储能应用的另一大市场：虚拟电厂

　　90亿元vs2亿元：“虚拟电厂”的经济性

　　以高用电量与电力技术创新著称的江苏省，率先在全国试点“居民虚拟电厂”，以期缓解居民用电压力。CCTV《朝闻天下》(2017.7.19)做了报道。该报道提到：现在建设一座1GW(1百万千瓦)机组的电厂和配套电网设施，需要投资90亿元;如果把海量的居民负荷集中起来，所需要的智能终端投入只需要2亿元。经济效益十分显著。

　　2017年8月25-26日，由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办的首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会，在无锡召开。演讲嘉宾中，来自东南大学的喻洁副教授，对储能系统在“虚拟电厂”中扮演的角色，进行了详细阐述。浙商证券电力设备与新能源研究团队(郑丹丹团队)友情辑录如下。

 

　　喻洁(东南大学副教授)：

　　大家好!

　　非常感谢主办方给我一次机会，能够在这里与各位储能领域的专家们交流，探讨未来储能参与到电力系统的一些商业运营模式。接下来，我将从资金比较熟悉的“虚拟发电厂”概念出发，与大家先分享一下我们团队的一些科研成果。

　　我来自东南大学电力工程学院电力经济技术研究所，我们单位前身就是需求管理研究所，这是高校成立最早的需求侧管理研究所，在电力负荷领域需求侧管理领域积累了丰富的经验。这次电力市场改革开始之后，我们研究所拓展了自己的科研领域方向，现在主要有四个研究方向：电力市场、电力规划、电力经济运行与需求侧管理，所以现在研究所名字叫“电力经济技术研究所”。

　　我们团队目前由两位教授、三位副教授以及在读的七十多名硕士博士研究生组成。我和我的团队在需求侧管理及虚拟发电厂方面，承担了几项国家电网公司的课题，以及国家的基金项目，下面给大家做个分享。

　　虚拟发电厂在国外应该是一个比较新的概念，示范工程主要集中在欧洲。虚拟发电厂最早是在配电网中，由分布式可再生电源、需求侧响应的柔性负荷，以及储能技术组成，其中包括大规模电动车接入情景。中国在虚拟发电厂的实用性方面做了一定的拓展，不局限于分布式电源。我们现在承担的科技项目，也有把传统电厂作为虚拟发电厂一部分的，只要能对它控制好。

　　虚拟发电厂的概念最早起源于在配电网中的分布式电源大规模应用，分布式电源大规模应用是比较自主化的，缺少统一的管理手段和模式，可能会对电网的运行造成影响，比如造成负荷预测的不准确性，对电网运行可靠性带来影响。有专家通过研究证明，当分布式电源占比超过了一定的百分比，有可能对电网的安全稳定运行产生影响。在这样的背景下，提出虚拟发电厂概念，就是希望能通过一些控制手段，把这些分散的分布式电源组织起来，形成一种可以控制的规模化效应的类似于电厂的组织。这个概念在发展过程中融入了需求侧管理柔性负荷的概念，加之储能设备的技术发展，使得虚拟发电厂的可控性越来越好。

　　所以，在虚拟发电厂的定义里面，体现了几个方面的灵活性。

　　第一，组织的灵活性。因为虚拟发电厂内部可以包括不同的组成成分，由分布式电源、储能单元和用电单元组合成一种虚拟组织，且各要素的构成比例具有灵活性。

　　第二，构建的灵活性。在虚拟电厂构建过程中，可以把地理位置分散的不同的分布式单元通过控制策略组织起来，不需要重复投资通信等硬件设施的建设。

　　第三，运行的灵活性。针对不同类型、不同地区的电网需求，虚拟发电厂要适应实时的电网运行状态，在电力市场改革的背景下适应当时电力市场的规则，运行要有一定的灵活性。

　　第四，环境的适应性。需要针对各个时期各个地区不同的电力管理体制，做适应性调研和分析。

　　下面介绍虚拟发电厂的几种分类。

　　从功能上，虚拟发电厂可以分为技术型和商业型，但并不是说把技术和商业分割开了，而是说虚拟发电厂具有这两种方面的功能和作用。

　　技术型虚拟电厂主要实现对分布式单元的协调控制，包括储能装置与可以用作需求响应的负荷单元，通过合理的控制策略使得虚拟发电厂最后总体呈现出一种整体可控的外特性，类似于传统发电厂的可控特性。换言之，可以通过内部的协调控制，实现虚拟发电厂总体的输出功率或者总体的用电功率，以及可调节功率。这一点非常重要，因为只有具有了这一点才能够成为一个虚拟发电厂，才能够有技术上的可能性去参与到电力市场或者其他的商业运行模式之中。所以说，在技术型虚拟发电厂完成之后，要考虑的就是商业型虚拟发电厂的运行，商业型虚拟发电厂的运行应该充分考虑到当地的电力市场的机制与电价机制，以及其他方面与电网的互动机制，甚至要考虑到能源领域其他相关政策，比如碳交易市场和刚刚推行的绿证交易市场，等等。

　　技术型和商业型其实是虚拟发电厂的两方面功能，是互为支撑的。技术型虚拟发电厂是商业型虚拟发电厂的技术基础，没有这个技术基础，商业模式无从谈起;商业型虚拟发电厂是技术型虚拟发电厂得以推广应用的经济性激励，没有这种激励，虚拟发电厂也只能永远停留在示范应用阶段，不能够真正地推广应用。

 

　　电力市场是虚拟发电厂很重要的商业运营环境。在电力市场中虚拟发电厂能够起到什么样的作用呢?如果按照参与市场的角色分类，虚拟发电厂可以作为发电商或者是辅助服务提供商。如果是负荷型为主的虚拟发电厂，其可以用作负荷聚集商，也可以用作综合能源服务商，我们现在做的虚拟发电厂科技项目就考虑多能互补甚至考虑电能替代。如果在一个智慧园区的固定区域范围之内，虚拟发电厂就更有点像是微电网，这几个概念之间有一定的关联性，但也有所区分，接下来讨论一下。

　　虚拟发电厂和传统的发电厂有什么异同?

　　“虚拟发电厂”，顾名思义，借鉴了传统发电厂中的外特性的概念，比如说输出的可控性，内部的各个分布式单元具体的输出是由内部控制策略决定的。但是，对于虚拟发电厂的整体，我们应该保证其外部输出具有可控的特性。另外，它还具备爬坡速率、旋转备用以及发电厂的外部特征，事实上只有具备了这样特性的发电厂，未来才有可能参与到电力市场中，才能做商业运行。

　　虚拟发电厂与传统发电厂的重要不同之处在于，传统发电厂具有稳定属性，而虚拟发电厂很灵活、可扩充。传统发电厂拥有几台机组，装机容量固定;但是虚拟发电厂只要分布式电源或者负荷参与者越来越多，其容量便可以扩展，并且速度可以进行比较灵活的调节。大家知道，分布式电源通过电力电子设备进行调节，调节速率相比传统火力机组还是很快的，这对虚拟发电厂的控制提出了更高的要求。同时，这也是虚拟发电厂优于传统发电厂的地方，具有灵活的可调节速率，在电力市场的辅助服务中能够发挥更大的作用。

　　接下来，我们看一下虚拟发电厂和微电网这两个概念，它们确实很相似，首先都是由不同的分布式电源和负荷以及储能装置组成的，组成单元基本上都是接入配电网运行。最主要的区别在于，虚拟发电厂下面的组成单元地理位置是可以分散的;而微电网地理位置比较集中，通过PCC连接点连接在配电网中。微电网可以有孤岛运行和联网运行两种状态;但是虚拟发电厂一般来讲就只有联网运行状态，不能孤岛运行。而且，虚拟发电厂有多个不同的接入点，除了技术上的控制，更重要的是要考虑商业运行模式。

　　经常听到另外一个说法，叫“能效电厂”，大家也经常跟我讨论。能效电厂主要是由负荷组成的，其最后获得的是能效。也就是说，我们通过需求侧管理，使得负荷侧节约了用电量。“能效电厂”一般来讲，是不发出电力的，通过节约用电量获得能效。这样的话，“虚拟发电厂”的概念可以包含“能效电厂”，但更宽泛，可以具有发电能力。

　　还有一个概念，“虚拟同步机”，这是国网公司很重视的科研项目，它借鉴了“同步发电机”的名称。我们都知道，同步发电机遵循机械方程和电磁方程规律，在运行时具有一定的惯性，这种惯性有利于保持电力系统的运行稳定性。比如说，负荷在一定范围内波动的时候，电力系统不会立刻发生较大扰动，就是因为同步发电机具有惯性。而虚拟同步机通过控制新能源并网逆变器，使得逆变器在机理和外特性上具有和传统发电机类似的功能，尤其是惯性。目前随着新能源并网比例越来越高，电力电子化电力系统成为发展趋势，专家们最担心的就是同步发电机在系统中的惯性作用越来越少了。因为新能源或者分布式电源、储能装置都是由电力电子器件接入的，对于虚拟同步机的研究侧重于研究如何控制电力电子器件保持电源的惯性这一方面，是动态时间尺度;而虚拟发电厂研究的主要是稳态时间尺度，其内部的运行控制和商业运行模式。

　　说完概念，下面介绍一下国外虚拟发电厂的典型应用案例。

　　虚拟发电厂示范工程大部分在欧洲。与储能密切相关的比较典型的一个案例，是丹麦的EVPP项目，其中包含了大量的电动汽车接入。收集电动汽车运行的历史数据与实时数据，通过EVPP聚合到电力市场中的零售商，然后通过零售商参与到电力市场之中。VPP全称是virtual power plant，即虚拟发电厂。

 

　　欧盟的WEB2ENERGYVPP项目尝试通过互联网接入用户和电源，这些用户包括终端的居民用户。用户和电源通过互联网接入到虚拟发电厂的控制中心，经过CIM-61850转换器转换为电力公共信息模型规约。这个项目的意义在于，尝试了电力通信规约IEC61850在广域网中的传输。

 

　　接着来看欧盟的FENIXVPP项目，它把技术型的VPP和商业运行的VPP做了一个结合，把传统发电机组和热电联供的风电机组结合在虚拟发电厂当中，通过技术手段的协调、控制，通过交易软件参与到电力市场之中。

 

　　荷兰的电力匹配器体系结构主要是一个代理的概念，也就是虚拟发电厂可以承担集中代理、拍卖代理等不同的代理功能，在市场中获得盈利。

 

　　德国的VPP项目包含的分布式电源类型比较多，而且通过400V接入，风电场通过20kV接入，尝试了在不同电压等级下集成虚拟发电厂。

 

　　我们现在承担的国内虚拟发电厂的科研项目，考虑到了多种能源互补及电能替换，后期如果有成熟的研究成果，可以继续与大家分享。

　　虚拟发电厂理论上具有发电能力，以及负荷侧的需求响应能力和可调节能力，为什么能够具备这些能力?虚拟发电厂在组建时，首先要对自己规划的成员结构进行一个潜力评估。我们在科研过程中，列出了一些潜力评估方案，对分布式电源的能力和特性、需求响应能力，以及储能充放电能力进行评估。同时，我们团队也正在提一个新的概念，叫做虚拟发电厂的海绵特性。当电力系统中的负荷处于低谷时期，发电量高于负荷量，虚拟发电厂就发挥储能的作用，吸收储存电能;当负荷处于高峰时期，发电量小于负荷量，虚拟发电厂则类似于储能装置，开始释放电能。这样的海绵特性，或者说伸缩弹性，其实很有助于维持电力平衡，就是江苏电科院袁主任(编者注：国网江苏省电力公司电力科学研究院电网技术中心副主任袁晓冬)介绍的电力第一性原理——电力供需平衡。虚拟发电厂在组建过程中，还需要评估当地的电网网架结构、电力供应情况与电力市场机制，以及行业目录电价，等等。因为我国现在各省区的电力市场机制有一定差异，在规划中需要进行综合的经济性评估。

　　另外，对于相关的能源政策，也应有所关注，包括现在国家推广碳交易市场，以及其他的节能减排政策和电能替代政策，都可以考虑在虚拟发电厂规划目标函数之中。通过量化计算，衡量考虑源荷储发用电特性榫合度。有一些公式我就不再展开了，有兴趣的专家可以会后再讨论。我们现在虽然定义了一些公式，但是仍缺少第一手的设备运行数据资料，欢迎大家与我们一起讨论。

 

　　关于虚拟发电厂的运行控制模式，根据组建过程中当地的通讯条件及组建的方式，可以分为：集中式、分散式、分布式、组合控制。

　　先说说集中式，电力系统的主要控制模式就是集中式，把所有的组成成员信息都采集到集中控制中心，控制中心进行所有的决策和计算，下发控制指令给组成成员，这就是集中式的控制模式。但是在虚拟发电厂建设过程中，集中式的控制模式有一个现实的约束条件，就是控制中心对于所有的分布式单元都要有信息采集和控制的通路，这在建设时必须考虑到。

　　分散式控制，更像是我们团队前期做的需求侧响应了。公开发布一个信息，比如电价信息，但不做主动控制。对于这个信息，各个组成成员自主地响应，这种模式下各成员的自主度比较大。但是也有缺陷，对于响应总体的效果很难控制。有的负荷单元也许响应得多一点，有的少一点，整体的控制结果与预期可能偏差较大。

　　说起分布式控制，基于现有的通讯手段，只要分布式单元之间有通讯的连接，就可以通过分布式控制的算法，达到整体控制目标。分布式控制可以实现整体的控制目标，而分散控制则无法做到。

　　还有一种控制方式是组合方式，可以把这几种方式因地制宜组合起来。

 

　　下面向大家介绍一下我们团队研究过的几种虚拟发电厂的优化调度方法。随机优化算法，考虑到分布式电源负荷的随机波动性，随着储能的加入，对于随机性有很好的平抑效果，鲁棒性增强了。分布式优化算法，可以由各个分布式单元之间协调完成优化计算。多层优化，可以用于组合式的控制结构中。还有多目标的优化，可以根据不同的运行环境设置不同的目标。

 

　　通讯技术是虚拟发电厂组建的基本技术之一，也是需要考虑的。如在配电网中要求虚拟发电厂内所有的分布式电源、分布式储能，重新建设一个通信的链路，这个投资成本是非常高的。可以充分利用现有的通信资源，不管是有线通讯、无线通讯还是公用的互联网通讯，组建一个虚拟电厂。通过虚拟电厂的控制手段和技术，最终可以获得虚拟电厂的固定参数与动态参数，组成整体控制手段。这也是虚拟电厂与传统电厂相比的竞争优势。

　　下面讲一下我们团队对于虚拟电厂参与到电力市场机制中的研究。以前在需求侧管理的方向上面做过一些研究积累，对于风时电价、实时电价和尖峰电价，有一定基础，虚拟发电厂可以考虑到基于价格和激励两方面的需求侧响应机制，比较符合我国目前的现状。完善的电力市场机制应该包括中长期市场，月度、日前和实时市场，以及各种辅助服务市场。如果虚拟电厂实现了内部的有效控制，那么在参与电力市场的背景下也是很具有优势的。尤其我们认为，参与电力辅助服务市场的优势，可能比传统的机组更大一些。辅助服务市场包括几个方面：保持频率稳定的服务，保持电压稳定的服务，保持暂态稳定的服务，以及其他的黑启动服务。虚拟发电厂控制的灵活性和反应快速性方面是优于传统机组的，其自身有效的控制策略非常关键。

 

　　总结一下，虚拟电厂在电力市场中，可以承担的角色包括发电商、发电经纪商、辅助服务供应商、售电商，这当中都少不了储能装置的参与。

　　关于虚拟发电厂的角色，在电力体制一体化的模式下，可以通过配电公司参与到电力系统整个的运行调度之中;在电力批发市场的竞争模式下，可以扮演负荷聚合商;当负荷达到一定规模时，可以担任独立的辅助服务提供商;在电力市场零售竞争模式下，可以作为零售商和负荷聚合商参与到电力的零售市场之中。我们团队在这方面做过不少的数学模型策略研究分析，并正在规划一个仿真实验室，希望能够做成市场规则库，可以适应不同规则下的电力市场的模拟，并且模拟虚拟发电厂参与电力市场的报价，包括内部的成本分析、市场分析考核策略等。

　　我们提出一个比较新的概念，面向虚拟发电厂内部源荷储资源的自动“发用电激励策略”，这是基于以前关于需求侧管理的响应策略研究基础，针对分布式电源及负荷储能自身的运行特点，“量体裁衣”制定的激励性策略。希望我们团队前期做的工作能够对大家有所启发。目前使用的很多储能数据都是基于在网站上或者其他文章中找到的公开资料，非常希望在座的各位储能专家能为我们提供第一手的储能设备调节特性，包括成本分析特性的数据。

　　谢谢大家!