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随着"双碳"目标的推进与新型电力系统建设,虚拟电厂作为/种创新的电力管理模式正在改变传统能源消费格局。本研究深入探讨如何通过建筑负荷聚合技术,将分散的用户侧可调资源整合为统/的虚拟电厂,参与电力市场运行与需求响应,实现能源供需的动态平衡与低碳转型。能源转型挑战虚拟电厂解决方案截至2023年,中国可再生能源发电量已占全国总发电量的44%,全年发电虚拟电厂(VPP)通过聚合分布式发电、储能系统、可控负荷等分布式能量增速明显,占总发电量增量的46.1%2随着可再生能源源,实现协调优化运行,作为特殊电厂参与电力市场和电网运行2这种模式加,其固有的波动性与间歇性对电网安全稳定运行带来了前所未有的挑能够有效聚合用户侧调节能力,实现"荷随源动",提供集中管理和专业化的同时,全球气候变化导致极端天气频发,2023年我国西南地区经历严重热浪和干旱,制冷需求高峰时段电量占比达到40%~50%2如何平抑可再生建筑作为能耗占比超过全社会用能1/3的主要电力用户,具有形式多变、刚柔负荷混合的特点2结合用能模式与蓄能特征,建筑中部分负荷具有多能源发电波动,解决发电量与用电需求间的错配问题,已成为能源改革的核元化调节能力,且不需要过多成本投入即可实现柔性用能,是参与虚拟电厂心议题2的理想响应用户211国家层面明确提出对电力需求侧响应能力的具体要求,为虚拟电厂发展提供顶层设计22"?四五"现代能源体系规划发改能源〔2022〕210号文件系统部署电力市场化改革,推动需求响应机制建设33我国虚拟电厂技术处于起步阶段,通过政策试点积累实践经验44国外虚拟电厂已形成成熟商业模式,通过参与电力市场获得稳定收益建筑参与虚拟电厂的独特优势公共建筑在5,000-10,000平方米范围内能提供20-50千瓦的调节能力,这对电力调峰响应至关重要。建筑用电设备负荷通过优化运行时序实现错峰用电,无需大规模投资改造。公共建筑通过调节空调和储能电池功率,展现出高度的时间灵活性。多联机空调系统能在10分钟内达到目标响应值,电化学储能可实现秒级响应,满足电网不同时间尺度的调节需求。低成本实施优势结合用能模式与蓄能特征,建筑中部分负荷具有多元化调节能力,且不需要过多成本投入即可实现柔性用能。相比新建储能设施,利用既有建筑资源的经济性显著。城市建筑密集分布,负荷聚集特征明显。通过虚拟电厂聚合模式,可将分散的单体建筑可调资源整合,达到电力市场参与的门槛要求,实现1+1>2的协储能设施负荷调节原理储能设施负荷调节原理:通过投资建设储能电池、蓄热装置等,直接或间接实现电力存储.电化学储能电池提供快速功率响应蓄冷蓄热系统利用建筑热惯性变换器控制实现秒级精确调节响应能力强,可控性高,调节范围广建筑用电设备负荷调节原理:在保障生产生活基本质量前提下,通过优化设备运行时序实现错峰用电空调系统通过调节设定温度或冷冻水温度照明系统通过智能控制调节开启时段.电梯等动力设备优化运行策略.响应速度快,操作简便,用户感知度低电动汽车充电负荷调节原理:通过智能充电桩连接电动车电池和建筑配电系统,挖掘电池冗余容量满足车辆使用需求基础上灵活充电削峰填谷优化充电时段.V2G技术实现双向电力调节移动储能特性提升系统灵活性结合电力系统市场管理模式,虚拟电厂体系包括/个管理中心、/个结算中心以及聚合商-用户系统构成2该架构通过层层递进的管理关系,充分发挥用户调节潜力,形成具有接入负荷类型广泛和直控资源丰富的高级虚拟电厂平台2处于架构体系最高层级,直接与电网调度系统对接,接收电力紧急调度指令,通过聚合响应用户实施电网需求响应负责聚合某类型可调资源,直接与响应用户对接,集中参与虚拟电厂调节,提高响应效果并简化管理提供虚拟电厂业务信息交互、订单管理和结算服务,保障电网及用户经济效益,完善市场化交易内容虚拟电厂建筑聚合商的核心功能虚拟电厂建筑聚合商在整个体系中承担着承上启下的关键作用,是连接管理中心与终端用户的桥梁。通过专业化的聚合服务,将分散的单体建筑可调资源整合为规模化响应资源,投入电力市场运营。01响应能力估算评估用户历史功率基线和响应能力,汇总整体响应潜力并上报给虚拟电厂管理中心02计划拆解与下达根据用户能力对响应任务进行拆分,分发至单个建筑用户执行响应指令03响应过程监测聚合商优选标准:虚拟电厂聚合商应优先考虑具备电能在线监测和分钟级负荷监控能力的用户聚合商优选标准:虚拟电厂聚合商应优先考虑具备电能在线监测和分钟级负荷监控能力的用户,以保障响应过程的可靠性与可实施性。04效果评价功能基于监控数据分析结果,上报响应效果,并依据合同对用户收益进行公正分配虚拟电厂管理中心发布响应邀约,包括响应量、时段和收益信息,发送至建筑聚合商管理中心根据调度需求和聚合商能力报告协调并修正响应需求,下达响应指令全程监控执行聚合商对响应过程进行全程监控,收集数据评估响应效果结算平台根据聚合响应结果与交易规则对聚合商收益出清,聚合商依据合同对用户收益分配11223344556677聚合商评估用户历史功率基线和响应能力,汇总整体响应能力后上报给管理中心任务拆分下发聚合商根据用户能力对响应任务拆分,分发至单个建筑用户执行基于监控数据分析结果,将响应效果上报至虚拟电厂管理中心基线功率计算按照需求响应管理办法规定,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:其中PB,base,t为t时刻的建筑基线功率,PB,k,t为建筑第k天t时刻的功响应能力定义建筑的响应能力ÃDR定义为可响应功率与基线功率的比值,受环境参数、设备状态、人员使用规律的影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:其中ΔPB,t为建筑的上报响应功率,ÃDR,ori为建筑响应能力初始值(15%),ÃDR,j为建筑近期历史响应能力,n为历史响应次数(ng3)2动态修正机制:通过引入历史响应能力,系统能够自适应调整预测精度,逐步优化响应能力估算的准确性。平台聚合响应功率计算虚拟电厂建筑聚合平台上报响应功率为逐时响应功率,该值在全天随时间变化2对于任意时刻,平台响应功率等于各单体建筑在该时刻的响应功率之和:△PBVPP,t=Σ△PB,³,t其中ΔPBVPP,t为t时刻聚合平台的上报响应功率,ΔPB,³,t为时刻编号为³的单体建筑上报响应功率2响应指令拆分方法响应指令拆分的目的是将每个时刻电网下发的响应需求按照/定方法拆分,并下发给在该时刻具有响应能力的建筑2首先识别在该时刻具有响应潜力的建筑,然后按照每栋建筑在该时刻上报的响应功率比例分配并单独下发响应目标:其中ΔPT,³,t为t时刻单体建筑³的响应目标,ΔPT,t为t时刻聚合平台收到的响应目标,ΔPT,³,·,t为t时刻单体建筑³的响应目标修正值2关键机制:响应指令通常包含响应类型、响应功率、响应时刻及持续时间2虚拟电厂建筑聚合商根据单体建筑上报的功率进行响应指令的精确拆分,确保每栋建筑获得合理的响应任务2空调负荷是建筑用能系统中的主要部分,其热力学特性使其成为优质的可调电力负荷资源2在既有建筑中,空调系统可作为执行虚拟电厂响应的关键调节手段2/空调可调资源执行常见的需求响应方法包括通过调整空调设定温度来改变功率,这涉及建立/个预测模型,该模型关联设定温度、室内环境温度与运行时间2据此可计算在特定响应目标ΔPt下的空调温度设定值:Temp,set=f(Ç,Temp,in,Temp,out,PAC,△Pt)其中Ç为空调响应调节过程时长,Temp,in为室内温度,Temp,out为室外温度,PAC为空调多联机空调响应特点.响应速度快:10分钟内达到目标值.预冷时间短:0.5-1小时即可完成预冷.响应能力强:可提供高达额定功率40%的响应能力.控制灵活:可通过楼宇自控系统进行室内启停和温度调节方案实施优势.方案实施优势.利用设备固有功能:市面上冷水机与热泵都具有该控制功能且对用户开放,无需额外开发.减少工程协调:减少工程人员的配合需求,降低设备商到场协作的复杂度.保持运行稳定:不改变原有的冷水机控制逻辑,维持高运行稳定性和可靠性.响应精度高:直接控制系统参数,响应精度和速度优于间接调节方式冷冻水温度调节原理针对冷水机和热泵系统,可通过调节冷冻水温度来控制设备的功率或启停。相比室内温度调节,直接修改系统冷冻水出水设定值能更快且更精确地控制响应。利用冷水机本身控制系统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,从而实现功率下调。实测响应效果测试结果表明,空调可通过调节冷冻水温度将功率下调26.5%,响应速度快,控制精确。这种方案已在多个实际项目中得到验证,展现出良好的工程应用价值。储能系统优势电化学储能相比空调而言是更为优质的建筑负荷可调资源。通过变换器控制可以直接调节功率大小,且实现秒级响应时间,同时保证功率响应的准确性。空调与储能协同机制由空调和电化学储能两部分构成的响应体系在调节过程中应优先通过空调进行负荷响应,电化学储能调节进行补充。这种协同机制充分发挥两类资源的各自优势,提升整体响应效果。△PBES=△Pt—△PAC其中ΔPBES为电化学储能所承担的响应功率,ΔPAC为空调所承担的响应功率。运行约束条件电化学储能的实际响应功率受到蓄电状态以及实际运行功率的限制:PBES,set=f(BSOC,PBES,△PBES)其中PBES,set为考虑调节目标后的电化学储能运行功率,BSOC为电化学储能蓄电状态,PBES为电化学储能当前运行功率。核心优势:建筑电池储能通过直接设定放电功率实现电力响应,响应速度快、精度高、可控性强,是实现秒级精确调节的理想选择2响应功率建筑在需求响应过程中相对于基线功率的变化量,直观表达用户实际响应能力的绝对值。该值等于相应时间段内,响应功率建筑在需求响应过程中相对于基线功率的变化量,直观表达用户实际响应能力的绝对值。该值等于相应时间段内,建筑基线功率与实时功率的差值。符号为正表示调节方向与响应要求/致,判定响应有效;为负表示方向不/致,判定响应失败。响应偏差建筑在此次需求响应任务中的实际响应功率与目标响应功率的偏差,用于衡量此次响应精度。响应偏差值越接近0,意味着响应效果与目标完全/致。评价用户响应效果时不仅需要评价其实际能力,还需要评价其对目标跟踪的能力,这是精细化管理的重要体现。响应状态建筑在需求响应过程中的状态描述,直观判断响应结果是否成功。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。响应状态分为:响应中、响应成功、响应失败三种,系统实时判断并动态更新状响应能力建筑在此次需求响应任务中所展现的功率主动调节能力,用于判断用户实际响应能力水平。表示为响应功率与基线功率的比值。响应能力值越大意味着用户调节能力越强。该指标将作为之后上报响应功率的重要依据,实现动态修正。判定公式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。因此在响应过程中,用户的功率能满足下式则判定为响应成功:其中PB,base,³,t为t时刻单体建筑³的基线功率,PB,realtime,³,t为t时刻单体建筑³的实时功率。状态判定逻辑当进入响应时段后,用户的响应状态为"响应中"。如果某/时刻用户实时功率满足响应成功判断依据,则状态变为"响应成功"。如果不满足判断依据,则状态不变,下/时刻继续判断是否成功。如果响应时间结束后,用户依旧没有某个时刻满足响应成功的条件,响应状态则为"响应失败"。动态修正机制:对于响应过程中的任意时刻,平台响应总功率与响应目标之间可能存在偏差。为了保障整体聚合响应成功,需要在响应过程中及时调整单体建筑响应目标以实现平台目标。建筑接入虚拟电厂数据采集方案现场调研通过现场勘查了解建筑用电需求、既有设施情况、网络条件等,获取基本信息和通信协议,为后续方案设计提供依据2方案设计评估实施条件,设计数据对接实施方案2根据建筑是否具备电力监控系统,选择软件对接或硬件对接路径2软件/硬件对接已有电力监测系统的建筑进行软件接口适配开发;无监测系统的建筑进行设备采购、安装及调试,部署电量计量设备和数据网关2数据校验进行数据实时性、准确性校验,确保数据准确上传并与虚拟电厂平台正常通信,验证数据传输的稳定性和可靠性2上线验收实时展示建筑负荷信息,通过响应联调测试进行最终验收,确保系统稳定运行,建筑正式接入虚拟电厂平台2建筑的数据采集通常通过软件接口或数据网关上传至聚合平台,主要涉及对建筑低压配电系统中各分项设备的电表数据进行采集,包括总表和可调控设备的功率等参数2根据虚拟电厂通信协议规定的参数,并结合现场调研结果,评估影响采集设备部署的各种因素,制定并实施相应的采集方案2边缘控制与直控建筑实施非直控建筑方案非直控建筑需具备能量管理或手动调控功能。这类建筑通过自身的楼宇自控系统或能源管理平台,根据虚拟电厂平台下发的响应指令,由建筑管理人员或自动化系统执行相应的调节操作。适用场景:.具备完善楼宇自控系统的高端办公建筑.配备能源管理平台的商业综合体.有专业物业管理团队的公共建筑.对自主可控性要求较高的用户直控建筑方案直控建筑需安装边缘控制器来实现平台调节。边缘控制器直接与建筑用能设备通信,接收虚拟电厂平台的实时指令,自动执行功率调节操作,实现秒级响应。技术优势:.响应速度快,可实现秒级精确控制.无需人工干预,自动化程度高.实时监测反馈,闭环控制可靠.边缘计算能力强,降低通信延迟实施方案包括电力数据采集和边缘控制设备接入两大核心内容。通过协调各方资源推进实施,确保数据采集的准确性和控制指令的可靠执行,为虚拟电厂建筑聚合奠定坚实的技术基础。113测试当天该城市最高气温为28#,日间平均温度为25#。办公建筑A开启了/台空调主机及水系统进行制冷;办公建筑B与办公建筑C由于有效利用了自然通风等被动式技术,室内温度保持在适宜范围内,因此无需开启空调。虚拟电厂紧急需求响应通常是单日内短时(约1小时)3测试当天该城市最高气温为28#,日间平均温度为25#。办公建筑A开启了/台空调主机及水系统进行制冷;办公建筑B与办公建筑C由于有效利用了自然通风等被动式技术,室内温度保持在适宜范围内,因此无需开启空调。22测试基于某南方城市虚拟电厂建筑聚合平台完成,该平台在测试期间已聚合了3栋办公楼作为电力响应用户。为验证聚合功能设计了/项总响应量为60千瓦的向下调节需求响应指令,响应时段为10:00至44办公建筑A通过调节空调系统冷冻水出水温度设定值,改变冷水机组的功率,实现柔性调节;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;办公建筑B暂未具备有效的调节手段。该平台作为南方电网虚拟电厂管理平台的建筑聚合商平台,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2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的收益2平台提供建筑总功率、响应总量、响应收益等关键指标的实时展示,监控界面显示基线与实时功率曲线,数据更新频率为5分钟/次,后台数据更新为1分钟/次2支持响应能力估算、执行计划制定、响应历史查询、用户洞察管理等全流程功能,实现响应任务的高效拆分与高频率的数据更新不仅为计算响应效果提供可靠依据,也支撑了对响应速度和准确性等性能指标的深入研究,为持续优化提供数据支持2能力评估与指令分配依据能力评估结果,虚拟电厂建筑聚合平台的总响应能力定为60千瓦2基于此响应能力,平台接到"新增调试紧急任务"后,进行响应指令拆分,并向响应对象下发邀约指令2三组不同编号的指令被分别下发至办公建筑A、B、C2响应指令于2023年12月1日09:00下发,建筑于10:00开始响应,11:00恢复正常运行268.3kW办公建筑A基线功率办公建筑B基线功率45.0kW办公建筑C基线功率办公建筑A响应指令35kW办公建筑B响应指令10kW办公建筑C响应指令测试结果:响应过程监测虚拟电厂建筑聚合平台实时监测了建筑的响应过程及总响应效果,监控界面显示了基线与实时功率,并允许选择任/建筑查看其当日的功率变化情况。监控数据的更新频率为界面上的5分钟/次,而后台数据更新则为1分钟/次。269.6269.6kW聚合平台基线功率响应时段三栋建筑的总基线功率52.952.9kW实际响应功率基线与实时功率的差值,即调峰贡献聚合平台实时功率响应时段三栋建筑的实际运行功率响应偏差相对于60kW目标的偏差,在±20%范围内这种高频率的数据更新不仅为计算响应效果提供了可靠的依据,也支撑了对响应速度和准确性等性能指标的深入研究。整体实现53千瓦功率响应,聚合平台在响应时段总共提供了52.9千瓦时电量的调峰。68.2kW基线功率50.2kW实时功率响应功率功率下调比例空调响应特点:响应速度快,10分钟内达到目标值;控制精确,通过冷冻水温度实现稳定调节;用户感知度低,室内温度变化在可接受范围内。响应效果评估办公建筑A在响应时段的基线功率为68.2千瓦,通过调节空调系统冷冻水出水温度设定值,实时功率降至50.2千瓦,实现了18.1千瓦的调峰,超出其15千瓦的响应目标。关键发现:这表明办公建筑A的实际响应能力较预期强,空调系统通过调节冷冻水温度将功率下调26.5%。此结果可用于未来的响应能力预测调整,提升响应能力估算的精准度。测试结果:办公建筑C储能响应分析补偿调节作用在其他建筑未能完全达到响应目标时补偿调节作用在其他建筑未能完全达到响应目标时,办公建筑C能够提供额外的响应量,有效地填补了运行中的偏差,确保聚合平台的整体响应目标得以实现。在响应时段,办公建筑C的基线功率为44.9千瓦,通过光储直柔系统控制储能发电功率,实时功率降至16.6千瓦,实现了28.3千瓦的响应功率,提供了28.3千瓦时的电量调节。44.9kW相对于目标响应功率10千瓦,实际响应偏差为-183%,表明办公建筑C的实际响应能力远超预期。这主要得益于其电化学储能系统,该系统不仅响应速度快,而且能够精确控制调节功率和时44.9kW基线功率实时功率28.328.3kW响应功率超预期比例核心启示:电化学储能系统展现出卓越的响应性能44响应速度达到秒级,功率控制精确,调节范围广,是实现高精度需求响应的理想技术手段。储能系统的灵活调节能力为整个聚合平台提供了重要的响应冗余和安全裕度。研究发现与技术启示虚拟电厂建筑聚合模式的有效性研究验证了虚拟电厂建筑聚合平台在负荷聚合商响应指令拆分、响应