安徽電網(wǎng)虛擬電廠發(fā)展?jié)摿翱尚袌?chǎng)景分析

國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 楊 敏 馬燕如 劉 麗 王 寶

虛擬電廠打破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)、用電之間的界限，具有強(qiáng)大的發(fā)用電資源整合能力，勢(shì)必成為“十四五”能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推手，也有望成為電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要新興業(yè)務(wù)。后疫情時(shí)代，安徽經(jīng)濟(jì)增速進(jìn)入“穩(wěn)中趨緩”的新常態(tài)，國(guó)網(wǎng)某電力公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)面臨政府監(jiān)管加強(qiáng)、電力市場(chǎng)化改革深化、新型電力系統(tǒng)建設(shè)提速、新型負(fù)荷增多等方面壓力。

1 安徽電網(wǎng)發(fā)展虛擬電廠的必要性分析

從緩解夏季短時(shí)供電缺口、應(yīng)對(duì)未來(lái)大規(guī)模電動(dòng)汽車分散無(wú)序充電、促進(jìn)分布式電源消納等三個(gè)角度，分析論證安徽發(fā)展虛擬電廠的必要性。

1.1 緩解夏季短時(shí)供電缺口

安徽煤電發(fā)展放緩，電力供需平衡難度大，“十四五”期間電力缺口達(dá)到千萬(wàn)千瓦級(jí)，能源局預(yù)測(cè)全省2022—2024年電力供需形勢(shì)為紅色預(yù)警。如何緩解夏季短時(shí)供電缺口，將是擺在安徽電力工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的重要問(wèn)題。按照“十四五”電力規(guī)劃的總體部署，“十四五”期間，我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)對(duì)發(fā)電側(cè)靈活性資源改造提出了較高的要求。而虛擬電廠正是可以將各類需求側(cè)響應(yīng)資源有機(jī)聚合的技術(shù)組態(tài)，不僅可有效調(diào)動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)資源，還能夠使需求側(cè)響應(yīng)資源和供給側(cè)資源以及儲(chǔ)能資源有效結(jié)合，從而發(fā)揮出比單純調(diào)動(dòng)需求側(cè)資源更好的作用。

作為一種需求側(cè)響應(yīng)方式，虛擬電廠可通過(guò)利用用戶的電力消耗彈性，緩解高峰負(fù)荷時(shí)段的電力供應(yīng)緊張狀況，這對(duì)于降低發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)、增強(qiáng)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行起到了積極作用。虛擬電廠具備高度靈活可調(diào)性，可通過(guò)簽訂可中斷負(fù)荷合同或多方管理協(xié)議等方式，按計(jì)劃執(zhí)行聚合負(fù)荷的調(diào)控與管理，有效控制電力峰谷差，提高社會(huì)資源的利用效率，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益的最優(yōu)化。

1.2 應(yīng)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電

作為一種重要的新型負(fù)荷形式，電動(dòng)汽車負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)特別是配電網(wǎng)的影響正在逐步顯現(xiàn)，大量電動(dòng)汽車的無(wú)序充電為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)，并在一定程度上造成負(fù)面沖擊。實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車新型負(fù)荷的管理面臨點(diǎn)多面廣的挑戰(zhàn)。而虛擬電廠具有對(duì)分布式資源“集而成團(tuán)、聚沙成塔”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在華東、華南等具備條件的地區(qū)構(gòu)建電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)型虛擬電廠，統(tǒng)籌管理電動(dòng)汽車、充換儲(chǔ)一體化電站以及其他可中斷負(fù)荷資源，有較強(qiáng)的實(shí)踐可行性和應(yīng)用必要性[1]。

其次，電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源與電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡，需要采用合適的技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式走規(guī)模化納入、局部平衡的技術(shù)路線，虛擬電廠無(wú)疑屬于具備上述特點(diǎn)的技術(shù)路線。近年來(lái)，相關(guān)研究人員先后提出面向虛擬電廠，并考慮電動(dòng)汽車充電需求的分層日前電力調(diào)度系統(tǒng)模型[2]、VPP參與下的電力市場(chǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化模型、包含單一資源（電動(dòng)汽車）分散控制的虛擬電廠調(diào)度策略等技術(shù)路線，為虛擬電廠應(yīng)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車并網(wǎng)挑戰(zhàn)提供有效技術(shù)支撐。最后，由于虛擬電廠具有基于配電網(wǎng)融匯分散式“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”資源的重要作用，不僅是電力領(lǐng)域一類重要的運(yùn)作平臺(tái)，同樣是電力生態(tài)圈的重要組成部分。通過(guò)發(fā)展電動(dòng)汽車型虛擬電廠，無(wú)疑可以實(shí)現(xiàn)兩類平臺(tái)生態(tài)圈的有機(jī)銜接。

1.3 促進(jìn)分布式電源消納

目前，安徽分布式光伏占本地電源比重已超10%。隨著新型電力系統(tǒng)加快構(gòu)建，分布式光伏等作為新能源開(kāi)發(fā)利用的重要形式，將迎來(lái)倍增發(fā)展機(jī)遇，其裝機(jī)占比將進(jìn)一步提升。分布式光伏接入配電網(wǎng)后，改變了配電網(wǎng)各支路潮流的單向流動(dòng)模式，將對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)一定影響。

虛擬電廠通過(guò)整合分布式光伏、分散式風(fēng)電以及小型生物質(zhì)發(fā)電等分布式電源資源，利用大數(shù)據(jù)和人工智能等數(shù)據(jù)分析和能源預(yù)測(cè)技術(shù)，統(tǒng)籌管理并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源設(shè)備的數(shù)據(jù)情況，優(yōu)化分布式電源能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存的運(yùn)行狀態(tài)，以更好地適應(yīng)不同的能源需求和生產(chǎn)條件，解決分布式電源與中心電網(wǎng)耦合性較差、供需不平衡及能源浪費(fèi)等問(wèn)題，從而最大限度地提升分布式電源的消納效率。同時(shí)，考慮分布式電源規(guī)模小、數(shù)量多等特點(diǎn)，作為分布式電源市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的重要方式，虛擬電廠具有適應(yīng)大規(guī)模分布式電源市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為促進(jìn)分布式電源消納，提供了可行、有效的市場(chǎng)化途徑。

2 安徽電網(wǎng)發(fā)展虛擬電廠的可行性分析

從負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)等靈活調(diào)節(jié)資源潛力大、支撐虛擬電廠運(yùn)營(yíng)的市場(chǎng)化機(jī)制逐步形成等維度，分析論證安徽發(fā)展虛擬電廠的可行性。

2.1 各類靈活調(diào)節(jié)資源潛力分析

2.1.1 工商業(yè)和居民柔性負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力分析

近年來(lái)，安徽電力需求逐年增長(zhǎng)，全社會(huì)用電量年均增長(zhǎng)率約為9.2%。其中，第一產(chǎn)業(yè)用電量年均增長(zhǎng)23.3%，第二產(chǎn)業(yè)用電量年均增長(zhǎng)7.8%，第三產(chǎn)業(yè)用電量年均增長(zhǎng)11.3%，城鄉(xiāng)居民生活用電量年均增長(zhǎng)11.0%。安徽省全社會(huì)用電量占比情況如下：第一產(chǎn)業(yè)用電量1%，第二產(chǎn)業(yè)用電量63%，第三產(chǎn)業(yè)用電量18%，城鄉(xiāng)居民生活用電量18%。

從負(fù)荷調(diào)節(jié)能力方面來(lái)看，安徽工業(yè)需求響應(yīng)資源增長(zhǎng)速度不及服務(wù)業(yè)，體現(xiàn)了安徽經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)動(dòng)能逐步由工業(yè)轉(zhuǎn)向服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)移。工業(yè)需求響應(yīng)資源潛力相對(duì)較小，主要由于安徽最大負(fù)荷一般發(fā)生在夏季晚間21：00點(diǎn)，此時(shí)工業(yè)因執(zhí)行高峰電價(jià)，用電負(fù)荷為全天最低谷，可轉(zhuǎn)移負(fù)荷規(guī)模有限。安徽2025年居民需求響應(yīng)潛力達(dá)約125萬(wàn)kW，可削峰潛力較大。安徽夏季空調(diào)負(fù)荷中居民生活貢獻(xiàn)近80%，居民空調(diào)負(fù)荷已成為夏季尖峰負(fù)荷重要組成部分，引導(dǎo)居民用戶調(diào)整尖峰時(shí)段空調(diào)負(fù)荷水平，可起到較好的削峰效果。

表1 安徽需求響應(yīng)資源潛力

2.1.2 電動(dòng)汽車充換電負(fù)荷調(diào)節(jié)潛力分析

電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車智能充電方案，有效引導(dǎo)汽車到電網(wǎng)之間的雙向通信和能量交換行為（V2G行為），可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷作用，電動(dòng)車規(guī)模越大，這一效應(yīng)越顯著。引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電需要從提升電網(wǎng)智能化水平、建立電動(dòng)汽車充放電標(biāo)準(zhǔn)、完善充放電市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制、提升用戶認(rèn)知等多個(gè)方面持續(xù)探索和創(chuàng)新方法與機(jī)制。例如，可通過(guò)信息交互和智能控制設(shè)備進(jìn)行功率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，輔以充放電補(bǔ)貼等方式引導(dǎo)消費(fèi)者行為，以實(shí)現(xiàn)在用電高峰降低充電功率、鼓勵(lì)個(gè)人、商業(yè)電動(dòng)車和換電站進(jìn)行放電，在用電低谷時(shí)滿功率充電、鼓勵(lì)個(gè)人、商業(yè)電動(dòng)車和換電站進(jìn)行充電的引導(dǎo)目標(biāo)。

2.1.3 分布式儲(chǔ)能發(fā)展?jié)摿Ψ治?/p>

2017年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局等五部委聯(lián)合提出鼓勵(lì)用戶側(cè)建設(shè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，完善用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)支持政策。2018年7月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)要求進(jìn)一步擴(kuò)大銷售側(cè)峰谷電價(jià)執(zhí)行范圍，擴(kuò)大高峰、低谷價(jià)差，利用峰谷價(jià)差等市場(chǎng)化機(jī)制促進(jìn)儲(chǔ)能發(fā)展。此后江蘇、山東等地相繼出臺(tái)用戶側(cè)儲(chǔ)能支持政策，從完善峰谷電價(jià)機(jī)制、提供資金補(bǔ)貼支持、參與電力市場(chǎng)交易等方面，推動(dòng)用戶側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展。受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電等用電峰谷特性明顯負(fù)荷比重上升等影響，安徽用電負(fù)荷尖峰化特性特征越發(fā)突出，最大峰谷差逐年遞增，春秋季調(diào)峰形勢(shì)嚴(yán)峻，現(xiàn)有火電機(jī)組深度調(diào)峰、抽水蓄能等調(diào)峰資源逐漸無(wú)法滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，分布式儲(chǔ)能發(fā)展需求緊迫。

2.2 電力市場(chǎng)機(jī)制分析

建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)能源市場(chǎng)體系已成為我國(guó)新時(shí)代能源發(fā)展的重要抓手。隨著電力市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，在全國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)電力市場(chǎng)體系的場(chǎng)景下，安徽也將形成中長(zhǎng)期市場(chǎng)為主體、現(xiàn)貨市場(chǎng)為補(bǔ)充，涵蓋電能量、輔助服務(wù)、發(fā)電權(quán)、輸電權(quán)和容量補(bǔ)償?shù)榷嘟灰灼贩N的市場(chǎng)體系，電力市場(chǎng)將最大限度還原電力商品屬性，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)配置資源、釋放價(jià)格信號(hào)、反映成本特性、增強(qiáng)需求彈性、引導(dǎo)電力投資、調(diào)動(dòng)系統(tǒng)靈活性資源、促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)有效互動(dòng)、引導(dǎo)多元主體參與系統(tǒng)運(yùn)行決策的多重功能。

3 安徽虛擬電廠典型應(yīng)用場(chǎng)景

虛擬電廠依據(jù)其聚合的內(nèi)部資源類型的差異，區(qū)分了不同的技術(shù)實(shí)施模式，基本可分為完全由分布式發(fā)電單元構(gòu)成的供應(yīng)側(cè)主導(dǎo)型驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景，主要由可調(diào)整負(fù)荷構(gòu)成的需求側(cè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)模式、同時(shí)擁有發(fā)電單元，以及可控負(fù)荷的源荷混合技術(shù)驅(qū)動(dòng)模式三種。

3.1 需求側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠

需求側(cè)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠由受電力用戶主導(dǎo)、通過(guò)改變電力消費(fèi)模式可進(jìn)行有效調(diào)整的可控負(fù)荷構(gòu)成。按照響應(yīng)方式的不同，可控負(fù)荷可分為兩大類：基于電價(jià)的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷以及基于激勵(lì)的可中斷負(fù)荷。需求側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠的合理調(diào)度，有利于資源的利用最大化，但因不含發(fā)電單元，無(wú)法自主供電，且可控負(fù)荷主要受電力用戶主導(dǎo)，而電力用戶的決策與多種因素相關(guān)。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化、電力用戶獲取信息不完全，以及對(duì)信息的決策處理出現(xiàn)偏好性和局限性時(shí)，會(huì)導(dǎo)致可控負(fù)荷的變化出現(xiàn)偏差，所以僅可配合其他電廠供電，實(shí)現(xiàn)輔助功能。

圖1 需求側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)體系

3.2 供給側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠

供應(yīng)側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠由分布式發(fā)電機(jī)組、分布式儲(chǔ)能裝置等發(fā)電單元構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)處于峰谷時(shí)段時(shí)，通過(guò)合理調(diào)整機(jī)組出力或儲(chǔ)能裝置充放電過(guò)程，改變電力供應(yīng)情況以適應(yīng)需求側(cè)的電力需求，提高電能利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。供應(yīng)側(cè)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)型虛擬電廠由于配置了發(fā)電單元，可快速跟蹤負(fù)荷變化，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主供電。但供應(yīng)側(cè)主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)型虛擬電廠忽略了需求側(cè)電力用戶的電力消費(fèi)模式的改變，在用電低谷時(shí)，則可能造成不必要的能源浪費(fèi)。

圖2 供給側(cè)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)體系

3.3 源荷混合型虛擬電廠

源荷混合技術(shù)驅(qū)動(dòng)虛擬電廠由分布式發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能和可控負(fù)荷等資源聚合而成，通過(guò)能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)更為安全、可靠和清潔的供電。源荷混合型虛擬電廠最大限度的發(fā)揮虛擬電廠對(duì)分布式資源的內(nèi)部協(xié)調(diào)和互濟(jì)作用，使得虛擬電廠的外部特性能夠得以全面的充分的發(fā)揮，這些外部特性主要表現(xiàn)為出力伸縮性、源荷兩相性、環(huán)境友好性等方面。

圖3 源荷混合型虛擬電廠運(yùn)營(yíng)體系

綜上所述，開(kāi)展適應(yīng)安徽特點(diǎn)的虛擬電廠典型應(yīng)用場(chǎng)景及其商業(yè)模式研究，是安徽電力公司主動(dòng)適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境變化，創(chuàng)新經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)管理理念的重要舉措，也為安徽虛擬電廠落地實(shí)施和公司新業(yè)務(wù)開(kāi)辟提供了理論基礎(chǔ)和前瞻性科學(xué)儲(chǔ)備，具有重要指導(dǎo)意義。