虛擬電廠在全球能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位與實踐探討

張家樂 吳志寬 許 超 王璐嘉

（山西國潤儲能科技有限公司）

0 引言

虛擬電廠以先進(jìn)的技術(shù)將多個分布式能源資源整合，形成一個統(tǒng)一而高效的電力供應(yīng)體系，從而提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和響應(yīng)速度。這種探索實際上是對傳統(tǒng)電力體系的一種補(bǔ)充和完善，特別是在面對日益增長的可再生能源接入時，可以更好地解決電網(wǎng)的供需不平衡和頻率調(diào)節(jié)問題。因此，探索虛擬電廠在全球能源轉(zhuǎn)型過程中的價值與實踐路徑，就能夠推動虛擬電廠于現(xiàn)實能源優(yōu)化工作中的深度應(yīng)用，幫助全球更快達(dá)成碳中和。

1 虛擬電廠的工作原理與技術(shù)構(gòu)成

1.1 聚合分布式能源資源

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）在當(dāng)今分布式能源環(huán)境中起到了舉足輕重的作用，與傳統(tǒng)電廠的中心化發(fā)電模式不同，VPP能夠通過先進(jìn)的信息技術(shù)將多種分布式能源資源（如太陽能、風(fēng)能、儲能設(shè)備、熱泵等）進(jìn)行有機(jī)整合，使其在功能上表現(xiàn)為統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)一致的電力資源，以實現(xiàn)對分布式能源資源的優(yōu)化配置與實時調(diào)度［1］。從理論與實踐的角度看，分布式能源資源的聚合不僅可以提高能源的利用效率，還可以降低對中央電網(wǎng)的依賴，從而為維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性提供了堅實的技術(shù)保障，彰顯出技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益的雙重價值。

1.2 基于云計算的中心化管理

隨著云計算技術(shù)的迅速發(fā)展，其逐漸成為分布式能源管理的核心技術(shù)之一?；谠朴嬎愕腣PP中心化管理體系可以實現(xiàn)對分散在不同地理位置的能源資源進(jìn)行實時地監(jiān)控與控制，云平臺提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，允許VPP對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析與處理，為運(yùn)營者提供關(guān)于能源消耗、需求、供應(yīng)和價格的實時信息［2］。此外，云計算還為VPP提供了高度的可擴(kuò)展性和靈活性，使其能夠根據(jù)實際需求進(jìn)行快速配置。值得注意的是，中心化管理并不意味著控制中心是唯一的，恰恰相反的是，所謂的“控制中心”實則是集中的數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)，能夠借助網(wǎng)絡(luò)與地理分布廣泛的設(shè)備、子系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，最終實現(xiàn)對全域電網(wǎng)的優(yōu)化管理。

1.3 實時優(yōu)化與能源調(diào)度

VPP在能源管理中的顯著特征在于，對能源的實時優(yōu)化與強(qiáng)大的調(diào)度能力。得益于先進(jìn)的算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，VPP可以實時分析包括電價、天氣條件、設(shè)備狀態(tài)在內(nèi)的各種因素，并對這些因素進(jìn)行量化分析，依據(jù)分析數(shù)據(jù)做出即時決策，并將指令下達(dá)至各個設(shè)備，以此運(yùn)行調(diào)整儲能設(shè)備的充放電策略，或控制可再生能源發(fā)電的輸出功率［3］。除了電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的控制功能以外，VPP還可以與電網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行互動，參與到電價機(jī)制和需求響應(yīng)中，為電網(wǎng)提供必要的調(diào)頻、調(diào)峰服務(wù)。這種基于實時數(shù)據(jù)的決策機(jī)制，不僅能夠提高能源的經(jīng)濟(jì)效益，還可以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足所有用戶的電力需求。

2 虛擬電廠在全球能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位

2.1 為可再生能源的大規(guī)模融合提供解決方案

在全球范圍內(nèi)，隨著碳排放減少和可持續(xù)發(fā)展的壓力日益增加，可再生能源在電力系統(tǒng)中的占比呈現(xiàn)持續(xù)增長之勢。然而，尤其是風(fēng)能和太陽能等可再生能源，由于其固有的隨機(jī)性和間歇性，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定性不甚理想，究其根本，現(xiàn)階段能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵問題就在于，如何實現(xiàn)可再生能源與傳統(tǒng)能源的有效融合［4］。正是在此背景下，VPP應(yīng)運(yùn)而生，VPP通過先進(jìn)的信息技術(shù)和算法將多種能源資源進(jìn)行有機(jī)整合，為傳統(tǒng)電力生產(chǎn)大規(guī)模融入可再生能源提供獨(dú)特的解決方案，不僅可以實現(xiàn)對可再生能源的實時監(jiān)控與調(diào)度，還能夠預(yù)測其產(chǎn)出，并根據(jù)數(shù)據(jù)對電力生產(chǎn)決策進(jìn)行優(yōu)化。除此之外，VPP還可以根據(jù)電網(wǎng)的實時需求對可再生能源進(jìn)行有針對性的調(diào)度，確保其與電網(wǎng)的穩(wěn)定匹配?？傮w來看，VPP為可再生能源的大規(guī)模融合打下了堅實的基礎(chǔ)，為其在全球電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供了可能［5］。

2.2 提高電網(wǎng)穩(wěn)定性與柔性

電網(wǎng)的穩(wěn)定性與柔性對于確保電力供應(yīng)的可靠性而言至關(guān)重要，然而隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和可再生能源的廣泛融入，對電網(wǎng)穩(wěn)定性與柔性的挑戰(zhàn)也在日益加劇。對此，VPP通過對各種能源資源進(jìn)行中心化管理與實時優(yōu)化，VPP可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的快速響應(yīng)，提供必要的調(diào)頻、調(diào)峰服務(wù)，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時，VPP還具備很強(qiáng)的柔性，能夠根據(jù)電網(wǎng)的實際需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，適應(yīng)各種突發(fā)情況。比如，在風(fēng)能和太陽能產(chǎn)出大幅降低的情況下，VPP可以通過調(diào)整儲能設(shè)備的充放電策略和控制其他可調(diào)度資源來維持電網(wǎng)的平衡。這種強(qiáng)大的穩(wěn)定性與柔性使VPP在全球電力系統(tǒng)中占據(jù)了重要的戰(zhàn)略地位。

2.3 推動分布式能源系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展

VPP在分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展過程中起到了關(guān)鍵的推動作用，作為集中管理和調(diào)度分布式能源資源的平臺，VPP能夠為分布式能源系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供保障。通過實時數(shù)據(jù)分析和決策支持，VPP能夠?qū)崿F(xiàn)對分布式能源的最優(yōu)化配置，提高其經(jīng)濟(jì)效益及可靠性［6］。此外，VPP還為分布式能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的融合提供了橋梁，使其能夠更好地服務(wù)于電網(wǎng)和用戶，這種模式不僅可以提高能源的利用效率，還可以促進(jìn)分布式能源技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。因此，VPP在促進(jìn)分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展中起到了不可替代的作用，對于全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型具有重要的戰(zhàn)略意義。

3 全球能源轉(zhuǎn)型背景下虛擬電廠建設(shè)實踐

3.1 國內(nèi)實踐項目分析

（1）冀北區(qū)太陽能光伏發(fā)電工程。由冀北國網(wǎng)供電公司牽頭，面向全國的電網(wǎng)互聯(lián)虛擬電站示范項目于2019年12月開始運(yùn)行。本工程涉及張家口、秦皇島、廊坊三地，波及工業(yè)、商業(yè)、智能建筑、儲能技術(shù)、電動汽車、分布式風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等諸多領(lǐng)域，旨在打造具有大約226MW 容量的綜合型電網(wǎng)。比如，在冀北地區(qū)的銷售大廈監(jiān)控系統(tǒng)中，通過負(fù)載反應(yīng)虛擬平臺發(fā)出節(jié)電或調(diào)溫命令，使終端燈光及公共區(qū)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，同時公共區(qū)域燈光將會切斷一段線路，使其亮度降至基本亮度；現(xiàn)場風(fēng)扇盤管根據(jù)平臺的溫度設(shè)置命令，會在1℃以上的時候，將設(shè)置的溫度提高（夏天）或者將設(shè)置的溫度下降（冬天）1℃，從而實現(xiàn)節(jié)能6% ～7%的目標(biāo)。終端空調(diào)器可以對進(jìn)回水中的溫度進(jìn)行自動調(diào)整，其中單空調(diào)器斷線就能夠使整套系統(tǒng)的負(fù)載降低10%，同時又不會影響到使用者的舒適度。

（2）上海試驗性VPP項目。黃浦區(qū)是目前上海商用建筑密度最大的區(qū)域，其年用電量達(dá)1.3×109kW·h，高峰用電容量接近5×105kW，其中建成能源消耗占比超過65%。在VPP工程中，已被登記的可調(diào)資源達(dá)550個，共有四種發(fā)電模式。在黃浦區(qū)VPP工程的實施過程中，VPP操作平臺實現(xiàn)了對電源側(cè)各機(jī)組的操作和輸出功率的監(jiān)控，并將其與上海市電力系統(tǒng)的調(diào)度室和交易室實時連接。運(yùn)營平臺的整體結(jié)構(gòu)可以劃分成兩個層次，在底層，可以對終端信息展開感知，同時也可以對平臺的信息進(jìn)行接收與傳遞；在頂層，可以對所收集到的信息展開分析和處理，從而對VPP的發(fā)電策略進(jìn)行優(yōu)化，從而控制電網(wǎng)的整體運(yùn)行。

3.2 國外實踐項目分析

預(yù)計到2023年，VPP的總市值可達(dá)11.875億美金。在美國，VPP采用DER等負(fù)載轉(zhuǎn)換技術(shù)來解決供需矛盾，保證了電網(wǎng)在真實環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)營。歐洲也正在轉(zhuǎn)變經(jīng)營方式，以求將可增值的資產(chǎn)增值到最大程度。歐洲需要反應(yīng)中心在2011年3月開始運(yùn)作，以協(xié)助VPP的發(fā)展及評估其增加的收益，同時澳大利亞政府同樣也在朝著建立大規(guī)模VPP工程的方向前進(jìn)。

（1）德國RegModharz計劃。該工程涵蓋了風(fēng)電、抽水蓄能和太陽能等多種能源，目標(biāo)在于構(gòu)建一套能夠在很大程度上實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的智能電網(wǎng)。在VPP的運(yùn)作層中，總共配有6家配電公司、4家電力零售公司以及1家電力傳輸公司。新能源工程中的信息變動快，高安全性、強(qiáng)可靠性的信息傳遞技術(shù)至關(guān)重要，為此就需要制定一套基于VPP的信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)VPP的快速響應(yīng)。VPP工程以哈芳區(qū)域內(nèi)居民為對象，以能量管理為核心，構(gòu)成兩路能量管理（BEMI），以加強(qiáng)對電力消費(fèi)端的重視。

（2）European FENIX計劃。該工程按照VPP商業(yè)和技術(shù)兩個分類進(jìn)行了區(qū)別建設(shè)，并將其劃分成兩種不同的方案，在英國現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立商業(yè)VPP的運(yùn)營模型。在“北部方案”的體系架構(gòu)中，不同的分布式電網(wǎng)均由一套智能系統(tǒng)來控制，整套系統(tǒng)共集成了大約4.4×105kW 的分布式發(fā)電和2.5×105kW的靈活分布式發(fā)電。而“南部方案”則分為“技術(shù)型”與“商用型”兩種，“技術(shù)型”架構(gòu)主要以VPP為技術(shù)支撐，保證了網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行；“商用型”架構(gòu)則是通過對儲能資源進(jìn)行聚集，并對儲能資源進(jìn)行調(diào)度，從而使VPP達(dá)到經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

（3）丹麥EDISON計劃（Design）。在2009年2月，丹麥能量學(xué)會率先發(fā)起了EDISON計劃，課題的目標(biāo)在于通過對新能源汽車的使用量進(jìn)行調(diào)整，來促進(jìn)電力市場的均衡發(fā)展，從而提高丹麥的可更新能源的使用率。EDISON計劃旨在鼓勵電動車用戶參與，并通過對電動車用戶的激勵來實現(xiàn)電動車用戶的利益最大化。這種獎勵機(jī)制是由一個測量與結(jié)算系統(tǒng)來完成的，為了降低延時所造成的經(jīng)濟(jì)損失，保障數(shù)據(jù)的傳輸，EDISON在進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃時，將能源成本、電網(wǎng)約束以及可再生能源可用性等綜合考慮，以盡量降低與電池充電有關(guān)的延時。

4 全球能源轉(zhuǎn)型大背景下國內(nèi)虛擬電廠建設(shè)的未來前景

4.1 新能源限額的科學(xué)規(guī)劃與虛擬電廠的角色

新能源，尤其是風(fēng)電和光伏等，由于其自然屬性，很容易面臨“限額”或“限產(chǎn)”的情況。在傳統(tǒng)的電力市場中，這可能導(dǎo)致新能源項目面臨收益下滑的風(fēng)險。但在實時交易的環(huán)境下，虛擬電廠可以為這些能源提供更高的調(diào)度靈活性。通過集成各種分布式能源，虛擬電廠能在市場中為單一能源提供補(bǔ)充，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。同時，實時交易為虛擬電廠提供了更大的市場機(jī)會，使其能夠針對市場需求，快速調(diào)整電力輸出，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 虛擬發(fā)電企業(yè)參與電網(wǎng)二次服務(wù)的補(bǔ)償機(jī)制

當(dāng)前，虛擬電廠已經(jīng)開始參與電網(wǎng)的二次服務(wù)，但市場對其所提供的這些服務(wù)的補(bǔ)償仍然不夠充分。長期下去，這會影響到虛擬電廠的運(yùn)營效率和盈利模式。對此，電力行業(yè)需重新審視電網(wǎng)二次服務(wù)的補(bǔ)償機(jī)制。有些措施可以考慮，比如提高服務(wù)定價，為虛擬電廠提供稅收優(yōu)惠，或者給予其優(yōu)先調(diào)度權(quán)等。這樣不僅能激勵虛擬電廠為電網(wǎng)提供更多服務(wù)，也有助于其持續(xù)、健康的發(fā)展。

4.3 虛擬電站用電客戶的WDM 策略

為了確保虛擬電廠的盈利和持續(xù)運(yùn)營，采用寬帶數(shù)據(jù)管理（WDM）策略對虛擬電站內(nèi)的用電客戶進(jìn)行管理是至關(guān)重要的。這要求虛擬電廠深入了解每個用戶的用電習(xí)慣、需求和預(yù)期，從而提供更精準(zhǔn)的電力服務(wù)。成功的WDM實施可以幫助虛擬電廠更好地預(yù)測和平衡負(fù)荷，優(yōu)化資源配置，降低運(yùn)營成本，并提高服務(wù)品質(zhì)，從而在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。

總體來看，從VPP理念的引入到實踐的試驗運(yùn)作，著實能夠為我國電力市場帶來諸多益處，但是它也對電網(wǎng)的資源配置、運(yùn)行與控制系統(tǒng)、通訊技術(shù)以及電網(wǎng)運(yùn)行提出了新的要求。但從目前VPP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢來看，傳統(tǒng)的“大機(jī)組、特高壓”供給端開發(fā)模式已接近飽和，未來極有可能出現(xiàn)新的需求端開發(fā)模式（如DFT等），使得全球冬季電網(wǎng)呈現(xiàn)出小型分散的趨勢。VPP既是電網(wǎng)的智能化調(diào)度單位，又是電網(wǎng)的柔性交易單位，需要負(fù)責(zé)對分布式資源進(jìn)行聚合、優(yōu)化、協(xié)調(diào)與控制。在這些新能源中，由于氣溫、氣象等因素的影響，新能源的出力與其所處的季節(jié)、季節(jié)、氣候等因素密切相關(guān)，由于不確定性因素的存在，風(fēng)電、光伏的預(yù)報精度將大大提高。但它們并不會以零散的方式出現(xiàn)，由于分布式發(fā)電之間的互補(bǔ)關(guān)系，降低了輸出的不確定度，所以聚合商的功能將會更加強(qiáng)大，它可以聚集供應(yīng)端和需求端的各種分散的資源。所以，VPP將是開發(fā)新的電力市場不可或缺的環(huán)節(jié)，更是全球能源轉(zhuǎn)型過程中不可或缺的一大手段。

5 結(jié)束語

在全球邁向低碳、可再生能源的轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，虛擬電廠已確立其至關(guān)重要的戰(zhàn)略地位。作為一個通過先進(jìn)技術(shù)將多種分布式能源資源整合為統(tǒng)一的、可調(diào)度的能源體系的模型，虛擬電廠解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)與大量可再生能源融合時所面臨的穩(wěn)定性和靈活性挑戰(zhàn)。這種整合模式不僅提高了能源利用效率，還實現(xiàn)了對電力供需的實時平衡，進(jìn)而為電力市場創(chuàng)造了新的價值。全球眾多國家和地區(qū)在積極探索和部署虛擬電廠的過程中，已經(jīng)獲得了對電網(wǎng)的優(yōu)化、減少碳排放和降低運(yùn)營成本的明顯成果?？偟膩碚f，虛擬電廠在全球能源轉(zhuǎn)型中不僅扮演了技術(shù)創(chuàng)新者的角色，更重要的是，它為實現(xiàn)更加綠色、高效和經(jīng)濟(jì)的能源體系提供了實踐的價值。