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虚拟电厂不同于单纯的发电技术，也不同于其他的辅助支撑技术，它是协调各类新能源进行资源优化配置的智慧平台，是一个能源聚合的综合体。风光发电的波动性、间歇性以及随机性，使其难以与电网负荷进行实时互动。虚拟电厂成立的初衷，是兼顾电源、电网、用户多方，将一定规模的新能源进行聚合，成为一个整体参与电网运行，促进新能源消纳、辅助电网调峰调频、提高电网安全运行水平。
虚拟电厂概述
虚拟电厂，指通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能系统、热电联产、可控负荷、电动汽车等分布式能源统筹和协调优化，作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统，将泛在可调资源与电网柔性互动，实现电能交易的同时优化资源利用，是提高供电可靠性的一种综合体。它打破了传统上物理电厂之间、发电和用电侧之间以及地域间的界限，是一种非实体存在的电厂形式。
虚拟电厂用途较广，既可作为“正电厂”向系统供电调峰，又可作为“负电厂”加大负荷消纳配合系统填谷；既可快速响应指令配合保障系统稳定并获得经济补偿，也可等同于电厂参与容量、电量、辅助服务等各类电力市场获得经济收益。
虚拟电厂最具吸引力的功能在于它能够聚合多种类型的分布式能源参与电力市场运行，可以以市场手段促进发电资源的优化配置。虚拟电厂充当分布式能源与电网调度、电力市场之间的中介，代表分布式能源所有者执行市场出清结果，实现电力交易。由于拥有多样化的发电资源，虚拟电厂还可以参与辅助服务市场，参与多种电力市场的运营模式及调度框架，对发电资源的广泛优化配置起到积极的促进作用。
虚拟电厂基本结构，如图1所示。
国内外虚拟电厂发展应用情况
虚拟电厂的起源
虚拟电厂在21世纪初期，于德国、英国、西班牙、法国、丹麦等欧洲国家兴起，同期美国也推行与虚拟电厂意义类似的“电力需求响应（DR，Demand Response）”。虚拟电厂发展至今，其理论和实践在发达国家已较为成熟。欧盟国家主要以实现分布式电源可靠并网和电力市场运营为目标；美国的虚拟电厂主要基于需求响应计划发展而来，可控负荷占据主要成分；日本以用户侧储能和分布式电源为主；澳大利亚则以用户侧储能为主，特斯拉公司在南澳建成了号称世界上最大的以电池组为支撑的虚拟电厂。
我国虚拟电厂发展现状
目前我国同时发展虚拟电厂及电力需求响应，二者目前在我国统称为“虚拟电厂”。近三四年来，国内进一步开展虚拟电厂试点项目等应用实践，在河北、江苏、上海、广东等地也相继开展电力需求响应和虚拟电厂试点。
冀北地区虚拟电厂试点情况：2019年，冀北电力公司基于泛(FUN)电平台的虚拟电厂，聚合优化“源、网、荷、储、售、服”清洁发展的新一代智能控制技术和互动商业模式，将泛在可调资源聚合为可与电网柔性互动的互联网电厂。虚拟电厂的优化调度是指在满足各机组出力约束和网络约束的前提下,以收益最大化、运行成本最小、碳排放最小为目标,对自身内部多个电源的容量配置或出力进行优化调度，或者将虚拟电厂作为一个整体参与电网调度。示范工程一期实时接入与控制蓄热式电采暖，可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等11类19家泛在可调资源，容量约16万千瓦，涵盖张家口、秦皇岛、廊坊三个地市。
冀北电力公司后续计划打造虚拟电厂推动能源互联，扩大虚拟电厂接入资源规模，拓展交易品种和商业模式，应用虚拟电厂技术服务绿色冬奥，打造虚拟电厂二期示范工程。作为推进能源互联网建设有效手段，虚拟电厂示范工程如今已经从理论高地走进冀北实地，在激活能源互动消费上发挥了重要作用。
江苏地区虚拟电厂试点情况：2021年1月，江苏南京供电公司江北新区智慧能源协调控制系统上线虚拟电厂模块。通过该模块，调控人员可实时监测江北新区各类用户用能情况及分布式新能源发电情况，提升电网调峰能力。
该模块在不改变分布式能源并网方式的前提下，通过串联分布式光伏、储能设备及各类可控负荷，参与电网调峰辅助服务市场，按需增减各类能源使用比例。在用电高峰时段，可缓解负荷高峰时段电网运行压力。同时，江北新区智慧能源协调控制系统通过构建分布式能源交易平台，在用能客户内部开展能源互补交易，充分释放虚拟电厂的集聚效应和多能互补能力。
据了解，南京江北新区智慧能源协调控制系统目前已接入电动汽车充电桩、光伏、用户侧储能等数据，后续还将接入电网侧储能等多类型数据，实现“源-网-荷-储”自主协同运行，提升能源综合利用效率，支撑城市能源互联网智慧运营。
国内虚拟电厂发展成效
虚拟电厂经过几年的理论研究与实践应用，已取得了良好的效果。其中，主要发展成效总结为以下三点。一是可以提高电网安全稳定运行水平。当前我国中东部地区受电比例上升、大规模新能源接入、电力电子装备增加，对电力系统平衡、调节和支撑能力形成巨大压力。将需求侧分散资源聚沙成塔，发展虚拟电厂，与电网进行灵活、精准、智能化互动响应，有助于平抑电网峰谷差，提升电网安全稳定运行水平。二是可以降低用户用能成本。从冀北等地试点看，参与虚拟电厂后用户用能效率大幅提升，在降低电费的同时，还可以获取需求响应收益。三是可以促进各类新能源消纳。特别是针对部分地区、部分时段弃风弃光弃水现象严重情况，发展虚拟电厂，可大大提升系统调节能力，降低“三弃”电量。
虚拟电厂在中国仍然处于发展的初期，作为一种新兴技术手段，其发展过程中仍然存在一些技术问题和管理问题。目前各省开展虚拟电厂项目，多数以试点为主，其虚拟电厂的规模、聚合的能源范围，以及采取的关于新能源的协调控制策略、调度算法等，全国没有统一标准。因此还需要国家和相关能源行业积极参与，结合外界多方优势，在新技术应用、源网荷储互动等方面，科学有序引导，使其从试点走向成熟，走向市场化，参与电网运行与电力交易。
虚拟电厂推广存在的技术难点
功能定位、接入规模及范围研究
中国的分布式能源分布较为广泛，且存在明显的地域性特点，虚拟电厂虽然可以统筹不同地域、不同层级的能源，但应结合可参与的电网规模、电源规模以及自身的成本与经济效益等综合因素，考虑虚拟电厂控制协调各类能源的功能特点和接入规模。
虚拟电厂功效可定位于引导用户开展需求响应，优化用电行为和时序，实现削峰填谷，塑造泛在调节资源系统生态，改善电力系统运行特性、缓解电网运行压力、增强电网应急调节能力；辅助降低发输供电环节投资，提升电力系统的整体运行效益同时，提升新能源消纳能力。
接入规模与范围方面，一是确定不同时期统筹控制的能源规模，如风、光资源的间歇性、波动性，水资源的季节性等，以及各类能源比重大小等，在不同负荷时期，体现着不同的电网支撑与互助能力。所以，虚拟电厂成立时，应做好自身的功能定位，同时与电网公司、能源供应商建立良性互动机制，真正实时、动态地辅助电网运行。二是虚拟电厂参与电网运行，应基本确定参与电网涉及的范围。可以结合虚拟电厂接入的新能源规模与类型，能输出的发电能力，寻找匹配的负荷范围等因素确定。三是虚拟电厂在一个区域内的功能、规模、数量，应充分结合区域各类型能源发电规模、负荷水平、电网规模及结构等，科学建设，稳步发展。
优化调度算法问题
虚拟电厂的控制能源的最优算法，目前已有相关探索，但仍需要深化研究。虚拟电厂调度问题可分为2种：内部调度，虚拟电厂对自身内部接入的多类型电源容量或者出力进行优化配置；比如内部在满足各机组出力约束和网络约束的前提下，如何考虑在收益最大化、碳排放最小等目标的前提下，利用内能算法，实现内部优化调度。外部调度，将虚拟电厂当成一个整体参与电网调度，考虑在最小化系统频率偏差、联络线功率偏差、电压质量偏差、弃风弃光功率、系统损耗成本等多因素的目标函数算法等。
虚拟电厂如何利用大数据技术参与协调控制
虚拟电厂一旦运行，将不断产生能源和交易数据。运行初期，主要是算法指导运行，后期随着虚拟电厂的数据不断增加，将演变成一个较大的数据流，进而达到大数据体量。那时，可以利用大数据的算法，结合电网自身的约束，进一步优化协调控制。
大数据技术可进行负荷预测、新能源出力预测，包括风电、太阳能。准确预测风能、太阳能，需要分析大量数据，包括风速、云层等气象数据。同时，利用大数据技术，可以寻找虚拟电厂内部能源向电网输出数据，与电网安全运行的最优配置信息，适应电力大数据的数学建模方法，以及不同方法之间的相互验证，进而实现双向最佳匹配模型。
突破区块链技术的应用难题
区块链是一个没有信任或者缺乏信任关系而建立起来的信任机器。区块链技术是数据经济的重要组成部分。未来分布式发电市场化后，电力市场交易需要一个点对点、公开透明、安全可信的交易环境，基于区块链技术可以实现这种交易环境的构建，在此环境下，交易主体可以自动建立信任机制，签订智能购电合同，实现点对点的实时交易结算，同时交易数据又可以变为一种新的数据资产，进而演化为增值服务。同时，区块链技术在虚拟电厂中的应用还需要突破一些技术瓶颈，一是在交易节点众多、涉及范围较广的交易场景中，大规模应用或者大数据量的情况下，区块链性能会急剧下降。要支撑大规模多种网络结构组网，需要实现高性能的共识算法、高效智能合约引擎、新型共识机制等技术突破。二是区块链的匿名性，加密算法在商业应用需要平台支持对业务数据的隐私保护，实现交易可验证但不可见，也给监管带来一定的难度。
虚拟电厂软件开发语言
虚拟电厂的运行需要一种主流开发语言，而能源行业的特殊性，首先要在保证数据、信息以及整个系统安全稳定运行的基础上，再考虑适合其自身的编程语言。由于电力或者能源系统本身处于传统行业转型时期，电网本身数据量较大，安全性要求高，系统更新慢，所以之前该行业软件开发主要采用java、c语言较多。
虚拟电厂不同于单纯的能源行业，它不仅关联能源行业，还关联用户、各类能源服务商等，可以考虑一种目前普遍流行的编程语言进行软件开发，比如python语言等。Python拥有着优雅的结构和清晰的语法，简单易学，同时具有非常丰富的第三方库，一些流行的Python库例如用于数学、工程和科学领域的scipy、用于库建模和数据分析领域的“pandas”。综合以上优点，所以Python可以在大数据、云计算、人工智能等非常多的领域内使用。
除了比对编程语言之外，还需考虑软件开发架构、平台与电力其他平台的接口、软件开发功能模块的可扩展性，提高信息交互的效率（见图2）。
虚拟电厂发展所需的机制保障与政策支持
除了技术层面之外，当前在机制保障与政策支持方面，还存在以下几个突出问题。
一是认识不到位。目前，我国虚拟电厂处于初期阶段，其组织、实施和管理基本上还是沿袭需求侧管理的旧模式，没有形成体系化、常态化工作机制。二是管理部门不明确。虚拟电厂属于新业态，目前的运行遵循的是国家发展改革委、工信部、财政部、住建部、国资委、国家能源局等六部门于2017年发布的《电力需求侧管理办法（修订版）》，但牵头部门不明确，管理职能有交叉。三是规范标准不统一。国家层面没有相关文件，潜力巨大的分布式发电无法进入，限制了虚拟电厂发展空间。没有虚拟电厂的国家、行业标准，各类设备及负荷聚合商的通信协议不统一，数据交互壁垒高、不顺畅，增加了建设难度和成本。四是激励和市场化机制不到位。目前，仅有部分省市出台了支持政策，但激励资金盘子小、来源不稳定，难以支撑虚拟电厂规模化发展。因此，在机制保障和政策支持方面，建议还应重视以下几点。
各方协同丰富、完善电力需求响应市场，提高能源相关方的参与度。一是从短期运行角度，良好的价格引导机制非常关键。应充分发挥市场机制作用，有效衔接批发市场与零售市场。因此，对于售电公司而言，购电价格由批发市场决定，售电市场由零售市场决定。由于在我国用户的电价受到政府管制，如果这两个市场价格无法联动，售电公司会因为价差而承受较大的经济损失，而且零售电价无法反映出电力稀缺的状态，如果用户无法进行响应，会使得电网整体处于供电紧张状态。设计合理的激励机制，明确激励机制中的补贴系数及标准，补贴系数及其标准的高低，不仅能够影响需求侧响应的稳定及响应活力，而且能够影响负荷集成商的服务质量及积极性。保证政策的连续性和稳定性。政府发布的政策可以为市场主体提供明确的投资信号。为了避免哄抬电力市场价格或者无规划的大规模集中投资，而造成电力市场运行失稳、某些参与方的利益受损等情况发生，政策要有一定的连续性。
二是挖掘需求响应更广泛的空间价值并有针对性地进行激励引导。集中式可再生能源发电资源参与批发市场交易，需要在批发市场中引入超额可再生能源有偿消纳的效益分享机制，从而更充分激发用户的参与积极性。针对分布式可再生电力上网问题，可以借助绿色证书来协助分布式电源与需求响应用户之间的交易。如果需求响应用户协助分布式能源发电商入网，建议发电商与响应用户分享绿证收益。
三是现货市场顶层设计应积极考虑需求响应的参与方式。随着电力市场化改革逐步深入，中国的电力交易正逐渐从中长期交易向时间周期更短的现货交易发展。需建立与现有电力市场发展配套的容量市场，吸引有效投资、提供引导信号、完善电力市场，配套建设容量市场或相应的容量费用补偿机制。允许需求响应资源参与容量市场竞价，签订需求响应协议。
电网侧打造先进智能配电网，提升新能源消纳能力。打造现代化配电网，做到结构合理，根据负荷预测，优化供电区域分类，因地制宜确定规划标准，提升互联率与转供转带能力。要做到技术先进，积极应用自动化、智能化、现代信息通信等先进技术，满足各类供用电主体灵活接入、设备即插即用需要，增强配电网运行灵活性、自愈性和互动性。
大力推进新能源重点工程配套工程建设，提升各电压等级清洁能源输送能力，扩大交易规模，坚持清洁能源全网统一调度，加快调峰辅助服务市场建设，挖掘电网调峰能力。
电源侧深入研究分布式电源、微电网储能的运行特性，构建城市电网安全风险评估模型。探索不同场景下运行工况下分布式电源，微电网储能接入对城市电网运行特性的影响。分别从电网潮流电压分布短路电流及继电保护配电自动化电能质量分布式电源最大准入容量以及电网稳定性等方面开展研究。开展各类新能源与储能接入，对城市电网运行安全风险影响分析研究，以及对城市电网网架风险、过负荷风险、设备风险等风险发生的概率及电网运行可靠性分析，从不同角度提出各类新能源对城市电网影响的安全风险评估指标，确定相关特征参数，研究变化规律，建立风险模型。
国家层面大力推进虚拟电厂、电力市场建设，完善激励政策，加强能源监管。一是统筹推进电力中长期交易、现货市场和辅助服务市场建设。做好各交易品种之间的衔接；全面深化电力辅助服务市场，完善跨省跨区辅助服务交易机制，推动建立电力用户参与辅助服务的费用分担共享机制。加强能源市场秩序监管。指导建立市场自律监督工作机制，督促市场运营机构做好市场监控和风险防控，建立健全在线监测系统。二是尽快启动虚拟电厂顶层设计。建议由国家层面出台虚拟电厂指导性文件，明确虚拟电厂定义、范围；积极培育“聚合商”市场主体；建立虚拟电厂标准体系；可以明确能源主管部门牵头建设虚拟电厂。三是建设虚拟电厂基础设施与系统平台。政府部门统筹规划，可以充分引入华为、阿里、腾讯等互联网企业技术优势，建设虚拟电厂的基础设施与系统平台，为广大用能企业提供智慧能源服务。四是加快完善激励政策和市场化交易机制。丰富虚拟电厂激励资金，来源可包括尖峰电价中增收资金、超发电量结余资金、现货市场电力平衡资金等。加快完善虚拟电厂与现货市场、辅助服务市场、容量市场的衔接机制。
本文刊载于《中国电力企业管理》2021年02期，作者单位：国网冀北电力经济技术研究院
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