模式下是可以作為零售商和負荷聚合商參與到電力的零售市場。我們團隊對這方面其實做過不少的數(shù)學模型策略研究分析，也正在規(guī)劃一個仿真實驗室。在仿真實驗室的規(guī)劃里面是希望能夠做成市場規(guī)則庫，可以適應不同規(guī)則的電力市場的模擬，并且模擬虛擬發(fā)電廠參與電力市場的報價檢測包括內(nèi)部的成本分析、市場分析考核策略等等。其中我們提出的一個比較新的概念就是一個發(fā)電激勵策略，這個源荷儲的自動發(fā)電激勵策略，是基于我們以前做的需求側(cè)管理的響應策略，針對分布式電源以及負荷儲能自身的運行特點量體裁衣來制定的激勵性策略。