双碳目标下虚拟电厂关键技术与建设现状

"双碳"目标下虚拟电厂关键技术与建设现状虚拟电厂技术能够实现分布式资源的有效聚合和协调控制,从而降低电力系统运行的碳排放量,提高可再生能源消纳量,已成为推动"双碳"目标实现的有效途径。中国电力行业面临的新挑战能源需求激增近年来,中国电力需求迅猛增长。随着能源革命的不断推进,环境问题也日益严峻,分布式发电、需求侧响应、高弹性电网和综合能源系统等各种新事物、新技术不断涌现。三大核心挑战高比例新能源接入电网灵活性改造碳减排目标实现"碳达峰、碳中和"目标的提出,使得分布式清洁能源成为中国电网不可或缺的重要组成部分,高比例分布式可再生能源的接入也对电网的运行水平和调控能力提出了更高的要求。虚拟电厂的核心价值资源聚合通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式发电、储能系统、可控负荷和电动汽车等分布式资源的有效聚合协调优化掌握各分布式能源的聚类特性和灵活性特征,实现对各类分布式新能源的灵活调控减小波动减小新能源出力间歇性、随机性和波动性对电网的冲击,提高电网运行稳定性中国虚拟电厂政策发展历程12014年在北京、上海和佛山等多个试点开展需求侧响应项目,以补贴的形式启动需求侧响应和VPP的发展22016年电力体制改革稳步推进,中国VPP得到了进一步的发展32020年国家能源局确定将多层级VPP平台纳入能源领域重点专项,推动VPP技术成果的转化落地42021年国家能源局印发《2021年能源监管工作要点》,积极推进VPP等第三方主体参与电力辅助服务市场当前虚拟电厂面临的主要问题基础设备欠缺支撑计量、通信和控制的设备生产水平较为落后,VPP的生态圈没有形成关键技术研究不足VPP的智能计量、信息通信和协调控制技术水平较低,其运行的实时性和自动化无法得到保障低碳运行方式待开发在碳达峰、碳中和目标背景下,高比例新能源电网为VPP低碳运行带来的一系列问题没有得到解决虚拟电厂的核心概念定义与起源VPP的概念最初于1997年由ShimonAwerbuch提出,21世纪初在德国、英国、法国和荷兰等欧洲国家兴起。VPP的核心可以归纳为"通信"和"聚合",通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式资源的协调优化,并作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行。与传统电厂的三大区别1虚拟存在VPP不是物理存在的电厂,而是一种资源管理手段2双向流动VPP的能量流动是双向的,既可以送电又可以受电3动态可调VPP的负荷特征是动态可调整的,要求负荷端去适应电网虚拟电厂三大关键技术智能计量技术VPP通信、控制的基础是快速可靠的计量自动抄表技术智能计量管理技术数字孪生技术信息通信技术实现对各分布式资源运行状态的实时监控和运行数据的快速汇聚边缘计算云计算D2D通信时延控制技术协调控制技术根据电源组成方式与运行模式的差异进行调度控制集中式控制集中-分散式控制完全分散控制智能计量技术详解01自动抄表技术VPP内部各单元自动测量并读取其冷、热、电、气等能源的生产或消耗信息,并将这些数据实时上传到VPP控制中心02智能计量管理技术VPP可远程测量其内部所有分布式单元的实时信息,检查各发电、用电单元的运行状态,同时进行合理适当的管理并将数据保存、上传及分析03数字孪生技术将VPP的运行数据采集并同步到虚拟空间中进行仿真反馈,从而输出预测、仿真和监测等实时分析结果对于分布式资源而言,智能计量技术还可以实时显示耗能情况和设备运行状态等重要信息,各分布式资源可以根据这些实时信息进行运行策略的调整。信息通信系统架构接入层路由器、网关与接入终端骨干层光纤专网与4G/5G骨干网络平台层控制中心与智能调度算法终端层分布式资源控制终端和VPP通信终端,包括分布式发电、储能和柔性负荷等接入层通信设备组成,包括接入终端、路由器和网关等,承担VPP通信的衔接作用骨干层VPP通信系统的骨干网络,可依赖4G/5G公用通信网络、光纤专网和无线专网实现平台层VPP的控制中心,由智能算法实现内部资源协同运行,对外制定市场交易策略通信性能是VPP实现安全可靠控制的基础,非理想的通信条件将会造成严重的经济损失,甚至危害系统运行安全。三种协调控制模式对比集中式控制特点:VPP控制中心掌握所有分布式资源的数据信息,对所有资源进行调度控制优势:调控能力强、控制手段灵活劣势:通信流量集中、计算复杂度高,兼容性与扩展性较差集中-分散式控制特点:将VPP控制中心的一部分功能下放到本地控制中心实现分层控制优势:缓解数据拥堵和计算困难问题分工:VPP控制中心负责整体任务制定和分解,本地控制中心制定单元调度指令完全分散控制特点:VPP被划分为多个子系统,各子系统自行调度内部资源,通过通信技术实现协作优势:可扩展性好要求:子系统需具备协调管理、故障响应与诊断能力虚拟电厂协调调度研究现状多样化的优化目标目前已有较多文献对VPP的协调调度与联合运行进行了研究,涉及的优化目标包括:成本最小收益最大运行风险最小新能源消纳能力最强出力波动最小负荷需求最小关键技术应用针对VPP参与协调调度存在的时效性不足和对配电网运行影响较大等问题,研究采用了不同的技术:数据驱动技术:对VPP调度特性进行研究和处理,实现对VPP最大容量和爬坡能力的评估计算负荷直接控制技术:降低VPP对电网的负荷需求,缓解配电网阻塞问题多智能体控制理论:应用于配电网的电网协调控制中,实现VPP与配电网调压设备的协调控制"双碳"目标下虚拟电厂的低碳使命两大实现路径降低碳排放量通过优化调度策略,在目标函数中量化碳排放成本,实现低碳运行决策提高新能源消纳量通过弃风弃光约束和量化新能源消纳效益,提升清洁能源利用率在碳达峰、碳中和目标背景下,VPP的节能减排职能愈发重要。国内外不少学者对于VPP的低碳经济调度开展了研究,VPP通过调度实现低碳运行的表现方式大致分为降低碳排放量和提高新能源消纳量两类。面向碳减排的VPP调度策略1量化碳排放成本在目标函数中考虑碳排放权成本、碳捕集成本和碳封存成本,优化碳捕集电厂的有功出力和碳捕集率2碳交易机制考虑碳交易机制下的免费碳配额和碳排放权购买成本,实现VPP的调峰策略优化3联合概率分布建模采用Copula函数对电价和碳价的联合概率分布进行建模,优化VPP的电力市场竞价策略4阶梯碳排放成本采用分段函数构造VPP碳排放成本的阶梯模型,考虑需求侧响应对含碳捕集设备VPP的碳排放量的影响5碳约束方法在多能互补的VPP日前调度模型中引入最大碳排放限额作为边际条件,利用碳捕集系统中的再生碳修正VPP碳排放量面向新能源消纳的VPP调度策略弃风弃光约束依据相关政策设置弃风弃光阈值作为优化的边际条件,确保新能源的充分利用量化新能源消纳效益在目标函数中加入新能源消纳的量化效益,通过多种方式提升消纳能力:依据VPP的调峰裕度量化其新能源消纳能力利用电动汽车和柔性负荷提升消纳能力将消纳新能源量化为经济收益通过弃风惩罚函数实现消纳量提升基于自动发电控制的清洁能源消纳量提升上海黄浦区商业建筑VPP500MW峰值负荷黄浦区夏日峰值负荷59.6MW响应资源截至2020年累计实现的商业建筑需求响应资源550可调资源整合的可调资源数量(空调资源占比74%)130楼宇数量包括办公建筑、酒店、商贸中心和综合体上海是典型的国际化大都市,空调负荷占比高、用户负荷波动性强以及用电峰谷差较大等问题严重。2018—2020年间,上海黄浦区商业建筑VPP累计响应削峰负荷超过200MW,曾在1小时内削减电力负荷20.12MW。上海黄浦区VPP技术特色智能计量系统所有用户楼宇安装了智能计量系统,可以实现用户楼宇内电、气、水和热等能源的自动测量读取,用户可以通过室内网络查看所有的计量数据,了解实时的电能产销情况和相应费用等数据信息通信架构骨干层:采用Internet网络和移动通信网络接入层:主要由位于用户楼宇内本地宽带网络架构而成采集器:用RS485总线,采集间隔为5分钟集中式控制模式电网公司调度部门提前一天或几个小时通过场外平台将需求下发给黄浦区商业建筑VPP控制中心,VPP控制中心进行相应的内部分解自动需求响应技术遵循OpenADR与国标DL/T1867—2018协议,设计了双兼容的通信数据模型进行自动化的调度,在用户楼宇内安装二次开发定制化的自动需求响应网关及智能控制器江苏大规模源网荷友好互动系统VPP规模与成效近年来,江苏省空调负荷高速增长,成为夏季和冬季负荷尖峰的主要因素。2018年江苏省全省最高负荷达到10,288万kW,其中空调负荷占比36%,而南京地区的空调负荷占比高达50%。截至2019年聚合资源:非工业柔性负荷:2,715户工业刚性负荷:1,726户主动需求响应:20.8万户典型案例:2017年5月,在245毫秒内成功切除全部参与签约的233户电力用户,共计25.5万kW,平衡苏州电网3,000MW的负荷缺口36%空调负荷占比江苏省全省50%空调负荷占比南京地区浙江某市绿色能源VPP水电为主该市境内电源装机总容量389.8万kW,其中水电装机容量占比高达72.5%,光伏占比21.4%,绿色能源是全域内的主要发电资源资源聚合由全市境内800多座水电站组成,同时聚合光伏、电动汽车和柔性负荷等绿色资源先进通信骨干层采用专用数字通道,接入层应用无线5G网络和北斗通信系统,实现可靠的远程控制43万kW调峰能力2021年1月远程控制辅助电网调峰108万kWh新能源消纳增加的新能源消纳量253吨碳减排减少发电耗煤94吨,相当于减排CO₂三家VPP关键技术对比分析比较项上海某区商业建筑VPP江苏大规模源网荷友好互动系统VPP浙江某市绿色能源VPP负荷特点负荷大且波动强,空调负荷占比高尖峰负荷高,空调负荷占比高负荷尖峰时间短,水电资源丰富终端设备智能控制器,自动需求响应网关,智能计量系统智能网荷互动终端装置机组智能控制设备通信架构骨干层:Internet、移动通信网络接入层:本地宽带网络骨干层:SDH光传输网2M通道接入层:专用光纤、无线4G骨干层:专用数字通道接入层:无线5G、北斗通信控制模式集中式控制模式分散式控制模式集中-分散式控制模式低碳调度参与电网调峰,促进新能源消纳协调电源和负荷出力,促进新能源消纳提高资源利用率,实现碳减排和新能源消纳主要特色自动需求响应规模大,毫秒级精准切负荷100%绿色发电资源未来发展方向与结论智能计量技术自动抄表、智能计量管理和数字孪生技术是VPP智能计量的基础,VPP在分布式资源终端安装的智能计量设备将提供更加人性化、定制化和多功能化的服务信息通信技术VPP边缘计算、云计算和D2D通信是未来的发展方向,同时时延