VPP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本分類
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VPP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
隨著包括分布式電源（Distributional Generator，DG），儲能裝置，電動汽車，可調(diào)節(jié)負(fù)荷等在內(nèi)的各類分布式能源（Distributional Energy Resources,DER）的逐步規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)，在增強了系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性、靈活性與環(huán)保性的同時，各類DER自身的波動性與不確定性也對系統(tǒng)的靈活運行提出了新的要求。在這樣的背景下，虛擬電廠這一概念的出現(xiàn)，無疑為高比例DER大規(guī)模接入電網(wǎng)提供了一種嶄新的思想，即可通過區(qū)域性多能源聚合的方式，來實現(xiàn)對大量DER的靈活控制，從而在保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，最大化各類DER對于增強系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲側(cè)互動的獨特優(yōu)勢。
如圖1所示，VPP的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中物理概念上的發(fā)電廠之間、發(fā)電側(cè)和用電側(cè)之間的界限，可同時聚合區(qū)域內(nèi)不同類型的DG以及源荷側(cè)的可控資源。從技術(shù)層面講，虛擬電廠并未對系統(tǒng)中分布式能源并網(wǎng)的方式進(jìn)行實質(zhì)性的改變，而是通過先進(jìn)的控制、計量、通信手段對分布式電源、可控負(fù)荷、儲能系統(tǒng)、電動汽車等不同類型的分布式電源進(jìn)行聚合，使其能夠以一個“集合體”的形式參與各類電力市場交易。因此，VPP的核心手段是“通信”和“聚合”。
綜上，VPP不應(yīng)被狹義地定義為各類分布式資源的集合體，而是基于“通信”和“聚合”的思想，把分散在四處、與不同層級的電網(wǎng)相連的分布式新能源電站、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）系統(tǒng)、可控負(fù)荷和儲能裝置等設(shè)備集合起來，通過能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制完成市場運營，在實現(xiàn)電能交易的同時優(yōu)化資源利用、提高供電可靠性的一種綜合體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
其中，發(fā)電側(cè)的分布式能源實際上可分為自用型（domestic distributed generation，DDG）和公用型（public distributed generation，PDG）兩類。DDG的首要任務(wù)是滿足其自身的負(fù)荷需求，在有多余發(fā)電能力的情況下，才考率把多余的電能輸入電網(wǎng)參與市場交易，典型的DDG系統(tǒng)主要是一些小型的分布式電源，如屋頂建筑光伏，為個人住宅、商業(yè)負(fù)荷等提供自用服務(wù)；PDG的主要任務(wù)則是將自身所生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)，其運營目的就是參與電力市場出售所生產(chǎn)的電能，典型的PDG系統(tǒng)主要包含風(fēng)電、光伏等新能源電站。能量存儲系統(tǒng)既可以來源于電源側(cè)及負(fù)荷側(cè)的自身配備，也可以是獨立的能量存儲單元的集合，主要功能是平抑可再生能源和負(fù)荷側(cè)的出力波動，提升聚合區(qū)域的整體運行靈活性；通信系統(tǒng)是虛擬電廠進(jìn)行能量管理、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，以及與電力系統(tǒng)調(diào)度中心通信的重要環(huán)節(jié)，可使得虛擬電廠的管理更加可視化，便于電網(wǎng)對虛擬電廠進(jìn)行監(jiān)控管理。
VPP的基本分類
前面已經(jīng)提到，虛擬電廠可以將區(qū)域內(nèi)的各類分布式能源聚合后接入電網(wǎng)，在這一載體下，個體DER可以獲得能源市場的準(zhǔn)入并從VPP得到相關(guān)市場的實時信息。另一方面，VPP使其所屬的各類DER對系統(tǒng)運營商可見，向電網(wǎng)提供了一種可用于電力網(wǎng)絡(luò)主動控制與響應(yīng)的聚合資源，在市場運行中與輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)一起實現(xiàn)分層的需求上報與價格激勵信息交互，如圖3所示。
而在實際運行中，VPP會從描述各DER的參數(shù)組合中創(chuàng)建一個操作配置文件，這個文件也正是VPP的核心信息，換而言之，VPP是可用于參與例如在批發(fā)市場中簽訂合同等電力交易，以及可以向系統(tǒng)運營商提供管理與輔助服務(wù)的DER組合信息的靈活表示?；谶@一理解，我們可以按照對外體現(xiàn)的功能不同，又可將VPP分為兩種類型：商業(yè)型虛擬電廠（Commercial VPP，CVPP）和技術(shù)型虛擬電廠（Technical VPP，TVPP），它們在VPP運行中的具體分工、與TSO、DSO的協(xié)作關(guān)系及參與市場的流程如圖4所示。
下面分別介紹CVPP與TVPP的基本特點、功能以及運營商主體的有關(guān)情況。
CVPP的關(guān)注焦點在于最大化其內(nèi)部各類DER用戶的綜合收益，即主要考慮商業(yè)收益，而一般不考慮配電網(wǎng)的影響。對于各類DER的投資組合而言，這種通過資源整合并統(tǒng)一調(diào)度控制參與市場的方式，一方面降低了單個DER參與市場的不平衡風(fēng)險，并通過聚合實現(xiàn)了資源多樣性及增加了整體容量，另一方面通過CVPP的聚合模式，各DER主體還可以從規(guī)模經(jīng)濟和市場信息中獲得額外收益?；谏鲜鎏攸c，參與CVPP業(yè)務(wù)的運營商可以是任何第三方獨立企業(yè)、能源供應(yīng)商或新的市場進(jìn)入者。最后，在聚合DER資源的地理位置方面，在分布式能源的投資組合不受所處地理約束的市場環(huán)境下，CVPP可以代表系統(tǒng)中任何地理位置的DER，而即便在對參與分布式能源地理位置有限制的市場中，例如要求均位于某一配電網(wǎng)區(qū)域或輸電網(wǎng)節(jié)點，CVPP仍然可以表示來自不同位置的DER，只是DER的聚合必須按位置進(jìn)行，從而產(chǎn)生一組由地理位置決定的DER組合序列。
TVPP則首先一般由分布在同一地理位置的分布式資源組成，其關(guān)注的重點在于為系統(tǒng)運行提供服務(wù)，主要功能包括為DSO提供本地系統(tǒng)管理以及為TSO提供系統(tǒng)平衡和輔助服務(wù)。顯然，TVPP的運營商需要有本地網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)信息，因此本地的DSO往往作為TVPP運營商主體的不二選擇。同樣地，TVPP也可通過一個聚合的配置文件來表示各DER成本和運行特性，但不同的是需要考慮局部配網(wǎng)對各DER組合出力的約束，TVPP聚合并模擬了一個包含分布式發(fā)電、可控負(fù)荷等DER和單一地理電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)的響應(yīng)特性，本質(zhì)上提供了對配網(wǎng)子系統(tǒng)的運行描述。
VPP的控制方案及競價交易概述
VPP的整體控制結(jié)構(gòu)分類
在總體上，VPP的控制整體結(jié)構(gòu)可以分為集中控制、集散控制和分散控制三類。在集中控制結(jié)構(gòu)中，由控制中心掌握所有發(fā)電或用電單元的全部信息，并對每一個單元制定的發(fā)電或用電方案擁有完全控制權(quán)；在集散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬發(fā)電廠被分為總控制中心和本地控制中心兩個層級?？偪刂浦行闹回?fù)責(zé)將任務(wù)分解并分配到各本地控制中心，由各本地控制中心負(fù)責(zé)制定轄區(qū)內(nèi)各單元的發(fā)電或用電方案，而總控制中心則將工作重心轉(zhuǎn)移到依據(jù)用戶需求和市場規(guī)則的能量優(yōu)化調(diào)度方面；在完全分散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠控制協(xié)調(diào)中心由數(shù)據(jù)交換與處理中心代替，而虛擬電廠也被劃分為相互獨立的自治的智能子單元，這些子單元不受數(shù)據(jù)交換與處理中心控制，只是接受相關(guān)信息并對自身運行狀態(tài)獨立地進(jìn)行優(yōu)化控制。
VPP的具體控制框架與邏輯
商業(yè)型虛擬電廠。如圖5所示，在CVPP的實際運行中，每個DER主體都需要首先上報其運行參數(shù)、邊際成本等信息，一般可由CVPP安裝在這些DER處的終端裝置完成信息采集，這些DER的輸入信息同市場分析、地方數(shù)據(jù)等其他輸入信息一起匯集到單一的虛擬電廠中創(chuàng)建配置文件，每個文件都代表了一個DER實時組合的運行描述。隨著CVPP獲取的市場交易信息不斷增加，CVPP將逐步完成在遠(yuǎn)期合同市場、期貨市場、電能量市場及輔助服務(wù)市場的投資組合方案的優(yōu)選并實時評估各類DER聚合后參與相關(guān)交易的能力，最后CVPP將向電力交易中心提交相關(guān)的訂單合同和相應(yīng)的投標(biāo)報價的信息，而CVPP組合方案中的各DER則需要向TVPP提交發(fā)電計劃、運行成本等參數(shù)信息以供完成后續(xù)調(diào)整。
技術(shù)型虛擬電廠。如圖6所示，DER投資組合方案的實時運行信息通過在該地區(qū)運行的各種CVPP傳遞給TVPP后，TVPP會將把這些信息與本地的網(wǎng)絡(luò)信息(如拓?fù)?、配網(wǎng)約束、網(wǎng)絡(luò)實時狀態(tài)等)結(jié)合起來，從而最終建立描述與上級輸電網(wǎng)連接的本地配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)各DER運行特性的配置文件。這一文件可以用來為DSO和TSO提供一系列的系統(tǒng)運行服務(wù)，如實時平衡，頻率和電壓支持，電網(wǎng)阻塞管理等。通過這種方式，TVPP就可以從本地配網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的各類DER聚合后的靈活運行中獲益，為輸電網(wǎng)中的其他電源提供輔助服務(wù)。
VPP的競價交易過程
上面已經(jīng)提到，VPP由于聚合了供需側(cè)的各類DER，可以參與包括電能量市場、輔助服務(wù)市場等在內(nèi)的各類電力市場交易。本節(jié)僅以VPP參與電能量市場為例，對VPP參與市場的競價交易過程以及與各市場主體之間的協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行介紹。
考慮在發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)雙邊開放的集中式電力市場，交易均按統(tǒng)一出清價結(jié)算。我們知道，VPP內(nèi)既有發(fā)電資源又有需求側(cè)資源，因而在每個交易時段，VPP都可以同時參與發(fā)電側(cè)市場與售電側(cè)市場來競價交易?；赩PP的容量限制，VPP可視為價格接受者，其報價不會影響到市場的最終出清電價，因此VPP就可根據(jù)預(yù)測的電力市場電價以及市場的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)部各DER的實時運行狀態(tài)來合理設(shè)置在雙邊市場的競標(biāo)電量及報價。如圖7所示，VPP參與的電力市場的競標(biāo)流程可分為計劃、運行和結(jié)算三個階段。
計劃階段：在日前市場開啟前，VPP主要根據(jù)各DER的歷史運行情況，參與市場運營商組織的中長期市場，簽訂雙邊合同；
運行階段：日前市場開啟時，VPP作為市場的價格接受者，需要根據(jù)內(nèi)部DER運行的歷史數(shù)據(jù)及市場的歷史交易情況來確定下一交易日的競標(biāo)策略，并將最終的競標(biāo)電量及報價提交給市場運營商，市場運營商在日前市場關(guān)閉完成出清，次日，VPP需按照中標(biāo)的電量及電價完成交易。而在日內(nèi)市場中，由于實時電能量市場是逐時段開啟的，VPP需要實時更新并重新預(yù)測其內(nèi)部各DER的狀態(tài)，重新制定并逐時段市場運營商提交參與現(xiàn)貨市場的競標(biāo)電量及電價。在實時運行之前，市場運營商會根據(jù)最新的超短期負(fù)荷預(yù)測結(jié)果及電網(wǎng)運行信息對全網(wǎng)的發(fā)電資源重新進(jìn)行集中優(yōu)化，每隔一段時間滾動出清下一時段的實時中標(biāo)電量和電價。
結(jié)算階段：由于實時電能量市場的出清結(jié)果與日前交易計劃存在差異，在事后結(jié)算中，一般日前中標(biāo)電量按照日前中標(biāo)電價結(jié)算，而實時中標(biāo)電量與日前中標(biāo)電量的偏差按照實時中標(biāo)電價結(jié)算。此外，在結(jié)算階段的內(nèi)部收益分配方面，VPP會把從DSO處獲得的激勵以及市場收益按照某種公平機制分配給每個做出貢獻(xiàn)的DER。
需要額外補充說明的是，在現(xiàn)行的交易過程中，由于配電網(wǎng)主要用于管理用戶和發(fā)電資源的并網(wǎng)，所以DSO并不具有發(fā)電計劃的審核的資格，而主要完成驗證發(fā)電計劃以及制定調(diào)度順序的工作。在競價過程中，VPP將DER發(fā)送的報價整合之后就會發(fā)送給市場運營商，在運行了出清程序之后，市場的出清結(jié)果會被發(fā)送給TSO以及對應(yīng)的DSO。而另一方面，在市場運營者進(jìn)行優(yōu)化求解之前，DSO也會接收到VPP分解的投標(biāo)信息并進(jìn)行相關(guān)驗證，只有符合要求的投標(biāo)才有通過市場出清的機會。
總結(jié)與展望
由于VPP首先在國外特別是歐美國家得到應(yīng)用與實踐，以上有關(guān)VPP的基本結(jié)構(gòu)與分類、運行控制框架及參與電力市場的過程主要也基于一些國外成功的VPP項目，比如歐洲的FENIX項目。
實際上，在我國進(jìn)行VPP的相關(guān)試點工作之前，無論是在近年來我國微電網(wǎng)項目還是在增量配網(wǎng)項目的諸多實踐中，與TVPP相近的運營模式已經(jīng)得到了很多探索，其落地中遇到的許多問題，究其原因是缺乏合理的商業(yè)模式。顯然，投資建設(shè)大量分布式可再生能源、規(guī)模化發(fā)展電動汽車的配套設(shè)施以及信息物理系統(tǒng)的建設(shè)等，都將在前期增加電力系統(tǒng)運行成本，只有進(jìn)一步發(fā)揮分布式發(fā)電、分布式儲能、微電網(wǎng)等資源的減排價值與靈活性價值，才能有效解決上述問題與矛盾。此外，在上海的商業(yè)建筑虛擬電廠項目、江蘇的“源網(wǎng)荷智能電網(wǎng)”系統(tǒng)的應(yīng)用（實際上可視為一個大規(guī)模的促進(jìn)新能源消納的虛擬電廠）以及冀北的虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場的示范項目中，CVPP參與電力市場的運營模式也得到了很多寶貴的實地經(jīng)驗。
追本溯源，無論是國內(nèi)還是國外，VPP這一概念的出現(xiàn)以及各國在實踐中的探索，離不開供給側(cè)各類分布式可再生能源發(fā)電的大量發(fā)展，需求側(cè)各類可調(diào)負(fù)荷的大量出現(xiàn)以及儲能、電動汽車等資源的規(guī)?；l(fā)展，電網(wǎng)的供需平衡環(huán)境發(fā)生的變化對系統(tǒng)的運行方式變革提出了新的要求，即電網(wǎng)結(jié)構(gòu)向清潔低碳轉(zhuǎn)型以及電網(wǎng)運行方式向源網(wǎng)荷儲靈活互動轉(zhuǎn)型，這是VPP在我國與歐美國家得以出現(xiàn)并逐步興起的共同背景。而另一方面，我國與歐美國家的不同之處卻在于，歐美國家的電力市場化改革已在VPP提出之前或同時期，得到了較完備的發(fā)展，其VPP的眾多實踐案例也表明了市場配置資源的開放競爭的環(huán)境是在一定意義上有利于VPP這一分布式能源聚合商的實踐落地的。而我國當(dāng)前的電力市場化改革還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如何在我國電力體制改革的實際背景中發(fā)展與應(yīng)用VPP，實際上也是如何找到一條協(xié)調(diào)我國電力市場化進(jìn)程與能源轉(zhuǎn)型的“中國特色道路”的一個交切面所在。但毋庸置疑的是，VPP作為一種能有效提高能源使用效率，優(yōu)化可再生能源消納、實現(xiàn)大量分布式能源的可靠接入與靈活控制的有效市場手段，未來在我國能源清潔低碳高效轉(zhuǎn)型與電力體制改革中，必將得到更多的理論發(fā)展與實踐應(yīng)用，給出更多“中國特色”的VPP成功案例。
《走近虛擬電廠》
虛擬電廠是滿足能源需求的智慧手段，是能源加速轉(zhuǎn)型的抓手和希望。我國虛擬電廠建設(shè)基礎(chǔ)好，潛力大，但認(rèn)識亟待提高，舉措尚需落地。本書集中了國內(nèi)外多位專家的智慧，是國內(nèi)第一次對虛擬電廠從實務(wù)角度全面引介的專業(yè)書籍，幫助讀者從起源和資源、內(nèi)涵和外延、政策和市場、技術(shù)和商務(wù)、控制和優(yōu)化、發(fā)展和展望等多個角度全方位理解虛擬電廠。
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《走進(jìn)虛擬電廠》力戒生澀理論，注重從市場角度用通俗易懂的語言，對虛擬電廠進(jìn)行抽絲剝繭的分析和介紹，注重理論與實踐的結(jié)合。既可供能源電力領(lǐng)域、政府和企事業(yè)單位對虛擬電廠感興趣的管理人員、研究人員、工程師和廣大從業(yè)者參考，也可作為高校本科生和研究生的輔助教材和參考書籍。
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本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2020年10期，作者供職于華北電力大學(xué)
