虚拟电厂的概念与发展探讨 虚拟电厂这一术语源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作虚拟公共设施:新兴产业的描述、技术及竞争力一书中对虚拟公共设施的定义如下:虚拟公共设施是独立且以市场为驱动的实体之间的一种灵活合作,这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要的高效电能服务。正如虚拟公共设施利用新兴技术提供以消费者为导向的电能服务一样,虚拟电厂并未改变每个DG并网的方式,而是通过先进的控制、计量、通信等技术聚合DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的分布式能源(distributedenergyresources,DER),并通过更高层面的软件构架实现多个DER的协调优化运行,更有利于资源的合理优化配置及利用11,13灢15。虚拟电厂的概念更多强调的是对外呈现的功能和效果,更新运营理念并产生社会经济效益,其基本的应用场景是电力市场。这种方法无需对电网进行改造而能够聚合DER对公网稳定输电,并提供快速响应的辅助服务,成为DER加入电力市场的有效方法,降低了其在市场中孤独运行的失衡风险,可以获得规模经济的效益。同时,DER的可视化及虚拟电厂的协调控制优化大大减小了以往DER并网对公网造成的冲击,降低了DG增长带来的调度难度,使配电管理更趋于合理有序,提高了系统运行的稳定性。 虚拟电厂的定义 目前,从整个世界范围来看,虚拟电厂的研究和实施主要集中于欧洲和北美。根据派克研究公司(PikeResearch)公布的数据,截至2009年底,全球虚拟电厂总容量为19.4GW,其中欧洲占51%,美国占44%;截至2011年底,全球虚拟电厂总容量增至55.6GW11。然而,欧洲与美国虚拟电厂的应用形式有着显著的不同,欧洲各国的虚拟电厂亦各具特色。欧洲现已实施的虚拟电厂项目13,16灢19,如欧盟虚拟燃料电池电厂(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)项目、荷兰基于功率匹配器的虚拟电厂项目、欧盟FENIX(flexibleelectricitynetworktointegrateexpected)项目以及德国专业型虚拟电厂(professionalVPP,ProViPP)试点项目,主要针对实现DG可靠并网和电力市场运营的目标考虑而来,DG占据DER的主要成分;而美国的虚拟电厂主要基于需求响应计划发展而来,兼顾考虑可再生能源的利用,因此可控负荷占据主要成分。因此,尽管虚拟电厂的概念已提出十余年之久,但对于虚拟电厂的框架尚无统一的定义20。 在文献11中,虚拟电厂被定义为依赖于软件系统远程、自动分配和优化发电、需求响应和储能资源的能源互联网;在文献21中,虚拟电厂被定义为与自治微网相同的网络;在文献22灢23中,虚拟电厂被定义为众多连接于低压配电网络的热电联产发电机组的组合;在文献24中,虚拟电厂被定义为不同类型的分散在中压配电网不同节点的DER的集合;在文献25中,虚拟电厂被定义为一个多技术和多站点异质实体;在文献26中,虚拟电厂由可接于配电网络任意节点的具有丰富操作模式和可用性的一系列技术组成;在文献27中,虚拟电厂被定义为以直接集中控制方式聚合可控分布式能源(controllabledistributedenergy,CDE)单位或主动用户网(activecustomernetworks,ACN)的信息通信系统。 欧洲FENIX项目将虚拟电厂的概念(如图1所示)定义为:虚拟电厂聚合众多不同容量的DER,通过综合表征每一DER的参数建立整体的运行模式,并能够包含聚合DER输出的网络影响。虚拟电厂是DER投资组合的一种灵活表现,可以在电力市场签订合同并为系统操作员提供各种服务19。图1中:G表示机组;L表示负荷。 综合看来,虚拟电厂概念的核心可以总结为通信和聚合。虚拟电厂可认为是通过先进信息通信技术和软件系统,实现DG、储能系统、可控负荷、电动汽车等DER的聚合和协调优化,以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统。 目前,国内有些文献将能效电厂称之为虚拟电厂,这与文中所述虚拟电厂的概念有所不同,但二者都属于广义上的虚拟电厂。能效电厂是指通过采用高效用电设备和产品、优化用电方式等途径,形成某个地区、行业或企业节电改造计划的一揽子行动方案,降低用电负荷,等效产生富余电能,从而达到与实际电厂异曲同工的效果28灢30。可以看出,能效电厂的实现形式在于需求侧的有效节电,而虚拟电厂的实现形式在于电源侧有效分配和管理DG发电、储能充放电和可控负荷。 虚拟电厂与微网的区别 虚拟电厂和微网是目前实现DG并网最具创造力和吸引力的2种形式5。对于微网的定义,国内一般认为:微网是指由DG、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行6灢7。微网技术的提出旨在解决DG并网运行时的主要问题,同时由于它具备一定的能量管理功能,并尽可能维持功率的局部优化与平衡,可有效降低系统运行人员的调度难度7。实际上,尽管虚拟电厂和微网都是基于考虑解决DG及其他元件整合并网问题范畴,但二者仍有诸多区别。 1)设计理念。微网采用自下而上的设计理念,强调自治,即以DG与用户就地应用为主要控制目标,实现网络正常时的并网运行以及网络发生扰动或故障时的孤岛运行。而虚拟电厂的概念强调参与,即吸引并聚合各种DER参与电网调度和电力市场交易,优化DER组合以满足电力系统或市场要求为主要控制目标,强调对外呈现的功能和效果。 2)构成条件。微网的构成依赖于元件(DG、储能、负荷、电力线路等)的整合,由于电网拓展的成本昂贵,因此微网主要整合地理位置上接近的DG,无法包含相对偏远和孤立的分布式发电设施。虚拟电厂的构成则依赖于软件和技术:其辖域(聚合)范围以及与市场的交互取决于通信的覆盖范围及可靠性;辖域内各DER的参数采集与状态监控取决于智能计量(smartmetering)系统的应用;DER的优化组合由中央控制或信息代理单元进行协调、处理及决策。因此,引入虚拟电厂的概念不必对原有电网进行拓展,而能够聚合微网所辖范围之外的DG。 3)运行模式。微网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,通过公共耦合开关,微网既可运行于并网模式,又可运行于孤岛模式。而虚拟电厂始终与公网相连,即只运行于并网模式。 4)运行特性。微网的运行特性包含2个方面的含义,即孤岛运行时配电网自身的运行特性以及并网运行时与外部系统的相互作用9灢10。而虚拟电厂作为聚合能量资源构成的特殊电厂,其与系统相互作用的要求比微网更为严格,可用常规电厂的统计数据和运行特性来衡量虚拟电厂的效用,如:有功/无功负载能力、出力计划、爬坡速度、备用容量、响应特性和运行成本特性等26;其辖域内配电网的运行特性则由配电电系统操作员(distributionsystemoperator,DSO)进行衡量。#p#分页标题#e# 虚拟电厂的关键技术 1.协调控制技术 虚拟电厂的控制对象主要包括各种DG、储能系统、可控负荷以及电动汽车。由于虚拟电厂的概念强调对外呈现的功能和效果,因此,聚合多样化的DER实现对系统高要求的电能输出是虚拟电厂协调控制的重点和难点。实际上,一些可再生能源发电站(如风力发电站和光伏发电站)具有间歇性或随机性以及存在预测误差等特点,因此,将其大规模并网必须考虑不确定性的影响。这就要求储能系统、可分配发电机组、可控负荷与之合理配合,以保证电能质量并提高发电经济性。为实现上述目标,文献36指出通常规划入虚拟电厂的DG一般由若干可再生能源发电站和至少一座传统能源发电站构成,并建立了线性规划优化分配模型;文献33则认为虚拟电厂可由若干可再生能源发电站组成,但其中至少一座电站需完全可控,并建立了基于加速粒子群算法的优化分配模型;文献34将区域风力发电机组和常规水、火电机组及储能设备聚合为虚拟电厂,建立虚拟电厂数据模型,并采用实际电网运行数据验证了方案的可行性;文献35研究了小型核反应堆与沿海风电场以虚拟电厂形式聚合后风电的波动问题;文献36研究了高风电渗透率电力系统中聚合需求响应资源的优化运行问题。 此外,对于不具有不确定性的DER聚合,文献37基于热电联产发电系统和储能装置建立混合整数优化模型,并基于CPLEX软件进行了仿真;文献38针对虚拟电厂优化的多目标问题提出了加权多目标协同管理方法;文献39提出了聚合居民热控负荷的控制模型;文献40对由电动汽车、可控负荷和联合发电系统以虚拟电厂方式聚合管理以提供负荷频率控制功能进行了研究;文献41提出了基于虚拟电厂的直接负荷控制模型并进行了实地测试;文献42灢44提出了考虑用户舒适约束的聚合家居温控负荷的控制策略和维持电压稳定性、提供系统旋转备用辅助的虚拟电厂模型;文献45灢47考虑将上述虚拟电厂模型应用到风电场有功调度、配用电侧可再生能源集成等领域;文献48灢49针对大规模电动汽车作为储能系统以虚拟电厂形式调度管理并参与电力市场的问题进行了研究;文献50基于系统工程理论提出了虚拟电厂系统的概念,并在随后的虚拟电厂试点实验中测试了平衡功能。 虚拟电厂的控制结构主要分为集中和分散控制。在集中控制结构下,虚拟电厂的全部决策由中央控制单元控制协调中心(controlcoordinationcenter,CCC)制定。如图2所示38,虚拟电厂中的每一部分均通过通信技术与CCC相互联系,CCC多采用能量管理系统(energymanagementsystem,EMS),其主要职责是协调机端潮流、可控负荷和储能系统。图中:ICT表示信息通信技术。 EMS根据其优化目标进行工作,其优化目标包括:发电成本最小化、温室气体排放量最小化、收益最大化等51。为达到上述优化目标,EMS需要接收每一单位的状态信息并据此作出预测,尤其对于可再生能源发电机组,如风力发电和光伏发电机组。此外,电网中可能发生阻塞问题的信息在虚拟电厂运行的优化过程中也起到至关重要的作用。根据接收到的信息,EMS可以选择最佳解决方案,优化电网运行52。集中控制结构最易于实现虚拟电厂最优运行,但扩展性和兼容性受到一定的限制。 在分散控制结构中,决策权完全下放到各DG,且其中心控制器由信息交换代理取代,如图3所示。信息交换代理只向该控制结构下的DER提供有价值的服务,如市场价格信号、天气预报和数据采集等。由于依靠即插即用能力,因而分散控制结构比集中控制结构具有更好的扩展性和开放性。 2.智能计量技术 智能计量技术是虚拟电厂的一个重要组成部分,是实现虚拟电厂对DG和可控负荷等监测和控制的重要基础。智能计量系统最基本的作用是自动测量和读取用户住宅内的电、气、热、水的消耗量或生产量,即自动抄表(automatedmeteredreading,AMR),以此为虚拟电厂提供电源和需求侧的实时信息。作为AMR的发展,自动计量管理(automaticmetermanagement,AMM)和高级计量体系(advancedmeteringinfrastructure,AMI)能够远程测量实时用户信息,合理管理数据,并将其发送给相关各方。对于用户而言,所有的计量数据都可通过用户室内网(homeareanetwork,HAN)在电脑上显示。因此,用户能够直观地看到自己消费或生产的电能以及相应费用等信息,以此采取合理的调节措施。 3.信息通信技术 虚拟电厂采用双向通信技术,它不仅能够接收每一单元的当前状态信息,而且能够向控制目标发送控制信号