虚拟电厂助力负荷资源需求响应更高效

编者按

虚拟电厂可对大规模新能源电力进行高效利用，是电力行业未来极具潜力的发展方向。虚拟电厂现阶段发展状况如何？如何发挥虚拟电厂的价值？虚拟电厂如何建设运营？······聚焦行业热点，我们的“朋友圈”在畅聊（往期推荐：“虚拟电厂大家谈”）。本期，第三位作者胡倩将从现阶段需求响应面临的关键问题切入，分析虚拟电厂可以提供的解决方案，欢迎您的交流和互动。

导语

着眼于“碳达峰、碳中和”战略下中国新型电力系统的发展走向，需求响应业务被赋予了如新能源消纳、电力辅助服务市场发展支撑等全新的使命。尽管目前需求响应服务试点工程已经为需求响应服务发展累积了大量宝贵的经验，但大规模复制和推进还面临诸多瓶颈。

（来源：微信公众号“朗新研究院” 作者：朗新研究院）

以“实现用户侧可调负荷精准管控、提高用户参与需求响应积极性”为出发点，强化负荷调控能力、促进可再生能源消纳的“虚拟电厂”是推进需求响应业务发展的有效手段。

本文从“虚拟电厂”对电力需求响应的应用价值入手，分析“虚拟电厂”如何进一步支撑电力需求响应业务的推广建设。

电力需求响应的现状和问题

电力需求响应通过采取补贴和价格激励等措施，让可调节、可转移、可削减的用户负荷主动削减用电高峰时段用电负荷，增加低谷时段用电负荷，实现平抑峰谷用电负荷，提高新能源消纳能力，保障供电可靠性的目的。

随着电力市场化改革的推进，电力需求响应业务丰富了电力市场化交易种类，从紧急需求响应向常态化的调峰、调频和清洁能源消纳转型，向无感知柔性调控、供需友好互动阶段发展。虽然近年来我国电力需求响应业务的发展累积了丰富的经验，但要执行大规模推广和应用还存在一些问题。主要表现在以下方面：

（一）参与需求响应用户的种类和数量较少

随着我国市场化售电逐步推进，需求响应业务的参与者将逐渐丰富，如电网公司、政府监管机构、负荷聚合商、服务厂商、代理商、系统运营商、第三方机构、各用户等。

但从现阶段来看，参与主体仍为部分大工业大用户和企业用户，储能用户、分布式光伏运营商、园区物业等仍亟待加快入场。整体来说，参与需求响应的用户种类和数量仍然偏少。

在此背景下，需要尽快判断哪些类别的用户适合参与需求响应，评估其响应的频次和响应容量的潜力，以便能够定向地宣传，推动用户更加积极主动地参与需求响应。

（二）参与需求响应用户的参与动力不足

现阶段参与需求响应的企业用户整体参与度较低，积极性不足。主要原因在于宣传力度不够，潜力分析和挖掘不足，没有让用户看到利益点。

与此同时，目前我国大多是依托半行政化的有序用电体系开展需求响应项目，对于较为分散的各类小负荷还无法有效进行统筹聚合，该部分用户的参与主动性也明显不足。

以居民用户为例，由于居民用户用电负荷整体不高，缺乏参与的主动性。如果存在一个有效的体系，能把一定区域内的居民负荷都聚集起来，共同参与需求响应，亦可达到超出预期的效果。

总体来说，参与需求响应用户动力不足的原因还在于为用户提供的业务功能不够精细，用户可选择的业务种类不多，难以满足各种用户因自身用能习惯所产生的不同需求。

（三）削峰填谷能力不强

目前，除了调度部门根据用电容量下发的紧急需求外，其他需求响应执行依赖于电力单位规定的峰谷时间段，响应的及时性难以保证。如一些特殊气候突发情况导致峰谷发生了转移，而需求响应还在迎合未发生变化的人为制定的峰谷时段，显然就发挥不了应有的作用。

与此同时，执行的需求响应项目类别多，对需求响应信息化项目的建设厂商也提出了较大的挑战，各类信息化系统和各方交互管理也需要在不断地优化和完善中，逐步支撑需求响应更高效、更经济、更稳定。

通过对当前需求响应存在的问题的总结分析，我们发现，虚拟电厂对于解决需求响应推广难的问题有着诸多优势，是一种落实需求响应较好的选择。

什么是虚拟电厂

传统模式下，电厂通过紧急启用备供的发电资源，同时强制停止部分用户用电，以保证电网安全稳定运行。现在可通过“虚拟电厂”，聚集分布式电源、可转移、调节、削减负荷和储能装置等资源。

在用电高峰期或出现紧急负荷需求时，通过相关信息化聚合平台将分布式电源、可调节、可转移、可削减负荷和储能装置聚合成一个虚拟的“电厂”，将分散的大量可中断、可转移的用电负荷聚合起来，实行精细化统一管理，进行供用电的运行和调度，解决电力供需平衡的矛盾，消纳分布式能源并降低供用电成本，带来更高的经济效益和社会效益。

图1 虚拟电厂示意图

虚拟电厂在电力需求响应的价值

虚拟电厂在支撑电力需求响应方面，可在供电负荷高的时间段，自动发起需求响应指令，通知参与响应的用电户调节负荷，大工业园区、一般工商业、社区居民等用电户自动接收需求响应指令后，通过虚拟电厂制定的需求响应策略控制调整用电设备，并自动反馈需求响应结果。

虚拟电厂能够对可调负荷设备实现精准、快速、高效的动态调控，助力用户快速完成需求响应，有效解决可再生能源发电的不稳定性给大电网带来的安全隐患，高效消纳能源，节能省钱。应用价值体现在以下方面：

（一）挖掘需求响应用户

1、基于大数据挖掘潜力用户

虚拟电厂在组建时，首要的任务就是利用大数据分析各类用户的用电习惯，然后与当前需求响应的执行标准进行匹配，挖掘出合适的用户种类，定向与具体的用户开展聚合谈判，争取用户成为虚拟电厂的负荷资源。

2、多维负荷资源库搭建

面向虚拟电厂平台覆盖区域，聚合区域内多元可调负荷，搭建多维负荷资源库，完成签约用户的可调节负荷资源的入库建档工作，接入用户侧资源主要包括四部分，分别是商业楼宇、工业大用户、分布式能源和电动汽车充电设施等。支撑电力用户需求响应、电网公司调峰调频实时应急控制等服务，规模化开展多元可调节负荷参与电网尖峰负荷削峰，引导电力用户调整用电方式、用电时间、用电行为，节约用电成本的同时收获一部分补贴。

（二）提高用户参与的动力

1、通过聚合用户提高居民用户参与积极性

虚拟电厂通过聚合居民用户，发挥规模效益，让参与的用户享受到以大平台放大作用引起的聚合效果，提高用户参与的动力，解决需求响应在小用户方面的动力不足问题。

2、实现负荷资源的精细化管理

目前的需求响应模式中，有海量零散的可转移、可调节的负荷资源能够聚合起来统一管理，可根据用户负荷特性，更精准的分析和刻画需求侧的负荷基线，准确评估出用户的实际响应潜力并制定高效的需求响应策略，分析和评估需求响应的收益情况，在需求响应决策制定过程中，实现负荷资源的精细化管理，优化需求响应项目的结构及效率，为每一种类型的需求响应组合最优负荷资源。

（三）培养用户削峰填谷的能力

1、将分散的海量可调节用电负荷聚合并进行精细化统一管理

虚拟电厂通过接入商业楼宇、大工业园区、分布式能源、电动汽车等可转移、可中断的海量负荷资源，通过信息化手段、数字化技术实现统一集中管理，精准实时控制，最大程度提高区域内需求响应效率。

2、灵活的机制能够随时影响负荷变化需求

虚拟电厂可以随着负荷变化随时启停，避免了需求响应时因行政确定的峰谷与实际负荷脱节引起的发力错位，对需求响应执行效果进行了有效弥补。

3、发挥平台作用

（1）精细管理。虚拟电厂通过平台来放大需求响应用户的能力，起到事半功倍的效果，放大了用户的收益，也放大对负荷调节的作用。

虚拟电厂可在需求响应决策制定过程中实现负荷资源的精细化管理，优化需求响应项目的类型及频次，为每一种类型的需求响应组织相应的负荷资源；更精准地分析和刻画需求侧的负荷基线，准确地评估出用户的实际响应潜力并制定高效的需求响应策略，分析和评估需求响应的收益情况。建立实时性事务处理模块，逐步缩短需求响应项目通知的时限，提高需求响应效率。

（2）精准预测。虚拟电厂平台通过大数据对经营区域的可再生能源发电能力进行预测，提前制定参与需求响应的策略，提供响应精度。

（3）实时邀约。基于虚拟电厂平台开展邀约型需求响应服务，处理包括参与需求响应申请、需求响应竞价、需求响应执行和补贴发放等流程，支撑电力用户参与电网削峰填谷、调峰调频，提高电网运行经济性、稳定性，从而降低用户用能成本并获取补贴收益。

虚拟电厂助力负荷资源需求响应场景

针对不同的响应模式，虚拟电厂能够实现资源管理、响应能力分析、申报、执行、效果评估、补贴申办等，在响应接入、响应过程管理中更加方便快捷。

图2 高效需求响应业务流图

（一）负荷资源库搭建的关键技术应用

完成签约用户的可调节负荷资源的入库建档工作，接入用户侧资源主要包括以下几个部分：

1、商业楼宇

此类型用户可调负荷主要是中央空调，因此将中央空调作为主要参与需求响应对象。虚拟电厂可根据气温等气象信息开展空调负荷预测，实现空调负荷调度管理、批量化聚合等功能，规模化实现需求响应。

商业楼宇参与需求响应方案如下图3“多维负荷资源库构建方案图”所示。

图3 多维负荷资源库构建方案图

在用户的空调控制室机房安装虚拟机组控制器，虚拟机组控制器通过4G/5G专用VPN通道与虚拟电厂平台进行数据交互；在虚拟机组控制器旁安装运行状态采集与分析模块，与虚拟机组控制器网络互联，通过远程控制或本地控制，实现空调负荷的柔性调节；增加空调机组负荷采集模块，包含智能电能表及配套的电流互感器等；增加空调运行控制模块，以实现远程调度管理。

2、工业园区

工业企业可调负荷接入虚拟电厂管控平台，可实现工业负荷柔性调控，支撑虚拟电厂平台开展清洁能源消纳、调度应急控制和需求响应调控。

此类型用户可调负荷主要包括工业企业生产设备、生产线、空调负荷等，为了参与实时需求响应调控，工业企业需实时监测具体可调设备及产线，设置用户分路用电监测及可调设备监控。

工业企业参与需求响应方案如上图3“多维负荷资源库构建方案图”所示.

虚拟机组控制器可根据当前设备运行负荷、运行状态、各类时间变量，运用边缘计算能力，实时计算该工业企业的各可调负荷资源设备的需求响应能力以及总的需求响应能力，包含可调容量数据、需求响应准备时间、需求响应可持续时间等，并上报给虚拟电厂平台。虚拟电厂根据负荷预测和峰谷时段预测等，生成需求响应策略，促进企业用户需求响应更高效。

3、分布式能源

开展分布式能源接入虚拟电厂管控平台，实现分布式光伏可观可测可调可控，同时优化采集终端程序，实现低压光伏用户和专变光伏用户的分钟级数据采集，实现光伏用户的刚性和柔性控制。

此类型用户参与需求响应方案如上图3“多维负荷资源库构建方案图”所示。需安装虚拟机组控制器和数据采集设备，虚拟机组控制器通过4G/5G专用VPN通道，实现分布式能源数据和虚拟电厂平台互动传输，支撑多能互补，辅助电网调峰调频。

4、电动汽车

对于安装在居民社区中的“联网通办”私人充电桩，通常是可调负荷的慢充充电桩，依据峰谷分时电价等经济措施和智能控制措施，将电动汽车充电负荷引导到配电变压器负荷低谷时段充电，提升配电电源利用率，降低充电费用，降低电网调峰压力。

对于充电场站等公用充电桩，通过充电电流批量调节等手段，形成虚拟负荷体，参与电网需求响应。

此类型充电桩用户参与需求响应方案如上图3“多维负荷资源库构建方案图”所示。需安装虚拟机组控制器和数据采集设备，虚拟机组控制器通过4G/5G专用VPN通道，实现电动汽车充电桩数据和虚拟电厂平台的互动传输，使得用户具备负荷调控响应需求的能力。

（二）虚拟电厂平台开展邀约需求响应

基于虚拟电厂平台开展邀约型需求响应服务，支撑电力用户参与电网削峰填谷、调峰调频，提高电网运行经济性、稳定性，从而降低用户用能成本并获取补贴收益。负荷聚合商成立专门的运营机构来负责需求响应业务，处理包括参与需求响应申请、竞价、执行和补贴发放等流程。

图4 邀约需求响应流程

虚拟电厂平台需求响应模块接收调控需求指令后，制定调控策略、分解调控容量并下发给各负荷聚合商或者直接需求响应用户来执行指令。

调控执行完成后，向需求响应主站反馈执行结果信息和参与用户明细信息等。基于虚拟电厂平台开展邀约型需求响应服务，其主要业务场景可以分为以下两部分：

1、日常管控类

需求响应日常管控类业务主要是基于需求响应的事前准备阶段的业务场景，主要包括响应预案管理、负荷资源管理（接入、监测等）、响应能力分析、响应策略等几大模块。

电网公司发起需求响应预案并接入和监管负荷资源，政府审核电网公司发起的需求响应预案，直接需求响应用户和负荷聚合商对响应能力进行分析并制定响应策略，按照策略来执行需求响应，满足约定削峰、实时削峰、约定填谷、实时填谷。

2、事件执行类

需求响应事件执行类业务主要是基于需求响应事中执行、事后优化迭代的业务场景，主要包括响应事件管理、响应执行、响应效果评估、响应补贴管理等几大场景。

电网公司根据虚拟电厂平台的负荷预测情况，发起需求响应邀约，响应事件包括向电网用户推送响应潜力分析情况、策略辅助决策等，电网用户邀约执行响应；和电网公司就直接需求响应用户和负荷聚合商的响应执行情况来评估响应的有效性，政府相关机构审核补贴，审核通过后电网公司发放补贴。

结语

“虚拟电厂”既可以辅助消纳大量可再生能源，亦可以支撑电网供电和用电达到供需平衡，从而解决需求响应削峰填谷的问题，支撑多能互补、最大程度提升能源利用率、缓解电力紧张和能效偏低矛盾。

随着新型电力系统的改革浪潮和电力数字化技术发展，我国以虚拟电厂为生态的新模式、新技术将迅速崛起，笔者相信，虚拟电厂的高速发展将在十四五期间迎来高光时期。

【参考文献】

[1]李彬,陈京生,李德智,石坤,等. 我国实施大规模需求响应的关键问题剖析与展望.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市 昌平区 102206，LI Bin, CHEN Jingsheng, LI Dezhi, SHI Kun,et al.Analysis and Prospect of Key Issues in China’s Demand Response for Further Large Scale Implementation.School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

作者：胡倩 部门：朗新科技集团售前支持部