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虛擬電廠的基本結構與運行控制方案概述

作者:陳天 韓林陽 王鵬 來源:中國電力企業管理 發布時間:2020-12-11 瀏覽:
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VPP的內部結構與基本分類

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VPP的內部結構

隨著包括分布式電源(Distributional Generator,DG),儲能裝置,電動汽車,可調節負荷等在內的各類分布式能源(Distributional Energy Resources,DER)的逐步規?;尤腚娋W,在增強了系統的運行經濟性、靈活性與環保性的同時,各類DER自身的波動性與不確定性也對系統的靈活運行提出了新的要求。在這樣的背景下,虛擬電廠這一概念的出現,無疑為高比例DER大規模接入電網提供了一種嶄新的思想,即可通過區域性多能源聚合的方式,來實現對大量DER的靈活控制,從而在保證電網的安全穩定運行的基礎上,最大化各類DER對于增強系統源網荷儲側互動的獨特優勢。

如圖1所示,VPP的出現打破了傳統電力系統中物理概念上的發電廠之間、發電側和用電側之間的界限,可同時聚合區域內不同類型的DG以及源荷側的可控資源。從技術層面講,虛擬電廠并未對系統中分布式能源并網的方式進行實質性的改變,而是通過先進的控制、計量、通信手段對分布式電源、可控負荷、儲能系統、電動汽車等不同類型的分布式電源進行聚合,使其能夠以一個“集合體”的形式參與各類電力市場交易。因此,VPP的核心手段是“通信”和“聚合”。

綜上,VPP不應被狹義地定義為各類分布式資源的集合體,而是基于“通信”和“聚合”的思想,把分散在四處、與不同層級的電網相連的分布式新能源電站、熱電聯產(combined heat and power,CHP)系統、可控負荷和儲能裝置等設備集合起來,通過能量管理系統(energy management system,EMS)的協調優化控制完成市場運營,在實現電能交易的同時優化資源利用、提高供電可靠性的一種綜合體,其內部結構如圖2所示。

其中,發電側的分布式能源實際上可分為自用型(domestic distributed generation,DDG)和公用型(public distributed generation,PDG)兩類。DDG的首要任務是滿足其自身的負荷需求,在有多余發電能力的情況下,才考率把多余的電能輸入電網參與市場交易,典型的DDG系統主要是一些小型的分布式電源,如屋頂建筑光伏,為個人住宅、商業負荷等提供自用服務;PDG的主要任務則是將自身所生產的電能輸送到電網,其運營目的就是參與電力市場出售所生產的電能,典型的PDG系統主要包含風電、光伏等新能源電站。能量存儲系統既可以來源于電源側及負荷側的自身配備,也可以是獨立的能量存儲單元的集合,主要功能是平抑可再生能源和負荷側的出力波動,提升聚合區域的整體運行靈活性;通信系統是虛擬電廠進行能量管理、數據采集與監控,以及與電力系統調度中心通信的重要環節,可使得虛擬電廠的管理更加可視化,便于電網對虛擬電廠進行監控管理。

VPP的基本分類

前面已經提到,虛擬電廠可以將區域內的各類分布式能源聚合后接入電網,在這一載體下,個體DER可以獲得能源市場的準入并從VPP得到相關市場的實時信息。另一方面,VPP使其所屬的各類DER對系統運營商可見,向電網提供了一種可用于電力網絡主動控制與響應的聚合資源,在市場運行中與輸電網與配電網一起實現分層的需求上報與價格激勵信息交互,如圖3所示。

而在實際運行中,VPP會從描述各DER的參數組合中創建一個操作配置文件,這個文件也正是VPP的核心信息,換而言之,VPP是可用于參與例如在批發市場中簽訂合同等電力交易,以及可以向系統運營商提供管理與輔助服務的DER組合信息的靈活表示?;谶@一理解,我們可以按照對外體現的功能不同,又可將VPP分為兩種類型:商業型虛擬電廠(Commercial VPP,CVPP)和技術型虛擬電廠(Technical VPP,TVPP),它們在VPP運行中的具體分工、與TSO、DSO的協作關系及參與市場的流程如圖4所示。

下面分別介紹CVPP與TVPP的基本特點、功能以及運營商主體的有關情況。

CVPP的關注焦點在于最大化其內部各類DER用戶的綜合收益,即主要考慮商業收益,而一般不考慮配電網的影響。對于各類DER的投資組合而言,這種通過資源整合并統一調度控制參與市場的方式,一方面降低了單個DER參與市場的不平衡風險,并通過聚合實現了資源多樣性及增加了整體容量,另一方面通過CVPP的聚合模式,各DER主體還可以從規模經濟和市場信息中獲得額外收益?;谏鲜鎏攸c,參與CVPP業務的運營商可以是任何第三方獨立企業、能源供應商或新的市場進入者。最后,在聚合DER資源的地理位置方面,在分布式能源的投資組合不受所處地理約束的市場環境下,CVPP可以代表系統中任何地理位置的DER,而即便在對參與分布式能源地理位置有限制的市場中,例如要求均位于某一配電網區域或輸電網節點,CVPP仍然可以表示來自不同位置的DER,只是DER的聚合必須按位置進行,從而產生一組由地理位置決定的DER組合序列。

TVPP則首先一般由分布在同一地理位置的分布式資源組成,其關注的重點在于為系統運行提供服務,主要功能包括為DSO提供本地系統管理以及為TSO提供系統平衡和輔助服務。顯然,TVPP的運營商需要有本地網絡的詳細信息,因此本地的DSO往往作為TVPP運營商主體的不二選擇。同樣地,TVPP也可通過一個聚合的配置文件來表示各DER成本和運行特性,但不同的是需要考慮局部配網對各DER組合出力的約束,TVPP聚合并模擬了一個包含分布式發電、可控負荷等DER和單一地理電網區域內網絡的系統的響應特性,本質上提供了對配網子系統的運行描述。

VPP的控制方案及競價交易概述

VPP的整體控制結構分類

在總體上,VPP的控制整體結構可以分為集中控制、集散控制和分散控制三類。在集中控制結構中,由控制中心掌握所有發電或用電單元的全部信息,并對每一個單元制定的發電或用電方案擁有完全控制權;在集散控制結構中,虛擬發電廠被分為總控制中心和本地控制中心兩個層級??偪刂浦行闹回撠煂⑷蝿辗纸獠⒎峙涞礁鞅镜乜刂浦行?,由各本地控制中心負責制定轄區內各單元的發電或用電方案,而總控制中心則將工作重心轉移到依據用戶需求和市場規則的能量優化調度方面;在完全分散控制結構中,虛擬電廠控制協調中心由數據交換與處理中心代替,而虛擬電廠也被劃分為相互獨立的自治的智能子單元,這些子單元不受數據交換與處理中心控制,只是接受相關信息并對自身運行狀態獨立地進行優化控制。

VPP的具體控制框架與邏輯

商業型虛擬電廠。如圖5所示,在CVPP的實際運行中,每個DER主體都需要首先上報其運行參數、邊際成本等信息,一般可由CVPP安裝在這些DER處的終端裝置完成信息采集,這些DER的輸入信息同市場分析、地方數據等其他輸入信息一起匯集到單一的虛擬電廠中創建配置文件,每個文件都代表了一個DER實時組合的運行描述。隨著CVPP獲取的市場交易信息不斷增加,CVPP將逐步完成在遠期合同市場、期貨市場、電能量市場及輔助服務市場的投資組合方案的優選并實時評估各類DER聚合后參與相關交易的能力,最后CVPP將向電力交易中心提交相關的訂單合同和相應的投標報價的信息,而CVPP組合方案中的各DER則需要向TVPP提交發電計劃、運行成本等參數信息以供完成后續調整。

技術型虛擬電廠。如圖6所示,DER投資組合方案的實時運行信息通過在該地區運行的各種CVPP傳遞給TVPP后,TVPP會將把這些信息與本地的網絡信息(如拓撲、配網約束、網絡實時狀態等)結合起來,從而最終建立描述與上級輸電網連接的本地配電網區域內各DER運行特性的配置文件。這一文件可以用來為DSO和TSO提供一系列的系統運行服務,如實時平衡,頻率和電壓支持,電網阻塞管理等。通過這種方式,TVPP就可以從本地配網區域內的各類DER聚合后的靈活運行中獲益,為輸電網中的其他電源提供輔助服務。

VPP的競價交易過程

上面已經提到,VPP由于聚合了供需側的各類DER,可以參與包括電能量市場、輔助服務市場等在內的各類電力市場交易。本節僅以VPP參與電能量市場為例,對VPP參與市場的競價交易過程以及與各市場主體之間的協調關系進行介紹。

考慮在發電側和用戶側雙邊開放的集中式電力市場,交易均按統一出清價結算。我們知道,VPP內既有發電資源又有需求側資源,因而在每個交易時段,VPP都可以同時參與發電側市場與售電側市場來競價交易?;赩PP的容量限制,VPP可視為價格接受者,其報價不會影響到市場的最終出清電價,因此VPP就可根據預測的電力市場電價以及市場的歷史數據,根據內部各DER的實時運行狀態來合理設置在雙邊市場的競標電量及報價。如圖7所示,VPP參與的電力市場的競標流程可分為計劃、運行和結算三個階段。

計劃階段:在日前市場開啟前,VPP主要根據各DER的歷史運行情況,參與市場運營商組織的中長期市場,簽訂雙邊合同;

運行階段:日前市場開啟時,VPP作為市場的價格接受者,需要根據內部DER運行的歷史數據及市場的歷史交易情況來確定下一交易日的競標策略,并將最終的競標電量及報價提交給市場運營商,市場運營商在日前市場關閉完成出清,次日,VPP需按照中標的電量及電價完成交易。而在日內市場中,由于實時電能量市場是逐時段開啟的,VPP需要實時更新并重新預測其內部各DER的狀態,重新制定并逐時段市場運營商提交參與現貨市場的競標電量及電價。在實時運行之前,市場運營商會根據最新的超短期負荷預測結果及電網運行信息對全網的發電資源重新進行集中優化,每隔一段時間滾動出清下一時段的實時中標電量和電價。

結算階段:由于實時電能量市場的出清結果與日前交易計劃存在差異,在事后結算中,一般日前中標電量按照日前中標電價結算,而實時中標電量與日前中標電量的偏差按照實時中標電價結算。此外,在結算階段的內部收益分配方面,VPP會把從DSO處獲得的激勵以及市場收益按照某種公平機制分配給每個做出貢獻的DER。

需要額外補充說明的是,在現行的交易過程中,由于配電網主要用于管理用戶和發電資源的并網,所以DSO并不具有發電計劃的審核的資格,而主要完成驗證發電計劃以及制定調度順序的工作。在競價過程中,VPP將DER發送的報價整合之后就會發送給市場運營商,在運行了出清程序之后,市場的出清結果會被發送給TSO以及對應的DSO。而另一方面,在市場運營者進行優化求解之前,DSO也會接收到VPP分解的投標信息并進行相關驗證,只有符合要求的投標才有通過市場出清的機會。

總結與展望

 

由于VPP首先在國外特別是歐美國家得到應用與實踐,以上有關VPP的基本結構與分類、運行控制框架及參與電力市場的過程主要也基于一些國外成功的VPP項目,比如歐洲的FENIX項目。

實際上,在我國進行VPP的相關試點工作之前,無論是在近年來我國微電網項目還是在增量配網項目的諸多實踐中,與TVPP相近的運營模式已經得到了很多探索,其落地中遇到的許多問題,究其原因是缺乏合理的商業模式。顯然,投資建設大量分布式可再生能源、規?;l展電動汽車的配套設施以及信息物理系統的建設等,都將在前期增加電力系統運行成本,只有進一步發揮分布式發電、分布式儲能、微電網等資源的減排價值與靈活性價值,才能有效解決上述問題與矛盾。此外,在上海的商業建筑虛擬電廠項目、江蘇的“源網荷智能電網”系統的應用(實際上可視為一個大規模的促進新能源消納的虛擬電廠)以及冀北的虛擬電廠參與輔助服務市場的示范項目中,CVPP參與電力市場的運營模式也得到了很多寶貴的實地經驗。

追本溯源,無論是國內還是國外,VPP這一概念的出現以及各國在實踐中的探索,離不開供給側各類分布式可再生能源發電的大量發展,需求側各類可調負荷的大量出現以及儲能、電動汽車等資源的規?;l展,電網的供需平衡環境發生的變化對系統的運行方式變革提出了新的要求,即電網結構向清潔低碳轉型以及電網運行方式向源網荷儲靈活互動轉型,這是VPP在我國與歐美國家得以出現并逐步興起的共同背景。而另一方面,我國與歐美國家的不同之處卻在于,歐美國家的電力市場化改革已在VPP提出之前或同時期,得到了較完備的發展,其VPP的眾多實踐案例也表明了市場配置資源的開放競爭的環境是在一定意義上有利于VPP這一分布式能源聚合商的實踐落地的。而我國當前的電力市場化改革還面臨著諸多挑戰,如何在我國電力體制改革的實際背景中發展與應用VPP,實際上也是如何找到一條協調我國電力市場化進程與能源轉型的“中國特色道路”的一個交切面所在。但毋庸置疑的是,VPP作為一種能有效提高能源使用效率,優化可再生能源消納、實現大量分布式能源的可靠接入與靈活控制的有效市場手段,未來在我國能源清潔低碳高效轉型與電力體制改革中,必將得到更多的理論發展與實踐應用,給出更多“中國特色”的VPP成功案例。

 

《走近虛擬電廠》

虛擬電廠是滿足能源需求的智慧手段,是能源加速轉型的抓手和希望。我國虛擬電廠建設基礎好,潛力大,但認識亟待提高,舉措尚需落地。本書集中了國內外多位專家的智慧,是國內第一次對虛擬電廠從實務角度全面引介的專業書籍,幫助讀者從起源和資源、內涵和外延、政策和市場、技術和商務、控制和優化、發展和展望等多個角度全方位理解虛擬電廠。

《走進虛擬電廠》一書中,全面分析了虛擬電廠三大資源以及它們的混合形式;首次提出并深度剖析了虛擬電廠發展的三個階段以及各階段中的典型成功案例和先進市場主體;從實操落地角度對5G技術和區塊鏈技術與虛擬電廠的有機結合進行了探究;對目前虛擬電廠建設存在的難點和問題提出了見解,對虛擬電廠發展前景進行了展望,提出了建設性建議。

《走進虛擬電廠》力戒生澀理論,注重從市場角度用通俗易懂的語言,對虛擬電廠進行抽絲剝繭的分析和介紹,注重理論與實踐的結合。既可供能源電力領域、政府和企事業單位對虛擬電廠感興趣的管理人員、研究人員、工程師和廣大從業者參考,也可作為高校本科生和研究生的輔助教材和參考書籍。

圖片

本文刊載于《中國電力企業管理》2020年10期,作者供職于華北電力大學

關鍵字:虛擬電廠

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