虛擬電廠參與電力市場與調度控制技術研究綜述

李 鵬，蔣正威，鄧一帆，周金輝，蔣 瑋

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312099；3.東南大學 電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

2020年浙江省內清潔能源消費達189.8 TWh，占全社會用電量39.2%。為了進一步提高新能源的發(fā)電量占比，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，既需要開展新能源資源富集地區(qū)的跨區(qū)域受端研究，也需要研究挖掘配電網(wǎng)分布式資源的“發(fā)電潛力”，推動全省新能源建設與運行的相關研究工作。虛擬電廠能夠實現(xiàn)配電網(wǎng)側新能源的聚合管理、就地消納、靈活運行，對我國建設以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)有著積極的意義和作用［1］。

虛擬電廠的核心是“聚合”和“通信”，一是為配電網(wǎng)側屋頂光伏、小型燃氣輪機、用戶自建儲能、柔性負荷、充電汽車等分散式資源進行聚合［2］；二是為用戶和電網(wǎng)調度中心提供連接的平臺，通過聚合技術服務于電網(wǎng)運行，并從電網(wǎng)和用戶中獲取相應的利潤。分散式資源可以通過自身的意愿加入各種“虛擬電廠平臺”形成滿足系統(tǒng)要求、可靠并網(wǎng)的整體。驅動虛擬電廠的形成主要包括以下幾個方面［3］：

1）環(huán)境驅動：新能源將逐步取代化石能源，但其出力情況往往伴隨著巨大的不確定性，存在著較大的供需矛盾，消納問題較為突出。而虛擬電廠在多種資源的整合管理方面具有舉足輕重的作用。

2）技術驅動：隨著分布式發(fā)電、電動汽車、柔性負荷的發(fā)展，以及人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、分布式計算等技術的不斷創(chuàng)新，虛擬電廠可以實時感知運行狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和實時控制［4］。通過各發(fā)電單元信息化程度的提高，可以有效提升資源的利用率。

3）經(jīng)濟驅動：經(jīng)濟驅動包含兩方面。一方面是隨著生產(chǎn)制造技術的不斷改進，虛擬電廠內部資源的成本將逐步低于煤炭等傳統(tǒng)能源。另一方面通過資源聚合增加了市場競爭力，虛擬電廠可以靈活參與電力市場，實現(xiàn)自身效益的最大化。

4）市場驅動：隨著源網(wǎng)荷儲一體化［5］、綠色電力等交易工作的開展［6］，市場開始探索新能源建設，賦予新能源“電能”價值和“環(huán)?！眱r值。

上述驅動力讓新能源的價值逐步超越煤炭資源的價值，有助于新能源建設規(guī)模的擴大，但是海量分布式資源給電網(wǎng)調度和運行帶來巨大的困難和挑戰(zhàn)。在資源側，單一用戶如果參與市場運行時成本過高，往往響應意愿不強烈［7］。在用戶和電網(wǎng)的雙重需求下，虛擬電廠有助于解決含高比例新能源的配電網(wǎng)、園區(qū)級配電網(wǎng)的運行管理工作。

虛擬電廠具有資源多樣、主體不一、響應不確定性較高等特點，以不同的市場定位發(fā)揮著不同的功能，有關調度技術與管理架構的文獻綜述還鮮有報道，特別是涉及多種電力市場驅動下形成虛擬電廠聚合的研究較少。因此，本文從虛擬電廠參與市場的角度出發(fā)，著重總結和分析了虛擬電廠資源聚合技術，以及面向多種電力市場的虛擬電廠組織和管理技術，并對虛擬電廠未來發(fā)展方向作出一定的展望。

1 虛擬電廠結構與發(fā)展

1.1 虛擬電廠參與調度的典型結構

虛擬電廠與信息平臺、大電網(wǎng)以及電力市場的關系如圖1所示，通過能量流和信息流，有效實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中虛擬電廠的高效運行。虛擬電廠代理終端通過信息技術將不同區(qū)域的分布式電源、可控負荷、儲能系統(tǒng)、電動汽車等各類靈活資源聚合［8］，并通過更高層面的軟件架構實現(xiàn)多個分布式能源的協(xié)調優(yōu)化運行。

圖1 虛擬電廠典型結構

虛擬電廠調度控制中心由CVPP（商業(yè)型虛擬電廠）和TVPP（技術型虛擬電廠）兩部分組成［9］。CVPP 主要從商業(yè)收益的角度出發(fā)，收集各類資源的經(jīng)濟參數(shù)、發(fā)電能力并整合評估競爭對手或者市場的情報，進一步參與多種電力市場競標等模式［2］，得出參與市場的競標策略和成本曲線。當?shù)玫绞袌龅氖跈嗪螅珻VPP 按照市場約定對內部資源進行協(xié)調控制。TVPP 的主要任務是監(jiān)控內部各資源的技術參數(shù)，向調度中心提供調頻、電壓控制、阻塞管理等本地服務，一旦得到技術確認，TVPP 將控制分布式電源執(zhí)行發(fā)電計劃。TVPP 和CVPP 二者之間的信息交互與運行流程如圖2所示。

圖2 TVPP和CVPP信息交互與運行流程

1.2 虛擬電廠典型工程建設開展情況

目前，國內外先后開展了一系列虛擬電廠參加電力市場與電網(wǎng)運行的研究工作。表1中列舉了相關工程的應用場景及效益，這些工程主要開展了分布式資源可靠并網(wǎng)、用戶側需求響應、商業(yè)模式應用等工作。我國于2019 年開展了冀北虛擬電廠示范工程建設，聚合了11 類可調資源，總容量約160 MW，實現(xiàn)“源、網(wǎng)、荷、儲、售、服”的清潔發(fā)展。

表1 國內外示范工程建設

1.3 虛擬電廠的技術演變

如表2所示，虛擬電廠的技術演變可以從內部資源類型變化的角度進行總結歸納。

表2 虛擬電廠技術演變特征

1）虛擬電廠1.0：最早出現(xiàn)的虛擬電廠主要為負荷側虛擬電廠，主要針對閑散的用戶電器開展聚合管理。負荷側虛擬電廠可以通過智能樓宇群控、工業(yè)負荷用電管理等手段實現(xiàn)，主要實現(xiàn)調峰、深度調峰、填谷等業(yè)務。

2）虛擬電廠2.0：隨著虛擬電廠內部資源的逐步豐富，虛擬電廠進入第二代，其中最為典型的是冀北虛擬電廠，實現(xiàn)了電采暖、智能家居、儲能、電動汽車充電站、分布式光伏等資源的智能調控。相比于虛擬電廠1.0，由于資源的互補性、多樣性，虛擬電廠2.0在參與規(guī)模、資源種類、供電范圍、供電可靠性上有明顯的提高，初步參與了電力市場的調峰輔助服務市場，商業(yè)價值得到一定的展現(xiàn)［13］。

3）虛擬電廠3.0：隨著市場機制的建立和完善，海量的可調資源和綜合能源進入虛擬電廠的運行管理中，同時在市場的激勵下，虛擬電廠的服務目標更加多樣化，有調頻、調峰、電能量虛擬電廠，也有中長期虛擬電廠、實時虛擬電廠，還有支撐系統(tǒng)電壓、慣性的虛擬電廠。相較于上一代，資源側面臨著參與何種虛擬電廠的問題，資源池更加動態(tài)化。在現(xiàn)有市場機制下，虛擬電廠代理層也面臨著如何申報以博取最大利益的問題，當多種競爭引入虛擬電廠和電力市場時，虛擬電廠充分展現(xiàn)出其靈活性、可靠性以及促進能源消納、提供多種多類型服務的特點。

2 面向特性各異資源的聚合建模技術

虛擬電廠的聚合建模技術以內部資源的可調能力為基礎，評估虛擬電廠的可調能力。評估可調能力技術可分為確定性資源評估模型和不確定性資源評估模型。

2.1 虛擬電廠內部資源可調能力評估

資源側的評估模型一般通過機組參數(shù)、運行特點、調節(jié)方式等因素建立，如光伏組件主要考慮串聯(lián)電池數(shù)、開路電壓、短路電流、電池溫度、光照強度等［14］；水電從機組原動機角度，建立與水位差、水流量相關的解析模型［15］。此外，隨著人工智能算法的發(fā)展，新能源出力評估也可通過日前、實時預測相結合的方法實現(xiàn)可調節(jié)能力的精確預測［16］。

在負荷側，負荷個體提供的調節(jié)容量小，個體之間的可調節(jié)能力差異性較大，環(huán)境等因素也各不相同，因此需要評估面向大規(guī)模負荷集群參與響應的能力。同時負荷集群也需要保證用戶的舒適度，降低控制對用戶用能舒適度的影響［17］。目前負荷隨機性的建模較為困難，人工智能技術也逐步應用于負荷隨機性建模中。文獻［18］采用強化學習方法來學習用戶的行為，針對溫控負荷提出了一種新的考慮用戶行為不確定性的聚合方法。

現(xiàn)有研究中，物理解析模型受環(huán)境、地理等因素影響較大，造成較大的評估偏差，修正較為困難，但人工智能方法也存在著可解釋性不強等問題。因此未來研究可以通過解析模型與數(shù)據(jù)驅動模型協(xié)同互補，來評估資源的可調能力和不確定性。

2.2 特性各異資源聚合評估的關鍵技術

虛擬電廠聚合目的在于申報聚合后的調節(jié)能力，在面對內部資源與電網(wǎng)的雙重不確定時，聚合建模可以通過魯棒優(yōu)化方法計算虛擬電廠日前聚合模型，避免接受電網(wǎng)對于波動性的懲罰。也可以通過隨機優(yōu)化允許有一部分違反，通過博弈論等方法對允許違反的上界和下界進行求解，增加資源的利用率和虛擬電廠的利潤。魯棒優(yōu)化與隨機優(yōu)化的不同點在于是否提前得知概率模型。魯棒優(yōu)化只明確取值范圍并通過worse-case方法求解模型，較為保守；而隨機優(yōu)化允許在一定的置信度下部分超出，減少了一部分的保守性，但在實際求解中建立合理的概率模型或預測多個可能性的場景往往存在較大的困難。

2.3 聚合評估在虛擬電廠技術中的應用

虛擬電廠一般將確定性評估結果，如響應時間、響應速度、持續(xù)時長、調節(jié)幅度、調節(jié)方向和時序匹配等［19-20］上報給調度中心，針對資源可拓展性的問題，文獻［21］通過統(tǒng)一化建模將特性各異資源分類，實現(xiàn)了異構資源的特征標準化。由于資源出力、爬坡率以及功率基線等限制，實際應用中虛擬電廠的聚合能力需要通過優(yōu)化方法求取，此外虛擬電廠聚合評估往往還需要考慮網(wǎng)架等限制，該集群功能模塊已在多個園區(qū)級虛擬電廠現(xiàn)場投運［22］。

不確定性是虛擬電廠面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，由于魯棒優(yōu)化的保守性和隨機優(yōu)化的激進性相互對立，過于激進或保守的申報策略會導致虛擬電廠利潤減少，因此結合兩種優(yōu)缺點的分布魯棒優(yōu)化模型在虛擬電廠中得到廣泛應用［23］。該方案兼具了數(shù)據(jù)驅動和錐規(guī)劃等模型，計算效率將為虛擬電廠的聚合評估帶來一定的挑戰(zhàn)。目前虛擬電廠不確定性所引起的實時平衡問題尚未凸顯，相關技術的仿真驗證工作、實際投運有待進一步研究。

3 虛擬電廠組織方式與資源池管理技術

虛擬電廠并非任意或隨機組織而成，綜合不同的牽頭單位和形成目標下形成的虛擬電廠具有多樣性的特征。

3.1 參與多種電力市場的虛擬電廠

最早出現(xiàn)的針對調峰的需求響應技術，以“邀約—響應—激勵”的模式為主，它通過與電網(wǎng)提前簽約，由賣方市場統(tǒng)一掛牌。文獻［24］將需求側負荷通過負荷轉移實現(xiàn)削峰填谷，構建分布式優(yōu)化調度模型并提出多區(qū)域協(xié)同優(yōu)化的迭代計算框架。

在不同牽頭單位和市場的驅動下，虛擬電廠的組織方式已經(jīng)逐步從邀約型虛擬電廠轉變?yōu)槭袌鲂吞摂M電廠。2019 年底，冀北虛擬電廠通過參與調峰市場獲利，2020 年底，山東開展虛擬電廠參與的現(xiàn)貨能量市場、備用容量市場和輔助服務市場的交易，標志著我國的虛擬電廠工程建設逐步從單一市場邁向參與聯(lián)合電力市場、多種電力市場。

市場型虛擬電廠是在電力市場建設完善以后參與市場交易，電力市場的建設直接決定了虛擬電廠的申報和競價策略，其參與市場交易的流程如圖3所示。文獻［22］提出了在未知市場信息和已知市場信息的虛擬電廠的競價策略。當未知市場信息時，只能通過預測手段將發(fā)電能力進行掛牌或多輪報價。文獻［25］提出了在市場競爭過程中虛擬電廠的競價策略取決于發(fā)電成本，并針對可再生能源發(fā)電系統(tǒng)波動性，采用多時間滾動調度策略減少不確定性影響。文獻［26］提出了參與多種電力市場，兼顧經(jīng)濟性和安全性，為虛擬電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益。文獻［27］在參與聯(lián)合電力市場時，不僅針對可再生的能源波動性，也針對實時市場電價預測的不確定模型開展研究。在最終生成報價策略中也有采用多輪報價方式取得更優(yōu)的利潤，文獻［28］將上層各虛擬電廠作為價格制定者，市場出清后通過改變各虛擬電廠的策略報價系數(shù)來博取更高的收益。

平面設計發(fā)展到今天這個多元化的時代，其作品表現(xiàn)的中國傳統(tǒng)文化的元素越來越多，所以我們必然認真細致和研究如何將傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代設計相結合。中國的平面設計立足于傳統(tǒng)文化，伴隨著歷史傳承至今，設計的足跡也印在了廣闊的大地上，與我們的生活息息相關。而這些凝聚了幾千年的思想語言和藝術氣質，對現(xiàn)代平面設計具有重要和深遠的指導意義。平面設計的意義在于給人以深刻的啟示，獨特的思想性和教育性讓平面設計成為了一種文化現(xiàn)象，且?guī)в猩詈竦奈幕嵨逗蛯徝懒晳T。

圖3 虛擬電廠參與電力市場流程

當已知部分信息時，可通過更加精細的報價報量為自身贏得最優(yōu)的利潤。文獻［22］提出了在已知調節(jié)功率時最大化響應比例后分檔上報策略，充分發(fā)揮了虛擬電廠的各種資源聚合的發(fā)電能力。在已知價格信號時，虛擬電廠可先算出最大的調節(jié)能力，再算出單位調節(jié)量的價格上報，充分發(fā)揮各類資源的調節(jié)能力。

3.2 虛擬電廠資源池管理技術

未來虛擬電廠的資源管理是動態(tài)的，內部資源具有自主選擇權，而平臺也具有自主決策權。內部資源可以依據(jù)電價決定是否參與虛擬市場、參與何種虛擬電廠。如儲能在電價或收益激勵的手段下，建立云租賃儲能［29］、共享儲能［30］、混合儲能［31］等模式，既可以通過出租自身峰谷套利來參與輔助服務市場，也可以參與虛擬電廠的波動平抑，以及參與虛擬電廠提供的調頻服務。

同時，虛擬電廠具有自主決策權，自主決策權的意義在于組成不同比例的虛擬電廠，而不同容量比例的虛擬電廠將會影響虛擬電廠的收益［8］。在虛擬電廠平臺與內部資源進行互動博弈時，文獻［27］將具有調節(jié)能力的高級節(jié)點作為上層領導者模型，上層模型以參與市場的收益最大化為目標，其余資源作為下層跟隨者模型出租自身的電能制定雙層博弈模型。而文獻［32］構建合作伙伴選擇機制，提出基于合作網(wǎng)絡的虛擬電廠資源選擇方法。

4 面向新型電力系統(tǒng)的虛擬電廠關鍵性問題

我國將建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，隨著信息、物理平臺建設能力的大幅提升，虛擬電廠擁有多樣化資源的聚合管理技術，具備良好的靈活性、可靠性與適用性，為電網(wǎng)提供多樣化的高效、可靠、清潔的電能服務。目前，虛擬電廠技術已經(jīng)日趨成熟并廣泛應用，在諸多工程實踐中已經(jīng)驗證了相關技術的可行性。但是，作為電力市場和分布式資源之間的平臺，風險管控、外部環(huán)境和市場推動、以及多方參與的安全問題需要進一步深入研究。

4.1 虛擬電廠的規(guī)劃與運行風險管理

虛擬電廠對當前電力市場具有良好的適應性，但是以商業(yè)盈利為目標的虛擬電廠需要重點考慮建設和發(fā)展的風險問題。特別是何時何地建設何種類型的虛擬電廠，其規(guī)劃應當是考慮聚合資源特性、網(wǎng)絡拓撲、多主體、多時間尺度、多系統(tǒng)、多區(qū)域［33］的規(guī)劃投資模型。

運行方面應當具備良好的數(shù)據(jù)采集通信、大數(shù)據(jù)分析與復雜優(yōu)化計算的能力，通過儲能設備、用戶調節(jié)、多能互補等手段制定合適的應對風險管理方案。運行風險管理需就以下問題繼續(xù)開展相關研究：

1）異構資源概率預測與優(yōu)化方法的有機融合，提高決策方法在實際應用中的適應性，并同時關注計算速度等。

2）目前各類優(yōu)化方法側重考慮源荷的不確定性，需要考慮競爭對手、電力市場預測的不確定性，這對虛擬電廠的競價策略具有重要的價值。

3）未來園區(qū)級虛擬電廠有可能將綜合能源納入市場中，需要研究含綜合能源的虛擬電廠不確定方案。

4.2 電力市場推動虛擬電廠建設和管理

電力市場的建設與發(fā)展對虛擬電廠的組織形式有著積極的作用和意義。市場機制的完善一方面有助于提高虛擬電廠參與市場的利潤，減輕投資壓力；另一方面有助于維護市場參與者的公平性。兩方面共同提升了參與者的參與意愿。虛擬電廠內部的資源具有極高的靈活性，除了參與傳統(tǒng)虛擬電廠所參與的中長期、現(xiàn)貨電力市場獲利外，市場也可以根據(jù)所處地區(qū)情況開辟應對極端氣候的臨時交易，通過激勵虛擬電廠提高配電網(wǎng)的彈性。同時，碳電聯(lián)合市場也將提高新能源和資源的內在價值，同時推動了虛擬電廠的發(fā)展。

市場機制也需要充分保障虛擬電廠-電網(wǎng)-發(fā)電資源各方的收益分配，保障收益分配的公平性。另一方面也要考慮虛擬電廠的競爭博弈策略，避免造成價值浪費。同時，市場也應發(fā)揮基于電價和懲罰機制的引導作用，避免虛擬電廠的申報欺騙、寡頭壟斷等不誠信行為。

4.3 多主體資源參與的安全性

未來虛擬電廠以及內部資源的主體不一，第三方將在市場建設后的利益驅動下聚合資源并參與電網(wǎng)調度運行。而諸多第三方投資虛擬電廠整合海量資源，有著提供多種服務、風險共擔、提高用戶參與度的優(yōu)勢，但獨立第三方虛擬電廠也將給電網(wǎng)整體運行帶來諸多安全方面的挑戰(zhàn)。

1）虛擬電廠的安全校核技術

電網(wǎng)型虛擬電廠也可以看作是分布式能源管理聚合平臺，由于內部資源隸屬于電網(wǎng)部門，可以掌握容量、類型、位置、是否可控等基本信息以及未來的出力預測等運行能力信息，申報、指令下達以及安全運行實現(xiàn)較為容易。但是獨立第三方虛擬電廠如何進行內部校核需要進一步探討。由于第三方虛擬電廠對拓撲不可知，主網(wǎng)校核后反饋的出清計劃是虛擬電廠總量，且虛擬電廠是多端口饋入，當安全校核不通過時，第三方虛擬電廠如何調節(jié)內部資源出力情況值得進一步研究。

2）通信與信息安全技術

虛擬電廠的調控功能依賴通信技術進行傳輸，而數(shù)據(jù)大多數(shù)涉及狀態(tài)采集和控制類模塊，對實時性、可靠性和安全性的要求比較嚴格，而5G技術的低時延、高可靠性有助于實現(xiàn)可靠實時精準調控。由于聚合海量可調資源，海量終端也給虛擬電廠提出了高容量的信息傳輸要求。此外，虛擬電廠由于主體不一，需要對用戶隱私進行加密與保護。區(qū)塊鏈不僅可以實現(xiàn)信息安全，也可以通過構建可信的能源互聯(lián)智能合約體系，安全可靠地實現(xiàn)調控與交易技術的公開透明，提高用戶側的響應度與參與度［34］。

5 結語

本文對虛擬電廠參與運行調度與電力市場運行技術進行探討，分析了資源的動態(tài)聚合建模技術、組織方式與資源池管理技術。未來在多種市場的激勵下，虛擬電廠將基于所在區(qū)域內的資源稟賦，依托聚合資源的靈活性，在考慮收益、風險、公平的前提下，依托控制中心、電力交易中心等平臺，為電網(wǎng)提供更加豐富多樣的服務，實現(xiàn)對一定區(qū)域內地理位置相對分散的多主體資源的協(xié)調控制。本文結合我國新型電力系統(tǒng)的開展，明確了建設虛擬電廠的意義和作用，并基于加強新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下，對虛擬電廠運行方面的風險管控、外部環(huán)境和市場推動、以及多方參與的安全問題作出了一定的展望。