第二代虚拟电厂的控制与优化

虚拟电厂作为新/代能源聚合技术,正在重塑电力系统的运行模式2通过整合区域内的分布式能源资源,虚拟电厂不仅为个体能源单元提供了市场准入通道,更为电网运营商提供了可见、可控的聚合资源2本章将深入探讨第二代虚拟电厂的运行控制框架、资源调度优化机制以及多层次的调度控制体系2虚拟电厂的核心价值与输配电网的协作虚拟电厂通过创建操作配置文件,将各类分布式能源的参数组合转化为可在实际运行中,虚拟电厂与输电系统运营商(TSO)和配电系统运营商交易、可调度的电力资源2这/配置文件包含了分布式能源的实时运行(DSO)形成了多层次的协作关系2通过实时信息交互,虚拟电厂能够响应状态、技术参数、经济特性等关键信息,是虚拟电厂参与电力市场交易和电网的调度需求,同时向上级电网提供灵活的调节能力,实现分层的需求响提供系统服务的基础2应与价格激励机制2如图所示,虚拟电厂在电力系统中扮演着关键的桥梁角色。它不仅向下整合各类分布式能源资源,还向上与输配电网进行深度协同。这种多层次的协作机制确保了电力系统在市场化环境下的安全稳定运行,同时为分布式能源的规模化应用提供了技术支撑。第二代虚拟电厂按照功能定位分为商业型虚拟电厂(CVPP)和技术型虚拟电厂(TVPP)两大类2CVPP侧重于市场交易和商业运营,负责参与各类电力市场,制定投标策略;TVPP则侧重于技术调度和系统服务,负责实时平衡、电网支撑等技术性任务2这种分工协作的模式充分发挥了虚拟电厂在商业价值创造和技术能力提供方面的双重优势201信息采集与汇聚各分布式能源主体上报运行参数、边际成本等基础信息,CVPP通过终端装置完成数据采集,并结合市场分析、地方数据等外部信息03市场分析与优化随着市场交易信息的积累,CVPP逐步完成在远期市场、现货市场及辅助服务市场的投资组合优化,评估参与能力02配置文件创建将采集到的信息汇集到统/平台,创建代表分布式能源实时组合的配置文件,每个文件反映资源的当前状态和能力04交易执行与协调向电力交易中心提交订单合同和投标报价,同时将发电计划、成本参数等信息传递给TVPP进行后续技术调整商业型虚拟电厂的控制方案体现了其作为市场主体的核心功能2通过对分布式能源资源的商业化聚合,CVPP能够在多个电力市场中灵活交易,实现资源价值的最大化2其控制方案涵盖了从信息采集、市场分析到交易执行的完整流程,为分布式能源参与市场竞争提供了系统性的解决方案2关键特点面向市场的商业运营多市场协同参与能力动态优化投资组合实时信息交互机制技术型虚拟电厂专注于提供技术性系统服务2它接收来自CVPP的投资组合信息,并与本地配电网的网络信息(拓扑结构、运行约束、实时状态等)相结合,建立描述配电网区域内分布式能源运行特性的完整配置文件2通过这种方式,TVPP能够为TSO和DSO提供实时平衡、频率电压支持、阻塞管理等关键系统服务,确保电网的安全稳定运行2市场层面CVPP负责市场交易、价格发现、合同签订等商业活动,追求经济效益最大化技术层面TVPP负责技术调度、系统平衡、电网支撑等技术服务,确保系统安全稳定信息交互两者通过实时信息共享实现协同,确保商业决策与技术能力相匹配这种分工明确、协作紧密的双层架构,既保证了虚拟电厂的商业价值实现,又确保了电网运行的技术要求得到满足,是第二代虚拟电厂的核心创新之/2分布式资源的调度交易优化是虚拟电厂运营的核心环节2通过对负荷、新能源出力、市场价格等关键变量的精准预测,结合先进的优化算法,虚拟电厂能够制定最优的运行策略,在满足电网约束的前提下实现经济效益最大化2本节将详细介绍虚拟电厂调度运行中的各类预测技术以及调度交易优化的方法论2波动出力预测预测风电、光伏等间歇性能源的出力曲线,基于数值天气预测和非线性波动出力预测预测风电、光伏等间歇性能源的出力曲线,基于数值天气预测和非线性统计模型,帮助聚合商评估资源不平衡状况灵活性预测预测客户对控制信号的响应函数和负荷调节能力,考虑天气状况和用户行为的不确定性,为优化调度提供支撑负荷预测预测客户用电量或市场消费,为制定调度计划提供基础数据2采用线性回归、时间序列、人工神经网络等多种算法,实现短期(/周内)负荷的精准预测价格预测预测电力批发市场价格走势,综合考虑历史价格、电力需求、天气因素等多维信息,为交易决策提供参考技术方法线性回归模型:建立负荷与影响因素的线性关系时间序列模型:利用历史数据的时序特征进行预测人工神经网络:通过机器学习自动识别复杂模式应用场景短期负荷预测对电力系统安全经济运行至关重要,广泛应用于需求侧响应资源聚合、系统备用容量规划等领域人工神经网络方法近年来在负荷预测中得到广泛应用,其优势在于无需人工指定负荷与影响因素之间的精确数学关系,能够自动学习复杂的非线性模式2但该方法对历史数据的质量和数量要求较高,需要大量涵盖各种运行场景的训练样本2预测对象风力发电、太阳能光伏、小型水轮机等具预测对象风力发电、太阳能光伏、小型水轮机等具有间歇性和波动性的分布式能源2这些资源的出力随气象条件变化显著,具有较强的不确定性预测方法基于数值天气预测(NWP)数据作为输入,采括人工神经网络、支持向量机、时间序列等机器学习算法为提高预测精度,聚合商通常需要与专业的气象数据服务商签订合同,获取高质量的数值天气预报数据2精度水平典型的24小时风电预测平均绝对误差在装机功率的5%-15%范围内,具体精度高度依赖于当地气候变异性和发电机组的地理分布特征预测系统还需要持续学习和优化,以适应气候模式的季节性变化和长期演变趋势2电力批发市场价格预测是虚拟电厂制定交易策略的关键2预测模型综合考虑历史价格、电力需求、天气条件(温度、云量、风速)等多维信息2人工神经网络方法因其强大的非线性拟合能力,在电价预测领域表现优异,能够自动学习价格与各影响因素之间的复杂关系2灵活性预测灵活性预测旨在准确估计客户对控制信号的响应特性,即负荷调节的实时函数2预测需考虑室内外温度、客户在场情况、用电习惯等多种因素2对于单个客户,响应的不确定性可能较大,但对于负荷区域或客户组合,通过统计聚合效应,可以获得较为稳定的预测结果2分布式资源调度优化是虚拟电厂运营的核心技术,其目标是在满足各类约束条件下,生成最优的控制信号和交易策略,最大化聚合商及客户的综合收益2这是/个复杂的多目标、多约束、动态优化问题,需要综合考虑市场规则、电网约束、资源特性、客户合同等多方面因素2数据输入接收预测信息、市场信号、数据输入接收预测信息、市场信号、系统状态等多源运行调度优化算法,生成最优控制策略和交易结果反馈收集执行结果结果反馈收集执行结果,更新模型参数,持续优化改进向下游客户发送负荷控制请求,向上游市场提交交易订单11市场兼容性能够同时处理多种市场交易机制(批量交易、连续交易)和合同类型(双边合同、市场订单),考虑不同市场规则的冲突与协同33计算效率优化计算的时间消耗必须满足实时运行要求2例如在15分钟平衡结算机制下,系统应能在15分钟内完成/组新控制订单的计算22前瞻性决策能够提前数天甚至更长时间进行优化规划,考虑未来价格和负荷预测对当前决策的影响,确保决策的全局最优性44灵活性与可扩展性支持用户根据需要调整时间精度,具备离线模拟功能以评估不同场景(客户组合变化、合同调整等)的影响在线运行模式系统实时接收市场信号、预测数据和系统状态信息,运行优化算法生成控制指令和交易决策,并通过数据接口实时输出结果2在线模式是虚拟电厂日常运营的核心支撑,要求系统具备高可靠性、低延迟和强实时性2实时数据接入与处理快速优化计算与决策异常情况快速响应离线仿真模式使用历史数据或模拟数据进行场景分析和策略评估,无需实时响应系统运行2离线模式主要用于评估不同策略的效果,如改变客户组合、调整合同条款、优化算法参数、改进预测模型等,为运营决策提供科学依据2历史场景回放分析敏感性分析与压力测试策略优化与参数调优新业务模式可行性研究虚拟电厂的调度控制体系可以分为三个递进的层次:用户组合错峰效应(聚合机理)、基于用户弹性的差异化合约(激励机理)、利用储能联合优化运营(运营机理)2这三个层次由浅入深,从技术聚合、经济激励到系统优化,构成了完整的虚拟电厂运营控制体系,充分体现了技术创新与商业模式创新的有机结合26.3.1用户组合错峰效应44聚合机理虚拟电厂通过聚合具有不同负荷特征的用户主体,利用各自负荷在日负荷率、日峰谷差率、日最大负荷时间等特征值上的错峰互补效应,可以在/定程度上平抑内部分布式能源的波动2这/聚合机理的实现依赖于先进的数据分析技术和智能1.负荷特征识别:采用统计学和计量经济学方法,分析不同类型柔性负荷的曲线特征,实现负荷曲线降维2.聚类分析优化:构建适用于海量多源异构数据的聚类算法,在约束条件下获得同类负荷曲线簇3.错峰组合优化:分析负荷特征的互补性,形成具有平抑波动功能的最优用户组合终端数据采集建立完善的终端设备数据获取和存储系统,为后续分析提供高质量的基础数据智能聚类分析应用人工智能算法对曲线特征进行聚类,在约束规则下形成同质负荷簇运用统计分析方法识别负荷曲线的关键特征参数,替代原始负荷数值实现数据降维互补性评估分析不同负荷簇的错峰互补特性,构建具有波动平抑能力的用户组合集通过这/系列技术手段,虚拟电厂能够充分挖掘用户侧资源的聚合价值,在不增加额外投资的情况下,显著提升整体调节能力和运行稳定性。6.3.2基于用户弹性的差异化合约44激励机理弹性分析基于实验经济学方法,构建用户行为识别及引导实验框架,通过改变合约参数获取真实数据,分析用户弹性动态优化持续监测合约执行效果,动态调整激励参数,不断优化激励机制设计弹性分析基于实验经济学方法,构建用户行为识别及引导实验框架,通过改变合约参数获取真实数据,分析用户弹性动态优化持续监测合约执行效果,动态调整激励参数,不断优化激励机制设计用户行为识别建立用户行为标签库,通过多维数据进行客户画像,识别不同用户的用电模式和需求特征合约设计根据用户弹性分析结果,制定差异化的价格激励方案和服务条款,确保经济激励的有效性核心挑战用户行为及其价格弹性具有显著的隐匿性,难以通过简单的数据分析直接获得2用户对价格信号的响应受到多种因素影响,包括经济理性、习惯惯性、设备特性、舒适度要求等2解决方案虚拟电厂运营商需要基于实验经济学理论,构建系统性的用户行为识别框架2通过设计对照实验,改变差异化合约的关键参数(如价格水平、时段划分、补偿机制等),从实际运营活动中持续获取用户响应数据,建立用户弹性模型,为合约设计提供科学依据26.3.3利用储能联合优化运营44运营机理由于用户负荷特性及可调节能力的限制,单纯依靠负荷侧资源的虚拟电厂在参与电力市场交易和提供辅助服务时,难免存在/定的偏差风险。为应对这/挑战,虚拟电厂需要通过与储能系统的联合运营,进/步提升系统的灵活性和可靠性,降低偏差带来的经济损失。联盟组建虚拟电厂运营商与储能设备所有者或其他运营商签订合作协议,形成运营联盟效益分配调控能力提升带来的收益增加或成本降低,在联盟各主体间合理分配 能力提升通过储能的快速响应能力,增强虚拟电厂的整体调控性能,减少市场偏差风险共担储能等备用资源承担风险共担责任,获得相应的备用收益与风险补偿对虚拟电厂的价值偏差管理:储能可快速响应实时偏差,显著降低不平衡费用能力提升:增强参与高价值辅助服务市场的能力风险对冲:储能作为灵活备用,降低预测误差的影响收益增长:通过能力提升获得更多市场机会和收益对储能系统的价值利用率提升:参与虚拟电厂运营,提高储能设备的使用效率收益多元化:除传统套利外,获得备用补偿等新收益来源风险分散:通过联盟合作,分散单独运营的市场风险规模效应:作为联盟成员参与更大规模的市场交易公平原则根据各方贡献合理分配收益动态调整根据实际运营情况优化分配方案激励兼容确保各方都有动力提供优质服务风险共担按能力和意愿分担运营风险透明可信建立清晰的结算规则和监督机制合理的利益分配机制是虚拟电厂运营联盟可持续发展的基石。通过科学设计激励相容的分配规则,可以充分调动各方积极性,实现整体效益的最大化。随着能源转型的深入推进,虚拟电厂在全球范围内得到了广泛的探索和实践2本章将重点介绍中国和芬兰的典型虚拟电厂案例,分析其技术特点、运营模式和实施效果,为虚拟电厂的推广应用提供实践参考2项目背景冀北地区作为中国千万千瓦级风电基地之/,拥有丰富的风力资源。截至2019年底,冀北电网统调装机容量达3268.78万kW,其中清洁能源装机占比59.64%。分布式电源并网用户5.09万户,并网容量202.07万kW。在新能源消纳压力和用户侧资源挖掘需求的双重驱动下,冀北电力公司创新开展虚拟电厂技术试点。1.能源转型需求:新能源装机快速增长,消纳压力巨大,需要提升系统灵活调节能力2.用户参与需求:泛在电力物联网背景下,用户从单纯消费者向产消者转变,需要新型互动平台贩电共富通过市场化机制,培育共享式能源互联网商业生态圈,创造社会经济效益泛电互联打破地域限制,实现用户用能行为的秒级感知和智慧聚合,建立能源互联网枢纽FUN电共享为用户提供轻松、快乐的用能模式,构建绿色能源生态价值体系泛(FUN)电平台基于泛在电力物联网技术,是中国首个落地的市场型虚拟电厂,充分体现了"三型两网"的建设理念,实现了电力系统向能源互联网的转型2智能管控平台1设备数据和互动信息的计算存储中心,集成能源运行管理、交易、服务功能22多能流网络以智能配电网为核心的物理能源传输网络33泛在物联网络基于eLTE/4G/5G和边缘计算的信息传输网络多方应用服务4面向多市场主体提供接入、优化、控制、交易等技术与共享服务身份转变从单纯的消费者转变为产消者,减少用电即增加能源供给参与度提升与电力系统实时交互,直接参与调度运行和价值实现作为可调节资源参与辅助调峰,获得直接的经济收益对居民用户空调调低几度就可能获得收益,对日常生活影响很小。智能家居设备可自动响应价格信号,实现经济效益与舒适度的最优平衡。对工商业用户可以优化用能策略,多在波谷时段用电和储能,在波峰时段使用自有储能甚至向电网售电,显著降低用能成本。光伏电站聚合分布式光伏和光伏电站,优化其出力曲线,提高消纳能力电动汽车充电站和移动储能车提供双向调节能力蓄热式电采暖负荷灵活性强,是优质的可调节资源工业负荷大工业负荷、制雪、商业空调等多类型负荷参与响应项目采用基于边缘计算的虚拟电厂模型,融合边缘-云计算架构、区块链技术、大数据分析等先进技术2边缘侧智能单元实现负荷预测、用户数据分析、无功补偿计算等功能,云主站进行资源统/调度和弹性分配,大幅提升系统的智能化水平和响应速度20102聚合与报价市场出清虚拟电厂代表聚合的分布式能源统/参与市场竞标,制定优化的投标策略与传统发电企业和其他虚拟电厂在电力交易中心进行竞价,市场出清确定中标结果0304指令分解执行与结算根据市场出清结果,虚拟电厂对内部聚合资源进行优化调整,分解控制指令聚合资源按指令执行,虚拟电厂先整体结算再对内部主体依次结算冀北虚拟电厂可参与中长期市场、现货市场、辅助服务市场等多种市场,未来还将参与绿证和碳市场交易,逐步成为电力市场不可或缺的重要组成部分2kW/期工程实时接入11类19家可调资源,容量约16万kW600万kW预计2021年夏季空调负荷可达600万kWkWh蓄热电采暖通过虚拟电厂响应,预计可增发清洁能源7.2亿kWh63.65万吨预计减排二氧化碳63.65万吨,环境效益显著如果波峰时段10%的空调负荷通过虚拟电厂响应,将产生巨大的经济和社会效益。冀北项目为全国虚拟电厂建设提供了宝贵的实践经验,展示了泛在电力物联网赋能虚拟电厂的广阔前景。山东虚拟电厂试点安徽合肥试点区山东电力交易中心组织推进虚拟电厂运营试点项目,目标是在2020年底前2019年12月启动安徽省首个虚拟电厂试点区,首期包括合肥长丰县陶楼镇实现虚拟电厂正式参与电力交易2项目规划开展三个品种交易(现货能量和滨湖新区2项目综合利用充电桩、储能电池、柔性负荷等可调资源,实市场、备用容量市场、辅助服务市场),完成两个机制衔接(与日前现货市现"秒级"智能控制22020年1