"雙碳"目標(biāo)下虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)與建設(shè)現(xiàn)狀虛擬電廠技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式資源的有效聚合和協(xié)調(diào)控制,從而降低電力系統(tǒng)運行的碳排放量,提高可再生能源消納量,已成為推動"雙碳"目標(biāo)實現(xiàn)的有效途徑。中國電力行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)能源需求激增近年來,中國電力需求迅猛增長。隨著能源革命的不斷推進,環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻,分布式發(fā)電、需求側(cè)響應(yīng)、高彈性電網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)等各種新事物、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。三大核心挑戰(zhàn)高比例新能源接入電網(wǎng)靈活性改造碳減排目標(biāo)實現(xiàn)"碳達峰、碳中和"目標(biāo)的提出,使得分布式清潔能源成為中國電網(wǎng)不可或缺的重要組成部分,高比例分布式可再生能源的接入也對電網(wǎng)的運行水平和調(diào)控能力提出了更高的要求。虛擬電廠的核心價值資源聚合通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷和電動汽車等分布式資源的有效聚合協(xié)調(diào)優(yōu)化掌握各分布式能源的聚類特性和靈活性特征,實現(xiàn)對各類分布式新能源的靈活調(diào)控減小波動減小新能源出力間歇性、隨機性和波動性對電網(wǎng)的沖擊,提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性中國虛擬電廠政策發(fā)展歷程12014年在北京、上海和佛山等多個試點開展需求側(cè)響應(yīng)項目,以補貼的形式啟動需求側(cè)響應(yīng)和VPP的發(fā)展22016年電力體制改革穩(wěn)步推進,中國VPP得到了進一步的發(fā)展32020年國家能源局確定將多層級VPP平臺納入能源領(lǐng)域重點專項,推動VPP技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化落地42021年國家能源局印發(fā)《2021年能源監(jiān)管工作要點》,積極推進VPP等第三方主體參與電力輔助服務(wù)市場當(dāng)前虛擬電廠面臨的主要問題基礎(chǔ)設(shè)備欠缺支撐計量、通信和控制的設(shè)備生產(chǎn)水平較為落后,VPP的生態(tài)圈沒有形成關(guān)鍵技術(shù)研究不足VPP的智能計量、信息通信和協(xié)調(diào)控制技術(shù)水平較低,其運行的實時性和自動化無法得到保障低碳運行方式待開發(fā)在碳達峰、碳中和目標(biāo)背景下,高比例新能源電網(wǎng)為VPP低碳運行帶來的一系列問題沒有得到解決虛擬電廠的核心概念定義與起源VPP的概念最初于1997年由ShimonAwerbuch提出,21世紀(jì)初在德國、英國、法國和荷蘭等歐洲國家興起。VPP的核心可以歸納為"通信"和"聚合",通過先進信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)分布式資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化,并作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行。與傳統(tǒng)電廠的三大區(qū)別1虛擬存在VPP不是物理存在的電廠,而是一種資源管理手段2雙向流動VPP的能量流動是雙向的,既可以送電又可以受電3動態(tài)可調(diào)VPP的負(fù)荷特征是動態(tài)可調(diào)整的,要求負(fù)荷端去適應(yīng)電網(wǎng)虛擬電廠三大關(guān)鍵技術(shù)智能計量技術(shù)VPP通信、控制的基礎(chǔ)是快速可靠的計量自動抄表技術(shù)智能計量管理技術(shù)數(shù)字孿生技術(shù)信息通信技術(shù)實現(xiàn)對各分布式資源運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和運行數(shù)據(jù)的快速匯聚邊緣計算云計算D2D通信時延控制技術(shù)協(xié)調(diào)控制技術(shù)根據(jù)電源組成方式與運行模式的差異進行調(diào)度控制集中式控制集中-分散式控制完全分散控制智能計量技術(shù)詳解01自動抄表技術(shù)VPP內(nèi)部各單元自動測量并讀取其冷、熱、電、氣等能源的生產(chǎn)或消耗信息,并將這些數(shù)據(jù)實時上傳到VPP控制中心02智能計量管理技術(shù)VPP可遠程測量其內(nèi)部所有分布式單元的實時信息,檢查各發(fā)電、用電單元的運行狀態(tài),同時進行合理適當(dāng)?shù)墓芾聿?shù)據(jù)保存、上傳及分析03數(shù)字孿生技術(shù)將VPP的運行數(shù)據(jù)采集并同步到虛擬空間中進行仿真反饋,從而輸出預(yù)測、仿真和監(jiān)測等實時分析結(jié)果對于分布式資源而言,智能計量技術(shù)還可以實時顯示耗能情況和設(shè)備運行狀態(tài)等重要信息,各分布式資源可以根據(jù)這些實時信息進行運行策略的調(diào)整。信息通信系統(tǒng)架構(gòu)接入層路由器、網(wǎng)關(guān)與接入終端骨干層光纖專網(wǎng)與4G/5G骨干網(wǎng)絡(luò)平臺層控制中心與智能調(diào)度算法終端層分布式資源控制終端和VPP通信終端,包括分布式發(fā)電、儲能和柔性負(fù)荷等接入層通信設(shè)備組成,包括接入終端、路由器和網(wǎng)關(guān)等,承擔(dān)VPP通信的銜接作用骨干層VPP通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò),可依賴4G/5G公用通信網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)和無線專網(wǎng)實現(xiàn)平臺層VPP的控制中心,由智能算法實現(xiàn)內(nèi)部資源協(xié)同運行,對外制定市場交易策略通信性能是VPP實現(xiàn)安全可靠控制的基礎(chǔ),非理想的通信條件將會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失,甚至危害系統(tǒng)運行安全。三種協(xié)調(diào)控制模式對比集中式控制特點:VPP控制中心掌握所有分布式資源的數(shù)據(jù)信息,對所有資源進行調(diào)度控制優(yōu)勢:調(diào)控能力強、控制手段靈活劣勢:通信流量集中、計算復(fù)雜度高,兼容性與擴展性較差集中-分散式控制特點:將VPP控制中心的一部分功能下放到本地控制中心實現(xiàn)分層控制優(yōu)勢:緩解數(shù)據(jù)擁堵和計算困難問題分工:VPP控制中心負(fù)責(zé)整體任務(wù)制定和分解,本地控制中心制定單元調(diào)度指令完全分散控制特點:VPP被劃分為多個子系統(tǒng),各子系統(tǒng)自行調(diào)度內(nèi)部資源,通過通信技術(shù)實現(xiàn)協(xié)作優(yōu)勢:可擴展性好要求:子系統(tǒng)需具備協(xié)調(diào)管理、故障響應(yīng)與診斷能力虛擬電廠協(xié)調(diào)調(diào)度研究現(xiàn)狀多樣化的優(yōu)化目標(biāo)目前已有較多文獻對VPP的協(xié)調(diào)調(diào)度與聯(lián)合運行進行了研究,涉及的優(yōu)化目標(biāo)包括:成本最小收益最大運行風(fēng)險最小新能源消納能力最強出力波動最小負(fù)荷需求最小關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用針對VPP參與協(xié)調(diào)調(diào)度存在的時效性不足和對配電網(wǎng)運行影響較大等問題,研究采用了不同的技術(shù):數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù):對VPP調(diào)度特性進行研究和處理,實現(xiàn)對VPP最大容量和爬坡能力的評估計算負(fù)荷直接控制技術(shù):降低VPP對電網(wǎng)的負(fù)荷需求,緩解配電網(wǎng)阻塞問題多智能體控制理論:應(yīng)用于配電網(wǎng)的電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中,實現(xiàn)VPP與配電網(wǎng)調(diào)壓設(shè)備的協(xié)調(diào)控制"雙碳"目標(biāo)下虛擬電廠的低碳使命兩大實現(xiàn)路徑降低碳排放量通過優(yōu)化調(diào)度策略,在目標(biāo)函數(shù)中量化碳排放成本,實現(xiàn)低碳運行決策提高新能源消納量通過棄風(fēng)棄光約束和量化新能源消納效益,提升清潔能源利用率在碳達峰、碳中和目標(biāo)背景下,VPP的節(jié)能減排職能愈發(fā)重要。國內(nèi)外不少學(xué)者對于VPP的低碳經(jīng)濟調(diào)度開展了研究,VPP通過調(diào)度實現(xiàn)低碳運行的表現(xiàn)方式大致分為降低碳排放量和提高新能源消納量兩類。面向碳減排的VPP調(diào)度策略1量化碳排放成本在目標(biāo)函數(shù)中考慮碳排放權(quán)成本、碳捕集成本和碳封存成本,優(yōu)化碳捕集電廠的有功出力和碳捕集率2碳交易機制考慮碳交易機制下的免費碳配額和碳排放權(quán)購買成本,實現(xiàn)VPP的調(diào)峰策略優(yōu)化3聯(lián)合概率分布建模采用Copula函數(shù)對電價和碳價的聯(lián)合概率分布進行建模,優(yōu)化VPP的電力市場競價策略4階梯碳排放成本采用分段函數(shù)構(gòu)造VPP碳排放成本的階梯模型,考慮需求側(cè)響應(yīng)對含碳捕集設(shè)備VPP的碳排放量的影響5碳約束方法在多能互補的VPP日前調(diào)度模型中引入最大碳排放限額作為邊際條件,利用碳捕集系統(tǒng)中的再生碳修正VPP碳排放量面向新能源消納的VPP調(diào)度策略棄風(fēng)棄光約束依據(jù)相關(guān)政策設(shè)置棄風(fēng)棄光閾值作為優(yōu)化的邊際條件,確保新能源的充分利用量化新能源消納效益在目標(biāo)函數(shù)中加入新能源消納的量化效益,通過多種方式提升消納能力:依據(jù)VPP的調(diào)峰裕度量化其新能源消納能力利用電動汽車和柔性負(fù)荷提升消納能力將消納新能源量化為經(jīng)濟收益通過棄風(fēng)懲罰函數(shù)實現(xiàn)消納量提升基于自動發(fā)電控制的清潔能源消納量提升上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑VPP500MW峰值負(fù)荷黃浦區(qū)夏日峰值負(fù)荷59.6MW響應(yīng)資源截至2020年累計實現(xiàn)的商業(yè)建筑需求響應(yīng)資源550可調(diào)資源整合的可調(diào)資源數(shù)量(空調(diào)資源占比74%)130樓宇數(shù)量包括辦公建筑、酒店、商貿(mào)中心和綜合體上海是典型的國際化大都市,空調(diào)負(fù)荷占比高、用戶負(fù)荷波動性強以及用電峰谷差較大等問題嚴(yán)重。2018—2020年間,上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑VPP累計響應(yīng)削峰負(fù)荷超過200MW,曾在1小時內(nèi)削減電力負(fù)荷20.12MW。上海黃浦區(qū)VPP技術(shù)特色智能計量系統(tǒng)所有用戶樓宇安裝了智能計量系統(tǒng),可以實現(xiàn)用戶樓宇內(nèi)電、氣、水和熱等能源的自動測量讀取,用戶可以通過室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)查看所有的計量數(shù)據(jù),了解實時的電能產(chǎn)銷情況和相應(yīng)費用等數(shù)據(jù)信息通信架構(gòu)骨干層:采用Internet網(wǎng)絡(luò)和移動通信網(wǎng)絡(luò)接入層:主要由位于用戶樓宇內(nèi)本地寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而成采集器:用RS485總線,采集間隔為5分鐘集中式控制模式電網(wǎng)公司調(diào)度部門提前一天或幾個小時通過場外平臺將需求下發(fā)給黃浦區(qū)商業(yè)建筑VPP控制中心,VPP控制中心進行相應(yīng)的內(nèi)部分解自動需求響應(yīng)技術(shù)遵循OpenADR與國標(biāo)DL/T1867—2018協(xié)議,設(shè)計了雙兼容的通信數(shù)據(jù)模型進行自動化的調(diào)度,在用戶樓宇內(nèi)安裝二次開發(fā)定制化的自動需求響應(yīng)網(wǎng)關(guān)及智能控制器江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)VPP規(guī)模與成效近年來,江蘇省空調(diào)負(fù)荷高速增長,成為夏季和冬季負(fù)荷尖峰的主要因素。2018年江蘇省全省最高負(fù)荷達到10,288萬kW,其中空調(diào)負(fù)荷占比36%,而南京地區(qū)的空調(diào)負(fù)荷占比高達50%。截至2019年聚合資源:非工業(yè)柔性負(fù)荷:2,715戶工業(yè)剛性負(fù)荷:1,726戶主動需求響應(yīng):20.8萬戶典型案例:2017年5月,在245毫秒內(nèi)成功切除全部參與簽約的233戶電力用戶,共計25.5萬kW,平衡蘇州電網(wǎng)3,000MW的負(fù)荷缺口36%空調(diào)負(fù)荷占比江蘇省全省50%空調(diào)負(fù)荷占比南京地區(qū)浙江某市綠色能源VPP水電為主該市境內(nèi)電源裝機總?cè)萘?89.8萬kW,其中水電裝機容量占比高達72.5%,光伏占比21.4%,綠色能源是全域內(nèi)的主要發(fā)電資源資源聚合由全市境內(nèi)800多座水電站組成,同時聚合光伏、電動汽車和柔性負(fù)荷等綠色資源先進通信骨干層采用專用數(shù)字通道,接入層應(yīng)用無線5G網(wǎng)絡(luò)和北斗通信系統(tǒng),實現(xiàn)可靠的遠程控制43萬kW調(diào)峰能力2021年1月遠程控制輔助電網(wǎng)調(diào)峰108萬kWh新能源消納增加的新能源消納量253噸碳減排減少發(fā)電耗煤94噸,相當(dāng)于減排CO?三家VPP關(guān)鍵技術(shù)對比分析比較項上海某區(qū)商業(yè)建筑VPP江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)VPP浙江某市綠色能源VPP負(fù)荷特點負(fù)荷大且波動強,空調(diào)負(fù)荷占比高尖峰負(fù)荷高,空調(diào)負(fù)荷占比高負(fù)荷尖峰時間短,水電資源豐富終端設(shè)備智能控制器,自動需求響應(yīng)網(wǎng)關(guān),智能計量系統(tǒng)智能網(wǎng)荷互動終端裝置機組智能控制設(shè)備通信架構(gòu)骨干層:Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)接入層:本地寬帶網(wǎng)絡(luò)骨干層:SDH光傳輸網(wǎng)2M通道接入層:專用光纖、無線4G骨干層:專用數(shù)字通道接入層:無線5G、北斗通信控制模式集中式控制模式分散式控制模式集中-分散式控制模式低碳調(diào)度參與電網(wǎng)調(diào)峰,促進新能源消納協(xié)調(diào)電源和負(fù)荷出力,促進新能源消納提高資源利用率,實現(xiàn)碳減排和新能源消納主要特色自動需求響應(yīng)規(guī)模大,毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷100%綠色發(fā)電資源未來發(fā)展方向與結(jié)論智能計量技術(shù)自動抄表、智能計量管理和數(shù)字孿生技術(shù)是VPP智能計量的基礎(chǔ),VPP在分布式資源終端安裝的智能計量設(shè)備將提供更加人性化、定制化和多功能化的服務(wù)信息通信技術(shù)VPP邊緣計算、云計算和D2D通信是未來的發(fā)展方向,同時時延