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虚拟电厂的基本结构与运行控制方案概述

时间:2021-03-25 11:28

  随着包括分布式电源(Distributional Generator,DG),储能装置,电动汽车,可调节负荷等在内的各类分布式能源(Distributional Energy Resources,DER)的逐步规模化接入电网,在增强了系统的运行经济性、灵活性与环保性的同时,各类DER自身的波动性与不确定性也对系统的灵活运行提出了新的要求。在这样的背景下,虚拟电厂这一概念的出现,无疑为高比例DER大规模接入电网提供了一种崭新的思想,即可通过区域性多能源聚合的方式,来实现对大量DER的灵活控制,从而在保证电网的安全稳定运行的基础上,最大化各类DER对于增强系统源网荷储侧互动的独特优势。

  如图1所示,VPP的出现打破了传统电力系统中物理概念上的发电厂之间、发电侧和用电侧之间的界限,可同时聚合区域内不同类型的DG以及源荷侧的可控资源。从技术层面讲,虚拟电厂并未对系统中分布式能源并网的方式进行实质性的改变,而是通过先进的控制、计量、通信手段对分布式电源、可控负荷、储能系统、电动汽车等不同类型的分布式电源进行聚合,使其能够以一个“集合体”的形式参与各类电力市场交易。因此,VPP的核心手段是“通信”和“聚合”。

  综上,VPP不应被狭义地定义为各类分布式资源的集合体,而是基于“通信”和“聚合”的思想,把分散在四处、与不同层级的电网相连的分布式新能源电站、热电联产(combined heat and power,贵州快3。CHP)系统、可控负荷和储能装置等设备集合起来,通过能量管理系统(energy management system,EMS)的协调优化控制完成市场运营,在实现电能交易的同时优化资源利用、提高供电可靠性的一种综合体,其内部结构如图2所示。

  其中,发电侧的分布式能源实际上可分为自用型(domestic distributed generation,DDG)和公用型(public distributed generation,PDG)两类。DDG的首要任务是满足其自身的负荷需求,在有多余发电能力的情况下,才考率把多余的电能输入电网参与市场交易,典型的DDG系统主要是一些小型的分布式电源,如屋顶建筑光伏,为个人住宅、商业负荷等提供自用服务;PDG的主要任务则是将自身所生产的电能输送到电网,其运营目的就是参与电力市场出售所生产的电能,典型的PDG系统主要包含风电、光伏等新能源电站。能量存储系统既可以来源于电源侧及负荷侧的自身配备,也可以是独立的能量存储单元的集合,主要功能是平抑可再生能源和负荷侧的出力波动,提升聚合区域的整体运行灵活性;通信系统是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控,以及与电力系统调度中心通信的重要环节,可使得虚拟电厂的管理更加可视化,便于电网对虚拟电厂进行监控管理。

  前面已经提到,虚拟电厂可以将区域内的各类分布式能源聚合后接入电网,在这一载体下,个体DER可以获得能源市场的准入并从VPP得到相关市场的实时信息。另一方面,VPP使其所属的各类DER对系统运营商可见,向电网提供了一种可用于电力网络主动控制与响应的聚合资源,在市场运行中与输电网与配电网一起实现分层的需求上报与价格激励信息交互,如图3所示。

  而在实际运行中,VPP会从描述各DER的参数组合中创建一个操作配置文件,这个文件也正是VPP的核心信息,换而言之,VPP是可用于参与例如在批发市场中签订合同等电力交易,以及可以向系统运营商提供管理与辅助服务的DER组合信息的灵活表示。基于这一理解,我们可以按照对外体现的功能不同,又可将VPP分为两种类型:商业型虚拟电厂(Commercial VPP,CVPP)和技术型虚拟电厂(Technical VPP,TVPP),它们在VPP运行中的具体分工、与TSO、DSO的协作关系及参与市场的流程如图4所示。

  下面分别介绍CVPP与TVPP的基本特点、功能以及运营商主体的有关情况。

  CVPP的关注焦点在于最大化其内部各类DER用户的综合收益,即主要考虑商业收益,而一般不考虑配电网的影响。对于各类DER的投资组合而言,这种通过资源整合并统一调度控制参与市场的方式,一方面降低了单个DER参与市场的不平衡风险,并通过聚合实现了资源多样性及增加了整体容量,另一方面通过CVPP的聚合模式,各DER主体还可以从规模经济和市场信息中获得额外收益。基于上述特点,参与CVPP业务的运营商可以是任何第三方独立企业、能源供应商或新的市场进入者。最后,在聚合DER资源的地理位置方面,在分布式能源的投资组合不受所处地理约束的市场环境下,CVPP可以代表系统中任何地理位置的DER,而即便在对参与分布式能源地理位置有限制的市场中,例如要求均位于某一配电网区域或输电网节点,CVPP仍然可以表示来自不同位置的DER,只是DER的聚合必须按位置进行,从而产生一组由地理位置决定的DER组合序列。

  TVPP则首先一般由分布在同一地理位置的分布式资源组成,其关注的重点在于为系统运行提供服务,主要功能包括为DSO提供本地系统管理以及为TSO提供系统平衡和辅助服务。显然,TVPP的运营商需要有本地网络的详细信息,因此本地的DSO往往作为TVPP运营商主体的不二选择。同样地,TVPP也可通过一个聚合的配置文件来表示各DER成本和运行特性,但不同的是需要考虑局部配网对各DER组合出力的约束,TVPP聚合并模拟了一个包含分布式发电、可控负荷等DER和单一地理电网区域内网络的系统的响应特性,本质上提供了对配网子系统的运行描述。

  在总体上,VPP的控制整体结构可以分为集中控制、集散控制和分散控制三类。在集中控制结构中,由控制中心掌握所有发电或用电单元的全部信息,并对每一个单元制定的发电或用电方案拥有完全控制权;在集散控制结构中,虚拟发电厂被分为总控制中心和本地控制中心两个层级。总控制中心只负责将任务分解并分配到各本地控制中心,由各本地控制中心负责制定辖区内各单元的发电或用电方案,而总控制中心则将工作重心转移到依据用户需求和市场规则的能量优化调度方面;在完全分散控制结构中,虚拟电厂控制协调中心由数据交换与处理中心代替,而虚拟电厂也被划分为相互独立的自治的智能子单元,这些子单元不受数据交换与处理中心控制,只是接受相关信息并对自身运行状态独立地进行优化控制。

  商业型虚拟电厂。如图5所示,在CVPP的实际运行中,每个DER主体都需要首先上报其运行参数、边际成本等信息,一般可由CVPP安装在这些DER处的终端装置完成信息采集,这些DER的输入信息同市场分析、地方数据等其他输入信息一起汇集到单一的虚拟电厂中创建配置文件,每个文件都代表了一个DER实时组合的运行描述。随着CVPP获取的市场交易信息不断增加,CVPP将逐步完成在远期合同市场、期货市场、电能量市场及辅助服务市场的投资组合方案的优选并实时评估各类DER聚合后参与相关交易的能力,最后CVPP将向电力交易中心提交相关的订单合同和相应的投标报价的信息,而CVPP组合方案中的各DER则需要向TVPP提交发电计划、运行成本等参数信息以供完成后续调整。

  技术型虚拟电厂。如图6所示,DER投资组合方案的实时运行信息通过在该地区运行的各种CVPP传递给TVPP后,TVPP会将把这些信息与本地的网络信息(如拓扑、配网约束、网络实时状态等)结合起来,从而最终建立描述与上级输电网连接的本地配电网区域内各DER运行特性的配置文件。这一文件可以用来为DSO和TSO提供一系列的系统运行服务,如实时平衡,频率和电压支持,电网阻塞管理等。通过这种方式,TVPP就可以从本地配网区域内的各类DER聚合后的灵活运行中获益,为输电网中的其他电源提供辅助服务。

  上面已经提到,VPP由于聚合了供需侧的各类DER,可以参与包括电能量市场、辅助服务市场等在内的各类电力市场交易。本节仅以VPP参与电能量市场为例,对VPP参与市场的竞价交易过程以及与各市场主体之间的协调关系进行介绍。

  考虑在发电侧和用户侧双边开放的集中式电力市场,交易均按统一出清价结算。我们知道,VPP内既有发电资源又有需求侧资源,因而在每个交易时段,VPP都可以同时参与发电侧市场与售电侧市场来竞价交易。基于VPP的容量限制,VPP可视为价格接受者,其报价不会影响到市场的最终出清电价,因此VPP就可根据预测的电力市场电价以及市场的历史数据,根据内部各DER的实时运行状态来合理设置在双边市场的竞标电量及报价。如图7所示,VPP参与的电力市场的竞标流程可分为计划、运行和结算三个阶段。

  计划阶段:在日前市场开启前,VPP主要根据各DER的历史运行情况,参与市场运营商组织的中长期市场,签订双边合同;

  运行阶段:日前市场开启时,VPP作为市场的价格接受者,需要根据内部DER运行的历史数据及市场的历史交易情况来确定下一交易日的竞标策略,并将最终的竞标电量及报价提交给市场运营商,市场运营商在日前市场关闭完成出清,次日,VPP需按照中标的电量及电价完成交易。而在日内市场中,由于实时电能量市场是逐时段开启的,VPP需要实时更新并重新预测其内部各DER的状态,重新制定并逐时段市场运营商提交参与现货市场的竞标电量及电价。在实时运行之前,市场运营商会根据最新的超短期负荷预测结果及电网运行信息对全网的发电资源重新进行集中优化,每隔一段时间滚动出清下一时段的实时中标电量和电价。

  结算阶段:由于实时电能量市场的出清结果与日前交易计划存在差异,在事后结算中,一般日前中标电量按照日前中标电价结算,而实时中标电量与日前中标电量的偏差按照实时中标电价结算。此外,在结算阶段的内部收益分配方面,VPP会把从DSO处获得的激励以及市场收益按照某种公平机制分配给每个做出贡献的DER。

  需要额外补充说明的是,在现行的交易过程中,由于配电网主要用于管理用户和发电资源的并网,所以DSO并不具有发电计划的审核的资格,而主要完成验证发电计划以及制定调度顺序的工作。在竞价过程中,VPP将DER发送的报价整合之后就会发送给市场运营商,在运行了出清程序之后,市场的出清结果会被发送给TSO以及对应的DSO。而另一方面,在市场运营者进行优化求解之前,DSO也会接收到VPP分解的投标信息并进行相关验证,只有符合要求的投标才有通过市场出清的机会。

  由于VPP首先在国外特别是欧美国家得到应用与实践,以上有关VPP的基本结构与分类、运行控制框架及参与电力市场的过程主要也基于一些国外成功的VPP项目,比如欧洲的FENIX项目。

  实际上,在我国进行VPP的相关试点工作之前,无论是在近年来我国微电网项目还是在增量配网项目的诸多实践中,与TVPP相近的运营模式已经得到了很多探索,其落地中遇到的许多问题,究其原因是缺乏合理的商业模式。显然,投资建设大量分布式可再生能源、规模化发展电动汽车的配套设施以及信息物理系统的建设等,都将在前期增加电力系统运行成本,只有进一步发挥分布式发电、分布式储能、微电网等资源的减排价值与灵活性价值,才能有效解决上述问题与矛盾。此外,在上海的商业建筑虚拟电厂项目、江苏的“源网荷智能电网”系统的应用(实际上可视为一个大规模的促进新能源消纳的虚拟电厂)以及冀北的虚拟电厂参与辅助服务市场的示范项目中,CVPP参与电力市场的运营模式也得到了很多宝贵的实地经验。

  追本溯源,无论是国内还是国外,VPP这一概念的出现以及各国在实践中的探索,离不开供给侧各类分布式可再生能源发电的大量发展,需求侧各类可调负荷的大量出现以及储能、电动汽车等资源的规模化发展,电网的供需平衡环境发生的变化对系统的运行方式变革提出了新的要求,即电网结构向清洁低碳转型以及电网运行方式向源网荷储灵活互动转型,这是VPP在我国与欧美国家得以出现并逐步兴起的共同背景。而另一方面,我国与欧美国家的不同之处却在于,欧美国家的电力市场化改革已在VPP提出之前或同时期,得到了较完备的发展,其VPP的众多实践案例也表明了市场配置资源的开放竞争的环境是在一定意义上有利于VPP这一分布式能源聚合商的实践落地的。而我国当前的电力市场化改革还面临着诸多挑战,如何在我国电力体制改革的实际背景中发展与应用VPP,实际上也是如何找到一条协调我国电力市场化进程与能源转型的“中国特色道路”的一个交切面所在。但毋庸置疑的是,VPP作为一种能有效提高能源使用效率,优化可再生能源消纳、实现大量分布式能源的可靠接入与灵活控制的有效市场手段,未来在我国能源清洁低碳高效转型与电力体制改革中,必将得到更多的理论发展与实践应用,给出更多“中国特色”的VPP成功案例。

  虚拟电厂是满足能源需求的智慧手段,是能源加速转型的抓手和希望。我国虚拟电厂建设基础好,潜力大,但认识亟待提高,举措尚需落地。本书集中了国内外多位专家的智慧,是国内第一次对虚拟电厂从实务角度全面引介的专业书籍,帮助读者从起源和资源、内涵和外延、政策和市场、技术和商务、控制和优化、发展和展望等多个角度全方位理解虚拟电厂。

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  《走进虚拟电厂》力戒生涩理论,注重从市场角度用通俗易懂的语言,对虚拟电厂进行抽丝剥茧的分析和介绍,注重理论与实践的结合。既可供能源电力领域、政府和企事业单位对虚拟电厂感兴趣的管理人员、研究人员、工程师和广大从业者参考,也可作为高校本科生和研究生的辅助教材和参考书籍。