面向“双碳”目标的虚拟电厂能源需求响应策略-北极星售电网

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随着“双碳”概念的提出以及新能源技术的持续发展，我国电网正在经历一场百年未有之大变局，在全面升级优化的同时也面临诸多的困难。虚拟电厂技术作为破解清洁能源消纳和绿色能源转型的解决方案，对我国能源战略转型和“双碳”目标的实现具有重大意义。

（来源：微信公众号“IESPlaza综合能源服务网”作者：张海静，刘霄慧，孙小斌，李秋爽，厉艳，白颖）

本文对虚拟电厂技术展开研究。首先，对考虑碳排放的虚拟电厂基本架构以及功率交互模式进行分析，提出了一种虚拟电厂需求响应调度策略；其次，以三级聚合调控模型为例，通过协调各类能源装置及储能设备，对碳总排放量进行调控；最后，对虚拟电厂的发展规划进行展望。

虚拟电厂的基本架构

考虑碳排放的虚拟电厂控制架构如图1所示，主要分为新能源发电场站、传统发电机组、储能设备以及用电负荷共4个部分。其中，新能源发电场站以清洁能源代替传统高污染高排放的火电、燃气发电机组，有效降低发电碳排放量；储能装置分时将多余能源进行存储及消纳，满足用户的高峰用电需求的同时降低弃电损失；用电负荷除了传统的负荷外，加入各类清洁能源负荷包括电动汽车、充电桩等，充分发挥虚拟电厂在电力资源配给的调控作用。

虚拟电厂通过整合清洁能源、储能装置、柔性负荷等，充分挖掘用户侧互动能力，有效提升了电网的灵活性。

虚拟电厂调度策略

▌虚拟电厂的能量交互

虚拟电厂的能量交换如图2所示。每个虚拟电厂都由发电设备、储能和负载组成。虚拟电厂既可以通过能源枢纽与电网相连进行功率交互，也可以在满足自身负荷需求的条件下与其他虚拟电厂进行功率交互，获得相应收益。每个虚拟电厂之间都由虚拟电厂内部的信息处理中心计算其功率数据，判别是售出还是购人功率，最后进行交易。同时，由于不同虚拟电厂的负荷和清洁能源输出不同，每个虚拟电厂的净负荷也不同。在某个时段，发电量大的虚拟电厂可以将多余的电力出售给电网；相反对于耗电大的虚拟电厂，可以从电网以及其他虚拟电厂中购买电力来满足本虚拟电厂的功率平衡。

▌虚拟电厂的多级聚合

需求响应可以通过改变不同时段的电价以及施加激励引导负荷侧调节，实现降低虚拟电厂的运行成本以及满足负荷调控的目的，促进风光等清洁能源发电就地消纳。为改变用户的负荷量，需要对负荷用户进行需求响应调控，同时增加负荷调控力度，保持虚拟电厂功率平衡。为了更好地降低用户负荷，需要对用户进行分类聚合调控，以满足能源供需平衡，通常采用多级聚合的方式。

多级聚合的虚拟电厂调控策略如图3所示，各级聚合商的主要作用及相应内容如下。

(1)一级聚合商。直接响应虚拟电厂的需求响应信息，其通过对二级聚合商释放激励信号，最终完成虚拟电厂下发的需求响应信息任务量。

(2)二级聚合商。多个二级聚合商用来聚合不同的负荷用户，例如：工业园区电力负荷二级聚合商、商业电力负荷二级聚合商、居民电力负荷二级聚合商，以及其他电力负荷二级聚合商等。多个二级聚合商用来响应一级聚合商下发的需求响应任务量，使得一级聚合商完成虚拟电厂下发的需求响应信息。

(3)三级聚合商。多个三级聚合商用来协助二级聚合商完成其下发的任务量，使用户在接收到二级聚合商的激励价格后，在满足自身的用能条件下对负荷量作出改变，最终完成三级聚合商下发的响应任务。

多级聚合商之问必须严格完成上级下发的任务响应量，若是下级聚合商没有完成能源的供给平衡将会受到上级聚合商的较大经济处罚，并且信誉值也会降低。利用多级聚合商可以更好地对用户进行精准调控，实现从上到下的负荷控制管理，最终达到需求响应调控目的。

▌调度控制策略

当虚拟电厂的内部功率与用电负荷量不对等时，可以采用向公共电网购/售电或是多个虚拟电厂问实现电力交互的方式来确保电力平衡。考虑虚拟电厂之问的电力交互和需求响应，可以降低与公共电网的电力交互量，多使用分布式风电和光伏发电等清洁能源，可有效减少碳排放量同时减少虚拟电厂的综合运行成本。此外，考虑到燃煤发电成本较燃气发电低，在使用传统高碳发电机组时，优先选择火电机组发电。

在考虑需求响应的情况下，基线负荷在用电高峰期间会减少，与不考虑需求响应的情况相比，减少了发电机组的压力。这有效地缓解了虚拟电厂的内部负荷，使其运行更加稳定。当各机组发电量不能满足用户负荷时，需从公共电网购电，满足虚拟电厂内部功率平衡；相反，在其他时间段，在虚拟电厂内部功率平衡的情况下，多余的电力可以出售给电网或其他虚拟电厂，以降低虚拟电厂内部的总成本。

在碳排放约束下，虚拟电厂通过调整各机组的出力变化来减少碳排放，具有一定的自南碳排放约束空问。当碳排放达到一定限度且无法内部控制时，虚拟电厂将根据最大碳排放限额接受相应的碳排放处罚。因此，在虚拟电厂的运行和调控中，而多级聚合商的需求响应被用来降低用户负荷。此外，显著降低整体碳排放的关键是燃气设备的使用频率高于燃煤设备。最后，利用电力交互来满足剩余电力缺失的需求，达到低碳监管的目的。

虚拟电厂的发展规划

虚拟电厂发展规划蓝图如图4所示。虚拟电厂未来发展主要围绕5个主题。

(1)结合实际确立发展目标。让虚拟发电厂从2个方面发挥价值作用：①实现对分布式电力数据的采集和负荷控制；②像发电厂一样进行电力系统调节，提供调峰调频等辅助性质的服务，并参与到电力市场交易中去。此外，还可以在现有虚拟电厂系统的基础上，建立云端系统的能源交互系统，打破传统电力能源单向流动的局限，实现电力交易的多方交互，提高资源利用率。

(2)提高资源利用率。始终围绕双碳目标开展资源利用相关工作，结合当地新能源优势。有序稳步推进通信基站、电动电车等用电负荷的扩大建设。多措并举，不断深化用户端资源，充分发挥好标杆作用。

(3)持续完善市场交易准则。持续优化虚拟电厂参与需求响应的电力市场交易，逐步优化虚拟电厂参与服务电力市场的业务流程。制定恰当的、实际的电力交易目标，以降低传统污染型燃料的使用，降低温室气体的排放量为宗旨，持续探索虚拟电厂参与的电力市场绿色交易新航向。

(4)快速推进平台建设。有序稳步推进不同类型电力交易业务平台的启动以及运营进程，加强适应性平台的开发和建设，助力新型基础设施建设，加快电力交易配套支撑平台的启动及运营，虚拟电厂从而能够更好地参与到市场服务中去。

(5)打造产业生态圈。在虚拟电厂建设过程中，通过带动虚拟电厂上下游相关产业业务协同发展，打造虚拟电厂市场交易生态圈，推动各类型电力市场主体参与建设，促进资源利用与资源互动，强化市场运营模式及机制。

结论与展望

本文对虚拟电厂技术展开研究，通过分析考虑碳排放的虚拟电厂基本架构以及功率交互模式，建立了基于多级聚合商管控的虚拟电厂需求响应调度策略。

(1)通过改变不同时段的电价以及施加激励引导负荷侧调节，实现降低虚拟电厂的运行成本以及满足负荷调控的目的，促进风光等清洁能源发电就地消纳。

(2)利用多级聚合商能够更好地对负荷进行精准调控，实现从上到下的负荷控制管理，以满足能源供需平衡，最终达到需求响应调控目的。

本文的研究内容主要针对当下“双碳”目标的控制策略进行展开定性分析，针对虚拟电厂在电力调度实际应用场景下的业务数据以及存在问题的探索还有待进一步深入。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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