中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：歐洲虛擬電廠發(fā)展
歐洲VPP的發(fā)展追溯至2007年，開展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標(biāo)的VPP研究項(xiàng)目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國等。其主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)分布式電源（distrubuted generator,DG）可靠并網(wǎng)和電力市場(chǎng)運(yùn)營。歐洲近些年VPP發(fā)展迅猛，據(jù)guidehouse Insights預(yù)測(cè)，歐洲是世界上VPP最集中的市場(chǎng)，到2028年，市場(chǎng)收入預(yù)計(jì)每年將超過30億美元。我國與歐洲的VPP發(fā)展路線更相似，德國在歐洲VPP發(fā)展處于前列，因此本文詳細(xì)梳理歐洲具有代表性的VPP項(xiàng)目研究現(xiàn)狀和德國成功案例。
歐盟FENIX項(xiàng)目
2005年~2009年，來自歐盟8個(gè)國家的20個(gè)研究機(jī)構(gòu)和組織合作實(shí)施和開展了FENIX項(xiàng)目，F(xiàn)ENIX的目標(biāo)是通過將分布式能源資源聚合成大型VPP和分散管理，最大限度地提高分布式能源對(duì)電力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，擺脫傳統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)小單元的管理。
其主要成果：一是開發(fā)適合歐洲電力系統(tǒng)的VPP；二是開發(fā)可擴(kuò)展和分層流動(dòng)的信息和通信架構(gòu)；三是由歐洲領(lǐng)先制造商開發(fā)新的硬件組件和軟件應(yīng)用程序；四是開發(fā)商業(yè)和監(jiān)管框架，允許VPP在未來歐洲電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)利益整合；五是成本效益分析，量化VPP經(jīng)濟(jì)效益；六是在西班牙和英國的兩個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)演示，輔以實(shí)驗(yàn)室演示和模擬，證明開發(fā)的VPP可行性。
FENIX項(xiàng)目中VPP的通用架構(gòu)如圖1所示。FENIX架構(gòu)引入了三個(gè)新元素：一是FENIX box (FB)與本地系統(tǒng)接口，允許遠(yuǎn)程訪問以進(jìn)行監(jiān)視和控制；二是CVPP負(fù)責(zé)DER單元的調(diào)度和能源優(yōu)化功能；三是TVPP在配電管理系統(tǒng)(DMS)執(zhí)行一些功能，例如:驗(yàn)證發(fā)電計(jì)劃，調(diào)度DER來解決電壓或電流約束等。根據(jù)通用架構(gòu)，在北部場(chǎng)景（英國）和南部場(chǎng)景（西班牙）相應(yīng)作出調(diào)整。CVPP 通過整合 DER 資源為系統(tǒng)提供服務(wù)。DER通過調(diào)度中心接口FB與CVPP進(jìn)行連接獲得指令信號(hào)。市場(chǎng)靈活決定CVPP的先后配置 ，接著CVPP將DER信息發(fā)送給DSO以進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)等驗(yàn)證。驗(yàn)證通過后，DSO 將通信申請(qǐng)發(fā)送給電力系統(tǒng)中的配電節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將各 DER 出力情況發(fā)送給 TSO。
歐盟WEB2ENERGY項(xiàng)目
歐盟WEB2ENERGY項(xiàng)目成立于2010年1月，2012年12月完成項(xiàng)目，是歐盟第七個(gè)研究和技術(shù)發(fā)展框架計(jì)劃支持的歐洲項(xiàng)目，涉及奧地利、瑞士、德國、波蘭、荷蘭等國家。
項(xiàng)目旨在：一是對(duì)所有市場(chǎng)參與者開放端到端通信系統(tǒng)解決方案以支持基于 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的開放式通信理念；二是將 W2E 實(shí)際獲得的經(jīng)驗(yàn)引入 IEC 標(biāo)準(zhǔn)化工作，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)推廣；三是實(shí)施和批準(zhǔn)“智能配電”的三個(gè)支柱：客戶集成、主動(dòng)分銷網(wǎng)絡(luò)和通過自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，提高智能配電自動(dòng)化的供應(yīng)可靠性。四是實(shí)施和批準(zhǔn)進(jìn)一步改善技術(shù)、環(huán)境、市場(chǎng)和社會(huì)方面的技術(shù)條件。
WEB2ENERGY項(xiàng)目VPP包含5座CHP電廠、2組100千瓦時(shí)氧化還原電池、10組5千瓦時(shí)鋰電池、6座光伏電站、3座風(fēng)電場(chǎng)、2座小型水電站和3類大型可控負(fù)荷。通過VPP將單個(gè)能源生產(chǎn)商連接到網(wǎng)絡(luò)中，VPP的電表與計(jì)費(fèi)電能表相一致。不同所有權(quán)的發(fā)電商向20 千伏HSE網(wǎng)絡(luò)供電。簽訂DSO和電廠業(yè)主之間的相互協(xié)議，同意安裝遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控設(shè)施并執(zhí)行控制功能。
WEB2ENERGY項(xiàng)目VPP控制中心基于兩種控制策略對(duì)VPP進(jìn)行管理：一是當(dāng)前策略：根據(jù)VPP當(dāng)前的狀態(tài)信息和市場(chǎng)要求，自動(dòng)生成DSM方案，控制儲(chǔ)能單元工作。二是前瞻策略：通過日前規(guī)劃生成電能消費(fèi)參考曲線和虛擬交通燈時(shí)段（紅燈表示節(jié)能有利，綠燈表示用電有利）。WEB2ENERGY項(xiàng)目在極端情況下100%被移到綠燈階段，平均約8%的峰值功率被削減掉。在試點(diǎn)項(xiàng)目的第一個(gè)月，已經(jīng)引入了3%的節(jié)能和負(fù)荷從紅色轉(zhuǎn)移到約15%的負(fù)荷峰值的綠色區(qū)域。
德國成功案例
Next Kraftwerke是德國一家大型的VPP運(yùn)營商，也是歐洲最大的VPP。它創(chuàng)立于2009年，是歐洲電力交易市場(chǎng)(EPEX)認(rèn)證的能源交易商，在EPEX SPOT和EEX等歐洲交易所可以參與能源的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易，在七個(gè)歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營商（Transmission System Operator）TSO地區(qū)提供平衡服務(wù)。Next Kraftwerke通過中央控制系統(tǒng)的M2M實(shí)時(shí)通信，將來自沼氣、風(fēng)能、太陽能、垃圾等可再生能源與商業(yè)和工業(yè)電力用戶以及儲(chǔ)能系統(tǒng)匯集在一起。截至2020年6月，Next Kraftwerke已有9516個(gè)聚合單元，8179兆瓦聯(lián)網(wǎng)裝機(jī)容量，627.7百萬歐元營業(yè)額，15.1T瓦時(shí)能源交易量。
公司NEMOCS平臺(tái)是一個(gè)模塊化設(shè)計(jì)的軟件，使VPP能夠連接、監(jiān)控和控制DER、用戶和存儲(chǔ)系統(tǒng)，以高頻率和最精確的方式顯示和記錄當(dāng)前輸入和資產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。Next Kraftwerke使用Next Box來遠(yuǎn)程控制聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)，提供電網(wǎng)平衡頻率調(diào)節(jié)服務(wù)，參與電力市場(chǎng)交易并獲得收益。由于電力供應(yīng)的迅速變化，市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)很大。可操縱資產(chǎn)的運(yùn)營商可以利用不斷變化的能源價(jià)格：通過在價(jià)格高的時(shí)候發(fā)電，在價(jià)格低的時(shí)候讓設(shè)備待運(yùn)，這樣既可以增加利潤又可以支持電網(wǎng)的可持續(xù)利用。Next Pool在其控制系統(tǒng)中使用算法，以確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中將有足夠的電能，在需要時(shí)響應(yīng)來自電網(wǎng)運(yùn)營商和調(diào)度中心的信號(hào)。
德國VPP已大范圍商業(yè)化，主要應(yīng)用場(chǎng)景為通過電力市場(chǎng)的靈活電價(jià)，引導(dǎo)電廠管轄內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)用電成本，優(yōu)化交易收益。已形成了完整的市場(chǎng)生態(tài)鏈和商業(yè)模式，并已經(jīng)歷了第一輪市場(chǎng)整合。德國與VPP配套的上中下游產(chǎn)品已逐漸完備，VPP除直接參與電力市場(chǎng)進(jìn)行交易之外，溢價(jià)部分與客戶分成參與電網(wǎng)系統(tǒng)輔助服務(wù)（二次、三次調(diào)頻）來收取服務(wù)傭金，與此同時(shí)：針對(duì)城市供電公司、大型工業(yè)用戶、部分針對(duì)小用戶的都有相應(yīng)的售電套餐。
我國虛擬電廠試點(diǎn)情況
上海黃浦區(qū)試點(diǎn)商業(yè)建筑VPP示范項(xiàng)目
自2016年起，上海市開展國家級(jí)需求側(cè)管理示范項(xiàng)目“上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑VPP項(xiàng)目”建設(shè)，引導(dǎo)商業(yè)用戶與發(fā)電側(cè)的互動(dòng)響應(yīng)，提升電力需求側(cè)管理水平，推動(dòng)VPP的開發(fā)建設(shè)。
上海市隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，電力峰谷差不斷增大，加上消納清潔能源和電動(dòng)汽車行業(yè)的壓力，電網(wǎng)負(fù)荷供需平衡矛盾增大。并且黃浦區(qū)是上海商業(yè)建筑最密集的中心城區(qū)，大型商業(yè)建筑數(shù)量繁多，開發(fā)商業(yè)建筑VPP，實(shí)現(xiàn)多元化需求響應(yīng)和柔性負(fù)荷控制迫在眉睫。
平臺(tái)總體架構(gòu)分為兩層：下層為虛擬發(fā)電機(jī)層（即樓宇用戶層），又可以細(xì)分為邊緣計(jì)算層和感知層，通過智能終端與VPP平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上傳和接受削峰指令，實(shí)現(xiàn)交互和樓宇系統(tǒng)控制；上層為VPP層，采集、分析樓宇內(nèi)海量上傳數(shù)據(jù)，并完成虛擬發(fā)電任務(wù)執(zhí)行、監(jiān)視、結(jié)算等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)電廠整體運(yùn)營管理。
在總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在2020年7月，上海在結(jié)合商業(yè)VPP的基礎(chǔ)上，正開展包括工業(yè)、商業(yè)居民等領(lǐng)域的VPP研發(fā)工作。通過AI和遠(yuǎn)程控制方式，將周邊樓宇中充電樁的充電模式由快充轉(zhuǎn)變?yōu)槁?；在不影響樓宇安全的條件下，調(diào)節(jié)電梯運(yùn)行方式、儲(chǔ)能設(shè)備、三聯(lián)供機(jī)組和空調(diào)溫度等。通過VPP的方式，把閑散電集中起來，緩解部分地區(qū)用電緊張。而提供電能的樓宇，已出售電價(jià)獲得補(bǔ)償。
冀北VPP項(xiàng)目
2019年10月在上海舉行的第83屆國際電工委員會(huì)（IEC）大會(huì)上，國網(wǎng)冀北公司VPP示范工程被寫入IEC國際標(biāo)準(zhǔn)用例，并向國際首次公開展示VPP測(cè)試床。2019年12月11日，冀北VPP示范工程投入商業(yè)運(yùn)營。VPP在“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源環(huán)境下，以用戶為中心，以商業(yè)化市場(chǎng)為平臺(tái)的泛在可調(diào)資源聚合管理模式。冀北VPP在促進(jìn)清潔能源消納的同時(shí)，對(duì)構(gòu)建電力市場(chǎng)也具有重要意義，同時(shí)對(duì)于聚合商參與市場(chǎng)主體運(yùn)作提出了更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
示范工程一期實(shí)時(shí)接入與控制蓄熱式電采暖、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、分布式光伏等11類19家泛在可調(diào)資源，容量約16萬千瓦，涵蓋張家口、秦皇島、廊坊三個(gè)地市。其主要架構(gòu)圖如圖2所示。該工程依托泛（FUN）電平臺(tái)，具備秒級(jí)感傳算用、億級(jí)用戶能力、多級(jí)共享生態(tài)。通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的技術(shù)，可與電力系統(tǒng)實(shí)施柔性互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流“三流合一”。
天津智慧能源新城項(xiàng)目
國網(wǎng)天津公司在中新天津生態(tài)城選取面積約 8 平方千米的惠風(fēng)溪示范區(qū)建設(shè)智慧能源新城。新城共包括集中式儲(chǔ)能站、主動(dòng)配電網(wǎng)、VPP綠色公共建筑等 10 個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目有望成為我國首個(gè)基于未來場(chǎng)景的智慧城市項(xiàng)目。新城VPP項(xiàng)目通過在各類源、荷、儲(chǔ)資源加裝物聯(lián)感知終端，將各類資源高效聚合，形成一個(gè)虛擬的可控能量集合體，像“真實(shí)電廠”一樣參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務(wù)和電力市場(chǎng)交易等。目前已完成VPP系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)已接入 49 戶公共資源用戶，可調(diào)負(fù)荷 2.637 萬千瓦，可以有效協(xié)調(diào)電網(wǎng)供需平衡，促進(jìn)各種能源資源的優(yōu)化配置。
總結(jié)與啟示
VPP的目標(biāo)是集分布式能源優(yōu)化于一體,使其作為一種特殊的電廠參與電力市場(chǎng)的運(yùn)營管理事務(wù),提供電力輔助服務(wù),并使VPP通過協(xié)調(diào)控制在最優(yōu)操作點(diǎn)。隨著現(xiàn)貨市場(chǎng)和電力市場(chǎng)的發(fā)展越來越靈活，VPP和市場(chǎng)聯(lián)系越來越緊密并逐漸參與商業(yè)化運(yùn)營。國外VPP發(fā)展較早，尤其德國，美國等發(fā)達(dá)國家VPP的上中下游配套技術(shù)和設(shè)施已非常完善，我國VPP發(fā)展還處于探索階段。根據(jù)國外VPP發(fā)展，可借鑒經(jīng)驗(yàn)和建議有如下幾點(diǎn)：
一是優(yōu)化調(diào)度體系，完善調(diào)度機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)體系。我國現(xiàn)存電力調(diào)度體系為五級(jí)：國調(diào)中心、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、區(qū)調(diào)、縣調(diào)。隨著電力體制改革的推進(jìn)，售電公司，能源服務(wù)公司，聚合商，將逐步進(jìn)入電力市場(chǎng),參與電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行,目前的調(diào)度體系會(huì)被逐漸打破。歐洲現(xiàn)有調(diào)度體系為日前市場(chǎng)、日內(nèi)市場(chǎng)與實(shí)時(shí)市場(chǎng)互為補(bǔ)充的市場(chǎng)模式。如要大力推廣VPP，必須優(yōu)化調(diào)度體系，推進(jìn)電力調(diào)度系統(tǒng)整體智能化。
二是積極推進(jìn)負(fù)荷聚合商為主體運(yùn)營的商業(yè)運(yùn)營模式，形成調(diào)度中心—負(fù)荷聚合商—VPP—聯(lián)網(wǎng)DER—用戶相互關(guān)聯(lián)的信息互通鏈，使VPP有效聚合分散DER資源，保證虛擬發(fā)電效果可監(jiān)測(cè)和可驗(yàn)證。建議由政府或調(diào)度中心對(duì)已有遠(yuǎn)程控制設(shè)備進(jìn)行整合，減輕負(fù)荷聚合商、VPP和用戶二次投入支出。
三是完善輔助服務(wù)市場(chǎng)和定價(jià)、交易機(jī)制。配合現(xiàn)貨交易試點(diǎn)，進(jìn)一步完善輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)。VPP建設(shè)會(huì)與一些交易定價(jià)沖突，比如電網(wǎng)公司過網(wǎng)費(fèi)等，應(yīng)鼓勵(lì)儲(chǔ)能設(shè)備、需求側(cè)資源參與提供電力輔助服務(wù)，協(xié)調(diào)各方利益，完善提供方式、調(diào)節(jié)和評(píng)估指標(biāo)、結(jié)算方式。
四是增強(qiáng)VPP配套軟件安全性與魯棒性，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效。完善智能感知技術(shù)和傳輸技術(shù)，制定VPP傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性。如數(shù)據(jù)需透明公開，則增加公用接口使操作方便；如數(shù)據(jù)需保密，則確保數(shù)據(jù)安全，防止泄露。
近些年我國加快發(fā)展壯大水電等可再生能源，水電大機(jī)組設(shè)備陸續(xù)生產(chǎn)完成，對(duì)發(fā)展VPP給予了很多政策支持。VPP“串聯(lián)”源網(wǎng)荷儲(chǔ)售服，它的實(shí)施可以推遲對(duì)輸電和配電線路的新投資，提高資源利用率，有利于優(yōu)化其地位和最大限度地增加收入機(jī)會(huì)，從而在實(shí)施中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益。在一系列配套實(shí)施中拉動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，貫通能源市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)多方互利共贏。
（本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊）2020年第9期，作者單位：國家電投中電國際政研室）
