虛擬電廠發(fā)展綜述

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(shí)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。首先對虛擬電廠進(jìn)行概述，其次對虛擬電廠的研究現(xiàn)狀和國內(nèi)外的虛擬電廠示范項(xiàng)目進(jìn)行綜述，最后提出了虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括多代理系統(tǒng)、聚合管理方式、通信技術(shù)，并從分布式能源的互補(bǔ)性、動態(tài)組合、大數(shù)據(jù)技術(shù)、市場環(huán)境和合作機(jī)制等方面對虛擬電廠的未來研究進(jìn)行了展望。

0引言隨著電力需求的不斷增長以及全球范圍內(nèi)能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)能源發(fā)電的弊端日趨凸顯。在全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念下，“一帶一路”、“一極一道”等戰(zhàn)略建設(shè)均致力于解決能源問題。由于風(fēng)能、太陽能等清潔性高、發(fā)電成本降低，可再生能源成為了未來全球能源發(fā)展的主要方向。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，可再生能源的開發(fā)將迎來重大發(fā)展期。

分布式能源單獨(dú)運(yùn)行時，其出力隨機(jī)性、間歇性和波動性較大。當(dāng)分布式能源接入目前的傳統(tǒng)大電網(wǎng)體系時，電網(wǎng)的安全性和供電可靠性將會受到威脅。為了實(shí)現(xiàn)分布式電源的協(xié)調(diào)控制與能量管理，可以通過虛擬電廠（virtualpowerplant，VPP）的形式實(shí)現(xiàn)對大量分布式電源的靈活控制，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬電廠通過將分布式電源、可控負(fù)荷和儲能系統(tǒng)聚合成一個整體，使其能夠參與電力市場和輔助服務(wù)市場運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)實(shí)時電能交易，同時優(yōu)化資源利用，提高供電可靠性。

本文先對虛擬電廠的定義及控制方式進(jìn)行概述，然后介紹虛擬電廠在模型框架、優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行控制、市場競價(jià)4個方面的研究現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外虛擬電廠的示范工程，并進(jìn)一步指出虛擬電廠發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。最后對虛擬電廠的未來進(jìn)行展望，分布式能源的互補(bǔ)性、虛擬電廠動態(tài)組合、大數(shù)據(jù)技術(shù)、市場環(huán)境和合作機(jī)制都使得虛擬電廠具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1虛擬電廠概述

虛擬電廠的提出是為了整合各種分布式能源，包括分布式電源、可控負(fù)荷和儲能裝置等。其基本概念是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(fù)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(yùn)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(jià)值和效益。虛擬電廠主要由發(fā)電系統(tǒng)、儲能設(shè)備、通信系統(tǒng)構(gòu)成，見圖1。

圖1虛擬電廠的組成

1）發(fā)電系統(tǒng)主要包括家庭型（domesticdistributedgeneration，DDG）和公用型（publicdistributedgeneration，PDG）這2類分布式電源。DDG的主要功能是滿足用戶自身負(fù)荷，如果電能盈余，則將多余的電能輸送給電網(wǎng)；如果電能不足，則由電網(wǎng)向用戶提供電能。典型的DDG系統(tǒng)主要是小型的分布式電源，為個人住宅、商業(yè)或工業(yè)分部等服務(wù)。PDG主要是將自身所生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)，其運(yùn)營目的就是出售所生產(chǎn)的電能。典型的PDG系統(tǒng)主要包含風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電裝置。

2）能量存儲系統(tǒng)可以補(bǔ)償可再生能源發(fā)電出力波動性和不可控性，適應(yīng)電力需求的變化，改善可再生能源波動所導(dǎo)致的電網(wǎng)薄弱性，增強(qiáng)系統(tǒng)接納可再生能源發(fā)電的能力和提高能源利用效率。

3）通信系統(tǒng)是虛擬電廠進(jìn)行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信的重要環(huán)節(jié)。通過與電網(wǎng)或者與其他虛擬電廠進(jìn)行信息交互，虛擬電廠的管理更加可視化，便于電網(wǎng)對虛擬電廠進(jìn)行監(jiān)控管理。根據(jù)虛擬電廠信息流傳輸控制結(jié)構(gòu)的不同，虛擬電廠的控制方式可以分為：集中控制方式、分散控制方式、完全分散控制方式。①集中控制方式下的虛擬電廠可以完全掌握其所轄范圍內(nèi)分布式單元的所有信息，并對所有發(fā)電或用電單元進(jìn)行完全控制。②分散控制方式下的虛擬電廠被分為多個層次。處于下層的虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心控制轄區(qū)內(nèi)的發(fā)電或用電單元，再由該級虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心將信息反饋給更高一級虛擬電廠的控制協(xié)調(diào)中心，從而構(gòu)成一個整體的層次結(jié)構(gòu)。③在完全分散控制方式下，虛擬電廠控制協(xié)調(diào)中心由數(shù)據(jù)交換與處理中心代替，只提供市場價(jià)格、天氣預(yù)報(bào)等信息。而虛擬電廠也被劃分為相互獨(dú)立的自治的智能子單元。這些子單元不受數(shù)據(jù)交換與處理中心控制，只接受來自數(shù)據(jù)交換與處理中心的信息，根據(jù)接受到的信息對自身運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。2虛擬電廠的研究現(xiàn)狀2.1模擬框架問題對于虛擬電廠的模型框架構(gòu)造方面，國內(nèi)外的學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究。虛擬電廠通常是一系列分布式電源的聚合。將虛擬電廠定義為分散在中壓配電網(wǎng)的各點(diǎn)處的不同分布式電源的聚合。為了確保虛擬電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，學(xué)者們建立考慮儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、需求響應(yīng)等的虛擬電廠模型。將區(qū)域風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和常規(guī)水、火電機(jī)組及儲能設(shè)備聚合為虛擬電廠，建立虛擬電廠數(shù)據(jù)模型，并采用實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方案的可行性。對電動汽車、可控負(fù)荷和熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)以虛擬電廠方式聚合管理，進(jìn)行頻率二次調(diào)整，提供負(fù)荷頻率控制功能。在虛擬電廠模型中加入儲存能量的設(shè)備作為附加能源或電能的緩沖裝置，以提高供電質(zhì)量，校正電壓波動和閃變或穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。在虛擬電廠模型中增加可控負(fù)荷，通過調(diào)節(jié)可控負(fù)荷應(yīng)對可再生能源發(fā)電出力的隨機(jī)波動或突發(fā)故障，平衡電能供需，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。按照需求響應(yīng)的不同機(jī)理，考慮需求響應(yīng)的不確定性，分別建立基于激勵的和基于價(jià)格的需求響應(yīng)虛擬電廠模型。

2.2優(yōu)化調(diào)度問題虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度問題可以分為2種：①內(nèi)部調(diào)度，虛擬電廠對自身內(nèi)部多個電源的容量配置或出力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度；②外部調(diào)度，由電網(wǎng)將虛擬電廠當(dāng)成一個整體進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。對于內(nèi)部優(yōu)化調(diào)度問題，提出將虛擬電廠可再生能源出力隨機(jī)性映射到一般投資組合模型?？紤]價(jià)格隨機(jī)性，建立了考慮多個可再生能源發(fā)電電源不確定性的容量配置模型。考慮儲能設(shè)備和需求響應(yīng)，建立虛擬電廠的日前優(yōu)化調(diào)度模型，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的求解。建立基于機(jī)會約束規(guī)劃的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。該模型以最大化虛擬電廠經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)、旋轉(zhuǎn)備用約束為機(jī)會約束，求解虛擬電廠的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果和風(fēng)險(xiǎn)水平。對于外部優(yōu)化調(diào)度問題，采用場景抽樣生產(chǎn)與縮減技術(shù)處理風(fēng)電和光伏出力的不確定性，根據(jù)合作博弈理論，建立基于場景分析的虛擬電廠單獨(dú)調(diào)度、與配電公司聯(lián)合調(diào)度模型，分析含風(fēng)光水的虛擬電廠與配電公司的合作空間以及利益公平分配問題?；诙嘧兞糠蔷€性自適應(yīng)控制思想，建立了含虛擬電廠的區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化模型。該模型的目標(biāo)函數(shù)包括最小化系統(tǒng)頻率偏差、聯(lián)絡(luò)線功率偏差、電壓偏差、監(jiān)測線路的線路功率波動、系統(tǒng)損耗、發(fā)電成本、棄風(fēng)功率，通過近似動態(tài)規(guī)劃方法，得到電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)的有功功率和電壓值、帶變流器的可控電源及負(fù)荷的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。2.3運(yùn)行控制問題虛擬電廠的控制方式有集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。中包括微型熱電聯(lián)產(chǎn)單元、風(fēng)電和光伏等可再生能源的虛擬電廠采用集中控制結(jié)構(gòu)參與配電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度。中的虛擬電廠采用分散控制結(jié)構(gòu)，基于混合整數(shù)規(guī)劃對虛擬電廠接入時包括熱電聯(lián)產(chǎn)、熱鍋爐和熱儲備的本地?zé)峁?yīng)系統(tǒng)進(jìn)行控制管理。由可再生能源、儲能設(shè)備、熱力發(fā)電機(jī)和需求側(cè)響應(yīng)組成虛擬電廠，各單元采用分散控制方式，建立了虛擬電廠日前調(diào)度模型。基于多代理結(jié)構(gòu)建立了虛擬電廠內(nèi)部的調(diào)度模型，模型中采用完全分散控制方式對各單元進(jìn)行控制與調(diào)度。虛擬電廠采用集中控制方式時，所有單元的信息都需要通過控制協(xié)調(diào)中心進(jìn)行處理和雙向通信，所以集中控制方式的擴(kuò)展性和兼容性受到很大局限。分散控制方式能使虛擬電廠模塊化，改善集中控制方式下的通信堵塞和兼容性差的問題。完全分散控制方式使得虛擬電廠具有很好的擴(kuò)展性和開放性，更適合參與電力市場。2.4

市場競價(jià)問題對于虛擬電廠的競標(biāo)模型與策略，國內(nèi)外展開了廣泛的研究。虛擬電廠的市場競價(jià)問題包含單一日前市場競價(jià)和聯(lián)合市場競價(jià)。建立了單一日前市場下虛擬電廠優(yōu)化競價(jià)的隨機(jī)規(guī)劃模型。提出了一種虛擬電廠在電力能源和熱備用市場中的非線性混合整數(shù)規(guī)劃的聯(lián)合競價(jià)模型，考慮虛擬電廠的電力供需平衡和安全約束。針對虛擬電廠的不確定性，國內(nèi)外也展開了考慮不確定性時虛擬電廠競價(jià)策略的研究。采用點(diǎn)估計(jì)法處理電力市場價(jià)格和新能源發(fā)電的不確定性，提出一種虛擬電廠在日前電力市場中的競標(biāo)策略。建立虛擬電廠魯棒隨機(jī)競標(biāo)模型，模型中采用隨機(jī)規(guī)劃的方法處理電價(jià)的不確定性，采用魯棒優(yōu)化的方法處理新能源出力的不確定性。考慮電動汽車數(shù)量和風(fēng)電出力的不確定性，建立虛擬電廠參與日前能量市場和調(diào)節(jié)市場的聯(lián)合競價(jià)策略的魯棒優(yōu)化模型。3虛擬電廠的示范項(xiàng)目3.1國外示范項(xiàng)目基于虛擬電廠的理論研究，國外相繼開展了一系列虛擬電廠工程示范項(xiàng)目。2005～2009年，在歐盟第6框架計(jì)劃下，由來自歐盟8個國家的20個研究機(jī)構(gòu)和組織合作實(shí)施和開展了FENIX項(xiàng)目，旨在將大量的分布式電源聚合成虛擬電廠并使未來歐盟的供電系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性、安全性和可持續(xù)性。

EDISON是由丹麥、德國等國家的7個公司和組織開展的虛擬電廠試點(diǎn)項(xiàng)目，研究如何聚合電動汽車成為虛擬電廠，實(shí)現(xiàn)接入大量隨機(jī)充電或放電單元時電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。2012～2015年，在歐盟第7框架計(jì)劃下，由比利時、德國、法國、丹麥、英國等國家聯(lián)合開展了TWENTIES研究項(xiàng)目，其中對于虛擬電廠的示范重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式電源和負(fù)荷的智能管理。WEB2ENERGY項(xiàng)目同樣是在歐盟第7框架計(jì)劃下開展的，以虛擬電廠的形式聚合管理需求側(cè)資源和分布式能源。德國庫克斯港的eTelligence項(xiàng)目建立了能源互聯(lián)網(wǎng)示范地區(qū)，其核心是建立一個基于互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域性能源市場。而虛擬電廠技術(shù)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)聚合的一種重要模式。3.2國內(nèi)示范項(xiàng)目國內(nèi)對于虛擬電廠工程示范的建設(shè)處于快速發(fā)展階段。隨著國內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)行動計(jì)劃的推進(jìn)，上海首個能源互聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目在2015年初投產(chǎn)。該項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)屋頂光伏分階段全覆蓋和充電樁分階段全覆蓋的目標(biāo)，并借助“互聯(lián)網(wǎng)+”建成功能強(qiáng)大的虛擬電廠，從而完成清潔替代和實(shí)現(xiàn)區(qū)域冷熱電三聯(lián)供。能源互聯(lián)網(wǎng)行動計(jì)劃中的另一個重點(diǎn)項(xiàng)目是張家口的奧運(yùn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目將在張家口市建立可再生能源示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)高比例的風(fēng)電、光伏等可再生能源，其中，虛擬電廠技術(shù)成為解決可再生能源規(guī)模化開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。4虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)問題4.1基于多代理系統(tǒng)對虛擬電廠進(jìn)行協(xié)調(diào)控制多代理系統(tǒng)（multiagentsystem，MAS）是由多個相互獨(dú)立、可以雙向互動通信的智能代理組合形成的，通過確定每個代理在系統(tǒng)中扮演的角色以及相互配合時的行為準(zhǔn)則，使系統(tǒng)易于控制與管理。基于多代理系統(tǒng)的虛擬電廠協(xié)調(diào)控制邏輯關(guān)系圖見圖2。通過各個代理之間的雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制和能量優(yōu)化管理；各個代理的行為具有自治性和獨(dú)立性，可以根據(jù)電網(wǎng)的環(huán)境適當(dāng)做出改變以滿足電網(wǎng)的需求，充分提高分布式電源的利用率。

圖2基于多代理系統(tǒng)的虛擬電廠協(xié)調(diào)控制邏輯關(guān)系圖4.2采用高效聚合方法實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)合作由于分散在電網(wǎng)中的分布式電源容量有限，其出力的隨機(jī)性、波動性、間歇性也較大，需研究對不同區(qū)域的虛擬電廠以及虛擬電廠內(nèi)不同發(fā)電單元的高效聚合方法。通過將不同區(qū)域的虛擬電廠進(jìn)行高效聚合，解決分布式能源出力的隨機(jī)性、波動性、間歇性，實(shí)現(xiàn)分布式能源的互補(bǔ)。根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，利用智能算法實(shí)現(xiàn)虛擬電廠內(nèi)部的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，充分利用虛擬電廠內(nèi)的分布式能源。4.3建立開放可靠的通信系統(tǒng)在虛擬電廠內(nèi)，各發(fā)電單元與負(fù)荷均直接或間接與控制協(xié)調(diào)中心相連接。控制協(xié)調(diào)中心不僅要能夠接收每一單元的當(dāng)前狀態(tài)信息，而且能夠向控制目標(biāo)發(fā)送控制信號。而虛擬電廠中的各單元不僅要能夠發(fā)送自身的當(dāng)前狀態(tài)信息，而且能夠接收控制協(xié)調(diào)中心發(fā)送的控制信號。因此，需要研發(fā)開放、可靠的融合能源流和信息流的雙向通信技術(shù)，加強(qiáng)電力傳輸與信息處理的融合。5虛擬電廠的展望隨著國家對清潔能源和新興技術(shù)的發(fā)展的大力推動，虛擬電廠將成為智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中重要的能源聚合形式，具有廣闊的發(fā)展空間。

1）分布式電源的互補(bǔ)性減少出力的不確定性。由于可再生能源出力存在較大的隨機(jī)性、波動性、間歇性，分布式電源的動態(tài)組合問題亟待解決。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，三部委針對可再生能源聯(lián)合發(fā)布了“一帶一路”和“一極一道”發(fā)展戰(zhàn)略，“一帶一路”沿線各國都具有豐富的風(fēng)能和太陽能資源，“一極一道”更是推進(jìn)了大型可再生能源基地電力送出以及各大洲之間電力交換。能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略推進(jìn)跨境電力與輸電通道建設(shè)，積極開展區(qū)域電網(wǎng)升級改造合作，充分發(fā)揮不同區(qū)域內(nèi)分布式電源的時差互補(bǔ)和季節(jié)互補(bǔ)特性，提高可再生能源的利用率和虛擬電廠的效益。

2）多個分布式單元靈活地進(jìn)行動態(tài)組合組成虛擬電廠。虛擬電廠與微電網(wǎng)的最大區(qū)別在于構(gòu)成虛擬電廠的多個分布式發(fā)電單元不一定在同一個地理區(qū)域內(nèi)，其聚合范圍以及與市場的交互取決于通信能力和可靠性。多個分布式發(fā)電單元按照一定的規(guī)則或目標(biāo)進(jìn)行聚合，以一個整體參與電力市場或輔助服務(wù)市場，最后將利益分配給每個分布式發(fā)電單元。虛擬電廠作為中介，根據(jù)動態(tài)組合算法或動態(tài)博弈理論等規(guī)則對多個分布式發(fā)電單元靈活地進(jìn)行動態(tài)組合。動態(tài)組合的實(shí)時性和靈活性可以避免實(shí)時不平衡所帶來的成本問題以及由于電廠停機(jī)、負(fù)荷和可再生能源出力預(yù)測失誤時所導(dǎo)致的組合偏差問題。

3）大數(shù)據(jù)對可再生能源進(jìn)行預(yù)測，提高虛擬電廠數(shù)據(jù)處理速度。大數(shù)據(jù)是指無法在可承受的時間內(nèi)用傳統(tǒng)的IT技術(shù)、軟硬件工具和數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行感知、獲取、管理、處理和分析的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)技術(shù)可進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測和可再生能源出力預(yù)測，包括風(fēng)能和太陽能。風(fēng)能預(yù)測非常必要，因?yàn)閿?shù)據(jù)顯示在用電高峰期，風(fēng)電場的實(shí)際產(chǎn)能變化幅度很大。準(zhǔn)確預(yù)測太陽能和風(fēng)能需要分析大量數(shù)據(jù)，包括風(fēng)速、云層等氣象數(shù)據(jù)。同時，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理虛擬電廠內(nèi)的各種信息，能有效提高數(shù)據(jù)交換與處理中心的處理速度，為虛