基于建筑负荷聚合的虚拟电厂模式构建与运行探索

基于建筑负荷聚合的虚拟电厂模式构建与运行探索虚拟电厂通过聚合分布式发电、储能系统和可控负荷等分布式能源,协调优化运行并作为特殊电厂参与电力市场。本研究探索基于建筑负荷聚合的虚拟电厂模式,利用空调与建筑储能实现需求响应。能源转型的迫切需求可再生能源快速增长截至2023年,中国可再生能源发电量占全国总发电量的44%,全年发电量增速明显,占总发电量增量的46.1%。电力需求持续攀升全球气候问题导致夏季温度增高,我国西南地区2023年经历严重热浪和干旱,制冷需求高峰时段电量占比达40%~50%。虚拟电厂:能源管理的创新解决方案聚合分散资源将用户侧可调资源集中管理,形成虚拟电厂,实现规模化响应荷随源动通过需求响应技术,让电力用户参与电力市场和电网运行低碳目标实现能源供需的整体低碳,促进可再生能源消纳建筑:虚拟电厂的理想参与者建筑能耗占全社会用能1/3以上,是城市电网的主要消费者。建筑用电具有形式多变、刚性与柔性负荷混合的特点,部分负荷具有多元化调节能力,无需过多成本投入即可实现柔性用能。用电设备负荷通过优化设备运行时序,实现错峰用电储能设施负荷通过储能电池、蓄热装置等,直接或间接存储电力电动车负荷通过智能充电桩,挖掘电池冗余容量参与调节建筑参与虚拟电厂的核心优势虚拟电厂体系架构1管理中心电网调度2聚合商平台资源聚合与管理3响应用户建筑、工厂等终端用户4结算交易平台收益分配与结算5虚拟电厂管理中心处于最高层级,直接与电网调度系统对接。聚合商负责聚合同类型电力用户,集中参与虚拟电厂调节。结算交易平台专门负责对完成需求响应的用户进行奖励结算。建筑聚合响应流程响应邀约发布管理中心发布响应量、时段和收益信息能力评估上报聚合商评估用户历史功率基线和响应能力任务拆分下达根据用户能力拆分响应任务并分发过程监测评估全程监控响应过程并评估效果建筑聚合的四大核心功能1响应功率上报基于历史数据和响应能力,计算并上报可提供的响应功率2响应指令拆分将电网下发的响应需求按比例拆分至各建筑用户3响应指令执行通过空调、储能等设备实际执行功率调节4响应效果评估评估响应状态、功率、能力和偏差等关键指标响应功率计算方法基线功率计算建筑基线功率曲线为当天之前最近连续3个同类型天的功率曲线平均值。上报响应功率单体建筑上报响应功率为基线功率与响应能力的乘积,同时考虑近期历史响应能力变化。响应能力定义响应能力σ_DR为可响应功率与基线功率的比值,直观表示建筑需求响应能力大小。初始值设定为15%。平台聚合与指令拆分平台聚合响应平台响应功率等于各单体建筑在该时刻响应功率之和响应指令拆分按每栋建筑上报的响应功率比例分配响应目标空调系统响应执行调节原理空调负荷是建筑用能系统的主要部分,其热力学特性使其成为优质的可调电力负荷资源。通过调整空调设定温度或冷冻水温度来改变功率,实现需求响应。响应特性响应速度:10分钟内达到目标值预冷时间:0.5~1小时响应能力:可提供高达额定功率40%的调节能力电化学储能响应执行电化学储能是更为优质的建筑负荷可调资源。通过变换器控制可直接调节功率大小,实现秒级响应时间,同时保证功率响应的准确性。01优先空调调节由空调和储能构成的响应体系应优先通过空调进行负荷响应02储能补充调节电化学储能调节进行补充,弥补空调响应不足03状态约束控制实际响应功率受蓄电状态和运行功率限制响应效果评估指标体系响应状态功率变化值达到响应目标80%即视为响应成功响应功率基线功率与实时功率的差值,表达实际响应能力响应能力响应功率与基线功率的比值,判断用户能力水平响应偏差实际响应功率与目标功率的偏差,衡量响应精度响应成功判定标准按照需求响应管理办法规定,响应用户在响应过程中功率变化值能达到响应目标80%即视为响应成功。1响应中进入响应时段后的初始状态2响应成功某一时刻实时功率满足成功判断依据3响应失败响应时间结束后仍未满足成功条件建筑接入虚拟电厂方案建筑数据采集通过软件接口或数据网关上传至聚合平台,主要涉及建筑低压配电系统中各分项设备的电表数据采集,包括总表和可控设备的功率等参数。数据采集实施流程现场勘查了解建筑用电需求,制定数据采集方案设备安装安装电量计量设备和数据网关,或开发软件接口调试测试确保数据准确上传并与虚拟电厂平台通信验收上线通过响应联调测试进行数据校验,确保系统稳定运行多联机空调响应方案技术特点通过直接修改室内设定温度或运行状态实现功率变化响应速度快:10分钟内达到目标值预冷时间短:0.5~1小时可通过楼宇自控系统进行复杂控制响应能力测试结果表明,多联机空调系统能提供高达额定功率40%的响应能力。冷水机组响应方案调节方式通过调节冷冻水温度来控制设备功率或启停,直接修改冷冻水出水设定值工作原理增加冷冻水出水温度设定值,改变制冷循环的蒸发温度与运行工况点,导致设备能效提升,压缩机运行功率下降方案优势利用设备固有功能,减少工程人员配合,不改变原有控制逻辑,维持高运行稳定性实际测试案例概况基于某南方城市虚拟电厂建筑聚合平台,聚合3栋办公楼进行需求响应测试。测试设计了总响应量为60kW的向下调节指令,响应时段为10:00至11:00。办公建筑A开启一台空调主机及水系统制冷,通过调节冷冻水出水温度实现响应办公建筑B利用自然通风等被动式技术,室内温度适宜,暂未开启空调办公建筑C通过光储直柔系统控制储能发电功率实现电力响应测试环境:当天最高气温28℃,日间平均温度25℃虚拟电厂建筑聚合平台该平台作为南方电网虚拟电厂管理平台的建筑聚合平台,专为夏热冬暖地区城市公共建筑提供参与虚拟电厂的可调资源聚合渠道。建筑通过该平台参与虚拟电厂的响应任务,完成响应后可获得相应收益。响应指令拆分结果基线功率(kW)响应目标(kW)依据能力评估结果,虚拟电厂建筑聚合平台的总响应能力定为60kW。平台接到响应任务后,进行指令拆分,并向三栋建筑分别下发15、35、10kW的响应指令。响应过程实时监测监测功能虚拟电厂建筑聚合平台实时监测建筑的响应过程及总响应效果,监控界面显示基线与实时功率,并允许选择任一建筑查看其当日功率变化情况。数据更新界面更新频率:5分钟/次后台数据更新:1分钟/次高频率数据更新为计算响应效果提供可靠依据,支撑响应速度和准确性等性能指标的深入研究。总体响应效果52.9响应功率(kW)聚合平台在响应时段提供的总调峰能力12%响应偏差相对于60kW目标的偏差,在±20%范围内52.9调峰电量(kWh)响应时段总共提供的电量调节响应时段基线功率为269.6kW,实时功率降至216.8kW,实现52.9kW的响应功率。对于平台而言,响应偏差在±20%以内,具有很高的响应准确度。各建筑响应表现对比办公建筑A(空调响应)基线功率:68.2kW实时功率:50.2kW响应功率:18.1kW响应目标:15kW超出响应目标,表明实际响应能力较预期强,可用于未来响应能力预测调整办公建筑C(储能响应)基线功率:44.9kW实时功率:16.6kW响应功率:28.3kW响应目标:10kW响应偏差-183%,实际响应能力远超预期。电化学储能系统响应速度快,能够填补其他建筑的响应偏差研究结论与展望核心成果构建了完整的虚拟电厂建筑聚合模式和平台验证了响应指令拆分、监测及结果分析等基本功能3栋建筑可提供总量52.9kW的响应能力,响应精度为12%空调可通过调节冷冻水温度将功率下