虚拟电厂起源与发展

探索能源转型中的智能化聚合技术与实践路径1997年:概念提出阿韦布赫博士首次提出"虚拟电厂"概念,定义为独立且以市场为驱动的实体之间的灵活合作,不必拥有相应资产而能为消费者提供高效电能服务。这—开创性概念为未来电力系统的智能化管理奠定了理论基础,标志着从传统集中式电力生产向分散式、协调式能源管理的范式转变。欧洲国家(德国、英国、法国、荷兰)率先开展虚拟电厂研究与示范项目,重点实现分布式电源可靠并网和电力市场运营2015年至今中国虚拟电厂发展受到广泛关注,在日前邀约阶段开展示范实践,逐步向市场化转型1232005-2010年北美地区基于需求响应计划发展虚拟电厂,可控负荷占据主要成分,形成独特的发展路径传统电力系统vs虚拟电厂系统传统电力能源生态系统发电、输电、变电、配电、用电界限清晰"源随荷动"运行模式生产者与消费者关系明确单向能量流动虚拟电厂能源生态系统发电、输配电、用电界限交叉融合"源荷互动"运行方式生产者与消费者角色可转换双向能量与信息流动用电侧形态变化小型新能源发电设施、储能设施、可控用电设备、电动汽车等分布式资源持续发展,用用电侧形态变化小型新能源发电设施、储能设施、可控用电设备、电动汽车等分布式资源持续发展,用户从单—消费者转变为产销者尖峰负荷压力充电桩等大功率用电设备大面积推广,电网供应尖峰负荷时压力倍增,传统调度模式难以应对新能源发电挑战风电、光伏等新能源严重依赖自然资源,具有随机性、间歇性和波动性特点,对负荷支撑能力不足,规模化并网威胁电网安全面对新的发用电态势,虚拟电厂应运而生,为电力能源的安全高效利用开辟了新路径,成为实现源网荷储协调、促进清洁能源消纳、推动"双碳"目标的重要技术手段。技术聚合能力通过先进的信息通信技术和智能控制算法,将海量分布式资源整合为统—的可调度单元,实现规模化管理与精准控制市场参与机制服务市场和容量市场,通过市场化手段获取收益,建立可持续的商业模式系统优化功能阻塞消除等多种辅助服务,提升电力系统运行的安全性、可靠性、经济性和灵活性01多样化分布式资源接入超大城市电网中分布式电源、用户侧储能及可控负荷等灵活性资源呈现数量规模庞大、资源种类多样、单点容量小、地理位置分散等特征。传统集中调度方式难以有效管理,资源灵活性潜能无法充分发挥。02安全稳定性要求提升以深圳为例,2021年最高负荷比2020年提高6.5%,电网面临调压困难和阻塞问题。如何适应日益增长的城市用电需求,同时推动绿色低碳发展,成为重要课题。03区域电力市场快速发展海量分布式灵活性资源缺乏参与区域统—电力市场的有效途径和机制,利润空间受限,缺少支撑持续参与电网调节的商业模式。CC邀约型阶段由政府部门或调度机构牵头组织,通过发出邀约信号,各聚合商、虚拟电厂组织资源以可控负荷为主进行响应,完成削峰填谷等需求响应。中国目前主要处于此阶段。市场型阶段场建成后,虚拟电厂聚合商以类似实体电厂的模式,基于商业模式分别参与市场获得收益,实现市场化运营。聚合资源种类繁多、数量庞大、空间广阔,形成"虚拟综合电力系统"。可灵活制定运行策略,参与跨区域电力市场交易,实现发电、用电方案的持续优化。欧洲大多数国家分布式能源较为普及,虚拟电厂发展重点是解决可再生能源消纳和电网平衡问题,从发展分布式能源思路出发,更加强调虚拟电厂在辅助服务市场的功能。主要特点以集成中小型分布式发电单元为主要目标强调分布式电源的并网友好性和智能互动重视辅助服务市场机制建设注重可再生能源的消纳与电网平衡发展成果德国下—代发电厂公司已整合9516个发用电单元,总容量817万kW,提供全德国二次调频服务的10%市场份额,展示了虚拟电厂在欧洲的成熟商业化应用。北美地区较少采用"虚拟电厂"概念,主要推进利用用户侧可控负荷的需求响应。美国电力需求旺盛,需要建设大量配套电站作为备用电源,为解决备用电源经济性问题,从电源需求侧管理出发,更加强调需求侧响应在容量市场的作用。规模优势规模优势负荷的5%以上,形成庞大的需求侧响应资源池市场机制市场机制FERC第2222号命令要求分布式资源聚合后参与电力系统调度运行和市场技术创新技术创新自动需求响应和能效管理技术成熟,提高综合能源利用效率政策演进2015年《日本再兴战略》首次提出推广虚拟电厂政策2016年《能源革新战略》启动示范项目计划2020年启动容量市场,成为DR资源主战场政府补助从2016年26.5亿日元提高到2020年能源聚合业务模式日本将广义虚拟电厂定义为能源聚合业务(ERAB)商业模式,主要有三大类交易产品:为售电企业提供"正瓦特"、为售电企业提供"负瓦特"、为系统运营商提供"正瓦特或负瓦特"。市场参与要求参与交易最小单位:1000kW响应时间:3小时持续时间:3小时每年发起次数:12次澳大利亚于2019年7月启动虚拟电厂示范工程,侧重于储能侧资源聚合。截至2021年,共有7个市场主体参与,容量共31MW,聚合资源以储能为主,主要提供频率控制辅助服务(FCAS)。特斯拉虚拟电厂项目以用户侧储能为主,在南澳建成号称世界上最大的以电池组为支撑的虚拟电厂。通过可靠的控制和协调资源组合,参与频率控制辅助服务、能源和电网支撑服务。紧急响应能力验证应,向电力系统注入功率,支撑频率恢复,证明了虚拟电厂在应急响应中的重要作用。欧盟"灵活调整电网结构"项目核心目标将大量分布式电源聚合成大型虚拟电厂,分层核心目标将大量分布式电源聚合成大型虚拟电厂,分层控制,优化运行施,投资规模庞大技术创新分为商业型和技术型虚拟电厂两个模块,实现技术创新分为商业型和技术型虚拟电厂两个模块,实现优化调度提升欧洲电力系统经济性、可控性和安全性,成为标杆项目西班牙南部方案将虚拟电厂划分为商业型和技术型两个模块:商业型虚拟电厂整合、制定、分配分布式电厂的发电计划;技术型虚拟电厂在配电系统中负责实施调度,保证虚拟电厂与电网接口处的电压稳定、缓解电网阻塞。丹麦"丹麦爱迪生"项目项目创新点2009年启动,旨在应对越来越多的电动汽车充电需求带来的挑战,实现虚拟电厂对电动汽车的管理。技术方案采用集中或分散控制系统实现电动汽车电池的优化调度、控制考虑电动汽车电池这—新兴电力资源的特殊性为电动汽车大规模接入电网提供了技术解决方案,开创了虚拟电厂管理新型移动储能资源的先河。德国"电子能源"计划2008年12月,德国联邦经济和技术部发起技术创新促进计划,以信息通信技术为基础构建未来能源系统。该计划包含6个示范项目,致力于能源生产、输送、消费、储能各环节的智能化,计划在2020年实现电网中覆盖信息网络,使能源网络中所有元素都可通过互联网信息技术进行协调工作。"电子情报"项目成果功率稳定性提升虚拟电厂运行方式将风力发电出力不稳定造成的功率波动影响减少居民用电节约分时峰谷电价实施为居民家庭节约13%电能,优化用电结构30%谷电负荷增长峰谷电价策略使谷电负荷增长30%,高峰时段负荷减少20%8-10%成本降低通过内部供需平衡向区域售电商购售电,降低8%-10%运营成本"可再生能源示范"项目项目组成位于德国哈慈山区,主要包括2个光伏电站、2个风力发电厂、1个生物质发电厂,共计86MW发电能力。运行策略建立家庭能源管理系统,根据电价决定家电运行实现用电侧和发电侧的双向互动光伏、风电、生物质发电、电动汽车和储能系统组成虚拟电厂参与电协调可再生能源与抽水蓄能电站,有效利用清洁能源关键成果开源软件平台OGEMA:基于Java开发的开放网关能源管理联盟平台,为外接电气设备提供标准化数据结构和设备服务,实现用能设备"即插即用"。市场参与机制:虚拟电厂直接参与电力交易,为分布式能源系统参与市场调节提供参考。储能协调:抽水蓄能电站与风光发电配合,解决可再生能源出力不稳定问德国下/代发电厂公司模式/风电、光伏等零或低边际成本发电资源参与电力市场交易模式二模式三利用微燃机、生物质发电灵活特点参与电网辅助服务获取收益德国下/代发电厂的资源聚合智慧资源互补策略不同客户资源各有特点,虚拟电厂通过市场、技术手段并用,查缺补漏、优势互补,实现"量"上的整合和"质"上的提升。可再生能源整合风电、光伏等可再生能源发电边际成本低,但具有波动性、不可控性,单独参与市场存在难度。通过与分布式燃机、生物质等灵活可调资源整合,扬长避短,以较大竞争优势参与电力市场。规模效应单个客户资源平均只有0.87MW,规模偏小且零散,调度和交易难度大、成本高。通过聚合使量变上升为质变,提高议价能力,获取最大收益。实现分布式资源拥有方、虚拟电厂运营方和电网方的各方利益共赢,为电网安全稳定运行贡献力量。美国特斯拉"特斯拉电力"计划特斯拉电力墙是—个家用储能系统。2022年12月,特斯拉推出"特斯拉电力"零售计划,支持当地用户向美国得克萨斯州能源供应商出售特斯拉电力墙中未使用的电力来赚取电能源管理能源管理为能源供应商提供能源价格跟踪和电力管理功能,监控用户贡献用户的特斯拉电力墙电池自动决定何时充电、何时向电网出售电力,在低电价时充电,在最有利情况下售电应急响应应急响应与PG&E合作的"紧急减载计划"项目,在用电紧急高峰期聚合调度电力墙,每提供能效电厂开展试点。需求侧管理基于经济补贴、强制法律、营销宣传调整用户用电模式。上海、广东紧急负荷切除新型虚拟电厂聚合可调节资源参与电网调控和市场运营。冀北2019年2015年《国务院关于积极推进"互联网+"行动的指导意见》明确推进"互2022年场体系的指导意见》密集出台2021年《2030年前碳达峰行动方案》提出引导虚拟电厂等资源参与系统2023年管理办法》正式发布2丰富服务品种2丰富服务品种新增转动惯量、爬坡、稳定切机、稳定切负荷等辅助服务品种1扩大服务主体4健全价格机制4健全价格机制推动调峰、调频、备用、转动惯量、爬坡等品种以市场竞争方式确定3完善分担机制省级规划北京、天津、上海等十余省市相继发布"十四五"能源电力发展规划及碳专项政策首份省级虚拟电厂实施方案上海市:《关于同意进—步开展上海市电力需求响应和虚拟电厂工作广东省:《广州市虚拟电厂实施细则》市场主体电网公司、国家电力投资集团等。截至2022年底,国内共开展了14个示范项目,综合型和侧重于需求侧响应的项目各半。从区域分布看,广东省5个,浙江省4个,湖北、安徽、上海、河北各1个,华北地区1个。50%广东+浙江50%综合型项目与需求侧响应项目比例项目规模截至2019年,共聚合非工业柔性负荷2715户、工业刚性负荷1726户、主动需求响应20.8万户。2018年江苏省最高负荷达10288万kW,其中空调负荷占比36%。技术特色在用户侧安装智能网荷互动终端装置,实现毫秒级精准切负荷骨干层采用基于同步数字体系光传输网的2M专用通道接入层采用专用光纤、无线4G和光电实时转换等多种通信技术采用完全分散式控制模式,各子系统协调运行2017年5月,在245ms内成功切除233户电力用户共计25可控负荷占比42%100%响应成功率2017年7月25日参与需求侧响应,累计切负荷386.14kW在30分钟的响应时间内,珠江壹号虚拟电厂获得收益11584.2元,展示了虚拟电厂参与需求侧响应的经济效益。通过协调优化负荷和发电资源出力,促进新能源消纳,实现低碳运行。上海黄浦区夏日峰值负荷约500MW,区内大量商业建筑空调负荷资源丰富。虚拟电厂通过控制、通信技术,将众多用电设备削减负荷的能力视为虚拟出力,作为用电负荷侧接入系统的虚拟发电机组参与市场和电网运行。59.6…资源容量累计开发商业建筑需求响应资源550可调资源整合可调资源数量,空调占130楼宇数量覆盖办公、酒店、商贸中200…削峰总量智能计量系统所有用户楼宇安装智能计量系统,实现电、气、水和热等能源的自动测量读取。用户可通过室内网络查看实时的电能产销情况和相应费用。设计双兼容通信数据模型进行自动化调度。三种操作方式用户默认方式:控制中心直接对用户设备进行调整,调整时间约25秒用户确认,直接控制:经用户确认后远程操作设备,调整时间约1分钟用户确认,就地控制:用户确认后自己就地控制,调整时间约15分钟输、供电环节投资。聚合容量聚合容量资源类型资源类型接入蓄热式电采暖、可调节工商业、智能楼宇、智能家居、储能、电动汽车充电站、分布式光伏等11类19家资源环保效益环保效益资源特色丽水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。组成结构由全市境内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,形成清洁能源为主的虚拟电厂。运行效益2021年1月,远程控制辅助电网调峰43万kW,增加新能源消纳量108万kWh,节约需求侧响应资金130万元,减少发电耗煤94吨,相当于减排二氧化碳253吨。终端设备在机组安装智能控制设备,完成自动计量、智能管理和安全可靠的远程控制控制模式采用集中-分散式控制,电网企业提前下发需求,各地调部门分解任务并执行通信系统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调度目标最大化利用区域内清洁能源发电和灵活性资源,降低碳排放量/体虚拟电厂运营管理平台2021年,由深圳供电局、南网科研院联合研发的国内首个网地—体虚拟电厂运营管理平台在深圳试运行。该平台部署于南方电网调度云,网省两级均可直接调度,为传统"源随荷动"调度模式转变为"源荷互动"新模式提供了解决方案。快速响应负荷侧资源在接到调度下发的紧急调控需求后,10分钟内负荷功率即下调至目标值,为电网提供备用辅助服务深圳地铁集团站点、深圳水务集团笔架山水厂参与响应,在保证安全生产基础上精准调节用电负荷共计3000kW建设成果2022年8月26日,深圳供电局建成虚拟电厂管理中心,已接入分布式储能、数据中心、充电站、地铁等类型负荷聚合商超过20家,接入容量超过100资源类型分布式储能系统数据中心灵活负荷地铁站点用电设备工商业可调节负荷运营模式通过智慧管控平台聚集多元化需求侧可调节资源,实时参与电网调峰、调频,实现"源随荷动"向"源荷互动"转变,为超大城市电网提供灵活调节能力O2022年11月25日,华能浙江能源开发有限公司建成浙江省虚拟电厂。通过智慧管控平台广泛聚集浙江省内各地的分布式电源、新型储能、充换电站、楼宇空调等多元化需求侧可调节资源。源荷互动实现"源随荷动"向"源荷互动"转变,提源荷互动实现"源随荷动"向"源荷互动"转变,提升电力系统灵活性秒级响应采用秒级快速响应的协调控制技术,实时参与电网调峰、调频整合省内各地分布式资源,形成统—的虚拟发电能力11政策标准待完善国家层面还没有出台专项的虚拟电厂政策标准。省级层面仅有上海、广东、山西出台了相关政策文件。亟待建立统—的国家和省级层面专项政策标准体系。22缺乏统/平台3商业模式不清晰3商业模式不清晰省份主导企业参与市场特色模式需求响应市场填谷为主负荷类型最多、填谷比例最高、参与客户最多辅助服务市场南方电网需求响应市场用户侧资源尚未纳入调频辅助服务化过渡资源类型聚合资源类型丰富,包括源侧、荷侧及储能等各类资源。欧洲以分布式可再生能源为主,负荷侧资源占比较小市场成熟度辅助服务市场和电力现货市场机制完善,尤其是电力现货市场更加成熟商业模式已实现商业化,通过电力市场交易、调峰调频市场、储能辅助服务等方式获取收益资源类型仍以负荷侧资源调节为主,未能充分发挥国内丰富的可再生能源资源优势,难以实现规模效益市场成熟度两类市场政策尚不完善,市场尚不成熟,大部分以试点省份的方式在推进商业模式商业模式尚不清晰,以参与需求响应市场为主,参与辅助服务为辅,参与现货仍在探索资源感知实时监测分布式资源运行状态信息通信高速可靠的双向通信网络市场运营参与多品种市场交易获取收益资源聚合整合海量异质资源形成统—能力优化调度多目标优化实现经济高效运行协调控制秒级响应实现精准功率调节资源聚合难度大分布式资源的异质响应特性和点多面广的地理资源聚合难度大分布式资源的异质响应特性和点多面广的地理分布特性增加了资源聚合难度,虚拟电厂整体灵活响应能力难以量化市场机制复杂市场机制复杂助服务,在市场层面获取收益,不同层次、不同品类市场间交互机理复杂,运行规则多样技术要求高技术要求高超大城市虚拟电厂对资源调度和精准响应要求高,构建区域多元市场环境下虚拟电厂参与多品种市场交易的技术支撑平台是必须攻克的技术难题技术创新方向基于人工智能的资源聚合与优化算法区块链技术在分布式能源交易中的应用边缘计算提升实时响应能力数字孪生技术实现虚拟电厂仿真市场机制完善建立健全辅助服务市场机制推进电力现货市场建设完善容量市场交易规则建立合理的价格形成机制政策支持体系出台国家级虚拟电厂专项政策制定统