技术 | 虚拟电厂支撑泛在电力物联网建设 以其为核心的售电公司将逐步参与电力市场交易

摘要

我国能源互联网及微电网项目落地过程中遇到了诸多问题,究其原因是缺乏合理的商业模式。泛在电力物联网建设背景下,高比例可再生能源、规模化电动汽车以及信息物理系统的建设都将增加电力系统运行成本,这与降低用户电价的目标相矛盾。只有通过发挥分布式发电、分布式储能、微电网等资源的绿色价值与灵活性价值,才能有效解决上述问题与矛盾。虚拟电厂通过信息集成控制多类型柔性负荷,以实现能源高效利用,是解决上述问题的一种手段,也是一种支撑能源互联网建设的可行商业模式。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)虚拟电厂标准委员会由国网冀北电力有限公司负责组织,研究制定虚拟电厂国际标准。立足于虚拟电厂国际标准制定研究成果,首先提出虚拟电厂的定义,通过对比分析提炼总结虚拟电厂特性,并构建了虚拟电厂“批发-零售”两级市场交易体系。再次,面向虚拟电厂调度特性及其市场交易要求,通过聚合、经济、运营3个维度建立虚拟电厂协调优化机理,并针对虚拟电厂商业模式经济性进行测算;最后,对虚拟电厂未来发展进行了展望。

（来源：电网技术 作者：王宣元, 刘敦楠, 刘蓁, 刘明光, 王佳妮, 高源, 王雄飞）

0 引言

现阶段能源互联网工程推进不顺利,其原因是缺乏科学合理的电价机制与商业模式。自2016年2月以来,我国开始逐步推动能源互联网建设,并先后在全国开展试点,建设效果未能满足预期[1]。缺乏配套的商业模式使得各方资本在实际投资过程中缺乏积极性。能源互联网是未来能源供需的必要形式,也是解决能源供需矛盾的重要途径,有必要通过商业模式创新来推动我国能源互联网建设发展[2-3]。

同时,分布式发电并网具有随机性和波动性,分散式风电、分布式光伏等分布式可再生能源运行过程中的不确定性,不断给电网的可靠运行带来挑战,如潮流变化、线路拥塞、电压闪变等[4]。通过建设本地供-需协调,就地平衡分布式可再生能源的波动性、随机性的微电网(microgrid,MG)或主动式配电网,成为促进分布式能源利用的有效手段[5]。

另一方面,分布式并网成本相对较高,这与我国降低用户用能成本的目标相矛盾。考虑到分布式发电具有就地取材、就地消纳的特点[6],同时有利于我国清洁低碳能源体系构建,有必要进行市场机制或商业模式创新促进分布式并网发电[7]。随着电力市场不断完善,通信控制技术的发展,一种可以摆脱区域范围限制,在通信、控制、计算机等技术支撑下,通过电力市场利益驱动,协调分散式风电、分布式光伏等各类分布式能源(distributed energy resource,DER)波动,提高用户侧运行灵活性与友好型的虚拟电厂运营模式孕育而生[8-9]。

2019年1月,国家电网公司提出“三型两网”发展战略目标,建立智能电网与泛在电力物联网有机联合的国际一流能源互联网企业。泛在电力物联网建设背景强调建设各级电网协调发展、状态全面感知、信息高效处理的坚强智能电网和泛在电力物联网,发挥电网在能源汇集、传输、转换中的枢纽作用,促进清洁低碳发展,促进供需对接,提高系统灵活性[10-11]。电力市场政策、机制以及技术的发展,将加速以风、光等可再生能源为代表的分布式电源、柔性负荷、储能等DER的发展。可以说,泛在电力物联网的建设为能源互联网构建提供了有力支撑,也为虚拟电厂建设与实施提供了技术驱动力[12]。只有通过泛在电力物联网建设才能有效获取终端设备数据,在此基础上通过云计算、边缘计算等技术进行数据分析,实现虚拟电厂交易及调度优化。同时,虚拟电厂通过信息物理网络连接分布式发电[13]、分布式储能[14]、可控负荷[15]以及电动汽车[16-17]等柔性负荷,以实现负荷集成并向电力系统提供辅助服务,其调度及运营特性具有泛在电力物联网基本特征。在一定程度上,虚拟电厂是泛在电力物联网的具体形式和基本单元。

2018年3月,由国网冀北电力有限公司主导的IEC虚拟电厂《用例》国际标准成功立项,成为IEC在虚拟电厂领域立项的首批国际标准,将对我国虚拟电厂建设具有重要的指导意义。

国家电网公司选取冀北、上海等地开展虚拟电厂项目示范,示范项目将在2019年年底落地实施。示范项目实施不仅依赖于物理层、信息层建设,也需要进行虚拟电厂商业模式设计。目前,示范项目落地亟待解决其商业模式,从而形成成熟的虚拟电厂运营体系[18]。

鉴于此,本文基于虚拟电厂标准制定工作成果,在对现有工作进行总结的基础上提出虚拟电厂的定义,通过对比分析研究虚拟电厂特性。在此基础上,提出了虚拟电厂批发、零售两级市场的商业模式与典型交易组织模式。随后,根据虚拟电厂参与市场交易的基本要求,提出了聚合、激励、运营3个阶段有机联合的虚拟电厂协调优化激励。最后,结合我国泛在电力物联网建设和电力市场建设方向,给出了虚拟电厂发展建议。本文研究成果可为冀北虚拟电厂应用示范提供指导,为泛在电力物联网背景下我国虚拟电厂建设发展提供借鉴。

1 虚拟电厂的定义及特性

1.1 虚拟电厂的定义

虚拟电厂在聚合规模效益驱动下,利用通信、控制、计算机等技术将独立的DER聚合统一参与电力市场,利用电力市场加强电力系统供应侧与需求侧之前的协调互动,加强新能源与系统间的相互容纳能力。

虚拟电厂这一概念已提出十余年[19],在欧洲、北美已经有荷兰功率匹配器[20]、FENIX[21]等虚拟电厂示范应用项目,对虚拟电厂的定义、功能也有不同形式的描述。国内虚拟电厂尚初起步阶段,尚未根据具体工程形成虚拟电厂整体定义[18]。

基于国内外研究基础及虚拟电厂国际标准制定工作成果,本文将虚拟电厂内在驱动力描述为：以电力市场配置电力资源运行为驱动,通过协调、优化和控制由分布式电源、储能、智慧社区、可控工商业负荷等柔性负荷聚合而成的分布式能源集群,并作为一个整体参与电力市场交易及辅助电力系统运行安全,同时提供调峰、调频、紧急控制等辅助服务,进而依据虚拟电厂内部各类DER的贡献度进行利益分配。虚拟电厂运营框架如图1所示。

图1 虚拟电厂运营概念示意图Fig. 1 Concept sketch of the virtual power plant

总之,虚拟电厂(virtual power plant,VPP)的核心功能目标是以价值为驱动,整合各类柔性资源,参与电力批发市场各类交易,为电网运营提供容量和辅助服务,提高电力系统的经济性和可靠性,并促进可再生能源的高效优化整合。主要技术框架包括分布式能源的智能计量与控制,信息通信技术(information communications technology,ICT)基础设施,建模、预测、调度优化技术,以及电力市场协调运营方法[22]。

由虚拟电厂定义可以看出,虚拟电厂融合了物理、信息、价值等多种要素,在要素重组的基础上实现了价值增值。物理系统是虚拟电厂运营的基础,价值系统是其运营驱动力,信息系统则是连接物理-价值的媒介与核心。能源互联网建设之前,各用能终端数据颗粒度大、信息通道受限等因素在一定程度上限制了虚拟电厂的开发和应用。在泛在电力物联网建设背景下,以无线通信、泛在感知、边缘计算及云数据平台为支撑,使得供用能终端数据得以实时有效服务于业务体系,形成数据驱动下的业务创新模式,虚拟电厂则是在这一背景下可行的模式之一。从长期规划来看,虚拟电厂是推进泛在电力物联网建设的基础,也将成为泛在电力物联网与能源互联网的基本单元和终极形态[18]。

1.2 虚拟电厂的特性

虚拟电厂通过整合分散式风电、分布式光伏在内的各类DER,在电力市场运营中参与电能量市场与辅助服务市场,提高电力系统与风电、光伏等清洁能源波动性的相互适应性[23]。在电力市场运营方面,参与的市场交易类型与火电厂相同,在资源分布特点与促进分布式能源并网消纳方面,与微电网相似,但在环境保护、系统结构、功能特点等方式具有根本区别[24-25]。

虚拟电厂与火电厂、微电网相比,是一种通过市场机制聚集分布式发电、柔性负荷、储能等分布式能源参与电力市场运行的运营机制,提升虚拟电厂及参与虚拟电厂各成员的整体收益,提高可再生能源的市场参与积极性与系统运行友好型,促进电力系统实现低碳、高效的多赢市场化运营。参与虚拟电厂的各成员灵活性、参与性强。具体来看,虚拟电厂相比火电厂与微电网,在低碳运行、物理结构以及控制模式3个方面存在差异：

1）在低碳运行方面。虚拟电厂通过市场利益分配,提高分散式风电、分布式光伏等可再生能源、储能系统、柔性负荷等各类DER市场参与积极性与便利性,增加DER规模效应,促进供需互动,减少DER随机性、波动性对电力系统的影响,提高电力系统可再生能源接纳能力,提供系统低碳环保运行能力[26]。

2）在物理结构方面。虚拟电厂各成员通过响应虚拟电厂的控制要求,对外整体参与电力系统运行调节和电力市场运营。虚拟电厂对各参与成员提出基本的市场准入和调节特性等基本要求[23]。参与虚拟电厂的各成员应满足虚拟电厂成员的准入市场、技术条件,本身具有可调节性,可以在一种或多种的电力市场交易类型上响应虚拟电厂的运行过程。

3）在控制模式方面。虚拟电厂强调内部成员间的协调控制,控制形式有所不同,主要为分散控制和完全分散控制。分散控制虚拟电厂引入分层模型,将虚拟电厂分为多个层次[27]。分散控制中,虚拟电厂监督和协调其辖区内的DER,同时将某些决策反馈给上层虚拟电厂,这种控制方式可以分担中央控制单元的职能,不同于完全分散控制,分散控制不仅使通信系统简单化,还减少了通讯系统的负担。

2 虚拟电厂“批发-零售”两级市场交易体系

虚拟电厂作为一种受电力系统运行约束,以电力市场规则、电力系统运行需求、内部成员利益等3方面条件驱动的电力系统市场化运营模式之一,需构建有效提高内部成员积极性、友好响应系统外部需求的虚拟电厂组织形式、商业模式[9,28-29]。

在现阶段,虚拟电厂主要通过调度灵活性资源提供辅助服务。随着电力市场机制的逐步完善以及售电市场的建设,以虚拟电厂为核心的售电公司将逐步参与电力市场交易。也就是说,虚拟电厂运营商可以作为一个独立的市场主体代理自己服务范围内的分布式能源、柔性负荷、储能系统等灵活性资源主动参与电力市场。基本市场框架如图2所示。

图2 虚拟电厂交易体系Fig. 2 Transaction system of VPP

在电力市场交易体系中,虚拟电厂运营商承担以下责任,并享有相应的效益：

1）虚拟电厂运营商对外的责任。

虚拟电厂运营商与虚拟电厂内部各组成部分间是委托代理关系,虚拟电厂运营商是虚拟电厂内外双向互动的主体和媒介。虚拟电厂运营商负责虚拟电厂与外部大电网、发售电企业间的信息交换,既可以作为售电企业,替虚拟电厂中的用户进行购售电交易,还可以作为辅助服务提供商,参与辅助服务市场来获得辅助服务补偿。与此同时虚拟电厂运营商整体也可以对峰谷分时电价等需求侧管理措施进行积极响应。根据虚拟电厂聚合灵活性资源的特点,辅助服务交易将是虚拟电厂的重要交易类型[30]。基于对批发市场和用户调用进行双向决策,负荷集成商或虚拟电厂运营主体进而可以得到参与市场的最优化决策方案[31]。

2）虚拟电厂运营商对内的责任。

通过聚合分布式发电、可控负荷、电动汽车以及储能等柔性资源,形成虚拟电厂代理交易物理基础。从负荷聚合的阶段来看,可划分为自然组合、经济激励以及运营协调3个阶段,分别为负荷自然特性、经济手段柔性控制以及运营协调调度控制3个方面,通过3个阶段可针对不同场景需求下的负荷进行智能集成。关于虚拟电厂运营机理关键技术将在第3小节进行详细阐述。

同时,虚拟电厂运营商通过负荷代理集成参与市场交易获得收益,通过考虑各柔性资源对虚拟电厂系统的价值贡献度进行价值分配,其中需要考虑的因素包括响应时间、调节速率、调节深度等。建立有效的价值分配体系时形成长期虚拟电厂交易主体的重要支撑,在具体操作过程中需要引入博弈论理论方法进行机制设计[32]。

3）虚拟电厂运营商代理灵活性资源的职责。具体为：

①分布式能源的权责。

分布式能源的主要职责包括2个方面：一是为虚拟电厂供应电力,通过分布式光伏、小型燃气轮机和燃料电池等分布式能源向虚拟电厂内外提供稳定安全可靠的电力;二是为参与辅助服务响应的其它虚拟电厂主体提供一定的经济补偿。

②可控负荷的权责。

可控负荷包括可中断负荷(一般指居民和特殊工业)和可平移负荷(可将用电高峰时期向后推移一段时间)2种。可控负荷的主要职责是参与辅助服务和需求响应。最终结算时,当可控负荷主体的购电成本大于其参与辅助服务和需求响应所提供的收益补偿时,可控负荷主体应向虚拟电厂运营商支付电费;反之,虚拟电厂运营商则应向可控负荷主体支付收益补偿。

③储能的权责。

储能(一般包括抽水储能电站、分布式储能、充换电站和电动汽车等)的主要职责是通过充放电来参与辅助服务和需求响应。最终结算时,当储能主体的购电成本减去卖电收益后若大于其参与辅助服务和需求响应所提供的收益补偿时,则储能主体应向虚拟电厂运营商支付电费;反之,虚拟电厂运营商应向储能主体支付收益补偿。

3 泛在电力物联网下虚拟电厂运营机理

3.1 虚拟电厂调度运营机理

泛在电力物联网建设将极大促进电力终端数据的获取及数据驱动下的业务增值,通过信息物理社会系统推动电力全业务集约化、智能化、自动化管理[33]。虚拟电厂是物理-信息-经济融合的能源供需集合体,随着大量分布式电源及柔性负荷的接入,以虚拟电厂为节点的能源管理体系将为电力系统提供安全保障和运营支撑。相比于微电网更多在电力系统末段发挥效用,虚拟电厂具有不受地理位置约束的特点。以电动汽车车联网为例,通过车联网平台及储能云平台,可以在较大范围内对电动汽车充放电负荷进行协调控制,实现电动汽车有序充放电,这是虚拟电厂的集中体现[34]。

在此,针对虚拟电厂调度优化特征,重点从自然聚合、经济激励、运营协调3个维度对泛在电力物联网下虚拟电厂调度优化机理进行分析,3个维度互为递进,其控制手段呈递增趋势,控制机理也由智能化逐步向人工决策转变,如图3所示。

图3 虚拟电厂调度优化机理Fig. 3 Dispatching optimization mechanism of VPP

具体来看,虚拟电厂调度优化具备下述3个

层次：

1）聚合机理,用户组合错峰效应。

虚拟电厂是对分布式电源、柔性负荷、储能等多种分布式能源的有效聚合。在具体展现形式上,虚拟电厂具有多种组合,目前常见的虚拟电厂类型包括“分布式风电+储能”、“分布式风电+电动汽车”、“楼宇+储能”等。通过对具有不同符合特征的用户主体进行组合,利用各自负荷在日负荷率、日峰谷差率、日最大利用时间等特征值上的错峰互补效应,通过引入人工智能技术对负荷曲线进行聚类,可以在一定程度上形成平抑虚拟电厂内部主体自身波动的虚拟电厂[35]。

在终端设备数据获取、存储的基础上,实现用户组合错峰效应包括2个关键步骤：一是要结合终端数据对不同类型柔性负荷的特征进行分析,采用统计学和计量经济学方法,识别其曲线特征,通过将曲线特征替代负荷曲线值,达到负荷曲线将为的目标,为开展进一步分析奠定基础;二是要构建适用于海量多源异构数据的聚类分析算法,通过将曲线特征指标进行聚类分析,在一定的聚类规则约束下,即可得到同类别的负荷曲线簇,进而通过分析其负荷特征值的相对性,得到具有错峰效应的用户组合集。至此,该用户组合集已经初步具备平抑波动的功能。

2）激励机理,基于用户弹性的差异化合约。

在用户组合错峰效应的基础之上,需要引入经济手段对用户行为进行影响,其最终展现形式为虚拟电厂运营商与不同用户签订的差异化合约。由经济学中的边际效应理论可知,只有当边际成本等于边际效用时,可实现资源最优配置。因此,差异化合约的签订需要依据不同类型用户的价格弹性,最大化经济杠杆效应。

实现差异化合约制定的基础是用户用电行为的识别,同时对用户行为通过多维数据进行客户画像,建立用户行为标签库。其关键点在于用户行为及其弹性具有隐匿性,很难直接通过数据分析得出,这要求虚拟电厂运营商基于实验经济学理论方法,构建用户行为识别及引导实验框架,通过改变差异化合约关键参数,从实际运营活动中获取数据,以此为基础进行用户弹性分析,进而指导差异化合约制定。

3）运营机理,与储能联合运营。

由于用户自身负荷特性及其可调节性方面的限制,单独的虚拟电厂运营主体在电力直接交易及辅助服务市场中难免存在偏差。为应对偏差风险,有必要通过虚拟电厂与储能联合运营,进一步提升系统灵活性。

实现联合运营的关键在于构建多主体之间的利益分配机制。对于虚拟电厂运营商而言,通过与其他运营商或储能设备签订合作协议,形成虚拟电厂运营联盟,将进一步优化自身调控能力。由调控能力上升带来的效益增加或成本降低部分,可在各主体之间进行合理分配[36]。在这一过程中,除虚拟电厂运营主体外,其余主体承担备用及风险共担责任,同时获得相应的备用收益与风险承担补偿。

3.2 虚拟电厂各主体收益模式

通过上述分析可知,虚拟电厂内部主体包括虚拟电厂运营商、分布式发电、可控负荷、储能以及电动汽车等。各主体收益模式分析如下。

4 虚拟电厂运营机制算例分析

4.1 算例概况

本文以某虚拟电厂示范区为例展开算例分析。该虚拟电厂主要包括分布式电源、柔性负荷、储能等3类内部主体,其中,分布式电源包括2座光伏电站及用户侧光伏,共计11 587 kW;柔性负荷主要包括电动汽车、分散式电采暖、地源热泵及工商业可控负荷,共计9983 kW;储能主要为电池储能,容量共计10 000 kW。各主体及其参数如表1所示。

该虚拟电厂内分布式电源典型日出力曲线与柔性负荷典型日负荷曲线如图4所示。参考华北能监局发布的《关于征求京津唐电网调频辅助服务市场运营规则(试行)(征求意见稿)》,梳理虚拟电厂内外电价及辅助服务价格如表2所示。

表1 虚拟电厂主体资源及相关参数Tab. 1 Main resources and related parameters of VPP

图4 典型日出力曲线与负荷曲线Fig. 4 Typical sunrise output curve and load curve

表2 虚拟电厂内外电价及辅助服务价格Tab. 2 Internal and external electricity price and ancillary service price of VPP

4.2 结果分析

虚拟电厂各参与主体在虚拟电厂的统一代理运营下,内部分布式机组、储能可为负荷供应电能,同时储能和柔性负荷可通过需求侧响应提供辅助服务,虚拟电厂典型日运行情况如图5所示。

由虚拟电厂对负荷曲线可知,通过虚拟电厂统一运营,实现了削峰填谷的作用,同时获得了辅助服务收益。参与虚拟电厂前后,虚拟电厂内部主体和虚拟电厂运营商的成本/收益经济性对比如表3所示,成本、收益的单位均为万元。

通过算例分析结果可知,典型日内各类主体参与虚拟电厂后其收益均增加,虚拟电厂运营商也可

图5 虚拟电厂典型日运行情况Fig. 5 Typical daily operation of VPP

表3 虚拟电厂运营前后主体成本/收益对比Tab. 3 Internal and external electricity price and ancillary service price of VPP

获得相应收益,因此虚拟电厂运营模式可以实现各参与主体的投资回报和增值。上述分析结果表明,本文构建的虚拟电厂运营机制及模式具有一定的经济性,可以为虚拟电厂运营实践提供参考。

5 泛在电力物联网下虚拟电厂发展展望

虚拟电厂作为一种不改变各类分布式能源并网方式,利用电力市场驱动可再生能源发展、提高电力系统灵活性的有效方式[37]。虚拟电厂的建设和发展是泛在电力物联网建设的重要内容,也是泛在电力物联网的最小单元和基本模式。在电力市场发展成熟之后,虚拟电厂可通过市场手段获得运营收益,这是虚拟电厂未来发展的重要驱动力。因此,为推进虚拟电厂发展,需在有效的市场运行规则的基础上建立起交易、调度支持系统,构建包括政府、企业、用户在内的市场推广应用商业模式,从市场规则、支持平台、参与各方协作发展三方面构建虚拟电厂发展促进链条,具体如下：

1）在虚拟电厂参与的基础上制定有效的市场运行规则。考虑用户参与模式的申请、变更以及解除等操作,制定虚拟电厂内部多利益主体参与虚拟电厂交易的规则;需要从整体上考虑虚拟电厂的对外特性并从市场准入、竞价模式、信息发布、报价规则、结算方式等方面研究虚拟电厂参与电力市场的规则。考虑虚拟电厂内部资源的多样性,研究虚拟电厂内部资源的协调控制流程,提出虚拟电厂参与市场注册、竞价申报、出清优化、安全校核、电能电量计量、结算等电力市场的全环节全过程业务流程。

2）建设一种有效的调度、交易支持系统以支持虚拟电厂运营。根据虚拟电厂交易类型、内部分配原则、电网调度运行要求,确定虚拟电厂接入的调度、交易平台功能的建设目标;虚拟电厂接入系统后提出功能建设方案来分析设计调度、交易平台需要采用的系统架构、应用架构和业务架构的3步设计方法,在此基础上构建功能总体架构。明确虚拟电厂接入的交易系统与调度技术支持系统、营销业务系统、财务系统及运营商其他业务系统之间的数据集成与交互模式;根据虚拟电厂交易功能的数据集成需求,设计并研发交易系统与调度技术支持系统、财务系统、营销业务系统及其他业务系统之间的数据集成接口与数据集成方案。

3）构建政府、电网企业、用户多方协作的虚拟电厂推广商业模式。根据虚拟电厂参与电力市场的交易类型,以及参与虚拟电厂的资源的不同响应特性,制定促进虚拟电厂应用的政策支持建议和市场机制建议。并根据虚拟电厂交易类型及内部成员特点,构建虚拟电厂的典型产品模式以及典型用户推广模式,根据政府、电网企业以及参与虚拟电厂的资源在推广应用中的利益关系及相互作用,构建虚拟电厂利益相关方协作模式与典型商业模式[38],实现泛在电力物联网价值共享。

6 结论

虚拟电厂作为一种利用市场激励规则,通过优化、协调和控制等手段,聚合分布式能源参与电力市场与电力系统运行的运营模式,将是促进分布式能源与大电网友好协调优化,促进电力系统清洁化的有效途径之一。本文通过梳理虚拟电厂概念,认为虚拟电厂内在驱动力在于其对电力系统的价值,而合理的市场机制是将该价值实体化的重要途径。根据虚拟电厂对外参与电力批发市场,对内整合零售市场的运营特点,构建了虚拟电厂对内对外的两级市场交易体系。在此基础上,通过自然聚合、经济激励、协调调度3个方面提出了虚拟电厂三阶段调度优化机理,并对其中的关键技术进行分析。在分析虚拟电厂收益模式的基础上,选取虚拟电厂进行算例分析,验证了本文所提出的商业模式的可行性。最后,立足于我国泛在电力物联网与电力市场建设,对虚拟电厂未来发展通过市场机制、平台支撑以及协作融通3个方面进行展望。

本文主要梳理在泛在电力物联网建设背景下,虚拟电厂未来运营模式及关键技术,其中虚拟电厂交易体系及优化运行机理是本文重要观点。在下一步研究中需要针对本文构建的交易体系及运行机理进行系统建模与模拟仿真,为虚拟电厂运行优化提供参考。