隨著可再生能源成為未來全球能源發(fā)展的主要方向，虛擬電廠成為一種實現(xiàn)可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的區(qū)域性多能源聚合模式。

一、虛擬電廠定義

虛擬電廠是將能源與信息技術(shù)深度融合，利用先進的通信、量測、控制技術(shù)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的虛擬聯(lián)合體，通過分布式能源管理系統(tǒng)將配電網(wǎng)中不同空間分散安裝的清潔能源、可控負荷和儲能系統(tǒng)等一種或多種資源聚合起來，實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，參與電力系統(tǒng)運行和電力市場交易的智慧能源系統(tǒng)，是一種跨空間的、廣域的源網(wǎng)荷儲的集成商。

其內(nèi)部資源在空間上分散分布而非一個集中的物理實體，故稱之為“虛擬”；在整體上協(xié)同一致實現(xiàn)與電廠相同的功能，故稱之為“電廠”。

虛擬電廠通過分布式電力管理系統(tǒng)將電網(wǎng)中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體，參與電網(wǎng)的運行和調(diào)度，協(xié)調(diào)智能電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網(wǎng)和用戶所帶來的價值和效益。

二、虛擬電廠的優(yōu)勢與特點

“虛擬電廠”不是傳統(tǒng)意義上的發(fā)電廠，而是相當于一個電力“智能管家”。能在光伏等分布式能源有間歇性時，通過儲能裝置把它們組織起來，形成穩(wěn)定、可控的“大電廠”，便于處理與大電網(wǎng)之間的各種關(guān)系。在提高電網(wǎng)安全保障水平、降低用戶用能成本、促進新能源消納等方面具有較大的優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1、虛擬電廠是聚合優(yōu)化“網(wǎng)源荷”清潔發(fā)展的新一代智能控制技術(shù)和互動商業(yè)模式。虛擬電廠就是互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源，以用戶為中心，以商業(yè)化市場為平臺的電源電網(wǎng)負荷聚合的管理模式。

2、在傳統(tǒng)電網(wǎng)物理架構(gòu)上，依托互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息通訊技術(shù)，把分布式電源、儲能、負荷等分散在電網(wǎng)的各類資源相聚合，進行協(xié)同優(yōu)化運行控制和市場交易，實現(xiàn)電源側(cè)的多能互補、負荷側(cè)的靈活互動，對電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用等輔助服務(wù)。對提升電網(wǎng)靈活調(diào)控能力和能源綜合利用效率發(fā)揮積極作用。

3、構(gòu)建廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，為破解清潔能源消納的世界性難題和低碳能源轉(zhuǎn)型提供前瞻解決方案。推動傳統(tǒng)電網(wǎng)向新一代電力系統(tǒng)升級成為趨勢。

4、虛擬電廠構(gòu)成資源具有多樣性、分散性。通過“通信”和“聚合”，最終以實現(xiàn)“聚沙成塔”的效果。集中管理，但管理控制的實體物理布局分散，充分發(fā)揮管控下各個設(shè)備的優(yōu)勢。

5、構(gòu)成資源具有環(huán)保性。虛擬電廠采用新型可再生能源，對環(huán)境影響較小。而通過節(jié)能技術(shù)或調(diào)節(jié)DL而實現(xiàn)的虛擬電廠電力生產(chǎn)，甚至達到了零排放，所產(chǎn)生的電能對環(huán)境完全沒有影響。

6、運營過程具有協(xié)同性。由于各地區(qū)的用電需求曲線不完全一致，使虛擬電廠的出力成本具有地域差別性及時間差別性，因而為使虛擬電廠有效參與電力市場，實現(xiàn)調(diào)峰及節(jié)能降耗作用，就需要多家虛擬電廠在不同的運營機構(gòu)內(nèi)相互配合、協(xié)同合作。

三、虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)（內(nèi)容來源于《電力技術(shù)情報》）

虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)包括協(xié)調(diào)控制技術(shù)、智能計量技術(shù)、智能通信技術(shù)、運營交易與優(yōu)化決策技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動支持調(diào)控決策技術(shù)、信息預(yù)測與容量估計技術(shù)、補償結(jié)算與效益評估技術(shù)、儲能技術(shù)等。

1、協(xié)調(diào)控制技術(shù)

虛擬電廠的控制結(jié)構(gòu)主要分為集中控制和分散控制。在集中控制結(jié)構(gòu)下，虛擬電廠的全部決策由中央控制單元——控制協(xié)調(diào)中心（control coordination center，CCC）制定。如下圖所示，虛擬電廠中的每一部分均通過通信技術(shù)與CCC相互聯(lián)系，CCC多采用能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS），其主要職責是協(xié)調(diào)機端潮流、可控負荷和儲能系統(tǒng)。

在分散控制結(jié)構(gòu)中，決策權(quán)完全下放到各DG，且其中心控制器由信息交換代理取代，如圖所示。信息交換代理只向該控制結(jié)構(gòu)下的DER提供有價值的服務(wù)，如市場價格信號、天氣預(yù)報和數(shù)據(jù)采集等。由于依靠即插即用能力，因而分散控制結(jié)構(gòu)比集中控制結(jié)構(gòu)具有更好的擴展性和開放性。

>>智能計量技術(shù)

智能計量技術(shù)是虛擬電廠的一個重要組成部分，是實現(xiàn)虛擬電廠對DG和可控負荷等監(jiān)測和控制的重要基礎(chǔ)。智能計量系統(tǒng)最基本的作用是自動測量和讀取用戶住宅內(nèi)的電、氣、熱、水的消耗量或生產(chǎn)量，即自動抄表 （automated meter reading，AMR），以此為虛擬電廠提供電源和需求側(cè)的實時信息。作為AMR的發(fā)展，自動計量管理（automatic meter management，AMM）和高級計量體系（advanced metering infrastructure，AMI）能夠遠程測量實時用戶信息，合理管理數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給相關(guān)各方。AMI基于開放式雙向通信平臺，結(jié)合用電計量技術(shù)，以一定的方式采集并管理電網(wǎng)數(shù)據(jù)，能為用戶提供分時段或即時的計量值，如用電量、電壓、電流、電價等信息，便于用戶高效用電，提高設(shè)備使用效率，并支持電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行。

>>智能通信技術(shù)

在虛擬電廠內(nèi)，各發(fā)電單元與負荷均直接或間接與控制協(xié)調(diào)中心相連接，在虛擬電廠進行“源—網(wǎng)—荷—儲”的協(xié)調(diào)控制中擔負重要任務(wù)，需要傳輸大量采集、監(jiān)測和控制的數(shù)據(jù)，且要求通信系統(tǒng)高可靠、低時延。虛擬電廠采用雙向通信技術(shù)，它不僅能夠接收各個單元的當前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標發(fā)送控制信號。

根據(jù)不同的場合和要求，虛擬電廠可以應(yīng)用不同的通信技術(shù)。對于大型機組而言，可以使用基于EC 60870-5-101或IEC 60870-5-104協(xié)議的普通遙測系統(tǒng)。隨著小型分散電力機組數(shù)量的不斷增加，通信渠道和通信協(xié)議也將起到越來越重要的作用，昂貴的遙測技術(shù)很有可能將被基于簡單的TCP/IP適配器或電力線路載波的技術(shù)所取代。在歐盟 VFCPP項目中，設(shè)計者采用了互聯(lián)網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；在歐盟FENIX項目中，虛擬電廠應(yīng)用了GPRS技術(shù)和IEC104協(xié)議通信技術(shù)；德國Pro ViPP的通信網(wǎng)絡(luò)則由雙向無線通信技術(shù)構(gòu)成。

>>運營交易與優(yōu)化決策技術(shù)

虛擬電廠運營體系通過虛擬電廠交易平臺、運營管理與監(jiān)控平臺等系統(tǒng)，實現(xiàn)了調(diào)度需求觸發(fā)、多品種交易組織、虛擬電廠在線監(jiān)控與管理等功能，實現(xiàn)了整個業(yè)務(wù)流、信息流的貫通。還通過制訂各類資源調(diào)用方式，模擬了常規(guī)發(fā)電機組爬坡率等參數(shù)，對每個用戶的參與方式進行了規(guī)范和細化，使虛擬電廠的機組特性曲線與常規(guī)發(fā)電機組近似，方便調(diào)度的實時調(diào)用。同時，通過用戶端系統(tǒng)，用戶還能對自身能耗情況開展分析，可進一步提升自身電力能源的精細化管理水平。

虛擬電廠一般采取集中化的組織架構(gòu)，由VPP控制中心遠程調(diào)控各個分布式能源，參與能量市場和輔助服務(wù)市場交易等不同市場競價。除了集中化的組織架構(gòu)，研究者也開始關(guān)注基于區(qū)塊鏈的分散式VPP市場組織架構(gòu)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)可為VPP提供公開透明、高效安全的交易平臺。能源互聯(lián)網(wǎng)背景下能源與信息的互聯(lián),可以使得區(qū)塊鏈技術(shù)與能源技術(shù)結(jié)合,并應(yīng)用在新型電力市場模式架構(gòu)，未來具有相當?shù)陌l(fā)展?jié)摿Α?/p>

市場交易與優(yōu)化決策包括市場側(cè)的優(yōu)化投標策略、用戶側(cè)的優(yōu)化定價策略以及資源優(yōu)化調(diào)度策略三部分。從數(shù)學層面而言，上述3個方面均是優(yōu)化問題；而在物理層面上則是VPP運營過程中與不同主體之間進行利益博弈達到均衡優(yōu)化的過程。

>>數(shù)據(jù)驅(qū)動支持調(diào)控決策技術(shù)

底層量測裝置的普及和通信網(wǎng)絡(luò)的完善可提供VPP中的海量數(shù)據(jù)，促使了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在VPP中的應(yīng)用。數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)在VPP中的應(yīng)用主要分為構(gòu)成主體行為與外部環(huán)境感知、優(yōu)化調(diào)控策略和為參與電力市場提供決策支持3個方面。

（1）主體行為與外部環(huán)境感知：主要涉及VPP負荷、可再生能源預(yù)測以及電力市場出清電價預(yù)測。

（2）優(yōu)化調(diào)控策略：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的負荷聚類及分類過程，有助于充分利用量測裝置獲取的用戶用電數(shù)據(jù)，使得VPP更加確切地了解構(gòu)成主體的用電特性，進而設(shè)計更為有效、更具針對性的策略。

（3）電力市場提供決策：VPP參與電力市場的流程如下圖所示，在具體的電力市場體系中，為滿足不同商業(yè)模式優(yōu)化運營的需求，需要一系列關(guān)鍵技術(shù)的支撐才可以實現(xiàn)。其中，對于市場需求側(cè)資源的狀態(tài)感知與靈活聚合包括異構(gòu)資源精準建模以及資源靈活優(yōu)化聚合兩部分，是輔助VPP洞察和了解DER運行特性的基礎(chǔ)性工作，助力VPP實現(xiàn)需求側(cè)資源的精確感知、充分利用及價值挖掘。

>>信息預(yù)測與容量估計

信息預(yù)測與容量估計技術(shù)包括市場電價預(yù)測、分布式光伏預(yù)測、響應(yīng)容量估計三部分內(nèi)容。

（1）市場電價預(yù)測

市場電價的準確預(yù)測是VPP在市場交易過程中進行精準投標報價、實現(xiàn)利潤最大化的基礎(chǔ)與前提，作為電力系統(tǒng)的經(jīng)典課題已得到了廣泛的研究。依據(jù)預(yù)測的時間尺度不同，可分為中長期預(yù)測、短期（日前電價）預(yù)測和超短期（實時電價）預(yù)測；依據(jù)預(yù)測內(nèi)容的不同，可分為確定性預(yù)測與概率性預(yù)測，前者預(yù)測結(jié)果為確定的電價數(shù)值，后者則同時給出電價的取值及其概率分布情況。依據(jù)預(yù)測方法的不同，主要可分為時間序列法以及機器學習模型兩大類。

（2）負荷與電量預(yù)測

電力市場的有序放開為售電側(cè)引入了競爭機制，在此背景下，VPP作為電力市場新型主體參與市場競爭成為趨勢。根據(jù)交易時間尺度的不同，VPP可參與中長期市場與現(xiàn)貨市場進行交易，在此過程中，需要準確的中長期、短期、實時電力電量預(yù)測作為其參與市場交易的重要支撐。

（3）分布式光伏預(yù)測

傳統(tǒng)集中式光伏的預(yù)測以歷史出力數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報和實測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過人工智能算法進行預(yù)測。然而，集中式光伏出力預(yù)測方法無法直接應(yīng)用于分布式光伏出力預(yù)測。需要首先探究用戶負荷與表后光伏的解耦方法，將電網(wǎng)中這一部分“不可見”的分布式光伏分量辨識出來，與實際用電負荷解耦，而后分別進行預(yù)測。

（4）響應(yīng)容量估計

目前需求側(cè)資源響應(yīng)容量估計尚屬于新興領(lǐng)域，相關(guān)研究較少?，F(xiàn)有針對響應(yīng)容量估計的研究多從負荷的物理特性出發(fā)，其理論依據(jù)在于各類資源的需求響應(yīng)容量絕大程度上取決于其用電特性。實際上，資源的需求響應(yīng)容量通常分為理論響應(yīng)容量、技術(shù)響應(yīng)容量、經(jīng)濟響應(yīng)容量和可用響應(yīng)容量四類，容量大小依次遞減。從物理特性入手計算所得結(jié)果屬于理論響應(yīng)容量，其大于資源的實際可用響應(yīng)容量。因此，在考慮資源物理特性的基礎(chǔ)上，仍需要在數(shù)學模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動算法等方面著手對響應(yīng)容量估計作更進一步的探索。

>>補償結(jié)算與效益評估技術(shù)

補償結(jié)算與效益評估面向市場交易過程結(jié)束后的結(jié)算與評價過程，包括基線負荷估計、收益分配策略以及綜合效益評估三部分內(nèi)容。

（1）基線負荷估計

常用的個體CBL估計方法包括平均法、回歸法、對照組法、同步模式匹配法等；集群CBL方面尚無針對性研究，目前主要通過個體用戶基線估計值直接累加的方式得到。后續(xù)可結(jié)合用戶時間以及空間層面的分布特點與關(guān)聯(lián)性，利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展相關(guān)研究，提升集群CBL估計精度。此外，隨著分布式光伏在配電臺區(qū)內(nèi)的滲透率提升，含分布式光伏用戶的集群CBL估計也是值得研究的方向之一。

（2）收益分配策略

VPP需要權(quán)衡自身利益以及用戶的經(jīng)濟補償制定合理的分配機制，保證用戶參與需求響應(yīng)項目的積極性以及“虛擬聯(lián)盟”的穩(wěn)定性，達到整體響應(yīng)效益最優(yōu)?，F(xiàn)有的響應(yīng)利潤分配機制包括Shapley值法、均分法等。

（3）綜合效益評估

在VPP單次市場交易過程結(jié)束后，需要對此次事件整體的綜合效益進行定量刻畫，包括技術(shù)層面的指標完成度以及經(jīng)濟層面的效益分析，通過復(fù)盤總結(jié)不斷提升響應(yīng)執(zhí)行度，優(yōu)化外特性指標，為下一次競價出清奠定基礎(chǔ)。同時，效益評估還需細化至VPP中的各參與主體，使其明確自身的損益以便后續(xù)項目實施過程的優(yōu)化。通過構(gòu)建量化評價指標體系，實現(xiàn)整體-個體效益的分級綜合評估，這一過程也有利于政府機構(gòu)對相關(guān)政策的修訂與改進?，F(xiàn)有整體綜合效益評價方法包括系統(tǒng)動力學、信用等級、灰色綜合評價等。

>>儲能技術(shù)

儲能技術(shù)簡單的來說主要是指電能的儲存。從廣義上來看儲能即能量存儲，是指通過一種介質(zhì)或者設(shè)備來將一種能量形式應(yīng)用另外一種方式來展現(xiàn)或者存儲，并在未來應(yīng)用的時候以特定能力的形式釋放出來。儲存的能量可以作為社會發(fā)展的應(yīng)急能源，也可以作為電網(wǎng)負荷低時的一種能量補充支持，即在電網(wǎng)高負荷的時候輸出能量，用來削峰填谷，減輕電網(wǎng)波動。

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