北极星储能网讯: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

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