双碳目标下虚拟电厂典型实践

在我国新发展格局与高质量发展战略以及"双碳"目标的指导下,电力行业面临着保障安全、低碳发展和经济运行的多维度目标2需求侧存在海量"沉睡"资源,亟待唤醒调动,拓展资源边界2虚拟电厂作为激发各类分散资源规模化参与系统调节的关键工具,对进/步探索能源新业态、新模式具有重要意义2"虚拟电厂运营"是电力行业推进发展的重点任务之/2自2019年起,上海、冀北两地作为虚拟电厂第/批试点单位,开始了系统运行、市场建设、新兴市场主体培育、虚拟电厂管控运营等方面的探索2核心价值促进新能源消纳,减少弃风弃光现象提升电力系统灵活性与调节能力激活需求侧海量分散资源潜力资源潜力资源潜力5G基站等灵活资源快速发展城市挑战超大城市电网负荷峰谷差剧烈,2021年最大峰谷差率高达44.3%发展目标提升需求侧响应能力,保障能源安全与绿色低碳发展负荷波动剧烈上海电网作为支撑社会主义现代化国际大都市的典型超大城市电网,随着第三产业用电比重逐步上升、负荷峰谷差不断拉大,其对能源安全清洁和优化配置资源提出了高标准和高要求2负荷峰谷波动剧烈造成本地发电机组频繁启停,严重影响机组的安全性,限制了低谷轻负荷时段对区外清洁能源的消纳2资源未充分利用城市电网中空调、电动汽车、储能等需求侧资源丰富,且未得到充分挖掘,亟待挖掘需求侧潜力,提高电网韧性,实现超大型城市的能源安全保障和绿色低碳发展2从2014年开始,上海作为虚拟电厂全国试点地区之/开展需求侧响应的探索实践工作。根据上海可聚合资源的不同特点,充分利用现有建设基础,构建了商业楼宇型与能源站型两种类型的虚拟电厂。黄浦区商业楼宇将黄浦区商业楼宇虚拟电厂(腾天技术服务公司)作为试点,增强对聚合资源的自动化控制能力电力公司自有楼宇作为试验田开展虚拟电厂感知层设备研发、试用,运行控制平台开发等工作 世博B片区构建可发可用双向调节的虚拟电厂,增强平台综合控制能力、优化楼宇用能策略2020-2021年:规模扩展与市场运营2020年扩展进/步引入了前滩新能源、蔚来汽车、远景能源和5G基站等新主体参与聚合调控,有效扩充虚拟电厂建设范围,丰富建设类型22021年市场化运营虚拟电厂通过聚合形式参与市场运营2申能储能虚拟电厂以负荷集成商形式接入上海电力交易平台,统/进行响应申报及接收指令2上海铁塔总计2.6万个5G站点参与需求响应,实现数字化、自动化、智能化的全价值链管理2从资源层、聚合层、平台层三个层次构建上海虚拟电厂运营架构,实现对分散资源的高效整合与智能调控2由不同类型用户响应终端的可调节资源组成,包括分布式电源、小火电、新能源、常规用户负荷、储能设施、电动汽车、充电桩等多元化资源2聚合层通过不同类型、不同区域的虚拟电厂侧系统将单体容量小、资源数量多、种类丰富的可调节资源进行汇聚和优化控制,实现规模化包括虚拟电厂电力交易平台、虚拟电厂调度控制平台、虚拟电厂管理平台和虚拟电厂侧平台,通过各平台协调配合实现全流程管上海虚拟电厂运营通过"四个平台"协调开展,形成完整的虚拟电厂运营业务体系,构建能源互联网生态圈,实现注册、交易、运行和结算全流程数字化管理2市场交易情况201942021年,上海虚拟电厂共组织9次市场化交易,削峰中长期交易市场化交易电量最多。虚拟电厂运营有效保障了电网运行安全性,促进了电力负荷资源余缺互济,优化了资源配置。核心价值提升电网调节能力促进清洁能源消纳保障供电安全优化资源配置里程碑事件:2021年5月6日大规模需求响应负荷调节电网用电负荷上升41.2万kW56.2万累计调节近两天累计调节电网负荷56.2万kW清洁能源消纳清洁能源123.6万kWh336吨减排效果4小时减少碳排放336吨这是国内同类项目中调节资源种类最全的需求响应行动,精准调动工业生产、商业楼宇、微电网、分布式能源、冷热电三联供、储能设施、冰蓄冷、公共充电站、小区居民充电桩等11种不同负荷资源,并在央视新闻中播报2聚焦于绿色低碳冬奥、清洁能源消纳、智慧能源服务等应用场景,从2019年开始,冀北地区开展虚拟电厂试点,将张家口风电、蓄热式电锅炉、储能资源、承德分布式光伏资源、秦皇岛抽水蓄能、热泵资源、唐山工业柔性负荷资源、廊坊商业柔性负荷资源等连接起来,形成集群化、能效优化互补、能与电网良性互动的虚拟电厂综合示范2两张网络多能流网络与电力物联网络两张网络多能流网络与电力物联网络/个平台虚拟电厂智能管控平台多方主体参与共享创新以需求为导向,冀北虚拟电厂打造面向用户体验的门户平台和App,融合大云物移智等先进智能化技术,利用电脑智能代替人力管理,为分布式能源大规模复杂调度管理提供有效全景监控提供虚拟电厂全景全息实时监控服务,让用电、能耗、能效数据信息覆盖各家各户,用户实时了解用能信息,感受绿色电力消费2资产管理用户可委托管理和运营能源资产,如分布式光伏、储能、蓄热式锅炉等,连接各类用户侧互动能效分析为冬奥场馆、智能楼宇、智能家居系统提供各类负载能耗信息和能效分析,通过云计算提供最优化的智慧能效管理服务2为保障2022年北京-张家口冬奥会的绿色用电,冀北虚拟电厂聚合冬季两项造雪机等场馆资源,空气能装置、空调机组、蓄热式电锅炉、储能等场馆周边资源,构建基于边云协同的虚拟电厂调控架构,支撑冬奥场馆100%绿色电力供应201资源注册虚拟电厂将场馆及周边资源聚合为不同资源集群,接入智能管控平台,在电力交易中心进行市场注册03市场申报虚拟电厂直接对接调度系统或通过交易中心进行市场申报05运行监控虚拟电厂平台将运行信息上报给调度平台,调度机构推送出清结果至交易平台02信息交互交易中心与调度中心进行注册信息的线上交互,调度机构组织技术测试04优化出清调度机构进行数据校核后统/优化出清,向虚拟电厂下达调用信息06结算分配交易中心对虚拟电厂进行市场结算,虚拟电厂完成对聚合资源的收益分配市场化运营突破2019年12月42020年4月,冀北虚拟电厂调节里程达785万kWh,收益约160.4万元,成为:与电力系统实时互动的虚拟电厂不依赖政府补贴、实现市场化运营的虚拟电厂部署在互联网平台、用户可通过多渠道深度互动的虚拟电厂虚拟电厂积极响应电网调度实时指令,在电网晚高峰时期将用电后延,到电网低谷调峰困难时期快速抬升低谷用电负荷,实时响应电网AGC指令,提升电网综合运行能效和安全稳定运行水平,有效促进了新能源消纳。虚拟电厂运营收益与调节里程、出清价格呈正相关态势2以2020年2月23日为例,当日调节里程达12.05万kWh,平均出清价格为399.25元/MW,虚拟电厂当日收益达到投运期间最高水平,为87837元2统计分析结果对2019年12月12日42020年4月30日数据进行差分序列归/化处理,采用双因素方差分析,F值为0.00486(小于标准值3.90973),表明调峰里程、日平均出清价格对虚拟电厂运营收益有显著性影响2相关性系数虚拟电厂运营收益与调峰里程和日平均出清价格的相关系数分别为0.621和0.712,灰色关联度为0.745和0.778,显示出较强的正相关关系2将虚拟电厂运营收益、调峰里程和日平均出清价格序列累加归/化后,相关系数分别提升至0.9966和0.99402在新序列基础上进行回归分析,可实现基于调峰里程和日平均出清价格数据对虚拟电厂运营收益的准确预判2第T天虚拟电厂累计运营收益累加值=-26833.2341+36.2522×第T天日平均出清价格累加值+144.0345×第T天调峰里程累加值拟合优度回归方程拟合优度为99.43%拟合优度回归方程拟合优度为99.43%应用价值拟合效果较好,可用于运营决策支持相关参数均通过t检验"双碳"目标及大规模新能源接入给新型电力系统的供需平衡与安全可靠运行带来挑战。虚拟电厂作为聚合运营分布式能源资源的重要业态,在新型电力系统建设过程中承担重要作用。随着新能源占比的进/步提升,有必要提出虚拟电厂作为新模式与新业态的发展方向。平衡单元定义平衡单元是新能源占比较大的电力市场中的重要概念和核心工具2以德国为例,/个平衡单元需由位于同/个输电系统控制区内的多个发电商、售电商和终端用户共同组成2核心特征同/调度区域虚拟市场单元灵活电量交易根据需要与其他平衡单元买卖电量根据需要与其他平衡单元买卖电量保持平衡单元发用电实时平衡平衡单元责任人预测内部发用电情况在德国电力市场设计中,发电商、售电商、虚拟电厂等市场主体提前将中长期、现货交易结果及发用电计划发送至其所属的平衡单元,平衡单元将交易结果和电力交换计划提交至输电系统运营商(TSO),TSO统筹考虑全网资源,完成全网发用电计划整体安排2平衡市场中所产生的平衡费用由平衡单元承担,由TSO对平衡单元和平衡服务提供商出具不平衡结算依据。平衡单元依据结算单对单元内部市场主体的不平衡偏差电量进行结算,并向TSO支付不平衡费用。TSO向平衡服务提供商支付平衡服务费用。分层分区设计我国基于平衡单元的新型电力市场平衡模式需考虑分层分区设计,在全国统/电力市场建设框架下,由多个省级平衡区构成区域平衡区2区域平衡区的平衡调节由区域输电系统运营商负责,优先通过调度区域内省级平衡区的能量流动维持区域内的电力电量平衡2市场协调机制在省间省内协调、省间市场出清结果作为省内市场运行边界的电力市场运营模式下,平衡单元可在实时平衡阶段发挥作由省级平衡服务提供商向省级平衡区提供平衡服务,区域平衡服务提供商为区域平衡区提供平衡服务2能源产消者聚合分布式发电、柔性负荷、储能能源产消者聚合分布式发电、柔性负荷、储能等资源,参与市场交易,为消费侧用户提供增值服务平衡单元责任人通过精准预测及灵活资源聚合能力,调节平衡单元能量平衡,平抑新能源波动性平衡服务提供商通过聚合的分布式资源为平衡市场提供灵活性服务,获得辅助服务收益广域聚合能力通过信息通信技术聚合多元分布式能源资源,实现广域范围内的资源整合与协同控制灵活调节能力模式,实现双向或多向式电力流动平台生态价值通过能量流调度、信息流控制、资金流分配,实现多方主体协同发展的平台生态11明确责任主体地位虚拟电厂、平衡单元应作为电力可靠性管理的责任主体,承担平衡责任2虚拟电厂运营商、平衡责任人应持续提高新能源发电和负荷的预测准确性,提高电力可靠性管理水平233数字化赋能提升以需求侧海量数据作为核心生产要素,利用大数据技术、人工智能方法实现虚拟电厂参与电网运营的可观测、可描述、可控制,赋能运营管理水平提升222合理规划运营区域合理规划虚拟电厂的运营区域范围和职能,隶属同/平衡单元的虚拟电厂应隶属于同/个调度区域,避免多级输电系统运营商管理调度造成混乱244发挥规模化效应建立灵活开放的准入机制,设计合理的价值传导机制,推动虚拟电厂参与电网运营的规模化、标准化、产业化发展,推动新型电力系统建研究重点未来将重点研究在平衡单元提供平衡服务模式下:虚拟电厂对内部灵活资源的聚合优化方法虚拟电厂参与电力市场的运营优化方法充分利用市场机制提高虚拟电厂聚合优化运营能力提升灵活性调节能力与平衡服务水平发展愿景保障新型电力系统的安全