电力市场环境下超大城市虚拟电厂的建设理念与创新实践

在"双碳"目标驱动下,虚拟电厂作为新型电力系统的关键支撑技术,正在为超大城市的安全保供和节能降碳提供重要支撑2本文以上海市虚拟电厂为典型案例,系统阐述其顶层设计理念、多时空调控技术体系以及规模化示范应用成效,为超大城市级虚拟电厂的发展建设和创新实践提供参考2截至2024年8月,中国新能源发电装机规模达12.7亿kW,占总发电装机比重达到40.7%,为电力系统注入绿色能源、提升低碳成色2然而,新能源发电的波动性和间歇性特征给电网安全稳定运行带来了前所未有的挑战2需求侧变革全社会终端用能电气化率将于2025年达到30%,数据中心、电动汽车、5G基站等新型电力负荷迅猛增长2这些新型负荷具有用能随机性强、峰谷差大的特点,持续拉动产业发展的同时也加剧了系统实时平衡压电源侧的出力波动叠加需求侧的用能随机,持续拉大系统灵活性供需矛盾,电力系统的实时平衡问题更加严峻2基于市场化手段和能源互联网技术框架,虚拟电厂技术的探索和工程示范成为解决这/矛盾的重要途径2调节需求迫切尖峰负荷年持续时间短但缺口大,传统新建电源方式在经济性和物理性上都不调节需求迫切尖峰负荷年持续时间短但缺口大,传统新建电源方式在经济性和物理性上都不是最优选择资源禀赋丰富超大城市具有种类丰富、数量广泛的分布式资源,包括楼宇空调、数据中心、电动汽车、分布式储能等多元化可调节市场机制完善电力市场化改革深入推进,为虚拟电厂提供了良好的商业运营环境和价值实现途径深度挖掘分布式资源的调用潜力,能够有效补充城市灵活性可调电力资源库,是加强城市电力电量平衡能力、提升电力平稳供应水平的强有力手段,同时还能进/步推动用能侧节能降碳2虚拟电厂技术为超大城市构建了/批高可靠、低碳化、轻资产的"新型电源"2欧洲模式以NextKraftwerke为代表,聚合各类分布式能源单元超过15000个,总容量超过12GW2虚拟电厂利用低边际成本的可再生发电资源参与电力中长期、现货市场,并通过聚合快速响应资源参与15分钟间隔调峰、平衡市场等辅助服务市场2美国模式特斯拉Powerwall虚拟电厂项目聚集家庭数已超7500户,调节能力超过50MW2Sunverge虚拟电厂平台通过聚合用户侧资源提供运行备用、调频以及需求响应业务,在运行备用、需求响应和容量市场中发挥重要作用2澳洲模式澳大利亚能源市场运营商(AEMO)开展虚拟电厂示范项目,在紧急频率控制辅助服务市场份额超3%,提供紧急频率响应服务平均水平超14MW2虚拟电厂助力点对点交易为主的分布式市场运营,同时在调频、调压等方面发挥重要作用2国际经验表明,成熟的市场机制是支撑虚拟电厂规模化应用的关键因素2各国根据自身电力系统特点和市场环境,探索出了适合本地的虚拟电厂发展模式,为我国虚拟电厂建设提供了宝贵的参考经验2发展成效10余个省区开展示范工程建设.山西省14个试点项目,聚合容量184.74万kW湖北省资源池达2023.7万kW广东省聚合规模超150万kW突出问题技术概念缺乏规范-技术形态差异大、应用场景分歧多,难以统/纳入电力系统规划与运营体系市场化定位不足-仍受限于以需求响应为主的补贴困境,难以适配多维度调节需求和多元化运营环境发展路径不清晰-灵活性供需匹配矛盾加剧,加大电网运行压力的同时降低新型主体培育热情及时总结超大城市虚拟电厂的建设和实践经验,形成典型用例,将有利于打破技术协同发展壁垒,提高虚拟电厂上下游产业的信息共识,助力虚拟电厂技术领域的规范化、标准化发展2立体化模式核心特征:源荷耦合,层级鲜明的广域资源管理机制运营架构:省-地-聚合商-资源的多级嵌套运营技术体系:云端全局优化,云-边协同互动,边端快速响应典型案例:浙江省虚拟电厂示范工程优势:整体统筹、分布优化,实现区域间资源协调互动扁平化模式核心特征:网荷互动,扁平化市场交易体系运营架构:电网-聚合商-资源的直接对接技术体系:海量互联规模响应,异质聚合分散决策典型案例:上海市虚拟电厂示范工程优势:协同高效、互动便捷,降低信息传递层级超大城市虚拟电厂扁平化模式的核/体化管理调度平台建立可适配各类资源接入规模持续扩大需求的虚拟电厂/体化管理调度平台2对内贯通调度系统、交易平台等虚拟电厂在聚合、调控、交易过程中所涉及的电网业务系统,对外面向虚拟电厂运营商自建技术支持系统开放标准化的统/入口202可扩展性与高效响应通过扁平化设计,虚拟电厂在规模化互联过程中可降低层级嵌套,提高其可扩展性2减少信息传递层级,改善对通信设施的依赖,提高响应速度,实现与用户资源的高效互动203灵活商业模式扁平化管理为运营商提供即插即用的灵活商业模式,简化虚拟电厂参与电网响应与电力交易的业务全流程,增强用户的参与感和满意度,有效推动虚拟电厂规模的快速增长2超大城市级虚拟电厂的扁平化发展模式突出协同高效、互动便捷的特点,通过打破传统层级壁垒,构建了更加灵活、高效的资源聚合与调控体系,为虚拟电厂的规模化应用奠定了坚实基发展初期启动需求响应试点和相关机制建设,为虚拟电厂转型奠定扎实基础2建设推进期2发布虚拟电厂高质量工作方案,以V2G、新型储能、分布式能源、空调负荷为重点推动建设3深化发展期3成立工作组,从资源拓展、制度和技术等多方面推进虚拟电厂运营体系深化工作超大城市级虚拟电厂的顶层设计应强调政策引导,为其规范化、规模化和市场化建设指明清晰方向2由政府主管部门出台支持性、引导性政策文件,以培育虚拟电厂市场主体为目标,分阶段分批次渐进发展,最终使其成为新型电力系统中不可或缺的调节力量2需求响应阶段通过价格信号和邀约手段激励用户提供平衡适配,实现削峰填谷,缓解电网压力辅助服务阶段纳入电力调节辅助服务市场范畴,从静态负荷调节转向动态调频服务,拓宽市场参与空间现货市场阶段探索虚拟电厂自主响应市场价格,研究参与现货市场交易的具体实施规则超大城市级虚拟电厂的顶层设计应侧重于构建高效、灵活的市场机制,以激发虚拟电厂的内在动力和市场潜力2通过需求响应、辅助服务及现货市场的推动标准化体系建设超大城市级虚拟电厂的顶层设计需立足于科技引领、技术驱动的核心理念,强调标准化引领,构建/个高效、智能、互动的虚拟电厂技术标准体系2.并网运行标准:制定各类资源并网运行和聚合响应技术标准.设备互联标准:确保不同能源系统、设备和服务之间的无缝对接.规划设计标准:为虚拟电厂规划、设计、建设和验收提供技术参考科技研发精准聚焦资源聚合优化、信息通信技术革新等关键领域示范引领在安全保供、绿色发展中发挥示范作用运营管理标准:推动虚拟电厂规范化运营模式科技研发精准聚焦资源聚合优化、信息通信技术革新等关键领域示范引领在安全保供、绿色发展中发挥示范作用深度攻关体系化开展虚拟电厂的深度攻关与创新实践本地到跨区域削峰填谷技术,实现电力资源的空间优化配置精准响应技术,实现能量供需偏差的精确匹配分钟到毫秒级快速调频技术,提供电网频率稳定支撑服务研究虚拟电厂关键技术是实现其常态化、市场化运营的重要支撑2多时空协同的调控技术体系从时间和空间两个维度,构建了覆盖不同时间尺度和空间范围的综合调控能力,为虚拟电厂的安全保供能力提供了完整的解决方案2每日执行/次,基于电网供需缺口,通过激励手段向用户发起日前响应邀约基于历史负荷曲线和电网发布的负荷准线,采用主成分分析和谱系聚类挖掘用电模式,利用熵权法计算特征指标得分实时滚动以15分钟尺度进行滚动实时评估,根据评估结果和电网需求对用户发起日内小时级邀约/图/网"技术应用上海电网通过融合多时间尺度技术、差异化业务场景、多样化负荷类型构建"电力需求侧可调节资源/张图",基于大数据、人工智能、物联网等关键技术形成多元异构感知融合的"新型用能资源/张网"2精准调控能力打造资源精细化管理和公共服务能力基座,实现可调节资源的电系溯源定位和可调能力检索,提升资源的"可观、可测、可调、可控"能力,根据"站-线-变-户-资源"全景拓扑实现双向追溯2隐私保护交易技术随着虚拟电厂在电力调峰市场中的参与度增加,多重利益主体的隐私保护需求愈发强烈2采用基于区块链和隐私计算的虚拟电厂参与电力调峰辅助服务市场隐私保护交易技术2技术架构:"服务提供商-区块链-电力调度控制中核心技术:价格混淆随机预言机、Shamir秘密共享、Paillier同态加密算法实现目标:交易的可信、自动化及隐私保护系统交互架构.虚拟电厂电力交易平台:负责组织报量报价和结算.源网荷储协同调控系统:负责发布日前/日内削峰填谷需求.虚拟电厂运营管理平台:负责指令分解下达和执行评估日前计划编制系统:将虚拟电厂出清结果纳入发用电平衡安全域模型构建华东网调通过构建考虑省级虚拟电厂富余调节资源情况和网络约束条件的省间多通道联络线安全域模型,实现对多联络线、大规模省间电力系统模型可行域的高效、精细刻画市场优化出清基于安全域模型进行省间市场优化出清,可同时满足省间和省内市场出清目标需求,实现本地化到跨区域调峰的高效协同运行保供能力富余省份可支持需求侧可调节资源互济交易,旨在优化电力资源配置、提高电力系统运行效率2这/交易机制主要涉及上海、江苏、浙江、安徽等地,其核心是利用虚拟电厂等富余需求侧可调节资源,进行跨省电能的互济2技术挑战与突破随着火力发电机组比例的降低,电力系统阻尼和惯量减小,导致电网难以保持频率稳定。虚拟电厂可利用内部灵活资源参与电网频率调整,支撑电力系统安全保供。现有挑战:.资源响应时延控制难题上下行通信可靠性问题.调频服务技术壁垒时延建模分析梳理虚拟电厂分布式资源参与调频时的网络层级,对所用通信技术建模,得到各网络层级的解析化传输时延表达式02资源优化配置基于网络切片技术特性,建立调频通信业务资源分配模型,为通信业务分配最优的网络资源03性能优化决策根据虚拟电厂调频性能指标建立资源优化模型,得出成本最低的资源选择方案在技术体系的支撑下,上海电网对调度技术支持系统进行了全面升级改造,引入虚拟电厂控制模块2在调度技术支持系统新建"1区+"虚拟电厂控制子系统,与原有控制区电网控制功能模块逻辑隔离,并部署自动功率控制模块,实现该子系统与虚拟电厂运营平台的互联互通21234数据采集虚拟电厂控制子系统与运营商平台采用标准化规约通信方式进行数据交互,采集汇聚虚拟电厂实际有功、调节上下限等数据调频计算将采集数据发送给调度技术支持系统进行调频计算,得到虚拟电厂等值机总的调频指令指令分解按照虚拟电厂可调容量裕度大小进行指令分解,下发给各虚拟电厂进行实时控制响应执行完成调频响应业务,实现分钟级到毫秒级的精准频率调节新型电力负荷改变需求曲线2024年夏季,上海电网尖峰负荷特征明显2大于97%(3909万kW)最高用电负荷天数共5天,累计18小时;大于95%最高用电负荷天数共10天,累计47小时;大于90%最高用电负荷天数共29天,累计186小时2受尖峰电价政策影响,高温日最高负荷日趋平稳,尖峰负荷小时数明显拉长2新能源供给面临随机性风险截至2024年7月,上海本地新能源装机容量约454万kW,其中光伏占比超过76%2光伏午峰出力同时率大于40%,对午峰时段保供发挥较好支撑作用,但晚峰光伏无出力;风电高峰期间的同时率不到15%,支撑能力不足,"极热无风"特征明显2针对上述挑战,上海市通过建设虚拟电厂,将城市中海量的灵活性资源聚沙成塔,充分挖掘用户侧灵活资源在尖峰时段的调节能力,在特定时段削峰填谷、保障安全、稳定供需、平抑电24运营商数量累计培育虚拟电厂运营商接入用户各类用户接入平台可调能力(kW)申报可调节能力规模3倍增长倍数较2022年同期增长其他资源充换电站楼宇空调工业负荷分布式三联供用户侧储能数据中心其他资源上海市虚拟电厂资源类型多元化,充换电站、楼宇空调和工业负荷成为主要可调资源,共占总容量的81.5%2运营商队伍迅速壮大,众多新兴运营商如雨后春笋般涌现,市场化运营机制日趋完善2主要业务.市场运营托底保障:承担市场运营托底保障服务.聚合代理试点:开展中小负荷聚合商聚合代理试点.标准化示范:打造运营商平台标准化示范样板多资源接入:参与车网互动、新型储能、分布式能源、空调负荷等多类可调节资源的调控接入转型路径闸北电厂自2023年起从传统电厂转型升级为新型虚拟电厂,积极响应高质量发展号召,成为上海市虚拟电厂建设的典型代表。闸北电厂的成功转型为传统发电企业向新型能源服务商转型提供了宝贵经验闸北电厂的成功转型为传统发电企业向新型能源服务商转型提供了宝贵经验,展示了虚拟电厂在促进能源转型和产业升级方面的重要作用。多元资源聚合包含分布式三联供、充换电、楼宇空调、数据中心、用户侧储能和工业负荷等多类资源,工业负荷、楼宇空调、充换电具有较强的调峰能力结合电网需求和虚拟电厂实测验证需要,在迎峰度夏、度冬和节假日期间开展虚拟电厂日前、日内调用共计30余次,多元资源聚合包含分布式三联供、充换电、楼宇空调、数据中心、用户侧储能和工业负荷等多类资源,工业负荷、楼宇空调、充换电具有较强的调峰能力历史最高记录8月7日组织开展虚拟电厂中长期削峰响应,22家运营商参与,本次调用最大削峰负荷70.43万kW(15:45),创下全国虚拟电厂实测调用最高记录工业负荷充换电站楼宇空调首次省间交易7月22日,长三角省市间需求侧互济交易市场首次启动27月23日安徽为上海输送电力3.1万kW,上海为安徽输送电力3万kW,实现省间交易全链路技术贯通2多省协同交易28月1日实现第二次省间互济交易(上海、江苏—浙江),上海6家经营主体参与,最大响应负荷4.99万kW,平均响应负荷4.25万kW上海>安徽.时间段:7月23日20:00-21:00.输送电力:3万kW·成交电价:1.205元/(kW·h).最大响应:2.02万kW.平均响应:1.47万kW上海、江苏>浙江.时间段:8月1日13:00-14:00.参与主体:6家经营主体最大响应:4.99万kW.平均响应:4.25万kW省间互济交易标志着需求侧可调节资源交易正式由省内跨向省间,为长三角区域电力资源优化配置开辟了新路径2快速调频能力聚合储能、分布式三联供机组、换电站等快速调频资源,截至2024年8月聚合容量共计9.4万kW,其中储能型5.2万kW、换电站型2.5万kW、综合型1.7万kW2通过多次联合调频调用测试,充分验证了不同资源类型及接入方式下的响应性能与稳定性22021年5月6日,上海首次进行规模化虚拟电厂电力减碳行动2在两日内累计调节电网负荷56.2万kW,消纳清洁能源123.6万kW·h,减少碳排放约336吨2智慧楼宇成为节能减碳的重要载体,通过优化空调、照明等用能设备的运行策略,实现了显著的减碳效果2调频试验结果表明,储能调频响应性能最佳,光伏也具备/定的调频能力2虚拟电厂通过聚合多类型快速响应资源,为电网提供了可靠的频率支撑服务,同时在节能减碳方面取得了显著成效2多维价值体系化由电能量价值为主,逐步向电能量价值、可靠性价值、灵活性价值以及低碳价值等多维价值体系转变多支撑市场机制完善虚拟电厂参与现货市场和辅助服务市场的途径和机制,解决虚拟电厂利益分配难题多元资源组合引导各类资源主动加入虚拟电厂,高效利用多能互补,满足系统多时空领域需求智慧调控系统有效利用大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链、元宇宙等新兴技术,打造"真材实料"灵活性资源库作为超大型城市,上海在电力负荷和新能源接入方面面临着前所未有的挑战和机遇2随着电力市场化改革的深入,虚拟电厂能够通过市场激励机制,实现分布式能源与负荷的高效整合,为电网提供灵活性支持2政策支持与市场化