能源革命不用怕 虚拟电厂hold得住

从技术层面讲，虚拟电厂并未改变每个分布式能源并网的方式，而是通过先进的控制、计量、通信等技术聚合分布式电源、可控负荷、储能系统、电动汽车等不同类型的分布式电源，并通过更高层面的软件构架实现多个分布式能源的协调优化运行，使其能够参与电力市场和辅助服务市场运营，实现实时电能交易，同时优化资源利用，大大提高供电可靠性。

 

虚拟电厂的概念更多强调的是对外呈现的功能和效果，这种方法无需对电网进行改造而能够聚合分布式能源对公网稳定输电，并提供快速相应的辅助服务，成为分布式能源加入电力市场的有效方法，降低了其在市场中孤岛运行的失衡风险，可以获得规模经济的效益。同时，分布式能源的可视化以及虚拟电厂的协调控制优化大大减小了分布式能源并网对公网造成的冲击，降低了分布式能源增长带来的调度难度，使使配电管理更趋于合理有序，提高了系统运行的稳定性。

 

（虚拟电厂的典型结构，来源：《虚拟发电厂研究综述》中国电机工程学报）

 

分布式能源发电系统按照用途分为家庭型和公用型两类，家庭型发电系统首先需要满足用户自身负荷，当产生电能剩余时才会输送给电网，当产生电能不足时，依然由电网向用户供电。典型的家庭型分布式电源可以是光伏发电设备、小型热电联产设备以及一些应急发电设备等。公用型发电系统作为发电商，其功能即为自身产生电能并输送到电网。典型的公用型发电系统主要包括风电站、光伏电站等新兴能源发电装置。

 

关键技术

 

1、协调控制技术

 

在分布式能源中占主要部分的可再生能源发电站，如风力发电站、光伏发电站等，由于他们的间歇性和波动性使得发电电能质量和发电经济性成为难点，因此在虚拟电厂控制各种分布式能源发电设备、储能系统以及可控负荷的过程中，对他们的协调控制是最关键的部分。集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。虚拟电厂采用集中控制方式时，所有单元的信息都需要通过控制协调中心进行处理和双向通信，采用能源管理系统（EMS）协调机端潮流、可控负荷和储能系统，找到最佳加爵方案，优化电网运行。集中控制方式最容易实现虚拟电厂的最优化运行，但其扩展性和兼容性受到很大局限。分散控制方式能使虚拟电厂模块化，改善集中控制方式下的通信堵塞和兼容性差的问题。完全分散控制方式使得虚拟电厂具有很好的扩展性和开放性，更适合参与电力市场。

 

以下为三种控制方式的对比：

 

 

（虚拟电厂的完全分散控制结构，来源：《虚拟发电厂研究综述》中国电机工程学报）

 

2、信息通信技术

 

虚拟电厂要采用融合能源流与信息流的双向通信技术，控制中心不仅可以接受各单元的当前状态信息，而且能够向控制目标发送控制信号。应用于虚拟电厂中的通信技术主要基于互联网的技术，如互联网协议的服务、虚拟专用网络、电力线路载波技术和无线技术。根据不同场合和要求，虚拟电厂要应用不同的通信技术。在欧洲进行的一些虚拟电厂项目中，主要应用有互联网虚拟专用网络技术、移动通信技术、GPRS技术和IEC104协议通信技术等。

 

3、智能计量技术

 

智能计量技术是虚拟电厂发展中设备应用技术的重要环节，是实现虚拟电厂控制技术的基础。智能计量最基本的作用是自动测量和读取用户住宅内的电、热、气、水的消耗量和生产量，即自动抄表技术，以此来作为虚拟电厂提供电源盒需求侧的信息来源。

 

发展现状

 

目前，VPP技术在欧美发达国家有着较为成熟的发展，在欧美各国已有一些可供借鉴的小规模示范项目。自2001年起欧洲各国就开始开展以集成中小型分布式发电单元为主要目标的虚拟发电厂研究项目，参与的国家包括德国、英国、西班牙、法国、丹麦等。现已实施的虚拟电厂项目包括：德国卡塞尔大学太阳能供应技术研究所的试点项目、o欧盟虚拟燃料电池电厂项目、欧盟FENIX项目等。北美则较少采用“虚拟发电厂”的概念，而是主要推进利用用户侧可控负荷的需求响应，并已取得令人瞩目的成效：据统计2008年美国的各类需求响应项目可在用电高峰时段减少高达38000MW的负荷。而在亚太地区，走在前端的是澳大利亚。2016年8月，AGL能源公司宣布在澳大利亚阿德莱德举办一个5兆瓦的虚拟电厂计划。

 

在我国由于能源体制中发电、输配电、用电三方的相对独立，国内尚未形成相关成熟的VPP成套解决技术，VPP基本处于前期研究阶段。

 

未来与展望

 

针对中国实际情况，对未来开展虚拟电厂仍需要几点进步：

 

1）虚拟电厂需要用户的参与，因此对于这一概念的宣传还需加深，也需要一定鼓励机制；

 

2）虚拟电厂的应用需要中国电力市场的进一步完善，为了避免管理和调度混乱，仍需合理规划虚拟电厂的范围和职能；

 

3）虚拟电厂的发展需要国内拥有合理的竞争机制和有针对性的政策。

 

根据派克研究公司2014年的报告， VPP市场将在未来几年内继续保持稳定增长，基准情况从2010年的52亿美元增长到2015年的近75亿美元。在更积极的预测情况下，清洁技术市场情报公司预测，同期全球VPP收入可能达到高达117亿美元。

 

派克研究部高级分析师彼得·阿斯穆斯（Peter Asmus）说：“虚拟发电厂代表着能源互联网”。“这些系统利用现有的网格网络为客户量身定制电力供需服务VPP使用一套复杂的基于软件的系统为最终用户和分销公用事业提供最大的价值，它们是动态的，实时提供价值，并能够快速反应客户负荷变化。”

 

各国虚拟电厂的发展

 

德国

 

作为能源互联网发源地的德国，在其能源转型战略中提出明确的弃核期限以及占比非常高的可再生能源发展指标，这意味着其分布式能源的比例也将不断提高，优化控制这些分散的分布式“电厂”、保持电网稳定成为了德国能源研究中的重点。在虚拟电厂这一概念的应用上，德国也走在前列。科研上，政府的大力支持在全德开展了多个虚拟电厂试点项目和示范研究项目；商业上，越来越多的公司开始进入虚拟电厂领域，除了大公司西门子、博世等等联合传统电力巨头想在通讯服务领域占得头筹，更多的中小型企业也看中了虚拟电厂未来的发展前景，业务涉及能效管理、节能合约、充电设施服务等等。

 

RegModHarz项目

 

2008年，德国联邦经济和技术部启动了“E-Energy”计划，目标是建立一个能基本实现自我调控的智能化的电力系统，而其中信息和通信技术是实现此目的的关键。E-Energy同时也是德国绿色IT先锋行动计划的组成部分。绿色IT先锋行动计划总共投资1.4亿欧元，包括智能发电、智能电网、智能消费和智能储能四个方面。为了分别开发和测试智能电网不同的核心要素，德国联邦经济技术部通过技术竞赛选择了6个试点项目。在由“E-Energy”计划支持的6个涉及能源互联网项目中，位于德国中北部的哈茨山脉的可再生能源示范项目——RegModHarz项目，就是将新能源最大化利用的典型案例，而其中最引人注目的就是虚拟电厂部分。

 

该项目所选定的哈茨地区，在分布式电力供应方面拥有风能、抽水蓄能、太阳能、沼气、生物质能以及电动车等多种方式，在输配电方面主要有6家配电运营商、4家电力零售商以及1家输电商运营。

 

项目中，虚拟电厂与分散式电源进行通讯连接，而与原有的传统大型发电场不同的是，新能源系统数据变化较快，安全、稳定性高的传输技术非常必要。所以在此项目中制定了统一的数据传输标准，使得虚拟电厂对于数据变化能够快速反应。在考虑发电端的同时，虚拟电厂同样关注的是用电侧的反应，在哈茨地区的试样中，家庭用户安装了能源管理系统，被称为“双向能源管理系统”(简称BEMI)。资料显示，用户安装的能源管理系统每15分钟储存用户用电数据，记录用户每天的用电习惯惯，并将这些数据通过网络传输到虚拟电厂的数据库中。同时，BEMI系统还可以通过无线控制开关的插座，当电价发生变动时，可以通过无线控制来调控用电时间和用电量。
 

（RegModHarz项目发电侧及用电侧负荷曲线（其中红线表示用电量，蓝线表示分布式能源发电量，风能发电占绝大部分） 来源：RegModHarz项目项目报告）

 

在哈茨项目执行的过去几年间，项目方对于进入批发市场的商业模式进行模拟。而模拟的结果是，在当时，如果缺乏补贴，可再生能源进入电力批发市场获利可能性很小。在示范区当地，将可再生能源进行销售也是另一种商业模式。随着民众对于可再生能源认同感增强，并且对于当地电源发展的认同与支持，虚拟电厂作为协调方，协调发电端和零售商以及最后到用户端之间的交易。

 

欧盟FENIX项目

 

FENIX（Flexibleelectricity network to integrate the expected energy solution）项目是由来自英国、西班牙、法国等8个国家的20个研究机构和组织，在欧盟第6框架计划下与2005-2009年间实施的VPP研究和试点项目，其目的在于通过将大型虚拟电厂（LSVPP）和分布式能源进行管理，来最大化地提升DER（分布式能源）对电力系统的贡献。

 

（FENIX项目的合作国家及机构 来源：FENIX报告）

 

FENIX项目的一般架构如下图所示，基于此架构，在英国和西班牙分别实施了北部方案和南部方案。

 

（FENIX项目的一般架构 来源：《虚拟电厂欧洲研究项目述评》电力系统自动化第21期）

 

北部方案的重点在于以英国电力市场为依托建立商业性VPP（CVPP）运行模式，在其架构中，各种分布能源被分散代理，并通过分布式能源接口传递其当前状态和数据信息，汇总后传给VPP代理，并形成竞标曲线，参与e-terra Trade的市场竞争和市场交易。

 

而南部方案通过在配电系统中聚合多种分布式发电技术同时应用了商业型VPP和技术型VPP（TVPP）两种概念，展示了VPP的三大功能：1）聚合DER加入日前电力市场；2）提供第三备用辅助服务：3）维持书店和配电电压。在这个方案中，每个DER的实时状态信息提交给CVPP，CVPP由西门子公司开发的分布式能源管理系统（DEMS）来实现，聚合、制定、分配DER的发电计划，并实时操控，在TVPP方面，配电网运营商根据当地SCADA参数和网络拓扑结构等信息，进行计算和估计，确定DER与输电系统连接点的潮流来保证电压稳定。

 

NextKraftwerke公司

 

NextKraftwerke是德国一家大型的虚拟电厂运营商，同时也是欧洲电力交易市场 (EPEX) 认证的能源交易商，参与能源的现货市场交易。除了虚拟电厂相关的一切业务，从技术，电力交易，电力销售，用户结算等，同时也可以为其他能源运营商提供虚拟电厂的运营服务。管理了超过2400个分布式发电设备，包括生物质发电装置，热电联产，水电站，灵活可控负荷，风能和太阳能光伏电站等, 总体管理规模达到1450MW。是目前德国虚拟电厂方面的领先企业。

 

公司有两种主要的业务模式，一方面是将风电和光伏发电等可控性较差的发电资源直接参与电力市场交易，获取利润分成。另一方面，它利用生物质发电和水电启动速度快、出力灵活的特点，来参与电网的二次调频和三次调频，从而获取附加收益，这也是这家公司最重要的利润来源。目前Next公司能占到德国二次调频市场的10%的份额。

 

第一种业务模式在发电端（风电/光伏）安装远程控制装置NextBox，通过这个硬件设备将电源集成到了虚拟电厂平台；根据电源运行参数、市场数据和电网状态，通过虚拟电厂平台对各个电源进行控制，参与电力市场交易；虚拟电厂运营商不需要自己投资交易基础设施，就可获取能源交易收益。
 

 

（Next Kraftwerke的业务模式图1 来源：Next Kraftwerke）

 

另外一种业务模式是在生物燃气热电联产的机组（CHP）安装远程控制装置NextBox，CHP的灵活性可以提供给电力平衡市场；平时CHP会收到备用费补偿，这时CHP正常运行不需要作出调整；当电网过载时，CHP可以在几分钟内减少或停止出力。CHP运营商将从Next获得额外的调频服务费。
 

 

（Next Kraftwerke的业务模式图2 来源：Next Kraftwerke）

 

澳大利亚

 

近年来，澳大利亚开始大力发展生物质、光伏和风电等可再生能源，尽管在全国一次能源生产中的比例仅占2%，但在南澳大利亚州等地区风电已经供应了近40%的电力。澳大利亚对于新能源发展的扶持为其虚拟电厂的发展提供了良好的环境。

 

AGL能源公司项目

 

澳大利亚最大的可再生能源资产私有者和运营商AGL能源有限公司（AGL）去年8月宣布推出全球最大的虚拟电厂，最终在南澳的家庭和企业中安装了1,000台连接电池，提供5兆瓦的峰值能力，并为客户提供节省能源费用的机会。在这一示范项目中，AGl与澳大利亚可再生能源机构（ARENA）和美国领先的储能和管理公司Sunverge公司合作。

 

在美国，其虚拟电厂主要基于需求侧响应计划发展而来，兼顾考虑可再生能源的利用，因此对负荷的控制和储能设备的投入占其虚拟电厂的主要部分。

 

ConEdison项目

 

美国SunPower推出新型屋顶太阳能+存储捆绑包，旨在纽约建立一个虚拟电厂，包括1.8兆瓦的光伏装机容量和4兆瓦的电池存储。1500万美元项目是纽约“能源愿景改革（REV）”计划的一部分，Sunverge提供锂离子电池存储系统，SunPower租赁其太阳能电池板，公用事业Con Edison管理存储电力的电网供电。该项目就是为了将更多的太阳能集成到当地电网，这样Con Edison就能够在高峰时段给客户调度存储电力。如果发生停电，住户们还可以使用。该试验项目将为纽约布鲁克林和皇后区的300个住宅用户提供服务，Con Edison主要瞄准自用单户住宅。参与租用SunPower太阳能系统（从7kW 到9kW）的租户将获得Sunverge合适尺寸的电池--该公司提供其6kWh和19.4kWh存储系统。该存储系统一开始归Con Edison所有，可让此公用事业测试该领域实时应用、调峰、调频和技术能力。