隨著“雙碳”概念的提出以及新能源技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)正在經(jīng)歷一場(chǎng)百年未有之大變局，在全面升級(jí)優(yōu)化的同時(shí)也面臨諸多的困難。虛擬電廠技術(shù)作為破解清潔能源消納和綠色能源轉(zhuǎn)型的解決方案，對(duì)我國(guó)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。

(來(lái)源：微信公眾號(hào)“IESPlaza綜合能源服務(wù)網(wǎng)”作者：張海靜，劉霄慧，孫小斌，李秋爽，厲艷，白穎)

本文對(duì)虛擬電廠技術(shù)展開研究。首先，對(duì)考慮碳排放的虛擬電廠基本架構(gòu)以及功率交互模式進(jìn)行分析，提出了一種虛擬電廠需求響應(yīng)調(diào)度策略;其次，以三級(jí)聚合調(diào)控模型為例，通過(guò)協(xié)調(diào)各類能源裝置及儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)碳總排放量進(jìn)行調(diào)控;最后，對(duì)虛擬電廠的發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行展望。

虛擬電廠的基本架構(gòu)

考慮碳排放的虛擬電廠控制架構(gòu)如圖1所示，主要分為新能源發(fā)電場(chǎng)站、傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能設(shè)備以及用電負(fù)荷共4個(gè)部分。其中，新能源發(fā)電場(chǎng)站以清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)高污染高排放的火電、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，有效降低發(fā)電碳排放量;儲(chǔ)能裝置分時(shí)將多余能源進(jìn)行存儲(chǔ)及消納，滿足用戶的高峰用電需求的同時(shí)降低棄電損失;用電負(fù)荷除了傳統(tǒng)的負(fù)荷外，加入各類清潔能源負(fù)荷包括電動(dòng)汽車、充電樁等，充分發(fā)揮虛擬電廠在電力資源配給的調(diào)控作用。

虛擬電廠通過(guò)整合清潔能源、儲(chǔ)能裝置、柔性負(fù)荷等，充分挖掘用戶側(cè)互動(dòng)能力，有效提升了電網(wǎng)的靈活性。

虛擬電廠調(diào)度策略

▌虛擬電廠的能量交互

虛擬電廠的能量交換如圖2所示。每個(gè)虛擬電廠都由發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能和負(fù)載組成。虛擬電廠既可以通過(guò)能源樞紐與電網(wǎng)相連進(jìn)行功率交互，也可以在滿足自身負(fù)荷需求的條件下與其他虛擬電廠進(jìn)行功率交互，獲得相應(yīng)收益。每個(gè)虛擬電廠之間都由虛擬電廠內(nèi)部的信息處理中心計(jì)算其功率數(shù)據(jù)，判別是售出還是購(gòu)人功率，最后進(jìn)行交易。同時(shí)，由于不同虛擬電廠的負(fù)荷和清潔能源輸出不同，每個(gè)虛擬電廠的凈負(fù)荷也不同。在某個(gè)時(shí)段，發(fā)電量大的虛擬電廠可以將多余的電力出售給電網(wǎng);相反對(duì)于耗電大的虛擬電廠，可以從電網(wǎng)以及其他虛擬電廠中購(gòu)買電力來(lái)滿足本虛擬電廠的功率平衡。

▌虛擬電廠的多級(jí)聚合

需求響應(yīng)可以通過(guò)改變不同時(shí)段的電價(jià)以及施加激勵(lì)引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)降低虛擬電廠的運(yùn)行成本以及滿足負(fù)荷調(diào)控的目的，促進(jìn)風(fēng)光等清潔能源發(fā)電就地消納。為改變用戶的負(fù)荷量，需要對(duì)負(fù)荷用戶進(jìn)行需求響應(yīng)調(diào)控，同時(shí)增加負(fù)荷調(diào)控力度，保持虛擬電廠功率平衡。為了更好地降低用戶負(fù)荷，需要對(duì)用戶進(jìn)行分類聚合調(diào)控，以滿足能源供需平衡，通常采用多級(jí)聚合的方式。

多級(jí)聚合的虛擬電廠調(diào)控策略如圖3所示，各級(jí)聚合商的主要作用及相應(yīng)內(nèi)容如下。

(1)一級(jí)聚合商。直接響應(yīng)虛擬電廠的需求響應(yīng)信息，其通過(guò)對(duì)二級(jí)聚合商釋放激勵(lì)信號(hào)，最終完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應(yīng)信息任務(wù)量。

(2)二級(jí)聚合商。多個(gè)二級(jí)聚合商用來(lái)聚合不同的負(fù)荷用戶，例如：工業(yè)園區(qū)電力負(fù)荷二級(jí)聚合商、商業(yè)電力負(fù)荷二級(jí)聚合商、居民電力負(fù)荷二級(jí)聚合商，以及其他電力負(fù)荷二級(jí)聚合商等。多個(gè)二級(jí)聚合商用來(lái)響應(yīng)一級(jí)聚合商下發(fā)的需求響應(yīng)任務(wù)量，使得一級(jí)聚合商完成虛擬電廠下發(fā)的需求響應(yīng)信息。

(3)三級(jí)聚合商。多個(gè)三級(jí)聚合商用來(lái)協(xié)助二級(jí)聚合商完成其下發(fā)的任務(wù)量，使用戶在接收到二級(jí)聚合商的激勵(lì)價(jià)格后，在滿足自身的用能條件下對(duì)負(fù)荷量作出改變，最終完成三級(jí)聚合商下發(fā)的響應(yīng)任務(wù)。

多級(jí)聚合商之問必須嚴(yán)格完成上級(jí)下發(fā)的任務(wù)響應(yīng)量，若是下級(jí)聚合商沒有完成能源的供給平衡將會(huì)受到上級(jí)聚合商的較大經(jīng)濟(jì)處罰，并且信譽(yù)值也會(huì)降低。利用多級(jí)聚合商可以更好地對(duì)用戶進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)從上到下的負(fù)荷控制管理，最終達(dá)到需求響應(yīng)調(diào)控目的。

▌?wù){(diào)度控制策略

當(dāng)虛擬電廠的內(nèi)部功率與用電負(fù)荷量不對(duì)等時(shí)，可以采用向公共電網(wǎng)購(gòu)/售電或是多個(gè)虛擬電廠問實(shí)現(xiàn)電力交互的方式來(lái)確保電力平衡。考慮虛擬電廠之問的電力交互和需求響應(yīng)，可以降低與公共電網(wǎng)的電力交互量，多使用分布式風(fēng)電和光伏發(fā)電等清潔能源，可有效減少碳排放量同時(shí)減少虛擬電廠的綜合運(yùn)行成本。此外，考慮到燃煤發(fā)電成本較燃?xì)獍l(fā)電低，在使用傳統(tǒng)高碳發(fā)電機(jī)組時(shí)，優(yōu)先選擇火電機(jī)組發(fā)電。

在考慮需求響應(yīng)的情況下，基線負(fù)荷在用電高峰期間會(huì)減少，與不考慮需求響應(yīng)的情況相比，減少了發(fā)電機(jī)組的壓力。這有效地緩解了虛擬電廠的內(nèi)部負(fù)荷，使其運(yùn)行更加穩(wěn)定。當(dāng)各機(jī)組發(fā)電量不能滿足用戶負(fù)荷時(shí)，需從公共電網(wǎng)購(gòu)電，滿足虛擬電廠內(nèi)部功率平衡;相反，在其他時(shí)間段，在虛擬電廠內(nèi)部功率平衡的情況下，多余的電力可以出售給電網(wǎng)或其他虛擬電廠，以降低虛擬電廠內(nèi)部的總成本。

在碳排放約束下，虛擬電廠通過(guò)調(diào)整各機(jī)組的出力變化來(lái)減少碳排放，具有一定的自南碳排放約束空問。當(dāng)碳排放達(dá)到一定限度且無(wú)法內(nèi)部控制時(shí)，虛擬電廠將根據(jù)最大碳排放限額接受相應(yīng)的碳排放處罰。因此，在虛擬電廠的運(yùn)行和調(diào)控中，而多級(jí)聚合商的需求響應(yīng)被用來(lái)降低用戶負(fù)荷。此外，顯著降低整體碳排放的關(guān)鍵是燃?xì)庠O(shè)備的使用頻率高于燃煤設(shè)備。最后，利用電力交互來(lái)滿足剩余電力缺失的需求，達(dá)到低碳監(jiān)管的目的。

虛擬電廠的發(fā)展規(guī)劃

虛擬電廠發(fā)展規(guī)劃藍(lán)圖如圖4所示。虛擬電廠未來(lái)發(fā)展主要圍繞5個(gè)主題。

(1)結(jié)合實(shí)際確立發(fā)展目標(biāo)。讓虛擬發(fā)電廠從2個(gè)方面發(fā)揮價(jià)值作用：①實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電力數(shù)據(jù)的采集和負(fù)荷控制;②像發(fā)電廠一樣進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)，提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助性質(zhì)的服務(wù)，并參與到電力市場(chǎng)交易中去。此外，還可以在現(xiàn)有虛擬電廠系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立云端系統(tǒng)的能源交互系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)電力能源單向流動(dòng)的局限，實(shí)現(xiàn)電力交易的多方交互，提高資源利用率。

(2)提高資源利用率。始終圍繞雙碳目標(biāo)開展資源利用相關(guān)工作，結(jié)合當(dāng)?shù)匦履茉磧?yōu)勢(shì)。有序穩(wěn)步推進(jìn)通信基站、電動(dòng)電車等用電負(fù)荷的擴(kuò)大建設(shè)。多措并舉，不斷深化用戶端資源，充分發(fā)揮好標(biāo)桿作用。

(3)持續(xù)完善市場(chǎng)交易準(zhǔn)則。持續(xù)優(yōu)化虛擬電廠參與需求響應(yīng)的電力市場(chǎng)交易，逐步優(yōu)化虛擬電廠參與服務(wù)電力市場(chǎng)的業(yè)務(wù)流程。制定恰當(dāng)?shù)摹?shí)際的電力交易目標(biāo)，以降低傳統(tǒng)污染型燃料的使用，降低溫室氣體的排放量為宗旨，持續(xù)探索虛擬電廠參與的電力市場(chǎng)綠色交易新航向。

(4)快速推進(jìn)平臺(tái)建設(shè)。有序穩(wěn)步推進(jìn)不同類型電力交易業(yè)務(wù)平臺(tái)的啟動(dòng)以及運(yùn)營(yíng)進(jìn)程，加強(qiáng)適應(yīng)性平臺(tái)的開發(fā)和建設(shè)，助力新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快電力交易配套支撐平臺(tái)的啟動(dòng)及運(yùn)營(yíng)，虛擬電廠從而能夠更好地參與到市場(chǎng)服務(wù)中去。

(5)打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。在虛擬電廠建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)帶動(dòng)虛擬電廠上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展，打造虛擬電廠市場(chǎng)交易生態(tài)圈，推動(dòng)各類型電力市場(chǎng)主體參與建設(shè)，促進(jìn)資源利用與資源互動(dòng)，強(qiáng)化市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式及機(jī)制。

結(jié)論與展望

本文對(duì)虛擬電廠技術(shù)展開研究，通過(guò)分析考慮碳排放的虛擬電廠基本架構(gòu)以及功率交互模式，建立了基于多級(jí)聚合商管控的虛擬電廠需求響應(yīng)調(diào)度策略。

(1)通過(guò)改變不同時(shí)段的電價(jià)以及施加激勵(lì)引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)降低虛擬電廠的運(yùn)行成本以及滿足負(fù)荷調(diào)控的目的，促進(jìn)風(fēng)光等清潔能源發(fā)電就地消納。

(2)利用多級(jí)聚合商能夠更好地對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)從上到下的負(fù)荷控制管理，以滿足能源供需平衡，最終達(dá)到需求響應(yīng)調(diào)控目的。

本文的研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)當(dāng)下“雙碳”目標(biāo)的控制策略進(jìn)行展開定性分析，針對(duì)虛擬電廠在電力調(diào)度實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及存在問題的探索還有待進(jìn)一步深入。