“雙碳”背景下虛擬電廠研究綜述

彭道剛，稅紀鈞，王丹豪，趙慧榮

（1. 上海電力大學自動化工程學院，上海市 楊浦區(qū) 200090；2. 上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海市 楊浦區(qū) 200090）

0 引言

隨著化石能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖問題日益明顯，如何實現(xiàn)低碳、可持續(xù)發(fā)展成為世界范圍內(nèi)的重要議題[1]。為有效應(yīng)對全球氣候變化帶來的一系列威脅，2020 年9 月，國家主席習近平在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話[2]中提出“雙碳”目標。2021 年全國兩會，“碳達峰、碳中和”被首次寫入政府工作報告[3]。針對富煤、貧油、少氣的資源稟賦特征，能源結(jié)構(gòu)從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型可為我國實現(xiàn)“雙碳”目標提供可行路徑。

雖然可再生能源具備環(huán)保、經(jīng)濟、靈活等優(yōu)勢，但其出力隨機性以及不可控性也會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生一定影響[4]。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，電力系統(tǒng)應(yīng)基于市場運營，但由于分布式發(fā)電(distributed generator，DG)的特點，僅靠其本身參與電力系統(tǒng)并不可行[5]。為解決上述問題，可將分布式發(fā)電聚合成一個實體(integrated entity，IE)[6]。

虛擬電廠(virtual power plant，VPP)通過先進的通信、計量和控制技術(shù)，基于通信和聚合的思想[7]，在不改變分布式發(fā)電并網(wǎng)方式的前提下，以各類聚合體的形式對外呈現(xiàn)，并參與到電力市場中。隨著智能電網(wǎng)、綜合智慧能源和能源互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬電廠這一概念受到更廣泛的關(guān)注，其在充分利用信號處理、信息通信、計量、數(shù)據(jù)處理等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合邊緣計算、數(shù)字孿生(digital twin，DT)、區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)，使其有望成為新能源接入的智慧能源技術(shù)支撐框架[8]。

本文對虛擬電廠的概念、分類及其與微電網(wǎng)的區(qū)別進行介紹，總結(jié)歸納虛擬電廠協(xié)調(diào)控制、資源聚合與優(yōu)化調(diào)度、參與電力市場3 個方面的研究進展，分析區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠中應(yīng)用的可行性，并指出虛擬電廠在我國“雙碳”背景下的發(fā)展前景以及未來可能面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)開展適合我國能源背景和電力現(xiàn)狀的虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考，促進能源轉(zhuǎn)型以及“雙碳”目標的實現(xiàn)。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠基本概念

虛擬電廠的概念源于1997 年Shimon Awerbuch 在其著作中對虛擬公共設(shè)施的定義[9]：虛擬公共設(shè)施是獨立且以市場為驅(qū)動的實體之間的一種靈活合作，這些實體能夠在不擁有相應(yīng)資產(chǎn)的情況下，為消費者提供其所需要的公共服務(wù)。

自虛擬電廠的概念提出至今，由于不同國家電力背景存在差異，對虛擬電廠的研究側(cè)重點也不同，因此對于虛擬電廠的框架尚無統(tǒng)一定義[7-8,10]。Caldon 等[11]將虛擬電廠描述為一個地理位置上由多個分布式發(fā)電組合聚集成的拓展網(wǎng)絡(luò)。Bignucolo 等[12]將虛擬電廠描述為分散于中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的不同類型分布式能源(distributed energy resource，DER)的集合。Morais等[13-14]先將虛擬電廠定義為多技術(shù)和多地點的異質(zhì)實體，隨后又將其確定為與自治微電網(wǎng)相同的網(wǎng)絡(luò)。Bliek等[10]開展了基于功率匹配器的虛擬電廠項目，在該項目中，虛擬電廠由微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、混合熱泵、光伏發(fā)電裝置、可控電器、電動汽車、風力發(fā)電站以及燃氣輪機構(gòu)成。

整體來看，虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為通信和聚合，不應(yīng)被定義為分布式能源的集合體，而應(yīng)將其定義為利用先進計量、通信、控制等技術(shù)，將地理位置分散且與不同層級的電網(wǎng)直接或間接相連的分布式電源、柔性負荷等聚集起來，通過能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制并參與到整個電力市場，同時優(yōu)化資源利用、提高大電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電可靠性的一種綜合體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬電廠結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of VPP

1.2 虛擬電廠分類

虛擬電廠可以聚合各種類型的分布式能源，并通過能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化多種分布式能源，參與主輔市場。根據(jù)功能不同，一般可以將虛擬電廠劃分為商業(yè)型虛擬電廠(commercial VPP，CVPP)和技術(shù)型虛擬電廠(technical VPP，TVPP) 2類[15]。虛擬電廠運行框架如圖2所示，其中：TSO為輸電系統(tǒng)運營商(transmission system operator)；DSO 為配電系統(tǒng)運營商(distribution system operator)。

圖2 虛擬電廠運行框架Fig. 2 Operating structure of VPP

CVPP 的功能是制定最優(yōu)購電和售電計劃，參與電力市場競標獲取最大收益，不考慮對配電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行的影響[16]。在CVPP 架構(gòu)中，各分布式能源向其遞交邊際成本、測量數(shù)據(jù)等，CVPP 以利潤最大化為目標制定購電、售電計劃。當CVPP 中標時，CVPP 執(zhí)行獨立系統(tǒng)運營商(independent system operator，ISO)的調(diào)度指令，向TVPP 遞交分布式能源發(fā)電計劃與運行成本等信息。需要指出的是：CVPP 和分布式能源均有選擇權(quán)，CVPP 可以選擇任意數(shù)量的分布式能源作為自身組成部分，同樣地，分布式能源也可以選擇任意一個CVPP代表其參與電力市場[17]。

TVPP的功能是為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)，需考慮分布式能源聚合對大電網(wǎng)、配電網(wǎng)的實時影響。TVPP 還負責對所在區(qū)域的TSO 和DSO 提供平衡和其他配套輔助服務(wù)，考慮CVPP 內(nèi)部所包含可控靈活性資源的工況、運行參數(shù)、邊際成本等信息以及由ISO 提供的網(wǎng)絡(luò)信息，形成其可調(diào)節(jié)功率成本和調(diào)節(jié)功率域。

根據(jù)虛擬電廠所包含分布式能源的實際情況，虛擬電廠可單獨作為CVPP 參與電力市場，也可單獨作為TVPP提供輔助服務(wù)，還可先作為CVPP參與電力市場，再作為TVPP提供輔助服務(wù)。

1.3 虛擬電廠與微電網(wǎng)的區(qū)別

目前，虛擬電廠和微電網(wǎng)是解決小容量分布式能源并網(wǎng)的主要手段，也是實現(xiàn)分布式發(fā)電并網(wǎng)最具創(chuàng)造力和吸引力的2種形式[6]。國內(nèi)一般將微電網(wǎng)描述為由分布式發(fā)電、保護裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、儲能裝置以及負荷匯集而成，實現(xiàn)自主控制、管理以及保護的小型發(fā)配電自治系統(tǒng)[18]。虛擬電廠和微電網(wǎng)均是解決分布式發(fā)電及其他元件整合并網(wǎng)問題的有效手段，但二者在設(shè)計理念、組成、運行模式與特性等方面仍有諸多區(qū)別[19]。微電網(wǎng)注重自治，而虛擬電廠更側(cè)重參與及對外的展現(xiàn)。微電網(wǎng)整合地理位置較近的分布式發(fā)電，而虛擬電廠憑借先進通信和計量技術(shù)，可聚合多個地理位置接近或分散的分布式能源。另外，虛擬電廠與系統(tǒng)相互作用的要求較微電網(wǎng)更嚴苛，可用常規(guī)電廠運行特性和統(tǒng)計數(shù)據(jù)評價虛擬電廠。

2 虛擬電廠研究現(xiàn)狀

2.1 虛擬電廠協(xié)調(diào)控制

一般可以將虛擬電廠協(xié)調(diào)控制分為集中控制、集中-分散控制和完全分散控制3 類[8]。在集中控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠的全部決策由控制協(xié)調(diào)中心(control coordination center，CCC)制定[20]，對分布式電源控制器(distributed generation controller，DGC)下發(fā)出力、啟停等信息。在集中-分散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠被分為2 層，同樣地，協(xié)調(diào)控制也分為上下2層。上層控制中心(即虛擬電廠控制中心)將任務(wù)分解，發(fā)配到下層控制中心，由各個下層控制中心制定所聚合的每個單元的發(fā)電、用電方案；同時，下層控制中心將采集到的信息數(shù)據(jù)傳遞到上層控制中心，由上層控制中心實現(xiàn)對整體虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制。在完全分散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠被劃分為多個子系統(tǒng)，系統(tǒng)間通過先進通信技術(shù)進行協(xié)作，控制中心則成為數(shù)據(jù)交換和處理中心。

為平衡電力需求和供應(yīng)之間的關(guān)系，以減少負載對電網(wǎng)的影響，國內(nèi)外學者圍繞集中控制結(jié)構(gòu)展開研究。文獻[21-25]均采用了直接負載控制(direct load control，DLC)優(yōu)化算法來確定虛擬電廠終端可控設(shè)備的最佳負載控制計劃。文獻[21]基于線性規(guī)劃，提出了一種熱水器控制策略，通過檢測不同的不受控熱水器數(shù)據(jù)，對多樣化的熱水器負載需求和不同控制動作的受控熱水器回報模式進行建模。文獻[22]在文獻[21]的基礎(chǔ)上，通過分割回報模式改善預先確定的候選控制時間表，使控制更加靈活。文獻[23]基于動態(tài)規(guī)劃實現(xiàn)負荷設(shè)備的啟/停周期，與文獻[21-22]不同之處在于，該控制策略在降低峰值負荷的基礎(chǔ)上最大限度減少了控制的負荷量，以提高收益和客戶滿意度。文獻[24]則基于線性規(guī)劃實現(xiàn)控制周期內(nèi)效用利潤最大化。在上述研究基礎(chǔ)上，Ruiz 等[25]基于DLC來管理由大量具有恒溫控制設(shè)備的終端用戶組成的虛擬電廠，確定虛擬電廠中可控負荷的最佳控制策略，以優(yōu)化控制周期內(nèi)負載；然后采用建筑能源模擬工具EnergyPlus 模擬每種終端用戶類型的模型，以準確獲得空調(diào)和加熱器在不同控制動作作用下的熱行為；最后在西班牙北部一個實際電力系統(tǒng)上驗證了算法的有效性，為虛擬電廠參與輸電系統(tǒng)運營市場提供了一條可行路徑。

然而，基于集中控制結(jié)構(gòu)的虛擬電廠由于通信網(wǎng)絡(luò)復雜，通常會遇到諸如通信時延等問題[26]，傳統(tǒng)虛擬電廠架構(gòu)不能滿足電力系統(tǒng)與市場要求。因此，集中-分散控制結(jié)構(gòu)逐漸取代集中控制結(jié)構(gòu)，成為研究熱點。在集中-分散控制結(jié)構(gòu)中，各個代理之間僅根據(jù)通信協(xié)議交互少量信息，因此在該架構(gòu)下的控制可靠且高效[27-35]。陳厚合等[27]提出了一種分布式調(diào)度模型和協(xié)同優(yōu)化的計算框架，計及電網(wǎng)現(xiàn)狀和分區(qū)，利用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers，ADMM)構(gòu)建了調(diào)度模型和計算框架。陸秋瑜等[28]基于次梯度投影分布式控制法，提出了虛擬電廠經(jīng)濟性一次調(diào)頻方法。近年來，基于多代理技術(shù)的分布式控制尤為受到關(guān)注[29-34]。于娜等[29]提出了一種分層聚合結(jié)構(gòu)的多代理系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)控制架構(gòu)。劉思源等[30]提出了基于MAS的多虛擬電廠分層控制結(jié)構(gòu)，并研究了二者的兼容性。文獻[31-32]通過構(gòu)建兩階段優(yōu)化模型實現(xiàn)MAS的最優(yōu)經(jīng)濟性目標。文獻[33-34]通過構(gòu)建虛擬電廠多目標優(yōu)化模型實現(xiàn)全局調(diào)度最優(yōu)。劉源等[35]則針對文獻[30-34]中存在的MAS調(diào)度及風險控制問題，提出了基于條件風險價值(conditional value-at-risk，CVaR)的兩階段雙層分解(bi-level decentralized planning，BLDP)模型，并用此模型模擬MAS的控制結(jié)構(gòu)及各代理層之間的相互聯(lián)系。

通過對上述文獻的分析可以發(fā)現(xiàn)，集中控制模式下的通信網(wǎng)絡(luò)復雜、通信時延等問題并不能完全表征虛擬電廠的核心思想，集中-分散控制和完全分散控制能夠在同時滿足電力系統(tǒng)與市場要求的前提下，使控制更加可靠高效。因此，未來將圍繞集中-分散和完全分散控制結(jié)構(gòu)開展協(xié)調(diào)控制相關(guān)研究。整體來看，虛擬電廠對分布式能源的協(xié)調(diào)控制極大地緩解了網(wǎng)側(cè)壓力。

2.2 虛擬電廠資源聚合與優(yōu)化調(diào)度

虛擬電廠資源聚合與優(yōu)化調(diào)度可以概括如下：在滿足約束條件的前提下，協(xié)調(diào)所聚合的分布式發(fā)電，實現(xiàn)運行成本、碳排放最小化以及收益最大化的目標。從微觀上看，這是對虛擬電廠中多個分布式發(fā)電實現(xiàn)容量分配或出力的優(yōu)化調(diào)度；從宏觀上看，這是把虛擬電廠視為一個整體參與電網(wǎng)調(diào)度。根據(jù)虛擬電廠的提出目的和核心思想，資源聚合與優(yōu)化調(diào)度是實現(xiàn)虛擬電廠的手段，也是現(xiàn)階段的研究重點[36]。

近年來，研究者主要基于不確定性處理、多時間尺度優(yōu)化、需求響應(yīng)、CVaR等方面研究虛擬電廠的資源聚合和優(yōu)化調(diào)度。文獻[15, 37-38]基于不確定性的響應(yīng)需求實現(xiàn)了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度。楊秀等[15]建立商業(yè)層與技術(shù)層相結(jié)合的虛擬電廠雙層優(yōu)化模型，分別以用戶利潤最高和分布式發(fā)電出力成本最小為目標，并充分考慮需求側(cè)和發(fā)電側(cè)的利益。王蕓蕓等[37]基于雙層優(yōu)化模型，在上層模型中聚合風電場、光伏電站、抽水蓄能電站和需求響應(yīng)負荷，以總成本最低為目標，建立了滿足市場公平性的多能源經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型。袁桂麗等[38]考慮價格型需求響應(yīng)(price demand response，PDR)，通過調(diào)整價格信號或激勵機制來改善需求側(cè)在系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響。

計及分布式能源出力不確定性、電價不確定性等因素，文獻[39-42]對多時間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)展開了研究。楊洪朝等[39]提出了多虛擬電廠(Multi VPPs)日內(nèi)兩階段多時間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)，如圖3 所示，上層為虛擬電廠互聯(lián)后所涉及的共享設(shè)備，下層為所涉及的可再生能源等設(shè)備，分別采用小時級和分鐘級調(diào)度策略。李翔宇等[40]在日內(nèi)優(yōu)化中引入馬爾科夫決策過程(Markov decision process，MDP)以減少建模層級，并提出了包括虛擬電廠日前計劃、滾動計劃、實時計劃在內(nèi)的全時域優(yōu)化調(diào)度框架。張大海等[41]在文獻[39-40]基礎(chǔ)上，考慮將光熱(concentrating solar power，CSP)電站和電儲能裝置(electrical energy storage device，EESD)作為虛擬電廠的組成部分，從資源聚合和優(yōu)化調(diào)度的角度出發(fā)，建立基于魯棒隨機優(yōu)化理論的虛擬電廠隨機優(yōu)化調(diào)度模型，以提高新能源并網(wǎng)時的可調(diào)度性。葛曉琳等[42]針對固定時間尺度調(diào)度策略的不足，提出了日前隨機博弈與實時變時間尺度協(xié)同優(yōu)化方法，對實時調(diào)節(jié)時間尺度進行自適應(yīng)改變，協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)節(jié)成本與調(diào)度偏差。

圖3 多虛擬電廠多時間尺度優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)Fig. 3 Multi-time scale optimal scheduling architecture for multi-virtual power plants

此外，也有學者基于碳交易[43]、場景決策[44]、合作博弈[37,42]、資源配置[45-46]等方面研究虛擬電廠的資源聚合與優(yōu)化調(diào)度。

2.3 虛擬電廠參與電力市場

隨著電力市場的逐漸開放以及交易機制的逐步完善，對虛擬電廠響應(yīng)市場電價、負荷需求變化能力以及參與調(diào)峰調(diào)頻等方面提出了更高要求。虛擬電廠參與的電力市場可以分為主能量市場和輔助服務(wù)市場，其交易框架[47]如圖4 所示。當虛擬電廠參與日前市場時，市場運營商根據(jù)虛擬電廠和常規(guī)發(fā)電機組提交的交易電量以及各方信息確定次日能源價格并對外公布，市場參與者根據(jù)該信息調(diào)整自身投標量并再次匯報，直至投標量和能源價格達到平衡。當虛擬電廠參與日內(nèi)市場時，由于可再生能源的出力隨機性和不可控性，為保證電網(wǎng)穩(wěn)定性和能源供需平衡，在棄風、棄光時啟動調(diào)峰市場實時出清。

圖4 虛擬電廠參與電力市場交易框架Fig. 4 Trading framework of VPP participating in the electricity market

陳剛等[48]提出了基于上下層雙階段的電-熱能源市場交易策略，上下層分別以購能成本最小和收益最大為目標優(yōu)化價格和投標量，并通過先進通信技術(shù)實現(xiàn)信息交互。宋大為等[49]也提出了一種雙層兩階段聯(lián)合競價策略模型，但與文獻[48]不同的是，該研究同時考慮到在競價決策過程中報價的隨機性與競爭對手策略的不確定性對競價策略的影響。劉敦楠等[50]針對電力現(xiàn)貨市場難以適應(yīng)多元市場主體的差異化物理經(jīng)濟特性和多樣化交易需求，提出了多元市場主體的交易報價方式和靈活能量塊交易出清模型。

現(xiàn)階段，虛擬電廠處于參與輔助服務(wù)市場為主、參與能量市場為輔的業(yè)務(wù)形態(tài)。劉浩文等[51]為降低電網(wǎng)調(diào)壓成本、提高整體經(jīng)濟效益，提出了基于邊緣計算虛擬電廠無功服務(wù)優(yōu)化出清模型。卿竹雨等[52]在響應(yīng)價格制定策略中引入強化學習，提出了考慮分散式資源互動響應(yīng)的虛擬電廠智能化調(diào)峰定價策略。也有學者[53-54]從宏觀層面探討了虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場。還有學者[47,55]將主能量市場和輔助服務(wù)市場作為一個整體進行研究。祖文靜等[47]設(shè)計了虛擬電廠參與主輔市場的交易體系，考慮新能源出力的不確定性以及主能量市場與調(diào)峰輔助服務(wù)市場價格的相關(guān)性，構(gòu)建了虛擬電廠參與主輔市場的聯(lián)合出清優(yōu)化模型。葉飛等[55]針對虛擬電廠內(nèi)部資源和外部市場對競標策略的互動影響，提出了考慮購售風險的虛擬電廠雙層競標策略。

3 “雙碳”背景下虛擬電廠的數(shù)字技術(shù)

以區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生為例，分析數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用及其在虛擬電廠協(xié)調(diào)控制、資源聚合和優(yōu)化調(diào)度中提供的輔助與支撐作用。

3.1 區(qū)塊鏈在虛擬電廠中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈是一種不可篡改、可追溯的分布式數(shù)據(jù)庫，其具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護、可編程和安全可信等特點[56]。文獻[56-57]從廣義和狹義上給出區(qū)塊鏈的定義，張寧等[58]將區(qū)塊鏈描述為由區(qū)塊有序鏈接的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個區(qū)塊由用于鏈接的區(qū)塊頭和記錄數(shù)據(jù)信息的區(qū)塊主體2部分構(gòu)成。區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用[58]如圖5 所示，可以從功能維度、對象維度和屬性維度3 個方面進行歸納和分析。本文結(jié)合虛擬電廠與區(qū)塊鏈自身特性并參考現(xiàn)有研究，主要對區(qū)塊鏈技術(shù)輔助虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度、支撐虛擬電廠參與電力市場交易2個方面進行歸納分析。

圖5 區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用Fig. 5 Application of blockchain technology in VPP

1）區(qū)塊鏈技術(shù)輔助虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度

區(qū)塊鏈技術(shù)可作為虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的輔助技術(shù)。文獻[59-60]探討了基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠模型，重點分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于虛擬電廠的可行性，并將應(yīng)用中存在的問題歸納如下：區(qū)塊鏈的信息并非完全安全可靠；運行效率較低，資源利用不充分；智能合約責任主體缺失。文獻[61-65]探索了區(qū)塊鏈技術(shù)引入虛擬電廠的可能性，其中，佘維等[61]提出了一種基于能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的虛擬電廠運行與調(diào)度模型，該模型更強調(diào)反映需求側(cè)實時信息，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和存儲安全性。周國亮等[62]提出利用共識機制實現(xiàn)調(diào)度，并利用拜占庭容錯(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)算法實現(xiàn)負荷在機組間的合理分配。任建文等[63]對區(qū)塊鏈技術(shù)引入虛擬電廠的合理性進行分析，并基于PBFT 實現(xiàn)區(qū)塊鏈下半中心化的兩階段魯棒優(yōu)化調(diào)度模型。陳凱玲等[64]在文獻[61-63]的基礎(chǔ)上，基于多元用電主體的概念，提出了改進的虛擬電廠運行調(diào)度模型。王海群等[65]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，形成能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)虛擬電廠分布式調(diào)度，利用等耗量微增率準則，實現(xiàn)了虛擬電廠電能調(diào)度最優(yōu)化。周步祥等[66]從虛擬電廠的功能特征出發(fā)，創(chuàng)建由商業(yè)鏈、技術(shù)鏈和資產(chǎn)鏈組成的區(qū)塊鏈，綜合考慮多虛擬電廠形成的多決策主體利益關(guān)聯(lián)與沖突的局面，建立考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束的多虛擬電廠主從博弈優(yōu)化運行方法。以上研究為區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)虛擬電廠的分布式調(diào)度提供了參考。

2）區(qū)塊鏈技術(shù)支撐虛擬電廠參與電力市場交易

部分學者[67-73]側(cè)重研究基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠參與電力市場交易模型。文獻[67-68]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型，其中文獻[67]分別從物理結(jié)構(gòu)、智能合約以及交易流程3 個模塊構(gòu)建了基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型。平健等[69]針對分布式能源交易違約現(xiàn)象嚴重的問題，提出了基于信用證明(proof-of-credit，PoC)共識機制的分布式能源信用管控機制。李強等[70]針對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠可信交易平臺對虛擬電廠交易的適配性和應(yīng)用場景等問題，搭建了涵蓋各項服務(wù)的全鏈條服務(wù)，并驗證了運行模式的可行性。玄佳興等[71]針對分布式能源交易集中調(diào)度處理可靠性低、速度慢等問題，提出了主從分片區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型，從鏈采用文獻[69]所提出的PoC共識機制。陳子杰等[72]基于現(xiàn)有研究搭建了基于區(qū)塊鏈的硬件仿真平臺；針對現(xiàn)有能源區(qū)塊鏈研究尚未定量對比不同共識算法優(yōu)劣的問題，該團隊[73]又提出了多維度的共識算法定量評估方法，以及應(yīng)用兩階段混合公式算法的能源區(qū)塊鏈的實現(xiàn)方案。

現(xiàn)階段關(guān)于分布式電力交易的區(qū)塊鏈算法應(yīng)用研究較多，但基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠研究仍處于起步階段。因此，以上2 個方面的融合研究或?qū)⒊蔀槲磥淼难芯恐攸c。

3.2 數(shù)字孿生在虛擬電廠中的應(yīng)用

數(shù)字孿生的概念起源于美國密歇根大學Grieves教授的產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management，PLM)中的設(shè)想[74]，他首次提出了鏡像空間模型(mirrored spaces model，MSM)，并指出該模型由真實空間、虛擬空間和鏈接機制3 個元素組成。數(shù)字孿生可以更廣義地描述為：利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，利用數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實情景中的活動，以及利用虛實體互動、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等方法，為物理實體增強或擴展新的能力[75]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息與通信技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。學者們開始探討數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用。房方等[76]提出面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生架構(gòu)，探討了在智能發(fā)電系統(tǒng)中部署數(shù)字孿生技術(shù)的一般性方法，并分別從過程自動化、綜合效益管理、生產(chǎn)風險管控、設(shè)備設(shè)計交付、新應(yīng)用研發(fā)、高效信息交流、協(xié)同決策和人員操作培訓8 個方面探索數(shù)字孿生技術(shù)在智能發(fā)電中應(yīng)用的可行性。文獻[77-78]則圍繞數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)中的應(yīng)用問題，分析該技術(shù)的實現(xiàn)路徑與技術(shù)挑戰(zhàn)。趙鵬等[79]重點分析了數(shù)字融合建模與電網(wǎng)資源協(xié)同互動，提出了電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和安全防御機制。齊波等[80]從狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)治理、模型構(gòu)建3 個方面闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備狀態(tài)評估中的應(yīng)用。盛戈皞等[81]在文獻[80]的研究基礎(chǔ)上，提出了新型電力系統(tǒng)背景下電力設(shè)備高效運行和智能維護的基本特征和技術(shù)體系。蒲天驕等[82]基于數(shù)字孿生五維模型，針對能源互聯(lián)網(wǎng)實際需求，結(jié)合多業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生模型，分別從物理感知、傳輸交互、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用服務(wù)、虛擬空間和安全防護等方面分析其架構(gòu)。文獻[83-84]分別探討了電力數(shù)字孿生系統(tǒng)(digital twin of power systems，PSDT)的實現(xiàn)框架和項目成熟度評價體系。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用研究主要集中在電力系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)等較為宏觀的方面，數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠上的融合與應(yīng)用的相關(guān)研究仍較少。嚴興煜等[85]基于數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用研究，提出了以下概念：數(shù)字孿生虛擬電廠是指物理空間實體和信息維度虛擬電廠虛實融合與共存的形式。數(shù)字孿生虛擬電廠系統(tǒng)(digital twin VPP system，DTVPPS)包含物理實體、數(shù)字孿生體、孿生數(shù)據(jù)、連接以及智能應(yīng)用等，總體架構(gòu)[85]如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生虛擬電廠系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig. 6 Framework of DTVPPS

DTVPPS 技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)由物理層、信息中樞層、感知層和智能應(yīng)用層組成，其中：物理層是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括源、網(wǎng)、荷、儲的物理實體、人員行為等；信息中樞層是系統(tǒng)的智慧大腦，由孿生模型、智能分析平臺等部分構(gòu)成；感知層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知接入的媒介，借助高性能傳感器獲取物理實體電氣量，實現(xiàn)對聚合的物理對象的狀態(tài)感知、環(huán)境檢測、行為追蹤以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；智能?yīng)用層按場景分為設(shè)備管理、應(yīng)用業(yè)務(wù)、配網(wǎng)接入、運營管理等模塊[85]。

數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠領(lǐng)域的研究目前還處于起步階段，但考慮到我國電力行業(yè)的特點，可預見數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用有望成為未來的研究重點。

4 發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

鑒于我國對清潔能源和新興技術(shù)發(fā)展的大力推動，加之虛擬電廠自身特性又符合我國能源電力發(fā)展的要求與方向，因此虛擬電廠具有巨大的發(fā)展前景。以上探討的虛擬電廠并非完全適合我國電力工業(yè)，還需要結(jié)合實際情況進行研究，虛擬電廠的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)可能有以下方面：

1）CVPP和TVPP相互協(xié)作。TVPP完成運行特性聚合后，會受到上級電網(wǎng)的控制，從而無法獲取更多利潤；由于CVPP 的規(guī)模擴大，市場行為有可能會影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。因此，單純的CVPP或TVPP無法滿足分布式能源的經(jīng)濟效益以及配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求，需要借助CVPP的經(jīng)濟基礎(chǔ)和TVPP的技術(shù)支撐，共同促進虛擬電廠進一步推廣應(yīng)用。

2）建立考慮多能源與多重不確定性的優(yōu)化調(diào)度與控制策略。由于虛擬電廠中可再生能源的高比例接入，其出力隨機性和不可控性不斷提高，在制定調(diào)度計劃時面臨不確定的風險，不僅會影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，還會對虛擬電廠收益造成一定影響。因此，在考慮內(nèi)部資源協(xié)調(diào)的同時，還需要考慮不確定性因素帶來的影響，從虛擬電廠安全穩(wěn)定運行和實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化2 個方面深入研究。

3）虛擬電廠參與多種市場。完善的虛擬電廠架構(gòu)不僅參與主能量市場，也應(yīng)提供與傳統(tǒng)電廠相同的各種輔助服務(wù)。利用虛擬電廠聚合分布式發(fā)電提供無功服務(wù)，可以在很大程度上減輕電網(wǎng)的調(diào)節(jié)成本，實現(xiàn)整體利益最大化。雖然已有學者在虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場方面進行研究，但如何克服分布式能源地域性特征和削弱電網(wǎng)運行條件影響仍是亟待解決的問題[51]。

4）數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的融合應(yīng)用。與傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域相比，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)規(guī)模大、復雜程度高以及反饋實時性要求高等特點，因此對區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用提出了更高的要求。探討數(shù)字技術(shù)的融合應(yīng)用可以從DTVPPS 技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)各層入手，挖掘可實現(xiàn)的典型應(yīng)用，為電力發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)和建設(shè)思路，為電網(wǎng)數(shù)字化、智能化建設(shè)提供新途徑。

5 結(jié)論

虛擬電廠是基于先進控制、通信、計量等技術(shù)的分布式能源綜合體，通過協(xié)調(diào)調(diào)度聚合的資源參與電力市場。在“雙碳”背景下，對虛擬電廠的研究重點聚焦在協(xié)調(diào)控制、資源聚合與優(yōu)化調(diào)度、參與電力市場等方面。同時，區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)都可應(yīng)用在虛擬電廠的體系架構(gòu)中，以促進虛擬電廠技術(shù)的發(fā)展?？偟膩碚f，虛擬電廠在推動資源高效利用、可再生能源發(fā)電、我國電力市場環(huán)境和體制改革與完善等方面均具有廣闊的發(fā)展前景。