中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：生產(chǎn)和需求隨時(shí)協(xié)調(diào)、所有人都參與電力系統(tǒng)平衡，才是實(shí)現(xiàn)100%可再生能源的最好方法。
文 | 本刊記者 范珊珊
德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境局（UBA）年初發(fā)布的消息稱(chēng)，德國(guó)2022年可再生能源生產(chǎn)創(chuàng)紀(jì)錄達(dá)到256太瓦時(shí)（TWh），可再生能源發(fā)電占德國(guó)總用電量的44.6%。在這個(gè)過(guò)去只有幾十家傳統(tǒng)發(fā)電廠的地方，現(xiàn)在擁有超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和數(shù)千個(gè)生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組。
特別是俄烏危機(jī)爆發(fā)后，可再生能源在德國(guó)發(fā)展勢(shì)頭更加迅猛，虛擬電廠也成為一股不容忽視的力量。大量小型分布式能源(DER)逐漸取代傳統(tǒng)發(fā)電廠，虛擬電廠（VPP）作為新型電力系統(tǒng)的重要支持，不僅聚合數(shù)以千計(jì)的電力生產(chǎn)商、消費(fèi)者和存儲(chǔ)單元，并且通過(guò)智能系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)，優(yōu)化發(fā)電和調(diào)度，讓電力資源實(shí)現(xiàn)更為高效的配置，幫助電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定。
如果你駕車(chē)穿過(guò)科隆附近的萊茵褐煤礦區(qū)，一定不會(huì)錯(cuò)過(guò)Niederaussem電廠高達(dá)100多米的混凝土塔，它的運(yùn)營(yíng)商——德國(guó)傳統(tǒng)電力集團(tuán)RWE ，通過(guò)這個(gè)燃煤電站全天候向外可靠地供電。同樣在科隆一個(gè)舊廠房改造的辦公區(qū)內(nèi)，Next Kraftwerke公司作為發(fā)電企業(yè)卻并不擁有物理意義上的發(fā)電廠，但其憑借強(qiáng)大計(jì)算系統(tǒng)整合了上萬(wàn)個(gè)發(fā)電工廠，成為歐洲最大的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商之一。
成立于2009年的Next Kraftwerke，是德國(guó)最早探索虛擬電廠的公司，也是目前德國(guó)最大的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商。2022年4月，該公司對(duì)外宣布，實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的里程碑，即并網(wǎng)發(fā)電裝機(jī)容量已突破1萬(wàn)兆瓦，通過(guò)智能控制系統(tǒng)，在德國(guó)、比利時(shí)、奧地利、法國(guó)、波蘭、荷蘭、瑞士和意大利運(yùn)營(yíng)著13000多個(gè)分布式能源單元，而運(yùn)用的電力設(shè)備也從最初的生物質(zhì)慢慢擴(kuò)展到風(fēng)電、太陽(yáng)能以及近兩年來(lái)的電池儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)等。據(jù)介紹，2018年至今，該公司的產(chǎn)品組合裝機(jī)從4600兆瓦增加到萬(wàn)兆瓦，翻了一番多，其中超過(guò)6000兆瓦來(lái)自太陽(yáng)能。
也正是可再生能源對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn)給像Next Kraftwerke這樣的公司帶來(lái)新的機(jī)遇?！皵?shù)字化連接、控制和調(diào)節(jié)大量不同的能源是虛擬發(fā)電廠的任務(wù)?！钡聡?guó)能源署 (Dena)數(shù)字化專(zhuān)家Philipp Richard解釋說(shuō)。
如何工作？
可再生能源長(zhǎng)期以來(lái)一直是電力供應(yīng)的核心組成部分。鑒于可再生能源的快速發(fā)展，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在歐洲，電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、配電和銷(xiāo)售四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，而電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)主體可以劃分為輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（TSO）和配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商（DSO）。其中，TSO負(fù)責(zé)輸電網(wǎng)絡(luò)的控制和運(yùn)營(yíng)，是具有壟斷性質(zhì)的業(yè)務(wù)；而DSO則主要負(fù)責(zé)將電力分配給用戶，是競(jìng)爭(zhēng)性的業(yè)務(wù)。
因而，歐洲的虛擬電廠通常是由第三方運(yùn)營(yíng)商、發(fā)電廠，以及TSO合作運(yùn)營(yíng)的。首要任務(wù)也當(dāng)然是為發(fā)電單位服務(wù)，并設(shè)法提升效率，降低成本。
“我們運(yùn)營(yíng)容量超過(guò)1萬(wàn)兆瓦的虛擬發(fā)電廠，不僅說(shuō)明了具有高比例可再生能源的能源系統(tǒng)如何工作，它還展示了許多分散式系統(tǒng)如何集中、智能、協(xié)同地為穩(wěn)定的電力供應(yīng)做出貢獻(xiàn)，Next Kraftwerke創(chuàng)始人Jochen Schwill說(shuō)。
事實(shí)上，每一個(gè)獨(dú)立的能源系統(tǒng)都有可能成為虛擬電廠的一部分。Next Kraftwerke使用智能控制來(lái)聚合其成員的電力并靈活分配，相當(dāng)于模仿一個(gè)集中式發(fā)電廠。也就是說(shuō)，虛擬電廠以控制系統(tǒng)為核心，整合了氣象預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)等，首先通過(guò)算法進(jìn)行功率預(yù)測(cè)與負(fù)荷預(yù)測(cè)，然后基于多維數(shù)據(jù)智能決策，對(duì)資源配置做出判斷，在主網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮電廠的調(diào)節(jié)作用。
資料顯示，Next Kraftwerke業(yè)務(wù)更為關(guān)注發(fā)電側(cè)，業(yè)務(wù)主要分為三塊：一是幫助新能源發(fā)電企業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電情況，幫助他們降低發(fā)電成本或者負(fù)電價(jià)帶來(lái)的損失；二是面向電網(wǎng)側(cè)，幫助客戶使用發(fā)電設(shè)備為電網(wǎng)提供短期柔性儲(chǔ)能服務(wù)，并賺取收益；三是根據(jù)電網(wǎng)狀況調(diào)整用電側(cè)的需求，將電網(wǎng)測(cè)的需求分配到現(xiàn)貨市場(chǎng)的低價(jià)時(shí)段。
在德國(guó)，日間電力市場(chǎng)允許接近實(shí)時(shí)的電力交易，訂單到交割之間的時(shí)間縮短產(chǎn)生了對(duì)在短時(shí)間內(nèi)可獲得的快速可控靈活性資源的更多需求，而這類(lèi)需求可以由虛擬電廠通過(guò)其資源組合提供。
德國(guó)國(guó)際合作機(jī)構(gòu)的報(bào)告稱(chēng)，Next Kraftwerke管理系統(tǒng)可以根據(jù)日間市場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，日間市場(chǎng)是保持整體電力系統(tǒng)平衡必不可少的工具。Next Kraftwerke公司根據(jù)電力市場(chǎng)波動(dòng)調(diào)整其資源池中的可調(diào)度能源發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷的出力和需求，為客戶帶來(lái)收入，同時(shí)為系統(tǒng)平衡做出貢獻(xiàn)。
以接入該公司的生物質(zhì)電廠為例，NEXT Box系統(tǒng)將電廠和遠(yuǎn)程控制中心連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線雙向遠(yuǎn)程傳輸，對(duì)其發(fā)電量按照15分鐘的間隔進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)電力批發(fā)市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)每天上下調(diào)整20次，以優(yōu)化發(fā)電收入。
除了管理發(fā)電，Next Kraftwerke還提供了負(fù)荷管理的服務(wù)。為鼓勵(lì)工商業(yè)客戶轉(zhuǎn)移負(fù)荷，Next Kraftwerke按照日間市場(chǎng)電價(jià)的變化，向工商業(yè)客戶提供不同類(lèi)型的電價(jià)（電價(jià)構(gòu)成取決于使用時(shí)間、用戶調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃的靈活性等）信息?？蛻艨梢愿鶕?jù)Next Kraftwerke發(fā)出的價(jià)格信號(hào)自行決定執(zhí)行計(jì)劃，也可以完全由Next Kraftwerke進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)控。
在德國(guó)，輸電運(yùn)營(yíng)商是獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，Next Kraftwerke可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)完全平衡管理或部分平衡管理，通過(guò)優(yōu)化發(fā)電量和用電量預(yù)測(cè)，繼而參與日間市場(chǎng)的電力交易，最終解決預(yù)測(cè)和次日實(shí)際計(jì)劃之間的偏差，實(shí)際上是充當(dāng)了“電網(wǎng)調(diào)度員”的作用。
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供軟件服務(wù)除了運(yùn)行虛擬電廠，Next Kraftwerke還提供可定制虛擬電廠（NEMOCS）服務(wù)，為能源公司建立自己的虛擬電廠提供軟件解決方案。也就是說(shuō)，虛擬電廠是一個(gè)集中分散式能源的管理系統(tǒng)，匯集可再生和不可再生單元、存儲(chǔ)設(shè)備和可調(diào)度負(fù)載的容量，把他們捆綁成一個(gè)規(guī)模較大的組合，為電力系統(tǒng)服務(wù)。
核心是什么？
管理巨大的分散的可再生能源系統(tǒng)，強(qiáng)大的收集數(shù)據(jù)、分析和做出決策的系統(tǒng)是虛擬電廠管理的核心。Next Kraftwerke亦是如此。
“我們?yōu)榭稍偕茉刺峁┦袌?chǎng)準(zhǔn)入以及發(fā)電量預(yù)測(cè)，并看到到對(duì)控制可再生能源解決方案的不斷增長(zhǎng)的需求，幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平衡，并預(yù)測(cè)電力市場(chǎng)將發(fā)生什么?？稍偕茉吹娜找嫫占敖o無(wú)數(shù)國(guó)家的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提出了許多需要回答的問(wèn)題：電力從何而來(lái)？它去哪兒了？四小時(shí)后會(huì)發(fā)生什么？我們可以告訴客戶，可再生能源這一秒在每個(gè)電網(wǎng)交叉點(diǎn)產(chǎn)生多少電力，并將過(guò)程可視化，預(yù)測(cè)四小時(shí)后會(huì)發(fā)生什么。”Jochen Schwill稱(chēng)。
除了強(qiáng)大的數(shù)字化的系統(tǒng)作為支撐，在該公司國(guó)際部經(jīng)理Leonard Hirsch看來(lái)，他們善于收集客戶的數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)市場(chǎng)的變化。特別是目前價(jià)格很貴的情況下預(yù)測(cè)更要正確，告訴輸電商第二天可以提供的電力情況，現(xiàn)貨市場(chǎng)的日前和日間交易更考驗(yàn)公司的能力。
這是一種聚合服務(wù)，由他們的控制系統(tǒng)完成，使用基于大數(shù)據(jù)（例如電廠運(yùn)行情況、 天氣數(shù)據(jù)、市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)、電網(wǎng)數(shù)據(jù)）的智能算法，使可再生能源發(fā)電機(jī)組和工業(yè)用戶更加靈活，對(duì)價(jià)格信號(hào)的響應(yīng)更快。通過(guò)更有效地部署電網(wǎng)資產(chǎn)，分布式資源的聚合，降低了每個(gè)人的電力成本，尤其是虛擬電廠參與者。
在德國(guó)，虛擬電廠應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到了商業(yè)化的階段。作為獨(dú)立的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商，Next Kraftwerke競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手主要是電力交易商、電力公司和能源領(lǐng)域的技術(shù)公司。在Jochen Schwill看來(lái)，公司研發(fā)的核心在于技術(shù)和氣象學(xué)?！斑@就是為什么我們一直關(guān)注有趣的技術(shù)發(fā)展，這仍然是一場(chǎng)相當(dāng)抽象的比賽，但我們將不得不面對(duì)它。例如，我們需要機(jī)器學(xué)習(xí)和改進(jìn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)?！?
對(duì)Next Kraftwerke來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)在近兩年的發(fā)展也給其提出新的挑戰(zhàn)，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)將在一夜之間接入電網(wǎng)，這意味他們?yōu)殡娋W(wǎng)運(yùn)營(yíng)商更大的靈活性提供可能，提供了大量存儲(chǔ)空間供我們使用，那么，這意味著虛擬電廠運(yùn)營(yíng)商將直接進(jìn)入家庭。
Jochen Schwill認(rèn)為，最遲到2050年，可再生能源可以滿足德國(guó)100%的電力需求，電力系統(tǒng)將足夠靈活，問(wèn)題是兩個(gè)系統(tǒng)仍然并存：舊的中心化市場(chǎng)系統(tǒng)和新的去中心化市場(chǎng)系統(tǒng)，這從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是行不通的?！半S著可再生能源在電力系統(tǒng)中所占份額的增加，我們不能再像舊系統(tǒng)那樣簡(jiǎn)單地跟蹤負(fù)載和供應(yīng)。而是生產(chǎn)和需求必須相互協(xié)調(diào)，現(xiàn)在是所有參與者調(diào)整和適應(yīng)新系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)100%可再生能源的時(shí)候了?！?
