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摘要：我國能源互聯(lián)網及微電網項目落地過程中遇到了諸多問題,究其原因是缺乏合理的商業(yè)模式。泛在電力物聯(lián)網建設背景下,高比例可再生能源、規(guī)?；妱悠囈约靶畔⑽锢硐到y(tǒng)的建設都將增加電力系統(tǒng)運行成本,這與降低用戶電價的目標相矛盾。只有通過發(fā)揮分布式發(fā)電、分布式儲能、微電網等資源的綠色價值與靈活性價值,才能有效解決上述問題與矛盾。虛擬電廠通過信息集成控制多類型柔性負荷,以實現(xiàn)能源高效利用,是解決上述問題的一種手段,也是一種支撐能源互聯(lián)網建設的可行商業(yè)模式。國際電工委員會虛擬電廠標準委員會由國網冀北電力有限公司負責組織,研究制定虛擬電廠國際標準。立足于虛擬電廠國際標準制定研究成果,首先提出虛擬電廠的定義,通過對比分析提煉總結虛擬電廠特性,并構建了虛擬電廠“批發(fā)-零售”兩級市場交易體系。再次,面向虛擬電廠調度特性及其市場交易要求,通過聚合、經濟、運營3個維度建立虛擬電廠協(xié)調優(yōu)化機理,并針對虛擬電廠商業(yè)模式經濟性進行測算;最后,對虛擬電廠未來發(fā)展進行了展望。
（來源：微信公眾號“電網技術” ID：dwjs1957 作者：王宣元等）
0 引言
現(xiàn)階段能源互聯(lián)網工程推進不順利,其原因是缺乏科學合理的電價機制與商業(yè)模式。自2016年2月以來,我國開始逐步推動能源互聯(lián)網建設,并先后在全國開展試點,建設效果未能滿足預期[1]。缺乏配套的商業(yè)模式使得各方資本在實際投資過程中缺乏積極性。能源互聯(lián)網是未來能源供需的必要形式,也是解決能源供需矛盾的重要途徑,有必要通過商業(yè)模式創(chuàng)新來推動我國能源互聯(lián)網建設發(fā)展[2-3]。
同時,分布式發(fā)電并網具有隨機性和波動性,分散式風電、分布式光伏等分布式可再生能源運行過程中的不確定性,不斷給電網的可靠運行帶來挑戰(zhàn),如潮流變化、線路擁塞、電壓閃變等[4]。通過建設本地供-需協(xié)調,就地平衡分布式可再生能源的波動性、隨機性的微電網(microgrid,MG)或主動式配電網,成為促進分布式能源利用的有效手段[5]。
另一方面,分布式并網成本相對較高,這與我國降低用戶用能成本的目標相矛盾?？紤]到分布式發(fā)電具有就地取材、就地消納的特點[6],同時有利于我國清潔低碳能源體系構建,有必要進行市場機制或商業(yè)模式創(chuàng)新促進分布式并網發(fā)電[7]。隨著電力市場不斷完善,通信控制技術的發(fā)展,一種可以擺脫區(qū)域范圍限制,在通信、控制、計算機等技術支撐下,通過電力市場利益驅動,協(xié)調分散式風電、分布式光伏等各類分布式能源(distributed energy resource,DER)波動,提高用戶側運行靈活性與友好型的虛擬電廠運營模式孕育而生[8-9]。
2019年1月,國家電網公司提出“三型兩網”發(fā)展戰(zhàn)略目標,建立智能電網與泛在電力物聯(lián)網有機聯(lián)合的國際一流能源互聯(lián)網企業(yè)。泛在電力物聯(lián)網建設背景強調建設各級電網協(xié)調發(fā)展、狀態(tài)全面感知、信息高效處理的堅強智能電網和泛在電力物聯(lián)網,發(fā)揮電網在能源匯集、傳輸、轉換中的樞紐作用,促進清潔低碳發(fā)展,促進供需對接,提高系統(tǒng)靈活性[10-11]。電力市場政策、機制以及技術的發(fā)展,將加速以風、光等可再生能源為代表的分布式電源、柔性負荷、儲能等DER的發(fā)展?？梢哉f,泛在電力物聯(lián)網的建設為能源互聯(lián)網構建提供了有力支撐,也為虛擬電廠建設與實施提供了技術驅動力[12]。只有通過泛在電力物聯(lián)網建設才能有效獲取終端設備數據,在此基礎上通過云計算、邊緣計算等技術進行數據分析,實現(xiàn)虛擬電廠交易及調度優(yōu)化。同時,虛擬電廠通過信息物理網絡連接分布式發(fā)電[13]、分布式儲能[14]、可控負荷[15]以及電動汽車[16-17]等柔性負荷,以實現(xiàn)負荷集成并向電力系統(tǒng)提供輔助服務,其調度及運營特性具有泛在電力物聯(lián)網基本特征。在一定程度上,虛擬電廠是泛在電力物聯(lián)網的具體形式和基本單元。
2018年3月,由國網冀北電力有限公司主導的IEC虛擬電廠《用例》國際標準成功立項,成為IEC在虛擬電廠領域立項的首批國際標準,將對我國虛擬電廠建設具有重要的指導意義。
國家電網公司選取冀北、上海等地開展虛擬電廠項目示范,示范項目將在2019年年底落地實施。示范項目實施不僅依賴于物理層、信息層建設,也需要進行虛擬電廠商業(yè)模式設計。目前,示范項目落地亟待解決其商業(yè)模式,從而形成成熟的虛擬電廠運營體系[18]。
鑒于此,本文基于虛擬電廠標準制定工作成果,在對現(xiàn)有工作進行總結的基礎上提出虛擬電廠的定義,通過對比分析研究虛擬電廠特性。在此基礎上,提出了虛擬電廠批發(fā)、零售兩級市場的商業(yè)模式與典型交易組織模式。隨后,根據虛擬電廠參與市場交易的基本要求,提出了聚合、激勵、運營3個階段有機聯(lián)合的虛擬電廠協(xié)調優(yōu)化激勵。最后,結合我國泛在電力物聯(lián)網建設和電力市場建設方向,給出了虛擬電廠發(fā)展建議。本文研究成果可為冀北虛擬電廠應用示范提供指導,為泛在電力物聯(lián)網背景下我國虛擬電廠建設發(fā)展提供借鑒。
1 虛擬電廠的定義及特性
1.1 虛擬電廠的定義
虛擬電廠在聚合規(guī)模效益驅動下,利用通信、控制、計算機等技術將獨立的DER聚合統(tǒng)一參與電力市場,利用電力市場加強電力系統(tǒng)供應側與需求側之前的協(xié)調互動,加強新能源與系統(tǒng)間的相互容納能力。
虛擬電廠這一概念已提出十余年[19],在歐洲、北美已經有荷蘭功率匹配器[20]、FENIX[21]等虛擬電廠示范應用項目,對虛擬電廠的定義、功能也有不同形式的描述。國內虛擬電廠尚初起步階段,尚未根據具體工程形成虛擬電廠整體定義[18]。
基于國內外研究基礎及虛擬電廠國際標準制定工作成果,本文將虛擬電廠內在驅動力描述為：以電力市場配置電力資源運行為驅動,通過協(xié)調、優(yōu)化和控制由分布式電源、儲能、智慧社區(qū)、可控工商業(yè)負荷等柔性負荷聚合而成的分布式能源集群,并作為一個整體參與電力市場交易及輔助電力系統(tǒng)運行安全,同時提供調峰、調頻、緊急控制等輔助服務,進而依據虛擬電廠內部各類DER的貢獻度進行利益分配。虛擬電廠運營框架如圖1所示。
總之,虛擬電廠(virtual power plant,VPP)的核心功能目標是以價值為驅動,整合各類柔性資源,參與電力批發(fā)市場各類交易,為電網運營提供容量和輔助服務,提高電力系統(tǒng)的經濟性和可靠性,并促進可再生能源的高效優(yōu)化整合。主要技術框架包括分布式能源的智能計量與控制,信息通信技術(information communications technology,ICT)基礎設施,建模、預測、調度優(yōu)化技術,以及電力市場協(xié)調運營方法[22]。
由虛擬電廠定義可以看出,虛擬電廠融合了物理、信息、價值等多種要素,在要素重組的基礎上實現(xiàn)了價值增值。物理系統(tǒng)是虛擬電廠運營的基礎,價值系統(tǒng)是其運營驅動力,信息系統(tǒng)則是連接物理-價值的媒介與核心。能源互聯(lián)網建設之前,各用能終端數據顆粒度大、信息通道受限等因素在一定程度上限制了虛擬電廠的開發(fā)和應用。在泛在電力物聯(lián)網建設背景下,以無線通信、泛在感知、邊緣計算及云數據平臺為支撐,使得供用能終端數據得以實時有效服務于業(yè)務體系,形成數據驅動下的業(yè)務創(chuàng)新模式,虛擬電廠則是在這一背景下可行的模式之一。從長期規(guī)劃來看,虛擬電廠是推進泛在電力物聯(lián)網建設的基礎,也將成為泛在電力物聯(lián)網與能源互聯(lián)網的基本單元和終極形態(tài)[18]。
1.2 虛擬電廠的特性
虛擬電廠通過整合分散式風電、分布式光伏在內的各類DER,在電力市場運營中參與電能量市場與輔助服務市場,提高電力系統(tǒng)與風電、光伏等清潔能源波動性的相互適應性[23]。在電力市場運營方面,參與的市場交易類型與火電廠相同,在資源分布特點與促進分布式能源并網消納方面,與微電網相似,但在環(huán)境保護、系統(tǒng)結構、功能特點等方式具有根本區(qū)別[24-25]。
虛擬電廠與火電廠、微電網相比,是一種通過市場機制聚集分布式發(fā)電、柔性負荷、儲能等分布式能源參與電力市場運行的運營機制,提升虛擬電廠及參與虛擬電廠各成員的整體收益,提高可再生能源的市場參與積極性與系統(tǒng)運行友好型,促進電力系統(tǒng)實現(xiàn)低碳、高效的多贏市場化運營。參與虛擬電廠的各成員靈活性、參與性強。具體來看,虛擬電廠相比火電廠與微電網,在低碳運行、物理結構以及控制模式3個方面存在差異：
1）在低碳運行方面。虛擬電廠通過市場利益分配,提高分散式風電、分布式光伏等可再生能源、儲能系統(tǒng)、柔性負荷等各類DER市場參與積極性與便利性,增加DER規(guī)模效應,促進供需互動,減少DER隨機性、波動性對電力系統(tǒng)的影響,提高電力系統(tǒng)可再生能源接納能力,提供系統(tǒng)低碳環(huán)保運行能力[26]。
2）在物理結構方面。虛擬電廠各成員通過響應虛擬電廠的控制要求,對外整體參與電力系統(tǒng)運行調節(jié)和電力市場運營。虛擬電廠對各參與成員提出基本的市場準入和調節(jié)特性等基本要求[23]。參與虛擬電廠的各成員應滿足虛擬電廠成員的準入市場、技術條件,本身具有可調節(jié)性,可以在一種或多種的電力市場交易類型上響應虛擬電廠的運行過程。
3）在控制模式方面。虛擬電廠強調內部成員間的協(xié)調控制,控制形式有所不同,主要為分散控制和完全分散控制。分散控制虛擬電廠引入分層模型,將虛擬電廠分為多個層次[27]。分散控制中,虛擬電廠監(jiān)督和協(xié)調其轄區(qū)內的DER,同時將某些決策反饋給上層虛擬電廠,這種控制方式可以分擔中央控制單元的職能,不同于完全分散控制,分散控制不僅使通信系統(tǒng)簡單化,還減少了通訊系統(tǒng)的負擔。
2 虛擬電廠“批發(fā)-零售”兩級市場交易體系
虛擬電廠作為一種受電力系統(tǒng)運行約束,以電力市場規(guī)則、電力系統(tǒng)運行需求、內部成員利益等3方面條件驅動的電力系統(tǒng)市場化運營模式之一,需構建有效提高內部成員積極性、友好響應系統(tǒng)外部需求的虛擬電廠組織形式、商業(yè)模式[9,28-29]。
在現(xiàn)階段,虛擬電廠主要通過調度靈活性資源提供輔助服務。隨著電力市場機制的逐步完善以及售電市場的建設,以虛擬電廠為核心的售電公司將逐步參與電力市場交易。也就是說,虛擬電廠運營商可以作為一個獨立的市場主體代理自己服務范圍內的分布式能源、柔性負荷、儲能系統(tǒng)等靈活性資源主動參與電力市場?；臼袌隹蚣苋鐖D2所示。
在電力市場交易體系中,虛擬電廠運營商承擔以下責任,并享有相應的效益：
1）虛擬電廠運營商對外的責任。
虛擬電廠運營商與虛擬電廠內部各組成部分間是委托代理關系,虛擬電廠運營商是虛擬電廠內外雙向互動的主體和媒介。虛擬電廠運營商負責虛擬電廠與外部大電網、發(fā)售電企業(yè)間的信息交換,既可以作為售電企業(yè),替虛擬電廠中的用戶進行購售電交易,還可以作為輔助服務提供商,參與輔助服務市場來獲得輔助服務補償。與此同時虛擬電廠運營商整體也可以對峰谷分時電價等需求側管理措施進行積極響應。根據虛擬電廠聚合靈活性資源的特點,輔助服務交易將是虛擬電廠的重要交易類型[30]?；趯εl(fā)市場和用戶調用進行雙向決策,負荷集成商或虛擬電廠運營主體進而可以得到參與市場的最優(yōu)化決策方案[31]。
2）虛擬電廠運營商對內的責任。
通過聚合分布式發(fā)電、可控負荷、電動汽車以及儲能等柔性資源,形成虛擬電廠代理交易物理基礎。從負荷聚合的階段來看,可劃分為自然組合、經濟激勵以及運營協(xié)調3個階段,分別為負荷自然特性、經濟手段柔性控制以及運營協(xié)調調度控制3個方面,通過3個階段可針對不同場景需求下的負荷進行智能集成。關于虛擬電廠運營機理關鍵技術將在第3小節(jié)進行詳細闡述。
同時,虛擬電廠運營商通過負荷代理集成參與市場交易獲得收益,通過考慮各柔性資源對虛擬電廠系統(tǒng)的價值貢獻度進行價值分配,其中需要考慮的因素包括響應時間、調節(jié)速率、調節(jié)深度等。建立有效的價值分配體系時形成長期虛擬電廠交易主體的重要支撐,在具體操作過程中需要引入博弈論理論方法進行機制設計[32]。
3）虛擬電廠運營商代理靈活性資源的職責。具體為：
①分布式能源的權責。
分布式能源的主要職責包括2個方面：一是為虛擬電廠供應電力,通過分布式光伏、小型燃氣輪機和燃料電池等分布式能源向虛擬電廠內外提供穩(wěn)定安全可靠的電力;二是為參與輔助服務響應的其它虛擬電廠主體提供一定的經濟補償。
②可控負荷的權責。
可控負荷包括可中斷負荷(一般指居民和特殊工業(yè))和可平移負荷(可將用電高峰時期向后推移一段時間)2種。可控負荷的主要職責是參與輔助服務和需求響應。最終結算時,當可控負荷主體的購電成本大于其參與輔助服務和需求響應所提供的收益補償時,可控負荷主體應向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商則應向可控負荷主體支付收益補償。
③儲能的權責。
儲能(一般包括抽水儲能電站、分布式儲能、充換電站和電動汽車等)的主要職責是通過充放電來參與輔助服務和需求響應。最終結算時,當儲能主體的購電成本減去賣電收益后若大于其參與輔助服務和需求響應所提供的收益補償時,則儲能主體應向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商應向儲能主體支付收益補償。
3 泛在電力物聯(lián)網下虛擬電廠運營機理
3.1 虛擬電廠調度運營機理
泛在電力物聯(lián)網建設將極大促進電力終端數據的獲取及數據驅動下的業(yè)務增值,通過信息物理社會系統(tǒng)推動電力全業(yè)務集約化、智能化、自動化管理[33]。虛擬電廠是物理-信息-經濟融合的能源供需集合體,隨著大量分布式電源及柔性負荷的接入,以虛擬電廠為節(jié)點的能源管理體系將為電力系統(tǒng)提供安全保障和運營支撐。相比于微電網更多在電力系統(tǒng)末段發(fā)揮效用,虛擬電廠具有不受地理位置約束的特點。以電動汽車車聯(lián)網為例,通過車聯(lián)網平臺及儲能云平臺,可以在較大范圍內對電動汽車充放電負荷進行協(xié)調控制,實現(xiàn)電動汽車有序充放電,這是虛擬電廠的集中體現(xiàn)[34]。
在此,針對虛擬電廠調度優(yōu)化特征,重點從自然聚合、經濟激勵、運營協(xié)調3個維度對泛在電力物聯(lián)網下虛擬電廠調度優(yōu)化機理進行分析,3個維度互為遞進,其控制手段呈遞增趨勢,控制機理也由智能化逐步向人工決策轉變,如圖3所示。
具體來看,虛擬電廠調度優(yōu)化具備下述3個
層次：
1）聚合機理,用戶組合錯峰效應。
虛擬電廠是對分布式電源、柔性負荷、儲能等多種分布式能源的有效聚合。在具體展現(xiàn)形式上,虛擬電廠具有多種組合,目前常見的虛擬電廠類型包括“分布式風電+儲能”、“分布式風電+電動汽車”、“樓宇+儲能”等。通過對具有不同符合特征的用戶主體進行組合,利用各自負荷在日負荷率、日峰谷差率、日最大利用時間等特征值上的錯峰互補效應,通過引入人工智能技術對負荷曲線進行聚類,可以在一定程度上形成平抑虛擬電廠內部主體自身波動的虛擬電廠[35]。
在終端設備數據獲取、存儲的基礎上,實現(xiàn)用戶組合錯峰效應包括2個關鍵步驟：一是要結合終端數據對不同類型柔性負荷的特征進行分析,采用統(tǒng)計學和計量經濟學方法,識別其曲線特征,通過將曲線特征替代負荷曲線值,達到負荷曲線將為的目標,為開展進一步分析奠定基礎;二是要構建適用于海量多源異構數據的聚類分析算法,通過將曲線特征指標進行聚類分析,在一定的聚類規(guī)則約束下,即可得到同類別的負荷曲線簇,進而通過分析其負荷特征值的相對性,得到具有錯峰效應的用戶組合集。至此,該用戶組合集已經初步具備平抑波動的功能。
2）激勵機理,基于用戶彈性的差異化合約。
在用戶組合錯峰效應的基礎之上,需要引入經濟手段對用戶行為進行影響,其最終展現(xiàn)形式為虛擬電廠運營商與不同用戶簽訂的差異化合約。由經濟學中的邊際效應理論可知,只有當邊際成本等于邊際效用時,可實現(xiàn)資源最優(yōu)配置。因此,差異化合約的簽訂需要依據不同類型用戶的價格彈性,最大化經濟杠桿效應。
實現(xiàn)差異化合約制定的基礎是用戶用電行為的識別,同時對用戶行為通過多維數據進行客戶畫像,建立用戶行為標簽庫。其關鍵點在于用戶行為及其彈性具有隱匿性,很難直接通過數據分析得出,這要求虛擬電廠運營商基于實驗經濟學理論方法,構建用戶行為識別及引導實驗框架,通過改變差異化合約關鍵參數,從實際運營活動中獲取數據,以此為基礎進行用戶彈性分析,進而指導差異化合約制定。
3）運營機理,與儲能聯(lián)合運營。
由于用戶自身負荷特性及其可調節(jié)性方面的限制,單獨的虛擬電廠運營主體在電力直接交易及輔助服務市場中難免存在偏差。為應對偏差風險,有必要通過虛擬電廠與儲能聯(lián)合運營,進一步提升系統(tǒng)靈活性。
實現(xiàn)聯(lián)合運營的關鍵在于構建多主體之間的利益分配機制。對于虛擬電廠運營商而言,通過與其他運營商或儲能設備簽訂合作協(xié)議,形成虛擬電廠運營聯(lián)盟,將進一步優(yōu)化自身調控能力。由調控能力上升帶來的效益增加或成本降低部分,可在各主體之間進行合理分配[36]。在這一過程中,除虛擬電廠運營主體外,其余主體承擔備用及風險共擔責任,同時獲得相應的備用收益與風險承擔補償。
3.2 虛擬電廠各主體收益模式
通過上述分析可知,虛擬電廠內部主體包括虛擬電廠運營商、分布式發(fā)電、可控負荷、儲能以及電動汽車等。各主體收益模式分析如下。
1）虛擬電廠運營商。
外購電成本為
CVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.pCVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.p(1)
式中：QVPP.vQVPP.v為虛擬電廠峰段外購電量;Pg.vPg.v為虛擬電廠電網峰段電價;QVPP.fQVPP.f為虛擬電廠平段外購電量;Pg.fPg.f為電網平段電價;QVPP.pQVPP.p為虛擬電廠谷段外購電量;Pg.pPg.p為谷段電價。
內部購電成本為
CVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.fCVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.f(2)
式中CVPP.iCVPP.i為虛擬電廠內部購電成本。
內部主體激勵成本為
Ce=(QAS.fl+QAS.s)PASCe=(QAS.fl+QAS.s)PAS(3)
設備投資成本為
Ci=IDG+Is+IintCi=IDG+Is+Iint(4)
式中：CiCi為虛擬電廠總投資成本;IDGIDG為分布式電源投資成本;IsIs為儲能投資成本;IintIint為物聯(lián)網設備投資成本。
2）分布式發(fā)電。
CDG=QAS.dgPASCDG=QAS.dgPAS(5)
EDG=QDGPDGEDG=QDGPDG(6)
式中：CDGCDG為分布式電源參與虛擬電廠成本;QASQAS為傳統(tǒng)模式下分布式電源應參與輔助服務的電量;PASPAS為虛擬電廠中的輔助服務價格;EDGEDG為分布式發(fā)電參與虛擬電廠總收益;QDGQDG為分布式電源發(fā)電量;PDGPDG為虛擬電廠對分布式電源的收購電價。
3）柔性負荷。
CFl=QlPVPPCFl=QlPVPP(7)
EFl=QAS.flPASEFl=QAS.flPAS(8)
式中：CFlCFl為柔性負荷購電成本;QlQl為柔性負荷用電量;PVPPPVPP為虛擬電廠內部電價;EFlEFl為柔性負荷收益。
4）儲能及電動汽車。
Cs=QcPVPP.vCs=QcPVPP.v(9)
Es=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPASEs=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPAS(10)
式中：CsCs為儲能成本;QcQc為儲能充電量;PVPP.vPVPP.v為虛擬電廠谷段電價;EsEs為儲能收益;kk為儲能充放電循環(huán)效率;QdQd為放電量;PVPP.pPVPP.p為虛擬電廠峰段電價,PVPP.fPVPP.f為虛擬電廠平段電價;QAS.sQAS.s為儲能參與調峰輔助服務電量。
4 虛擬電廠運營機制算例分析
4.1 算例概況
本文以某虛擬電廠示范區(qū)為例展開算例分析。該虛擬電廠主要包括分布式電源、柔性負荷、儲能等3類內部主體,其中,分布式電源包括2座光伏電站及用戶側光伏,共計11 587 kW;柔性負荷主要包括電動汽車、分散式電采暖、地源熱泵及工商業(yè)可控負荷,共計9983 kW;儲能主要為電池儲能,容量共計10 000 kW。各主體及其參數如表1所示。
該虛擬電廠內分布式電源典型日出力曲線與柔性負荷典型日負荷曲線如圖4所示。參考華北能監(jiān)局發(fā)布的《關于征求京津唐電網調頻輔助服務市場運營規(guī)則(試行)(征求意見稿)》,梳理虛擬電廠內外電價及輔助服務價格如表2所示。
虛擬電廠各參與主體在虛擬電廠的統(tǒng)一代理運營下,內部分布式機組、儲能可為負荷供應電能,同時儲能和柔性負荷可通過需求側響應提供輔助服務,虛擬電廠典型日運行情況如圖5所示。
由虛擬電廠對負荷曲線可知,通過虛擬電廠統(tǒng)一運營,實現(xiàn)了削峰填谷的作用,同時獲得了輔助服務收益。參與虛擬電廠前后,虛擬電廠內部主體和虛擬電廠運營商的成本/收益經濟性對比如表3所示,成本、收益的單位均為萬元。
通過算例分析結果可知,典型日內各類主體參與虛擬電廠后其收益均增加,虛擬電廠運營商也可獲得相應收益,因此虛擬電廠運營模式可以實現(xiàn)各參與主體的投資回報和增值。上述分析結果表明,本文構建的虛擬電廠運營機制及模式具有一定的經濟性,可以為虛擬電廠運營實踐提供參考。
表3 虛擬電廠運營前后主體成本/收益對比
5 泛在電力物聯(lián)網下虛擬電廠發(fā)展展望
虛擬電廠作為一種不改變各類分布式能源并網方式,利用電力市場驅動可再生能源發(fā)展、提高電力系統(tǒng)靈活性的有效方式[37]。虛擬電廠的建設和發(fā)展是泛在電力物聯(lián)網建設的重要內容,也是泛在電力物聯(lián)網的最小單元和基本模式。在電力市場發(fā)展成熟之后,虛擬電廠可通過市場手段獲得運營收益,這是虛擬電廠未來發(fā)展的重要驅動力。因此,為推進虛擬電廠發(fā)展,需在有效的市場運行規(guī)則的基礎上建立起交易、調度支持系統(tǒng),構建包括政府、企業(yè)、用戶在內的市場推廣應用商業(yè)模式,從市場規(guī)則、支持平臺、參與各方協(xié)作發(fā)展三方面構建虛擬電廠發(fā)展促進鏈條,具體如下：
1）在虛擬電廠參與的基礎上制定有效的市場運行規(guī)則?？紤]用戶參與模式的申請、變更以及解除等操作,制定虛擬電廠內部多利益主體參與虛擬電廠交易的規(guī)則;需要從整體上考慮虛擬電廠的對外特性并從市場準入、競價模式、信息發(fā)布、報價規(guī)則、結算方式等方面研究虛擬電廠參與電力市場的規(guī)則?？紤]虛擬電廠內部資源的多樣性,研究虛擬電廠內部資源的協(xié)調控制流程,提出虛擬電廠參與市場注冊、競價申報、出清優(yōu)化、安全校核、電能電量計量、結算等電力市場的全環(huán)節(jié)全過程業(yè)務流程。
2）建設一種有效的調度、交易支持系統(tǒng)以支持虛擬電廠運營。根據虛擬電廠交易類型、內部分配原則、電網調度運行要求,確定虛擬電廠接入的調度、交易平臺功能的建設目標;虛擬電廠接入系統(tǒng)后提出功能建設方案來分析設計調度、交易平臺需要采用的系統(tǒng)架構、應用架構和業(yè)務架構的3步設計方法,在此基礎上構建功能總體架構。明確虛擬電廠接入的交易系統(tǒng)與調度技術支持系統(tǒng)、營銷業(yè)務系統(tǒng)、財務系統(tǒng)及運營商其他業(yè)務系統(tǒng)之間的數據集成與交互模式;根據虛擬電廠交易功能的數據集成需求,設計并研發(fā)交易系統(tǒng)與調度技術支持系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、營銷業(yè)務系統(tǒng)及其他業(yè)務系統(tǒng)之間的數據集成接口與數據集成方案。
3）構建政府、電網企業(yè)、用戶多方協(xié)作的虛擬電廠推廣商業(yè)模式。根據虛擬電廠參與電力市場的交易類型,以及參與虛擬電廠的資源的不同響應特性,制定促進虛擬電廠應用的政策支持建議和市場機制建議。并根據虛擬電廠交易類型及內部成員特點,構建虛擬電廠的典型產品模式以及典型用戶推廣模式,根據政府、電網企業(yè)以及參與虛擬電廠的資源在推廣應用中的利益關系及相互作用,構建虛擬電廠利益相關方協(xié)作模式與典型商業(yè)模式[38],實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網價值共享。
6 結論
虛擬電廠作為一種利用市場激勵規(guī)則,通過優(yōu)化、協(xié)調和控制等手段,聚合分布式能源參與電力市場與電力系統(tǒng)運行的運營模式,將是促進分布式能源與大電網友好協(xié)調優(yōu)化,促進電力系統(tǒng)清潔化的有效途徑之一。本文通過梳理虛擬電廠概念,認為虛擬電廠內在驅動力在于其對電力系統(tǒng)的價值,而合理的市場機制是將該價值實體化的重要途徑。根據虛擬電廠對外參與電力批發(fā)市場,對內整合零售市場的運營特點,構建了虛擬電廠對內對外的兩級市場交易體系。在此基礎上,通過自然聚合、經濟激勵、協(xié)調調度3個方面提出了虛擬電廠三階段調度優(yōu)化機理,并對其中的關鍵技術進行分析。在分析虛擬電廠收益模式的基礎上,選取虛擬電廠進行算例分析,驗證了本文所提出的商業(yè)模式的可行性。最后,立足于我國泛在電力物聯(lián)網與電力市場建設,對虛擬電廠未來發(fā)展通過市場機制、平臺支撐以及協(xié)作融通3個方面進行展望。
本文主要梳理在泛在電力物聯(lián)網建設背景下,虛擬電廠未來運營模式及關鍵技術,其中虛擬電廠交易體系及優(yōu)化運行機理是本文重要觀點。在下一步研究中需要針對本文構建的交易體系及運行機理進行系統(tǒng)建模與模擬仿真,為虛擬電廠運行優(yōu)化提供參考。
作者介紹：
王宣元，高級工程師，研究方向為虛擬電廠及電力市場建設。
劉敦楠，副教授，博士生導師，華北電力大學經濟與管理學院副院長，華北電力大學能源互聯(lián)網研究中心副主任，主要研究方向為能源互聯(lián)網與電力市場。
劉蓁，工程師，研究方向為虛擬電廠及柔性交直流輸電系統(tǒng)建模。
劉明光，博士研究生，通信作者，研究方向為能源互聯(lián)網與虛擬電廠。
（來源：微信公眾號“電網技術” ID：dwjs1957 作者：王宣元等）
0 引言
現(xiàn)階段能源互聯(lián)網工程推進不順利,其原因是缺乏科學合理的電價機制與商業(yè)模式。自2016年2月以來,我國開始逐步推動能源互聯(lián)網建設,并先后在全國開展試點,建設效果未能滿足預期[1]。缺乏配套的商業(yè)模式使得各方資本在實際投資過程中缺乏積極性。能源互聯(lián)網是未來能源供需的必要形式,也是解決能源供需矛盾的重要途徑,有必要通過商業(yè)模式創(chuàng)新來推動我國能源互聯(lián)網建設發(fā)展[2-3]。
同時,分布式發(fā)電并網具有隨機性和波動性,分散式風電、分布式光伏等分布式可再生能源運行過程中的不確定性,不斷給電網的可靠運行帶來挑戰(zhàn),如潮流變化、線路擁塞、電壓閃變等[4]。通過建設本地供-需協(xié)調,就地平衡分布式可再生能源的波動性、隨機性的微電網(microgrid,MG)或主動式配電網,成為促進分布式能源利用的有效手段[5]。
另一方面,分布式并網成本相對較高,這與我國降低用戶用能成本的目標相矛盾?？紤]到分布式發(fā)電具有就地取材、就地消納的特點[6],同時有利于我國清潔低碳能源體系構建,有必要進行市場機制或商業(yè)模式創(chuàng)新促進分布式并網發(fā)電[7]。隨著電力市場不斷完善,通信控制技術的發(fā)展,一種可以擺脫區(qū)域范圍限制,在通信、控制、計算機等技術支撐下,通過電力市場利益驅動,協(xié)調分散式風電、分布式光伏等各類分布式能源(distributed energy resource,DER)波動,提高用戶側運行靈活性與友好型的虛擬電廠運營模式孕育而生[8-9]。
2019年1月,國家電網公司提出“三型兩網”發(fā)展戰(zhàn)略目標,建立智能電網與泛在電力物聯(lián)網有機聯(lián)合的國際一流能源互聯(lián)網企業(yè)。泛在電力物聯(lián)網建設背景強調建設各級電網協(xié)調發(fā)展、狀態(tài)全面感知、信息高效處理的堅強智能電網和泛在電力物聯(lián)網,發(fā)揮電網在能源匯集、傳輸、轉換中的樞紐作用,促進清潔低碳發(fā)展,促進供需對接,提高系統(tǒng)靈活性[10-11]。電力市場政策、機制以及技術的發(fā)展,將加速以風、光等可再生能源為代表的分布式電源、柔性負荷、儲能等DER的發(fā)展?？梢哉f,泛在電力物聯(lián)網的建設為能源互聯(lián)網構建提供了有力支撐,也為虛擬電廠建設與實施提供了技術驅動力[12]。只有通過泛在電力物聯(lián)網建設才能有效獲取終端設備數據,在此基礎上通過云計算、邊緣計算等技術進行數據分析,實現(xiàn)虛擬電廠交易及調度優(yōu)化。同時,虛擬電廠通過信息物理網絡連接分布式發(fā)電[13]、分布式儲能[14]、可控負荷[15]以及電動汽車[16-17]等柔性負荷,以實現(xiàn)負荷集成并向電力系統(tǒng)提供輔助服務,其調度及運營特性具有泛在電力物聯(lián)網基本特征。在一定程度上,虛擬電廠是泛在電力物聯(lián)網的具體形式和基本單元。
2018年3月,由國網冀北電力有限公司主導的IEC虛擬電廠《用例》國際標準成功立項,成為IEC在虛擬電廠領域立項的首批國際標準,將對我國虛擬電廠建設具有重要的指導意義。
國家電網公司選取冀北、上海等地開展虛擬電廠項目示范,示范項目將在2019年年底落地實施。示范項目實施不僅依賴于物理層、信息層建設,也需要進行虛擬電廠商業(yè)模式設計。目前,示范項目落地亟待解決其商業(yè)模式,從而形成成熟的虛擬電廠運營體系[18]。
鑒于此,本文基于虛擬電廠標準制定工作成果,在對現(xiàn)有工作進行總結的基礎上提出虛擬電廠的定義,通過對比分析研究虛擬電廠特性。在此基礎上,提出了虛擬電廠批發(fā)、零售兩級市場的商業(yè)模式與典型交易組織模式。隨后,根據虛擬電廠參與市場交易的基本要求,提出了聚合、激勵、運營3個階段有機聯(lián)合的虛擬電廠協(xié)調優(yōu)化激勵。最后,結合我國泛在電力物聯(lián)網建設和電力市場建設方向,給出了虛擬電廠發(fā)展建議。本文研究成果可為冀北虛擬電廠應用示范提供指導,為泛在電力物聯(lián)網背景下我國虛擬電廠建設發(fā)展提供借鑒。
1 虛擬電廠的定義及特性
1.1 虛擬電廠的定義
虛擬電廠在聚合規(guī)模效益驅動下,利用通信、控制、計算機等技術將獨立的DER聚合統(tǒng)一參與電力市場,利用電力市場加強電力系統(tǒng)供應側與需求側之前的協(xié)調互動,加強新能源與系統(tǒng)間的相互容納能力。
虛擬電廠這一概念已提出十余年[19],在歐洲、北美已經有荷蘭功率匹配器[20]、FENIX[21]等虛擬電廠示范應用項目,對虛擬電廠的定義、功能也有不同形式的描述。國內虛擬電廠尚初起步階段,尚未根據具體工程形成虛擬電廠整體定義[18]。
基于國內外研究基礎及虛擬電廠國際標準制定工作成果,本文將虛擬電廠內在驅動力描述為：以電力市場配置電力資源運行為驅動,通過協(xié)調、優(yōu)化和控制由分布式電源、儲能、智慧社區(qū)、可控工商業(yè)負荷等柔性負荷聚合而成的分布式能源集群,并作為一個整體參與電力市場交易及輔助電力系統(tǒng)運行安全,同時提供調峰、調頻、緊急控制等輔助服務,進而依據虛擬電廠內部各類DER的貢獻度進行利益分配。虛擬電廠運營框架如圖1所示。
圖1 虛擬電廠運營概念示意圖
總之,虛擬電廠(virtual power plant,VPP)的核心功能目標是以價值為驅動,整合各類柔性資源,參與電力批發(fā)市場各類交易,為電網運營提供容量和輔助服務,提高電力系統(tǒng)的經濟性和可靠性,并促進可再生能源的高效優(yōu)化整合。主要技術框架包括分布式能源的智能計量與控制,信息通信技術(information communications technology,ICT)基礎設施,建模、預測、調度優(yōu)化技術,以及電力市場協(xié)調運營方法[22]。
由虛擬電廠定義可以看出,虛擬電廠融合了物理、信息、價值等多種要素,在要素重組的基礎上實現(xiàn)了價值增值。物理系統(tǒng)是虛擬電廠運營的基礎,價值系統(tǒng)是其運營驅動力,信息系統(tǒng)則是連接物理-價值的媒介與核心。能源互聯(lián)網建設之前,各用能終端數據顆粒度大、信息通道受限等因素在一定程度上限制了虛擬電廠的開發(fā)和應用。在泛在電力物聯(lián)網建設背景下,以無線通信、泛在感知、邊緣計算及云數據平臺為支撐,使得供用能終端數據得以實時有效服務于業(yè)務體系,形成數據驅動下的業(yè)務創(chuàng)新模式,虛擬電廠則是在這一背景下可行的模式之一。從長期規(guī)劃來看,虛擬電廠是推進泛在電力物聯(lián)網建設的基礎,也將成為泛在電力物聯(lián)網與能源互聯(lián)網的基本單元和終極形態(tài)[18]。
1.2 虛擬電廠的特性
虛擬電廠通過整合分散式風電、分布式光伏在內的各類DER,在電力市場運營中參與電能量市場與輔助服務市場,提高電力系統(tǒng)與風電、光伏等清潔能源波動性的相互適應性[23]。在電力市場運營方面,參與的市場交易類型與火電廠相同,在資源分布特點與促進分布式能源并網消納方面,與微電網相似,但在環(huán)境保護、系統(tǒng)結構、功能特點等方式具有根本區(qū)別[24-25]。
虛擬電廠與火電廠、微電網相比,是一種通過市場機制聚集分布式發(fā)電、柔性負荷、儲能等分布式能源參與電力市場運行的運營機制,提升虛擬電廠及參與虛擬電廠各成員的整體收益,提高可再生能源的市場參與積極性與系統(tǒng)運行友好型,促進電力系統(tǒng)實現(xiàn)低碳、高效的多贏市場化運營。參與虛擬電廠的各成員靈活性、參與性強。具體來看,虛擬電廠相比火電廠與微電網,在低碳運行、物理結構以及控制模式3個方面存在差異：
1）在低碳運行方面。虛擬電廠通過市場利益分配,提高分散式風電、分布式光伏等可再生能源、儲能系統(tǒng)、柔性負荷等各類DER市場參與積極性與便利性,增加DER規(guī)模效應,促進供需互動,減少DER隨機性、波動性對電力系統(tǒng)的影響,提高電力系統(tǒng)可再生能源接納能力,提供系統(tǒng)低碳環(huán)保運行能力[26]。
2）在物理結構方面。虛擬電廠各成員通過響應虛擬電廠的控制要求,對外整體參與電力系統(tǒng)運行調節(jié)和電力市場運營。虛擬電廠對各參與成員提出基本的市場準入和調節(jié)特性等基本要求[23]。參與虛擬電廠的各成員應滿足虛擬電廠成員的準入市場、技術條件,本身具有可調節(jié)性,可以在一種或多種的電力市場交易類型上響應虛擬電廠的運行過程。
3）在控制模式方面。虛擬電廠強調內部成員間的協(xié)調控制,控制形式有所不同,主要為分散控制和完全分散控制。分散控制虛擬電廠引入分層模型,將虛擬電廠分為多個層次[27]。分散控制中,虛擬電廠監(jiān)督和協(xié)調其轄區(qū)內的DER,同時將某些決策反饋給上層虛擬電廠,這種控制方式可以分擔中央控制單元的職能,不同于完全分散控制,分散控制不僅使通信系統(tǒng)簡單化,還減少了通訊系統(tǒng)的負擔。
2 虛擬電廠“批發(fā)-零售”兩級市場交易體系
虛擬電廠作為一種受電力系統(tǒng)運行約束,以電力市場規(guī)則、電力系統(tǒng)運行需求、內部成員利益等3方面條件驅動的電力系統(tǒng)市場化運營模式之一,需構建有效提高內部成員積極性、友好響應系統(tǒng)外部需求的虛擬電廠組織形式、商業(yè)模式[9,28-29]。
在現(xiàn)階段,虛擬電廠主要通過調度靈活性資源提供輔助服務。隨著電力市場機制的逐步完善以及售電市場的建設,以虛擬電廠為核心的售電公司將逐步參與電力市場交易。也就是說,虛擬電廠運營商可以作為一個獨立的市場主體代理自己服務范圍內的分布式能源、柔性負荷、儲能系統(tǒng)等靈活性資源主動參與電力市場?；臼袌隹蚣苋鐖D2所示。
圖2 虛擬電廠交易體系
在電力市場交易體系中,虛擬電廠運營商承擔以下責任,并享有相應的效益：
1）虛擬電廠運營商對外的責任。
虛擬電廠運營商與虛擬電廠內部各組成部分間是委托代理關系,虛擬電廠運營商是虛擬電廠內外雙向互動的主體和媒介。虛擬電廠運營商負責虛擬電廠與外部大電網、發(fā)售電企業(yè)間的信息交換,既可以作為售電企業(yè),替虛擬電廠中的用戶進行購售電交易,還可以作為輔助服務提供商,參與輔助服務市場來獲得輔助服務補償。與此同時虛擬電廠運營商整體也可以對峰谷分時電價等需求側管理措施進行積極響應。根據虛擬電廠聚合靈活性資源的特點,輔助服務交易將是虛擬電廠的重要交易類型[30]?；趯εl(fā)市場和用戶調用進行雙向決策,負荷集成商或虛擬電廠運營主體進而可以得到參與市場的最優(yōu)化決策方案[31]。
2）虛擬電廠運營商對內的責任。
通過聚合分布式發(fā)電、可控負荷、電動汽車以及儲能等柔性資源,形成虛擬電廠代理交易物理基礎。從負荷聚合的階段來看,可劃分為自然組合、經濟激勵以及運營協(xié)調3個階段,分別為負荷自然特性、經濟手段柔性控制以及運營協(xié)調調度控制3個方面,通過3個階段可針對不同場景需求下的負荷進行智能集成。關于虛擬電廠運營機理關鍵技術將在第3小節(jié)進行詳細闡述。
同時,虛擬電廠運營商通過負荷代理集成參與市場交易獲得收益,通過考慮各柔性資源對虛擬電廠系統(tǒng)的價值貢獻度進行價值分配,其中需要考慮的因素包括響應時間、調節(jié)速率、調節(jié)深度等。建立有效的價值分配體系時形成長期虛擬電廠交易主體的重要支撐,在具體操作過程中需要引入博弈論理論方法進行機制設計[32]。
3）虛擬電廠運營商代理靈活性資源的職責。具體為：
①分布式能源的權責。
分布式能源的主要職責包括2個方面：一是為虛擬電廠供應電力,通過分布式光伏、小型燃氣輪機和燃料電池等分布式能源向虛擬電廠內外提供穩(wěn)定安全可靠的電力;二是為參與輔助服務響應的其它虛擬電廠主體提供一定的經濟補償。
②可控負荷的權責。
可控負荷包括可中斷負荷(一般指居民和特殊工業(yè))和可平移負荷(可將用電高峰時期向后推移一段時間)2種。可控負荷的主要職責是參與輔助服務和需求響應。最終結算時,當可控負荷主體的購電成本大于其參與輔助服務和需求響應所提供的收益補償時,可控負荷主體應向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商則應向可控負荷主體支付收益補償。
③儲能的權責。
儲能(一般包括抽水儲能電站、分布式儲能、充換電站和電動汽車等)的主要職責是通過充放電來參與輔助服務和需求響應。最終結算時,當儲能主體的購電成本減去賣電收益后若大于其參與輔助服務和需求響應所提供的收益補償時,則儲能主體應向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商應向儲能主體支付收益補償。
3 泛在電力物聯(lián)網下虛擬電廠運營機理
3.1 虛擬電廠調度運營機理
泛在電力物聯(lián)網建設將極大促進電力終端數據的獲取及數據驅動下的業(yè)務增值,通過信息物理社會系統(tǒng)推動電力全業(yè)務集約化、智能化、自動化管理[33]。虛擬電廠是物理-信息-經濟融合的能源供需集合體,隨著大量分布式電源及柔性負荷的接入,以虛擬電廠為節(jié)點的能源管理體系將為電力系統(tǒng)提供安全保障和運營支撐。相比于微電網更多在電力系統(tǒng)末段發(fā)揮效用,虛擬電廠具有不受地理位置約束的特點。以電動汽車車聯(lián)網為例,通過車聯(lián)網平臺及儲能云平臺,可以在較大范圍內對電動汽車充放電負荷進行協(xié)調控制,實現(xiàn)電動汽車有序充放電,這是虛擬電廠的集中體現(xiàn)[34]。
在此,針對虛擬電廠調度優(yōu)化特征,重點從自然聚合、經濟激勵、運營協(xié)調3個維度對泛在電力物聯(lián)網下虛擬電廠調度優(yōu)化機理進行分析,3個維度互為遞進,其控制手段呈遞增趨勢,控制機理也由智能化逐步向人工決策轉變,如圖3所示。
圖3 虛擬電廠調度優(yōu)化機理
具體來看,虛擬電廠調度優(yōu)化具備下述3個
層次：
1）聚合機理,用戶組合錯峰效應。
虛擬電廠是對分布式電源、柔性負荷、儲能等多種分布式能源的有效聚合。在具體展現(xiàn)形式上,虛擬電廠具有多種組合,目前常見的虛擬電廠類型包括“分布式風電+儲能”、“分布式風電+電動汽車”、“樓宇+儲能”等。通過對具有不同符合特征的用戶主體進行組合,利用各自負荷在日負荷率、日峰谷差率、日最大利用時間等特征值上的錯峰互補效應,通過引入人工智能技術對負荷曲線進行聚類,可以在一定程度上形成平抑虛擬電廠內部主體自身波動的虛擬電廠[35]。
在終端設備數據獲取、存儲的基礎上,實現(xiàn)用戶組合錯峰效應包括2個關鍵步驟：一是要結合終端數據對不同類型柔性負荷的特征進行分析,采用統(tǒng)計學和計量經濟學方法,識別其曲線特征,通過將曲線特征替代負荷曲線值,達到負荷曲線將為的目標,為開展進一步分析奠定基礎;二是要構建適用于海量多源異構數據的聚類分析算法,通過將曲線特征指標進行聚類分析,在一定的聚類規(guī)則約束下,即可得到同類別的負荷曲線簇,進而通過分析其負荷特征值的相對性,得到具有錯峰效應的用戶組合集。至此,該用戶組合集已經初步具備平抑波動的功能。
2）激勵機理,基于用戶彈性的差異化合約。
在用戶組合錯峰效應的基礎之上,需要引入經濟手段對用戶行為進行影響,其最終展現(xiàn)形式為虛擬電廠運營商與不同用戶簽訂的差異化合約。由經濟學中的邊際效應理論可知,只有當邊際成本等于邊際效用時,可實現(xiàn)資源最優(yōu)配置。因此,差異化合約的簽訂需要依據不同類型用戶的價格彈性,最大化經濟杠桿效應。
實現(xiàn)差異化合約制定的基礎是用戶用電行為的識別,同時對用戶行為通過多維數據進行客戶畫像,建立用戶行為標簽庫。其關鍵點在于用戶行為及其彈性具有隱匿性,很難直接通過數據分析得出,這要求虛擬電廠運營商基于實驗經濟學理論方法,構建用戶行為識別及引導實驗框架,通過改變差異化合約關鍵參數,從實際運營活動中獲取數據,以此為基礎進行用戶彈性分析,進而指導差異化合約制定。
3）運營機理,與儲能聯(lián)合運營。
由于用戶自身負荷特性及其可調節(jié)性方面的限制,單獨的虛擬電廠運營主體在電力直接交易及輔助服務市場中難免存在偏差。為應對偏差風險,有必要通過虛擬電廠與儲能聯(lián)合運營,進一步提升系統(tǒng)靈活性。
實現(xiàn)聯(lián)合運營的關鍵在于構建多主體之間的利益分配機制。對于虛擬電廠運營商而言,通過與其他運營商或儲能設備簽訂合作協(xié)議,形成虛擬電廠運營聯(lián)盟,將進一步優(yōu)化自身調控能力。由調控能力上升帶來的效益增加或成本降低部分,可在各主體之間進行合理分配[36]。在這一過程中,除虛擬電廠運營主體外,其余主體承擔備用及風險共擔責任,同時獲得相應的備用收益與風險承擔補償。
3.2 虛擬電廠各主體收益模式
通過上述分析可知,虛擬電廠內部主體包括虛擬電廠運營商、分布式發(fā)電、可控負荷、儲能以及電動汽車等。各主體收益模式分析如下。
1）虛擬電廠運營商。
外購電成本為
CVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.pCVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.p(1)
式中：QVPP.vQVPP.v為虛擬電廠峰段外購電量;Pg.vPg.v為虛擬電廠電網峰段電價;QVPP.fQVPP.f為虛擬電廠平段外購電量;Pg.fPg.f為電網平段電價;QVPP.pQVPP.p為虛擬電廠谷段外購電量;Pg.pPg.p為谷段電價。
內部購電成本為
CVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.fCVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.f(2)
式中CVPP.iCVPP.i為虛擬電廠內部購電成本。
內部主體激勵成本為
Ce=(QAS.fl+QAS.s)PASCe=(QAS.fl+QAS.s)PAS(3)
設備投資成本為
Ci=IDG+Is+IintCi=IDG+Is+Iint(4)
式中：CiCi為虛擬電廠總投資成本;IDGIDG為分布式電源投資成本;IsIs為儲能投資成本;IintIint為物聯(lián)網設備投資成本。
2）分布式發(fā)電。
CDG=QAS.dgPASCDG=QAS.dgPAS(5)
EDG=QDGPDGEDG=QDGPDG(6)
式中：CDGCDG為分布式電源參與虛擬電廠成本;QASQAS為傳統(tǒng)模式下分布式電源應參與輔助服務的電量;PASPAS為虛擬電廠中的輔助服務價格;EDGEDG為分布式發(fā)電參與虛擬電廠總收益;QDGQDG為分布式電源發(fā)電量;PDGPDG為虛擬電廠對分布式電源的收購電價。
3）柔性負荷。
CFl=QlPVPPCFl=QlPVPP(7)
EFl=QAS.flPASEFl=QAS.flPAS(8)
式中：CFlCFl為柔性負荷購電成本;QlQl為柔性負荷用電量;PVPPPVPP為虛擬電廠內部電價;EFlEFl為柔性負荷收益。
4）儲能及電動汽車。
Cs=QcPVPP.vCs=QcPVPP.v(9)
Es=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPASEs=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPAS(10)
式中：CsCs為儲能成本;QcQc為儲能充電量;PVPP.vPVPP.v為虛擬電廠谷段電價;EsEs為儲能收益;kk為儲能充放電循環(huán)效率;QdQd為放電量;PVPP.pPVPP.p為虛擬電廠峰段電價,PVPP.fPVPP.f為虛擬電廠平段電價;QAS.sQAS.s為儲能參與調峰輔助服務電量。
4 虛擬電廠運營機制算例分析
4.1 算例概況
本文以某虛擬電廠示范區(qū)為例展開算例分析。該虛擬電廠主要包括分布式電源、柔性負荷、儲能等3類內部主體,其中,分布式電源包括2座光伏電站及用戶側光伏,共計11 587 kW;柔性負荷主要包括電動汽車、分散式電采暖、地源熱泵及工商業(yè)可控負荷,共計9983 kW;儲能主要為電池儲能,容量共計10 000 kW。各主體及其參數如表1所示。
該虛擬電廠內分布式電源典型日出力曲線與柔性負荷典型日負荷曲線如圖4所示。參考華北能監(jiān)局發(fā)布的《關于征求京津唐電網調頻輔助服務市場運營規(guī)則(試行)(征求意見稿)》,梳理虛擬電廠內外電價及輔助服務價格如表2所示。
表1 虛擬電廠主體資源及相關參數
圖4 典型日出力曲線與負荷曲線
表2 虛擬電廠內外電價及輔助服務價格
4.2 結果分析虛擬電廠各參與主體在虛擬電廠的統(tǒng)一代理運營下,內部分布式機組、儲能可為負荷供應電能,同時儲能和柔性負荷可通過需求側響應提供輔助服務,虛擬電廠典型日運行情況如圖5所示。
由虛擬電廠對負荷曲線可知,通過虛擬電廠統(tǒng)一運營,實現(xiàn)了削峰填谷的作用,同時獲得了輔助服務收益。參與虛擬電廠前后,虛擬電廠內部主體和虛擬電廠運營商的成本/收益經濟性對比如表3所示,成本、收益的單位均為萬元。
通過算例分析結果可知,典型日內各類主體參與虛擬電廠后其收益均增加,虛擬電廠運營商也可獲得相應收益,因此虛擬電廠運營模式可以實現(xiàn)各參與主體的投資回報和增值。上述分析結果表明,本文構建的虛擬電廠運營機制及模式具有一定的經濟性,可以為虛擬電廠運營實踐提供參考。
圖5 虛擬電廠典型日運行情況
表3 虛擬電廠運營前后主體成本/收益對比
虛擬電廠作為一種不改變各類分布式能源并網方式,利用電力市場驅動可再生能源發(fā)展、提高電力系統(tǒng)靈活性的有效方式[37]。虛擬電廠的建設和發(fā)展是泛在電力物聯(lián)網建設的重要內容,也是泛在電力物聯(lián)網的最小單元和基本模式。在電力市場發(fā)展成熟之后,虛擬電廠可通過市場手段獲得運營收益,這是虛擬電廠未來發(fā)展的重要驅動力。因此,為推進虛擬電廠發(fā)展,需在有效的市場運行規(guī)則的基礎上建立起交易、調度支持系統(tǒng),構建包括政府、企業(yè)、用戶在內的市場推廣應用商業(yè)模式,從市場規(guī)則、支持平臺、參與各方協(xié)作發(fā)展三方面構建虛擬電廠發(fā)展促進鏈條,具體如下：
1）在虛擬電廠參與的基礎上制定有效的市場運行規(guī)則?？紤]用戶參與模式的申請、變更以及解除等操作,制定虛擬電廠內部多利益主體參與虛擬電廠交易的規(guī)則;需要從整體上考慮虛擬電廠的對外特性并從市場準入、競價模式、信息發(fā)布、報價規(guī)則、結算方式等方面研究虛擬電廠參與電力市場的規(guī)則?？紤]虛擬電廠內部資源的多樣性,研究虛擬電廠內部資源的協(xié)調控制流程,提出虛擬電廠參與市場注冊、競價申報、出清優(yōu)化、安全校核、電能電量計量、結算等電力市場的全環(huán)節(jié)全過程業(yè)務流程。
2）建設一種有效的調度、交易支持系統(tǒng)以支持虛擬電廠運營。根據虛擬電廠交易類型、內部分配原則、電網調度運行要求,確定虛擬電廠接入的調度、交易平臺功能的建設目標;虛擬電廠接入系統(tǒng)后提出功能建設方案來分析設計調度、交易平臺需要采用的系統(tǒng)架構、應用架構和業(yè)務架構的3步設計方法,在此基礎上構建功能總體架構。明確虛擬電廠接入的交易系統(tǒng)與調度技術支持系統(tǒng)、營銷業(yè)務系統(tǒng)、財務系統(tǒng)及運營商其他業(yè)務系統(tǒng)之間的數據集成與交互模式;根據虛擬電廠交易功能的數據集成需求,設計并研發(fā)交易系統(tǒng)與調度技術支持系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、營銷業(yè)務系統(tǒng)及其他業(yè)務系統(tǒng)之間的數據集成接口與數據集成方案。
3）構建政府、電網企業(yè)、用戶多方協(xié)作的虛擬電廠推廣商業(yè)模式。根據虛擬電廠參與電力市場的交易類型,以及參與虛擬電廠的資源的不同響應特性,制定促進虛擬電廠應用的政策支持建議和市場機制建議。并根據虛擬電廠交易類型及內部成員特點,構建虛擬電廠的典型產品模式以及典型用戶推廣模式,根據政府、電網企業(yè)以及參與虛擬電廠的資源在推廣應用中的利益關系及相互作用,構建虛擬電廠利益相關方協(xié)作模式與典型商業(yè)模式[38],實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網價值共享。
6 結論
虛擬電廠作為一種利用市場激勵規(guī)則,通過優(yōu)化、協(xié)調和控制等手段,聚合分布式能源參與電力市場與電力系統(tǒng)運行的運營模式,將是促進分布式能源與大電網友好協(xié)調優(yōu)化,促進電力系統(tǒng)清潔化的有效途徑之一。本文通過梳理虛擬電廠概念,認為虛擬電廠內在驅動力在于其對電力系統(tǒng)的價值,而合理的市場機制是將該價值實體化的重要途徑。根據虛擬電廠對外參與電力批發(fā)市場,對內整合零售市場的運營特點,構建了虛擬電廠對內對外的兩級市場交易體系。在此基礎上,通過自然聚合、經濟激勵、協(xié)調調度3個方面提出了虛擬電廠三階段調度優(yōu)化機理,并對其中的關鍵技術進行分析。在分析虛擬電廠收益模式的基礎上,選取虛擬電廠進行算例分析,驗證了本文所提出的商業(yè)模式的可行性。最后,立足于我國泛在電力物聯(lián)網與電力市場建設,對虛擬電廠未來發(fā)展通過市場機制、平臺支撐以及協(xié)作融通3個方面進行展望。
本文主要梳理在泛在電力物聯(lián)網建設背景下,虛擬電廠未來運營模式及關鍵技術,其中虛擬電廠交易體系及優(yōu)化運行機理是本文重要觀點。在下一步研究中需要針對本文構建的交易體系及運行機理進行系統(tǒng)建模與模擬仿真,為虛擬電廠運行優(yōu)化提供參考。
作者介紹：
王宣元，高級工程師，研究方向為虛擬電廠及電力市場建設。
劉敦楠，副教授，博士生導師，華北電力大學經濟與管理學院副院長，華北電力大學能源互聯(lián)網研究中心副主任，主要研究方向為能源互聯(lián)網與電力市場。
劉蓁，工程師，研究方向為虛擬電廠及柔性交直流輸電系統(tǒng)建模。
劉明光，博士研究生，通信作者，研究方向為能源互聯(lián)網與虛擬電廠。
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