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安科瑞王丹丹acrel2021
摘 要:隨著新能源城市、光伏發電應用示范區等的發展，分布式電源高滲透率的情況逐漸凸顯，這給地區電網帶來了新的運營和管理問題。虛擬電廠以其創新的運營模式為此類問題提供了可行的解決方案，在分析虛擬電廠的概念、特征、結構、功能等的基礎上，重點圍繞虛擬電廠在分布式光伏發電應用示范區中的應用開展研究和討論，分析虛擬電廠的應用前景和先決條件，最后提出虛擬電廠未來發展應重點關注的問題，
關鍵詞:虛擬電廠；分布式光伏；應用前景；運營模式
0 引言
隨著電力體制改革的持續推進，電力市場將逐步建立和完善，未來的售電主體也將隨著配售電業務的逐步放開而日益多元化，新的政策不斷鼓勵分布式電源和微電網作為獨立的配售電市場主體，推動運營模式的創新與微電網所采取的就地應用為控制目標的方式不同，虛擬電廠作為分布式電源市場化運營的一種方式，利用其組織方式的靈活性，能更好地適應大規模分布式電源市場化運營的需要不管是從系統運行的角度還是從分布式電源的角度，都有組織分布式電源參與電力市場的需求，考慮目前分布式電源規模小、數量多，難以有效參與，虛擬電廠恰能為分布式電源參與市場提供一種可行途徑。
分布式光伏發電應用示范區作為較早開展分布式電源運營模式創新性探索的區域，開展虛擬電廠的運營模式創新和應用前景分析具有可行性和必要性。
1 虛擬電廠的概念和特征
1.1 虛擬電廠定義
目前，國際上對虛擬電廠的研究探索還處于初步階段，尚未形成虛擬電廠的統一定義。 由于國情網情的不同，各個國家、地區和組織對于虛擬電廠的界定不盡相同。歐洲虛擬電廠的概念和項目強調分布式電源的聚合，目的是以合同管理的方式，使得原本不能參與市場競價的小容量分布式電源參與市場競價。美國則重在需求側管理技術的應用，主要基于需求響應計劃發展而來，兼顧考慮可再生能源的利用，因此可控負荷占據主要成分。 我國對虛擬電廠的研究和應用起步較晚，研究內容涉及聚合模式、調度優化、市場機制、示范工程等的初步探索。
需要注意的是，目前各方關注的虛擬電廠和我國早期虛擬電廠的概念并不相同，我國早期所講的虛擬電廠項目均為“能效電廠"，即以節能措施降低用戶負荷，等同于“替代"同等規模的電廠，并沒有實際的電源，也不參與調度運行和電力交易。而目前各方關注的虛擬電廠主要是多種分布式電源的聚合，而非通過減少負荷形成的虛擬電源，將眾多的小型分布式電源虛擬成一個大型電源，更方便參與電力市場或者為電網提供輔助服務。
從目前國外關于虛擬電廠的概念來看，可分為狹義和廣義2種。 狹義的虛擬電廠是指通過統一的通信和控制平臺聚合在一起的一組電源( 含儲能) ，其以整體形式參與電網調度運行或電力市場交易。廣義的虛擬電廠不限于發電單元的聚合，還包括可控負荷和需求側響應技術，是跨越發電側和需求側界線的新型市場主體。虛擬電廠通常比獨立電源具有更好的技術經濟性能，能實現類似于傳統發電廠的功能和特性。
綜合各方對虛擬電廠的定義，可以發現，虛擬電廠對系統中電源的組成類型、容量和接入位置沒有嚴格限制，但均要求實現統一的控制和管理，具備整體參與電網調度運行或市場交易的權限和功能。 因此，本文對虛擬電廠定義如下:虛擬電廠是指由不同的小型電源、儲能或負荷聚合而成，具有統一協調和控制能力，以單個獨立電廠形式參與市場競爭或電網調度運行的整體。
1.2 虛擬電廠主要特征
從虛擬電廠的定義可以看出，虛擬電廠具備以下2個基本特征:一是可監控、易管理，即虛擬電廠對內應具備監控和管理分布式電源和負荷的功能和權限，這就要求虛擬電廠具有統一的監控管理平臺，同時聯結分布式電源和負荷的通信和控制接口；二是可調度、可交易，即虛擬電廠對外應具備參與電網調度運行和市場交易的功能和權限，可以通過多能互補方式降低可再生能源波動，改善配電網運行水平，或者通過聯合參與市場化競爭的方式獲取更高經濟效益。
虛擬電廠的特征與微電網既有聯系也有區別。一方面，虛擬電廠與微電網類似，也依賴于多能互補和協調控制，有時也借助于儲能和需求側管理實現整體的調節功能，并通過多方共同參與的市場機制獲得更好的經濟收益，同時也為電網提供更簡單有效的管理方式。 另一方面，虛擬電廠更傾向于市場定位，不要求其內部組成單元具有緊密的物理連接關系，只需要統一的運行控制和市場結算即可實現其整體功能，而微電網重點強調分布式電源的就地消納和電量平衡，因此微電網內部源儲荷和控制平臺在物理上是一個緊密聯系的整體，對外僅以公共連接點與電網發生功率交換。
2 虛擬電廠結構和功能
2.1 基本結構
虛擬電廠通過信息通信技術和中央協調控制技術，將相互分散的發電或者用電單元聯合成一個整體。虛擬電廠的內部單元可能是不可控的，如分布式光伏，但通過統一的監控調度，使得其整體外部特性類似于傳統發電機組，可參加電網的調度和電力市場的競爭。
虛擬電廠作為分布式電源(含儲能)參與調度運行和市場交易的主體，必須兼備自我管理和監控的能力，同時具備調度和交易執行功能， 虛擬電廠的構成大體可分為以下3個部分。
（1）采集和通信單元，采集通信單元可以采集發電或用電單元信息，并且能夠將所采集的信息發送至控制單元。
（2）中央控制單元，中央控制單元需要能夠接受發電單元發送的信息，并進行信息匯總和決策分析，能量管理系統(energy management system，EMS)是中央控制單元的核心，通常具備發電管理、發電與負荷預測、電力數據采集和管理等功能。
（3）通信網絡，通信網絡確保中央控制單元和硬件聯絡單元信息交互的安全和通暢。
2.2 主要功能
虛擬電廠通過提供一系列的功能，增強分布式電源、儲能和負荷參與系統運行和市場交易的能力。
在系統運行方面，虛擬電廠可通過預測大型光伏或混合新能源發電廠中參與系統平衡的發電量，以提供調峰調頻、電壓控制等輔助服務的方式幫助實現系統平衡。
在市場交易方面，虛擬電廠可在能源批發市場中進行交易，平衡交易的投資組合，以及向系統運營者提供服務。
3 虛擬電廠應用
3.1虛擬電廠在光伏示范區的應用前景
虛擬電廠概念的引入既為分布式光伏發電應用示范區提供了一種經營模式創新方案，分布式光伏發電示范區也為虛擬電廠提供了探索應用的平臺，兩者相互融合發展。
虛擬電廠符合分布式光伏發電應用示范區經營模式創新需求。 經營模式創新需求來自外部的政策推動力和內部的經營管理要求。 在政策推動力方面，示范區光伏發展模式具有示范意義，未來會對分布式光伏發展模式、投融資模式及專業化服務模式創新提出更高要求，對傳統分布式光伏運營模式產生持續的影響甚至變革。 在經營管理需求方面，示范區內分布式光伏的規劃建設規模較大，容易造成局部光伏滲透率過高的情況，對分布式光伏的監控和運行管理提出了更高的要求，未來需要建立與高滲透率光伏接入配電網相適應的監控管理平臺。
虛擬電廠與分布式光伏發電應用示范區的經營模式創新需求契合。 首先，虛擬電廠具備分布式電源的綜合監控和管理功能，滿足示范區對高滲透率分布式光伏的管理要求。 虛擬電廠具備統一的中央控制單元和分布式電源監控平臺，有助于推進分布式光伏監控和管理的標準化，提升示范區的分布式電源管理水平。 與微電網相比，虛擬電廠更側重經營的概念，適合于對數量較多、容量較小又相對獨立的分布式電源進行管理。 其次，虛擬電廠利用市場調節機制，充分挖掘分布式光伏發電的商品屬性，有利于分布式光伏的健康發展。 虛擬電廠通過價格機制對分布式電源進行間接管理而非直接控制，更符合當前電網企業
與分布式電源業主相對獨立的角色定位，同時有效減輕了配網運行人員對分布式電源統一監控的負擔。隨著未來能源互聯網概念的推廣，虛擬電廠將具有更為廣闊的應用前景，電力這一特殊的商品形式將借助虛擬電廠在更廣泛的空間內參與靈活的市場交易。最后，虛擬電廠能推動新技術的發展和應用，探索未來高滲透率分布式光伏的發展路徑。虛擬電廠有助于建立和推進各項負荷側技術的發展，包括儲能技術和需求側控制技術等，有助于建立和健全大規模分布式光伏和電網的全網規劃和協調管理機制，探索未來可能的配電網適應大規模分布式光伏發展的新模式、新方法。
同時，分布式光伏發電示范區也為虛擬電廠提供了理想的應用平臺。 目前虛擬電廠在我國的應用條件還不成熟，缺乏與之配套的管理模式和電力市場，產業設備基礎也較為薄弱。 首先，我國電力市場機制尚不成熟，缺乏激勵分布式電源參與電網運行的電價機制，導致分布式電源業主缺乏參與虛擬電廠的意愿。 其次，目前對分布式電源通訊和監控的要求較低，造成建設虛擬電廠的硬件基礎薄弱。 由于目前分布式電源規模較小，接入標準較低，基本不具備通訊和控制能力，隨著分布式電源規模提升未來可能影響到配電網的安全運行，同時也將制約分布式電源的進一步發展。
分布式光伏發電示范區的各項條件和政策為虛擬電廠的應用提供了可操作的空間，是虛擬電廠試點應用的理想平臺。 在政策層面，示范區內鼓勵探索分布式光伏發電區域電力交易試點，允許分布式光伏發電項目向同一變電臺區的符合政策和條件的電力用戶直接售電，為運營模式的創新提供了寬松的政策環境。在技術層面，示范區所在地區通常經濟較為發達，具有密集的工商業負荷和堅強的電網支撐，建立市場交易機制的條件良好。 這些政策和條件為虛擬電廠進行區域性的電力交易鋪平了道路，因此，示范區無疑是虛擬電廠試點應用的理想平臺。 未來應在此平臺上發揮虛擬電廠在分布式電源組織協調方面的作用，調動分布式電源業主參與虛擬電廠的積極性。
3.2 示范區開展虛擬電廠應用的先決條件
虛擬電廠的基本特點是多源互補的協調控制和市場化的經營管理模式，前者是技術基礎，后者是市場基礎，這也是分布式光伏發電應用示范區參與虛擬電廠需要滿足的2個先決條件。
在市場機制方面，虛擬電廠的商業價值是吸引分布式光伏示范區參與的前提，離不開電力市場的完善機制，只有靈活的市場才能將虛擬電廠可調可控的技術優勢轉化為經濟效益。
需要建立靈活電價機制鼓勵分布式電源參與電網調度運行，并由政府主導虛擬電廠的實施。 在充分市場化的條件下，將分布式光伏發電應用示范區作為虛擬電廠運營，使示范區內的發電和用電效益實現優化，從而以市場化手段獲得電網企業和示范區內業主及用戶的雙贏格局，有利于探索分布式電源更為科學合理的發展模式。
在技術方面，需要具備與分布式光伏互補協調的可控單元( 儲能、燃氣輪機等) ，并通過統一的通訊和監控平臺，才能實現虛擬電廠的基本功能。
分布式光伏的通訊和控制應滿足接入虛擬電廠中央控制單元的基本要求。 虛擬電廠中的可控單元既可以是傳統的分布式電源，也可以是儲能和需求側管理。為滿足虛擬電廠對分布式電源等的統一調控，需要各分布式電源自身具備一定的通訊和控制能力，通過標準化的接口接入虛擬電廠中央控制平臺，實現虛擬電廠對分布式電源運行工況、運行狀態信息( 包括電壓、電流、有功功率、無功功率) 的采集和監控。為此，需要在分布式電源的接入位置增加相應的監控端，將分布式電源監測量實時上傳至主站，以實現分布式電源的全面監測、控制和調度。
4 虛擬電廠需要關注的問題
考慮我國電力體制現狀和未來改革推進路徑，虛擬電廠研究和應用需要關注如下幾個問題，并需要開展深入的研究。
（1）主體準入條件問題。虛擬電廠的建設主體還不明確，各方如何參與也有待研究。 由于目前電網企業不具有分布式電源建設和運營職能，成為虛擬電廠的建設主體存在困難，但仍可積極參與虛擬電廠的目標設定和體系管理，通過電價激勵等措施調動虛擬電廠為分布式電源管理和電網協調運行服務。
（2）準許范圍和責任問題。 結合我國電力發展現狀，合理定位虛擬電廠的范圍及職能。 盡管虛擬電廠能夠代表不同分布式電源業主的需求并能夠為系統提供多種服務，但在我國電力市場并不完善的情況下，為避免管理和調度混亂，應當合理規劃虛擬電廠的范圍和職能，如在城區等負荷密集地區以可控負荷構成虛擬電廠，作為系統備用，或削減高峰用電；在鄉村或郊區，以大規模分布式電源、儲能等構成虛擬電廠，實現對系統的穩定和持續供電。
（3）定位問題。應明確虛擬電廠和微電網的發展定位。與微電網不同，虛擬電廠立足于市場機制，對實際電網接入點的管理約束較弱，緩解分布式光伏接入對局部配電網影響的作用不明顯。因此，虛擬電廠不是解決分布式光伏并網影響的技術路徑，但可作為加強分布式光伏運營管理的一種措施。與傳統的分布式光伏管理模式相比，虛擬電廠具有更完善的監控和調節能力，具有更加平穩的外部特性和更加通用的控制平臺，適應未來配電網對高滲透率分布式光伏的統一管理要求。
（4）配套政策問題。 應制定電價激勵政策，加大宣傳力度，鼓勵用戶積極參與虛擬電廠。 虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念，用戶及分布式電源所有者對其知之甚少。 然而，虛擬電廠的實施需要用戶及大量分布式電源的支持，這就要求相關部門積極宣傳參
與虛擬電廠的益處，并制定一系列的市場激勵機制，從而在不同地區建立虛擬電廠試點項目。
（5）管理機制問題。 國外虛擬電廠一般由獨立的第三方對分布式電源進行統一協調和管理，并在電力交易平臺上進行操作。 我國現有政策不鼓勵電網企業參與電源投資和運營，需要與政府溝通，由政府主導、系統調度機構和供電公司負責實施的虛擬電廠運營管理方案，積極培育參與虛擬電廠運營管理的專業機構。因此，需要積極探索虛擬電廠在我國應用的可行方案，充分借鑒國外經驗，實施有效的管理模式和試點工程。
5.1安科瑞智慧能源管理平臺
AcrelEMS 智慧能源管理平臺是針對企業微電網的能效管理平臺，對企業微電網分布式電源、市政電源、儲能系統、充電設施以及各類交直流負荷的運行狀態實時監視、智能預測、動態調配，優化策略，診斷告警，可調度源荷有序互動、能源全景分析，滿足企業微電網能效管理數字化、安全分析智能化、調整控制動態化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲充資源之間的靈活互動與經濟運行，為用戶降低能源成本，提高微電網運行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺可以接受虛擬電廠的調度指令和需求響應，是虛擬電廠平臺的企業級子系統。
圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺主界面
5.2平臺結構
系統覆蓋企業微電網“源-網-荷-儲-充"各環節，通過智能網關采集測控裝置、光伏、儲能、充電樁、常規負荷數據，根據負荷變化和電網調度進行優化控制，促進新能源消納的同時降低對電網的至大需量，使之運行安全。
圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺結構
5.3平臺功能
5.3.1.能源數字化展示
通過展示大屏實時顯示市電、光伏、風電、儲能、充電樁以及其它負荷數據，快速了解能源運行情況。
5.3.2.優化控制
直觀顯示能源生產及流向，包括市電、光伏、儲能充電及消耗過程，通過優化控制儲能和可控負載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統出力，并顯示優化前和優化后能源曲線對比等。
5.3.3.智能預測
結合氣象數據，歷史數據對光伏、風力發電功率和負荷功率進行預測，并與實際功率進行對比分析，通過儲能系統和負荷控制實現優化調度，降低需量和用電成本。
5.3.4.能耗分析
采集企業電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質消耗量，進行同環比比較，顯示能源流向，能耗對標，并折算標煤或碳排放等。
5.3.5.有序充電
系統支持接入交直流充電樁，并根據企業負荷和變壓器容量，并和變壓器負荷率進行聯動控制，引導用戶有序充電，保障企業微電網運行安全。
5.3.6.運維巡檢
系統支持任務管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過北斗定位跟蹤運維人員軌跡，實現運維流程閉環管理。
5.4設備選型
除了智慧能源管理平臺外，還具備現場傳感器、智能網關等設備，組成了完整的“云-邊-端"能源數字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置、電能質量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類解決方案等，可以為虛擬電廠企業級的能源管理系統提供一站式服務能力。
6結論
虛擬電廠為分布式光伏發電應用示范區提供了一種經營模式創新方案，示范區則為虛擬電廠提供了探索應用的平臺。 未來應關注虛擬電廠的主體準入條件等問題。
一方面，虛擬電廠符合分布式光伏發電應用示范區經營模式創新需求。經營模式創新需求來自外部的政策推動力和內部的經營管理要求，虛擬電廠與分布式光伏發電應用示范區的經營模式創新需求契合。另一方面，分布式光伏發電示范區為虛擬電廠提供了理想的應用平臺，有必要對其未來發展前景展開研究。 目前虛擬電廠在我國的應用條件還不成熟，缺乏與之配套的管理模式和電力市場，產業設備基礎也較為薄弱。示范區的各項條件和政策為虛擬電廠的應用提供了可操作的空間，是虛擬電廠試點應用的理想平臺。未來發展應從虛擬電廠的市場條件和技術條件著手分析其應用前景，對主體準入條件、準許范圍和責任等問題展開研究。
考慮示范區建設規模的不斷加大，以及示范區本身的示范作用，未來配電網中將出現更為復雜多樣的商業模式和運營情況。在電力體制改革推進的外部環境下，以及項目業主希望通過轉供電、參與市場而獲得更高收益的內部需求來看，未來將出現多種形式的商業運營模式創新，對電網運營帶來較大影響，需要開展前瞻性研究。針對虛擬電廠，需要明確其主體準入條件、準許范圍和責任、定位，研究其配套政策和管理機制。
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