虚拟电厂基本概念与系统架构

虚拟电厂作为新型电力系统的重要组成部分,通过先进信息通信技术实现分布式能源资源的聚合与协同优化,为电力系统的安全稳定运行和清洁能源消纳提供了创新性解决方案。国外学者对虚拟电厂有多种定义视角。阿斯姆斯将其定义为依赖远程控制的自动分配储能和需求响应的能源互联网;比格努科罗等强调其为分散在中低压配电网不同节点的分布式能源集合点,各DER特性参数的整合体现为电网中的运行特性。马舒尔等基于欧盟项目研究,将虚拟电厂定义为聚合并综合表征众多不同容量分布式能源特性的运行模式,可在电力市场中签订合同并为系统操作员提供服务。国内学者将虚拟电厂视为—种需求响应方式,通过用户参与缓解终端用电需求,达到与实际发电厂相同的效果,这种模式也被称为"能效电厂"。结合实践情况,虚拟电厂可定义为:通过先进信息通信技术和软件系统,实现分布式电源、储能系统、可控负荷、微电网、电动汽车等分布式能源资源的聚合和协同优化,作为特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。负电厂功能通过可控负荷和储能设备,接收并消纳系统电力,提供调节服务负电厂功能通过可控负荷和储能设备,接收并消纳系统电力,提供调节服务综合协调整合发电、用电、储能资源,实现源网荷储协同优化控制正电厂功能聚合分布式发电资源,向电网输送电能,参与能量市场交易虚拟电厂本质上是通过软件平台系统聚合现有分布式资源,通过协同控制参与电力市场,实现真实物理电厂的对外功能特性。它不需要新建实体电厂,而是将分散的能源资源智能地整合为—个可调度、可交易的虚拟化电源。虚拟电厂的"黑匣子"模型虚拟电厂可理解为—种能发挥电厂作用的"黑匣子"—它无需新建物理电厂，但对外既可作为"正电厂"向系统供电，也可作为"负电厂"接收系统电力。"黑匣子"内部包含:分布式电源(风电、光伏等)、多元储能设施(电池储能、抽水蓄能等)、电动汽车充放电设施、可控负荷等多类资源。仅有这些资源还01发电系统分布式能源(DG):主要满足用户自身负荷,电能盈余时向电网输送,不足时从电网获取。典型系统包括小型分布式能源,为住宅、商业或工业服务。公用型分布式能源(PDG):主要将生产电能输送至电网,运营目的为出售电能。典型系统包括风电、光伏等大容量新能源发电装置。02储能系统补偿分布式能源发电的波动性和不可控性,适应电力需求变化,改善电网薄弱性。增强系统接纳分布式能源发电的能力,提高能源利用效率,为电网提供调峰调频等辅助服务。03通信系统实现能量管理、数据采集与监控及与调度中心通信的重要环节。通过与电网或其他虚拟电厂信息交互,使管理更加可视化,便于电网监控管理。负荷侧资源的重要性核心作用提升分布式能源利用效率实现电网和用户的双向互动通过需求响应实现有效调度虚拟电厂通过网络通信设备聚合可控机组、不可控机组(风光等)、储能、可控负荷、电虚拟电厂在更广义概念中,是基于互联网的能源高度聚合,以及以此为基础拓展的多样化衍生服务。其核心是聚合和通信—将资源聚合后参与电网互动,互动内容包括需求响应、辅助服务、电力现货交易等。信息通信实现资源与电网的数据交互协同优化信息通信实现资源与电网的数据交互协同优化优化电网运行状态与市场参与整合分散的发电、储能、负荷资源这是虚拟电厂近期和远期能够提供的主要服务,为电力系统灵活性和经济性提供了重要支撑。构成环保性通过节能技术和负荷管理降低电力需求,以效聚合分散清洁能源机组,与传统能源发电实现互补协调调度,抑制可再生能源随机波构成环保性通过节能技术和负荷管理降低电力需求,以效聚合分散清洁能源机组,与传统能源发电实现互补协调调度,抑制可再生能源随机波动性,实现并网运行与市场交易。通过系统控制中心实现对不同区域、不同特性分布式能源的集中管理。整合电源、可控负荷、储能等资源,全面参与电力产业链所有环节,与多种市场参与者形成良性互动。不同虚拟电厂运营管理者相互协助合作,参与不同类型电力市场交易。运营协同性管理智能化基于云计算技术,各构成单元通过互联网实现互联,实现智能化控制管理。制定市场交易策略与调度运行计划时,综合考虑各分布据,实现对系统发用电功率的精准预测。资源多样性聚合风电、光伏、微型燃气发电、小水电等多种分布式能源,结合余热余压回收、变配电节能等技术性节能资源,实现多种能源式改变用户用能行为,提升系统运行效率。市场竞争性虚拟电厂生产的电能可实现安全调度,能在现货市场中与传统电厂展开竞争。也可参与辅助服务市场与容量市场,节约备用容量资源,降低电力系统备用成本,促进电力市场充分竞争。根据外部特征和资源组成,虚拟电厂可划分为四大类型,每种类型具有不同的服务能力和市场参与方式。负荷型虚拟电厂核心负荷型虚拟电厂核心资源:可控负荷、可中断负荷服务能力:具有功率调节能力,可参与辅助服务市场;能量出售属性不足典型特征:以需求响应为主,灵活调节负荷核心资源:分布式发电(风电、光伏等)服务能力:具有能量出售能力,可参与能量市场;视情况参与辅助服务市场典型特征:以发电为主,对外表现为正向电源混合型虚拟电厂核心混合型虚拟电厂核心资源:源网荷储综合资源服务能力:全能型角色,可参与所有类型市场典型特征:资源配置最优,服务能力最强储能型虚拟电厂核心资源:各类储能设施服务能力:可参与辅助服务市场,部分时段通过放电出售电能典型特征:双向调节,充放电灵活切换微电网特点微电网是由分布式发电、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控保行也可孤立运行。虚拟电厂特点虚拟电厂与微电网的五大区别聚合区域不同微电网对地理位置要求高,通常要求资源处于同/区域内就近组合;虚拟电厂可跨区域聚合分布式能源。连接点数量不同微电网通常只在某—公共连接点(PCC)接入配电网;虚拟电厂与配电网可能有多个公共连接点,更能平滑联络线功率波动。连接方式不同虚拟电厂不改变聚合资源的并网形式,侧重通过量测、通信技术聚合;微电网聚合时需对电网进行拓展,改变物理结构。运行方式不同微电网可孤岛运行也可并网运行;虚拟电厂通常只在并网模式下运行,依托大电网支撑。侧重功能不同微电网侧重于分布式能源和负荷就地平衡,实现自治;虚拟电厂侧重实现供应主体利益最大化,具有电力市场经营能力。需求响应的定义以智能电网为技术支撑,电力用户根据电力市场动态价格信号和激励机制,以及供电方对负荷调整的需求所自愿做出的响应,在满足用户基本用电需求前提下,通过改变原有用电方式实现负荷调整。平衡供需适应供给侧特点,满足负荷侧需求,保障电力系统安全稳定运行优化配置缓解供应侧容量资源压力,减少尖峰资源建设,实现资源优化配置促进消纳提高可再生能源消纳能力,促进能源结构优化,推动供给侧改革联系与区别虚拟电厂与需求响应既有联系又有区别。虚拟电厂是利用物联网技术聚合分散式资源,通过需求响应方式调节电力供给和电网平稳的技术。因此,需求响应是虚拟电厂发展的基础。核心差异虚拟电厂:侧重点在于增加供给,会产生逆向潮流现象需求响应:重点强调削减负荷,不会发生逆向潮流现象是否造成电力系统产生逆向潮流,是两者最主要的区别之—。第/阶段:邀约型特征:在没有电力市场情况下,由政府部门或调度机构牵头组织参与方:各聚合商参与,共同完成邀约、响应和激励流程定位:在我国此阶段虚拟电厂与需求响应几乎等同,可视为新型需求响应演进方向:聚合资源种类更多、数量更大、空间更广,实际上称为"虚拟电力系统"资源范围:包含可调负荷、储能、分布式能源等基础资源,以及微电网、局域能源互联网等整合资源112233第二阶段:市场型前提条件:电能量现货市场、辅助服务市场和容量市场建成参与模式:虚拟电厂聚合商以类似实体电厂模式分别参与市场获得收益并存模式:同时存在邀约型模式,邀约主体为系统运行机构第—阶段的虚拟电厂可完全实现自动调控。在电力供应紧张时,自动向用户发出削减负荷的需求响应信号,组成虚拟电厂的各类资源自动接收信号并调整。资源扩展相比传统需求响应,新增各类分布式能源资源通过能量管理系统自动控制调整用电,自动报告响应结果实现迅速、高效、精准的电力实时动态调控解决不确定性有效应对供给侧可再生能源发电带来的巨大不确定性虚拟电厂系统架构采用四层架构设计,从底层资源接入到顶层应用,实现了分布式能源的全面整合与智能调度。应用层跨区域自主调度、集控控制、投标决策、互动交易、评价分析五大子系统，实现多品种、多时空集群协同自主调度物联接入平台和云化超融合平台，提供监控功接入层该架构解决了跨区域海量资源接入、多品种电力市场交易、资源集群跨区域协同调控等核心问题，构建了新—代虚拟电厂技术体系。虚拟电厂技术架构包含市场运营、协调优化运行、物联网技术三大核心技术体系,通过先进控制、计量、通信等技术聚合不同类型分布式能源,实现资源的合理优化配置及利用。市场运营技术:潜力评估与竞标决策虚拟电厂潜力评估技术评虚拟电厂潜力评估技术评估对象:具有时间属性的发电能力及辅助服务能力核心指标:各时间段最大和最小发电能力(运行功率约束及成本)各时间段虚拟电厂爬坡率特性各类型辅助服务能力(备用容量、成本及性能)重要性:合理潜力评估是虚拟电厂进行运行及市场风险管理,实现经济运行与安全可靠供电虚拟电厂竞标决策技术虚拟电厂竞标决策技术应用场景:虚拟电厂作为发用电实体参与电力市场决策内容:1.日前现货市场各时段能量竞标决策2.实时现货市场能量竞标决策3.辅助服务市场日前竞标决策4.实时能量及辅助服务安排决策价值:高效竞标决策为虚拟电厂带来更多利润,吸引更多需求侧资源参与,提供更优质可靠的发电及辅助服务。预测及风险管理资源聚合技术预测及风险管理资源评估、挑选及聚合,群控策略与优化运行件风险值技术参与方激励机制设计,调动各方积极性参与方激励机制设计,调动各方积极性环境效益、经济效益、节能减排及可再生能源消纳评估协调优化运行技术以预测技术和风险管理为支撑,以多维社会效益评估为基础,发展经济高效与安全可靠的资源聚合技术及交易结算机制,确保虚拟电厂的安全经济运行。技术演进在虚拟电厂应用场景下,控制领域从当前星形集中连接模式向点到点分布式连接切换,主站系统逐步下沉,出现更多本地就近控制和边缘计算。关键特性体的开放平台,就近提供最近端服务。核心技术云计算技术技术优势高精度、低功耗、微型化、智能计算,完成设备信息采集、提取及传递,通过本地边缘计算实现终端智能化和本地自控。虚拟电厂管理平台按照"统/管理、分布式接入、协同调控"的运营管理模式,以电力物联网为基础,通过智能边缘计算、感知终端,运用终端智能感知、数据智能融合分析、辅助管理决策等技术构建。三层运行架构:平台层·协调层·设备层11平台层电力交易中心与调度中心2协调层虚拟电厂运营商3设备层工商业用户、居民用户及分布式资源平台层职责管理电力批发市场交易,根据系统运行状态确定辅助服务需求,以社会福利最大化为目标进行能量市场和辅助服务市场联合出清,形成有效价格信号。协调层职责协调平台层和设备层信息交互,确保参与主体信息互联互通。负责需求响应计划制定,协调用户间、用户与电网间能量流和信息流互动。设有能量管理主站,接收负荷信息并发布响应需求。设备层职责包括各类用户及可调度分布式资源。配备分布自治控制系统,负责自身能量管理和生产优化,与运营商进行信息交流和能量交流。集中控制特点:全部负荷信息传递至CCC,CCC拥有全部控制权,制定各单元发用电计划优势:控制力强、手段灵活劣势:通信压力大、计算量重、兼容性和扩展性不理想集中-分散控制特点:分为低层控制和高层控制两个层级。本地控制中心管理本区域有限单元并汇集信息应用:高层控制中心分解任务,本地控制中心制定具体方案完全分散控制特点:虚拟电厂划分为若干自治智能子系统,通过智能代理彼此通信协作优势:高度自治、灵活性强定位:控制中心成为数据交换与处理中心虚拟电厂通过对聚合资源进行分散式或集中式控制运营,实现多单元协调优化。与内部用户、外部市场运营机构进行能量、信息和业务三方面交换协信息流内部信息:可调节资源与控制中心传递设备性能、状态、发用电需求、价格信号、控制指令交易信息:与交易机构传递市场价格信号、交易申报、交易出清结果调度信息:与调度机构传递设备调节性能、系统调节需求和指令内部业务:运营机构与发用电聚合单元签订合同或协议、资金支付与收取市场业务:在各类市场中进行交易调度业务:通过辅助服务市场或指令性方式签订系统调节合同、电力电量结算、资金支付收取虚拟电厂交易组织涉及服务购买方、市场运营方、服务提供方三个核心角色,通过市场运营方完成交易组织。服务购买方政府:利用尖峰电价资金池购买需增/需减服务调峰电厂:购买需增服务规避辅助服务考核清洁能源电厂:购买需增服务促进消纳旋转备用/热备用:购买需减服务规避考核服务提供方"负荷类"虚拟电厂:聚合市场化电力用户(电动汽车、可调节负荷等),提供负荷侧灵活响应调节服务"源网荷储—体化"虚拟电厂:—体化聚合新能源、用户及储能,作为独立市场主体参与电力市场,具备自主调峰调节能力更加高