喻洁: 虚拟电厂少不了储能的参与

 

8月25-26日，首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会在江苏无锡太湖饭店召开。东南大学电力经济技术研究所仿真实验室主任、副教授喻洁在会议上,就“考虑源-荷-储互补特性的虚拟发电厂规划与运行策略”发表演讲。

 

 

演讲全文如下：

 

喻洁：关于未来储能能够参与到电力系统的一些商业运营模式，我就是从我比较熟悉的虚拟发电厂概念与大家先分享一下我们团队的一些科研成果。

 

虚拟发电厂在国外也一个比较新的概念。国外的示范工程主要集中在欧洲，虚拟发电厂最早是在配电网中间，是由配电网中的分布式可再生电源以及需求侧响应的柔性负荷和多种类型的储能技术，其中包括大规模电动汽车的技术组成的。中国的虚拟电厂其实也做了一定的拓展，也就是说也不一定局限于分布式电源。我们现在承担的科技项目也有把传统电厂作为虚拟电厂一部分，只要能把它很好的做一个控制。

 

虚拟电厂的概念背景最早起源于在配电网中间的分布式电源大规模应用，分布式电源大规模应用大家都知道是一个比较自主化的，缺少一个统一的管理手段和模式。分布式电源大规模接入电网之后，预期有可能会对电网的运行受到影响，首先受到影响就是负荷预测的不准确性，后面对电网运行可靠性有专家也做出了研究。当分布式电源占比超过了百分之多少的时候有可能对电网的安全稳定运行产生影响。

 

在这样的发展背景下，提出的虚拟发电厂概念就是希望能通过一些控制手段，把这些分散的分布式电源组织起来，形成一种可以控制的、规模化效应的类似于电厂的组织。这个概念的发展过程之中后来又融入了需求侧管理柔性负荷的概念，以及最后储能设备的技术发展，就使得虚拟发电厂可控性就越来越好。所以在虚拟发电厂的定义里面其实体现了几个方面的灵活性：

 

一个是组织的灵活性。因为虚拟发电厂内部是可以有不同的组织，分布式电源、储能单元和用电单元组合成一种虚拟组织。

 

第二个是构建的灵活性。在虚拟电厂构建过程中可以把地理位置分散的不同的分布式电源通过控制策略组织起来。

 

第三个是运行的灵活性。针对不同类型组成的虚拟电厂要适应当时实时的电网运行状态。在电力市场改革的背景下适应于当时电力市场的规则，运行要有一定的灵活性。

 

第四个就是环境的适应性。大概分一下虚拟发电厂类型，我们分为基数型和商业型。但是这两种类型的分裂并不是说把他们分割开了，而是说虚拟电厂具有这两种方面的作用。技术型虚拟电厂主要实现的是对分布式单元的协调控制，还包括了储能装置以及可以做需求响应的负荷单元。这里包括了各种类型的联网和互动，以及通过合理的控制策略使得虚拟发电厂最后总体呈现出一种可控的特性，类似于发电厂的可控特性。也就是说可以控制总体的输出功率或者说总体的用电功率，或者说可调节功率。这一点是非常重要的，因为只有具有了这一点才能够成为一个虚拟发电厂，才能够有技术上的可能性去参与到电力市场或者其他的商业运行模式之中。所以说在技术型虚拟发电厂完成之后，要考虑的就是商业型虚拟发电厂的运行。商业型虚拟发电厂的运行应该充分考虑到当地的电力市场机制以及当地的电价机制。那么与电网互动，甚至也可以考虑到其他的相关能源领域的政策，比如说炭交易市场和刚刚出来的绿证交易等等。这两方面的技术型和商业型其实是互为支持的。

 

在电力市场中虚拟发电厂能够起到什么样的作用呢？如果要是按照角色分类其实是可以作为发电商或者是辅助服务的提供商。另外，如果是负荷型为主的虚拟发电厂，可以作为负荷聚集商，虚拟发电厂也可以作为中国能源服务商。我们现在做的虚拟电厂就是多能互补，甚至考虑电能替代的。另外如果要是在一个智慧园区的固定区域范围之内，虚拟发电厂就更有点像是微电网，这几个概念之间有一定的关联性，但是也是有所区别的。

 

虚拟发电厂和传统的发电厂有什么区别？虚拟发电厂这个名字的叫法其实就是借鉴了传统发电厂中间的外特性的概念，比如说输出的可控性，也就是说内部的各个分布式单元具体的输出是内部控制策略决定的。但是作为虚拟发电厂的整体，就应该保证使虚拟发电厂外部的输出具有可控特性。另外还有像爬坡速率、旋转备用以及发电厂的外部特征都具备。只有具备了这样特性的发电厂，未来才有可能参与到电力市场中，才有可能做到这样的商业运行模式。不同的地方在于，传统发电厂是具有稳定属性的。我建了几台机组装机容量是固定的，但是虚拟发电厂是属于很灵活的、可扩充的。只要分布式电源参与越来越多或者是我的负荷参与者越来越多，虚拟发电厂的容量其实是可以扩展的，并且速度是可以比较灵活的调节。大家知道，分布式电源调节速率还是很快的，这些特色其实就对虚拟发电厂的控制产生了更高的要求。

 

虚拟发电厂和微电网确实很有相似之处，首先都是由不同的分布式电源和负荷，以及储能装置组成的。他们的组成单元基本上都是接入配电网运行，但最主要的区别就在于，虚拟发电厂下面的组成单元，地理位置是可以分散的。微电网是地理位置比较集中的，是通过TCC的连接点连接在配电网中间。微电网的可以有孤岛运行和定网运行两种状态，但是虚拟发电厂一般来讲就是一个运行状态，而且虚拟发电厂有多个不同的接入点。同时虚拟发电厂除了技术上的控制，更重要的是要考虑商业运行模式。

 

经常听到另外一个说法叫能效电厂。能效电厂主要是由负荷组成的，能效电厂最后获得的能效也就是通过负荷侧的需求侧管理，使得负荷侧节约了用电量。也就是能效电厂一般来讲是不发电的，是通过节约用电量获得能效。虚拟发电厂的概念可以包含能效电厂，但虚拟发电厂的概念更宽泛一些，是可以包括电源的。

 

下面跟大家介绍一下国外虚拟发电厂典型应用案例。虚拟发电厂示范工程大部分是在欧洲，比较典型的一个是丹麦的EVPP项目，就是跟储能是密切相关，因为里面包含了大量的电动汽车。在电动汽车收集底层历史数据，通过EV操作源聚合到电力市场中间的零售商中，然后通过零售商参与到电力市场中间。欧盟的WEB2ENERGY VPP项目是通过互联网接入用户，用户端通过互联网接入到虚拟发电厂的控制中心，并且通过广域网实现这样一个公约。和电网之间目前公约基本上还是在专用的通信网络上，所以欧盟侧重于WEB。

 

下一个项目是欧盟的FENIX VPP项目，这个项目是把技术型的VPP和商业运行的VPP做了一个结合。这里也考虑到了传统发电机组和热电联供的风电机组一起结合在虚拟发电厂当中，通过技术手段给他们做一个协调的控制，之后通过交易软件参与到电力市场之中。荷兰的电力匹配器体系结构主要是一个代理的概念，也就是一个虚拟发电厂类似于代理。通过集中代理、拍卖代理等等不同的代理，在市场中间获得自己的价格。德国的VPP项目里面所包含的分布式电源类型比较多，而且分布式电源是通过400V接入，风电场是通过20千伏接入，尝试的是在不同电压等级下做的集中的虚拟发电厂的尝试。

 

再说一下我们现在承担的国内虚拟发电厂的科研项目，内部是考虑到了多种能源互补以及电能替换，后期如果有成熟的研究成果，可以继续与大家分享。虚拟发电厂现在说起来好像是具有了发电能力以及负荷侧的需求响应能力和可调节能力。为什么能够具备这些能力？就在于虚拟发电厂规划的时候，要包含哪些成员是很重要的。虚拟发电厂在规划的时候首先要对自己储存的成员结构进行一个潜力评估。我们在科研过程之间列出了一些迁移评估方案，包括分布式电源的能力和特性、需求响应能力，还有储能充放电能力。我们团队也正在提一个新的概念，叫做虚拟发电厂的海绵特性，也就是说当电力系统处于负荷低谷的时候，发电量高于负荷量，那么储能就开始吸收储存电能。当负荷高峰的时候，发电量小于负荷量，那么储能装置开始释放电能。这样的海绵特性伸缩弹性其实是很有助于电力平衡，就是电力的第一性原理需要平衡。虚拟发电厂组建的过程中，还需要对当地的电网情况做一个评估。电网的网架结构、电力供应情况以及当地的电力市场机制。因为我国现在各个省的电力市场机制都有所不同，以及当地的行业的定价等等，这些都是要在规划的过程中做一个经济性的评估。

 

另外，对于相关的能源政策也是要有所关注，包括现在国家规定的碳交易市场以及其他的节能减排政策和电能替代政策，这都是可以做到我们的目标函数之中。我们现在虽然定义了一些公式，但是缺少的还是第一手的设备资料，欢迎大家跟我们一起讨论。多能协调规划的过程中把下面的榫合度的约束条件考虑在整个的目标函数里面。目标函数可以考虑到经济性、可靠性和充分利用率等方面，目标函数的权重也是可以设计的，如果经济性第一考虑，那么经济性权重就设为最高。

 

虚拟发电厂在规划完成之后就涉及到运行，虚拟发电厂的运行其实就是能够在商业模式中获得利润的关键。虚拟发电厂的运行根据组建过程中当地的通讯条件以及组建的方式可以分为几种运行控制模式：

 

一种就是集中式的控制。基本上电力系统现在就是这样，就是把所有的组成成员信息都采集到控制中心，控制中心来下发所有的控制指令，这个就是集中式的控制模式。但是在虚拟发电厂建设过程中，集中式的控制模式有一个约束条件，就是对于所有的分布式单元都要有信息采集和控制的通路，这是在建设的时候必须要考虑到的。

 

另外一种是分散式的控制。也就是说我公布一个信息，可能是电价信息或者其他激励信息。这个信息只是公布出去，但是我不做主动控制。对于这个信息响应，就是各个组成成员自主地响应。这种模式就是比较自由，但是也有一个缺陷，就是对于响应总体的效果很难控制。有的负荷单元也许响应得多一点、有的也许响应的少一点。

 

还有一种控制模式就是分布式控制。就是基于现有的通讯手段，只要分布式单元中间可以有通讯的链接，那么就可以通过分布式控制的算法达到整体想控制的目标。

 

还有一种方式是组合方式，可以把上面几种方式因地制宜组合起来。

 

下面是我们团队研究过的几种虚拟发电厂的优化调度的办法。随机优化算法一般是考虑到分布式电源负荷的随机波动性做的算法，随着储能的加入对于随机性的要求更增强了。另外一种是分布式控制的算法，可以由各个分布式单元之间完成。还有多层优化，可以在我们做成组合式的控制结构中间用多层优化算法。另外就是多目标的优化，我们可以根据不同的运行环境设置不同的目标。

 

虚拟发电厂的通讯技术也就是在配电网中，所有的分布式电源、所有的分布式储能都去建设一个通信的链路。这个投资成本是非常高的，可以充分利用现有的不管是有线通讯、无线通讯还是公用的互联网通讯，组建一个虚拟电厂。通过这些虚拟电厂的控制手段和技术，最终可以获得虚拟电厂的固定参数以及的动态参数，从而组成虚拟电厂整体的控制手段，这也就是虚拟电厂与传统电厂相比的竞争优势。

 

下面讲一下我们团队对于虚拟电厂参与到电力市场机制中的考虑。因为我们曾经在需求侧管理的方向上面做过一些累积，所以说对于峰时电价、实时电价和尖峰电价有一定基础。在虚拟电厂中可以考虑到基于价格和基于激励两方面的需求侧响应机制，这比较符合我国目前的现状。在完善电力市场机制下，电力市场机制其实应该包括的是中长期年度市场、月度和实时市场以及各种服务市场。其实虚拟电厂如果说对内部实现了有效的控制，它在参与电力市场的背景下也是很具有优势的，尤其是在参与电力辅助服务市场的优势，可能比传统的机组还要更大一些。辅助服务市场包括几个方面，一个是保持频率稳定的服务，另外一个保持电压稳定的服务、保持状态稳定的服务。虚拟发电厂控制的灵活性、反映快速性方面是优于传统机组的，但是这其中自身有效的控制策略是非常关键的。

 

总结一下，虚拟电厂在电力市场中可以承担的角色包括发电商、发电经纪商、辅助服务供应商、以及售电商，这其中都少不了储能装置的参与。跟大家说一下我们对于虚拟发电厂角色的考虑，在电力体制一体化的模式下，可以通过配电公司参与到电力系统整个的运行调度之中。电力批发市场竞争模式下可以作为负荷聚合商，当负荷聚合商达到一定规模的时候可以作为独立的辅助服务提供商，电力市场零售竞争模式下是可以作为零售商和负荷聚合商参与到电力的零售市场。我们团队对这方面其实做过不少的数学模型策略研究分析，也正在规划一个仿真实验室。在仿真实验室的规划里面是希望能够做成市场规则库，可以适应不同规则的电力市场的模拟，并且模拟虚拟发电厂参与电力市场的报价检测包括内部的成本分析、市场分析考核策略等等。其中我们提出的一个比较新的概念就是一个发电激励策略，这个源荷储的自动发电激励策略，是基于我们以前做的需求侧管理的响应策略，针对分布式电源以及负荷储能自身的运行特点量体裁衣来制定的激励性策略。