摘要：我國能源互聯(lián)網(wǎng)及微電網(wǎng)項目落地過程中遇到了諸多問題,究其原因是缺乏合理的商業(yè)模式。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下,高比例可再生能源、規(guī)模化電動汽車以及信息物理系統(tǒng)的建設(shè)都將增加電力系統(tǒng)運行成本,這與降低用戶電價的目標(biāo)相矛盾。只有通過發(fā)揮分布式發(fā)電、分布式儲能、微電網(wǎng)等資源的綠色價值與靈活性價值,才能有效解決上述問題與矛盾。虛擬電廠通過信息集成控制多類型柔性負(fù)荷,以實現(xiàn)能源高效利用,是解決上述問題的一種手段,也是一種支撐能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的可行商業(yè)模式。國際電工委員會虛擬電廠標(biāo)準(zhǔn)委員會由國網(wǎng)冀北電力有限公司負(fù)責(zé)組織,研究制定虛擬電廠國際標(biāo)準(zhǔn)。立足于虛擬電廠國際標(biāo)準(zhǔn)制定研究成果,首先提出虛擬電廠的定義,通過對比分析提煉總結(jié)虛擬電廠特性,并構(gòu)建了虛擬電廠“批發(fā)-零售”兩級市場交易體系。再次,面向虛擬電廠調(diào)度特性及其市場交易要求,通過聚合、經(jīng)濟、運營3個維度建立虛擬電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化機理,并針對虛擬電廠商業(yè)模式經(jīng)濟性進行測算;最后,對虛擬電廠未來發(fā)展進行了展望。

0 引言

現(xiàn)階段能源互聯(lián)網(wǎng)工程推進不順利,其原因是缺乏科學(xué)合理的電價機制與商業(yè)模式。自2016年2月以來,我國開始逐步推動能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),并先后在全國開展試點,建設(shè)效果未能滿足預(yù)期[1]。缺乏配套的商業(yè)模式使得各方資本在實際投資過程中缺乏積極性。能源互聯(lián)網(wǎng)是未來能源供需的必要形式,也是解決能源供需矛盾的重要途徑,有必要通過商業(yè)模式創(chuàng)新來推動我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展[2-3]。

同時,分布式發(fā)電并網(wǎng)具有隨機性和波動性,分散式風(fēng)電、分布式光伏等分布式可再生能源運行過程中的不確定性,不斷給電網(wǎng)的可靠運行帶來挑戰(zhàn),如潮流變化、線路擁塞、電壓閃變等[4]。通過建設(shè)本地供-需協(xié)調(diào),就地平衡分布式可再生能源的波動性、隨機性的微電網(wǎng)(microgrid,MG)或主動式配電網(wǎng),成為促進分布式能源利用的有效手段[5]。

另一方面,分布式并網(wǎng)成本相對較高,這與我國降低用戶用能成本的目標(biāo)相矛盾。考慮到分布式發(fā)電具有就地取材、就地消納的特點[6],同時有利于我國清潔低碳能源體系構(gòu)建,有必要進行市場機制或商業(yè)模式創(chuàng)新促進分布式并網(wǎng)發(fā)電[7]。隨著電力市場不斷完善,通信控制技術(shù)的發(fā)展,一種可以擺脫區(qū)域范圍限制,在通信、控制、計算機等技術(shù)支撐下,通過電力市場利益驅(qū)動,協(xié)調(diào)分散式風(fēng)電、分布式光伏等各類分布式能源(distributed energy resource,DER)波動,提高用戶側(cè)運行靈活性與友好型的虛擬電廠運營模式孕育而生[8-9]。

2019年1月,國家電網(wǎng)公司提出“三型兩網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),建立智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)有機聯(lián)合的國際一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景強調(diào)建設(shè)各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展、狀態(tài)全面感知、信息高效處理的堅強智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng),發(fā)揮電網(wǎng)在能源匯集、傳輸、轉(zhuǎn)換中的樞紐作用,促進清潔低碳發(fā)展,促進供需對接,提高系統(tǒng)靈活性[10-11]。電力市場政策、機制以及技術(shù)的發(fā)展,將加速以風(fēng)、光等可再生能源為代表的分布式電源、柔性負(fù)荷、儲能等DER的發(fā)展。可以說,泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)為能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建提供了有力支撐,也為虛擬電廠建設(shè)與實施提供了技術(shù)驅(qū)動力[12]。只有通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)才能有效獲取終端設(shè)備數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上通過云計算、邊緣計算等技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)虛擬電廠交易及調(diào)度優(yōu)化。同時,虛擬電廠通過信息物理網(wǎng)絡(luò)連接分布式發(fā)電[13]、分布式儲能[14]、可控負(fù)荷[15]以及電動汽車[16-17]等柔性負(fù)荷,以實現(xiàn)負(fù)荷集成并向電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù),其調(diào)度及運營特性具有泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本特征。在一定程度上,虛擬電廠是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的具體形式和基本單元。

2018年3月,由國網(wǎng)冀北電力有限公司主導(dǎo)的IEC虛擬電廠《用例》國際標(biāo)準(zhǔn)成功立項,成為IEC在虛擬電廠領(lǐng)域立項的首批國際標(biāo)準(zhǔn),將對我國虛擬電廠建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

國家電網(wǎng)公司選取冀北、上海等地開展虛擬電廠項目示范,示范項目將在2019年年底落地實施。示范項目實施不僅依賴于物理層、信息層建設(shè),也需要進行虛擬電廠商業(yè)模式設(shè)計。目前,示范項目落地亟待解決其商業(yè)模式,從而形成成熟的虛擬電廠運營體系[18]。

鑒于此,本文基于虛擬電廠標(biāo)準(zhǔn)制定工作成果,在對現(xiàn)有工作進行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出虛擬電廠的定義,通過對比分析研究虛擬電廠特性。在此基礎(chǔ)上,提出了虛擬電廠批發(fā)、零售兩級市場的商業(yè)模式與典型交易組織模式。隨后,根據(jù)虛擬電廠參與市場交易的基本要求,提出了聚合、激勵、運營3個階段有機聯(lián)合的虛擬電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化激勵。最后,結(jié)合我國泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和電力市場建設(shè)方向,給出了虛擬電廠發(fā)展建議。本文研究成果可為冀北虛擬電廠應(yīng)用示范提供指導(dǎo),為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)背景下我國虛擬電廠建設(shè)發(fā)展提供借鑒。

1 虛擬電廠的定義及特性

1.1 虛擬電廠的定義

虛擬電廠在聚合規(guī)模效益驅(qū)動下,利用通信、控制、計算機等技術(shù)將獨立的DER聚合統(tǒng)一參與電力市場,利用電力市場加強電力系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)之前的協(xié)調(diào)互動,加強新能源與系統(tǒng)間的相互容納能力。

虛擬電廠這一概念已提出十余年[19],在歐洲、北美已經(jīng)有荷蘭功率匹配器[20]、FENIX[21]等虛擬電廠示范應(yīng)用項目,對虛擬電廠的定義、功能也有不同形式的描述。國內(nèi)虛擬電廠尚初起步階段,尚未根據(jù)具體工程形成虛擬電廠整體定義[18]。

基于國內(nèi)外研究基礎(chǔ)及虛擬電廠國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作成果,本文將虛擬電廠內(nèi)在驅(qū)動力描述為：以電力市場配置電力資源運行為驅(qū)動,通過協(xié)調(diào)、優(yōu)化和控制由分布式電源、儲能、智慧社區(qū)、可控工商業(yè)負(fù)荷等柔性負(fù)荷聚合而成的分布式能源集群,并作為一個整體參與電力市場交易及輔助電力系統(tǒng)運行安全,同時提供調(diào)峰、調(diào)頻、緊急控制等輔助服務(wù),進而依據(jù)虛擬電廠內(nèi)部各類DER的貢獻度進行利益分配。虛擬電廠運營框架如圖1所示。

圖1 虛擬電廠運營概念示意圖

總之,虛擬電廠(virtual power plant,VPP)的核心功能目標(biāo)是以價值為驅(qū)動,整合各類柔性資源,參與電力批發(fā)市場各類交易,為電網(wǎng)運營提供容量和輔助服務(wù),提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性,并促進可再生能源的高效優(yōu)化整合。主要技術(shù)框架包括分布式能源的智能計量與控制,信息通信技術(shù)(information communications technology,ICT)基礎(chǔ)設(shè)施,建模、預(yù)測、調(diào)度優(yōu)化技術(shù),以及電力市場協(xié)調(diào)運營方法[22]。

由虛擬電廠定義可以看出,虛擬電廠融合了物理、信息、價值等多種要素,在要素重組的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了價值增值。物理系統(tǒng)是虛擬電廠運營的基礎(chǔ),價值系統(tǒng)是其運營驅(qū)動力,信息系統(tǒng)則是連接物理-價值的媒介與核心。能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)之前,各用能終端數(shù)據(jù)顆粒度大、信息通道受限等因素在一定程度上限制了虛擬電廠的開發(fā)和應(yīng)用。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下,以無線通信、泛在感知、邊緣計算及云數(shù)據(jù)平臺為支撐,使得供用能終端數(shù)據(jù)得以實時有效服務(wù)于業(yè)務(wù)體系,形成數(shù)據(jù)驅(qū)動下的業(yè)務(wù)創(chuàng)新模式,虛擬電廠則是在這一背景下可行的模式之一。從長期規(guī)劃來看,虛擬電廠是推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ),也將成為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的基本單元和終極形態(tài)[18]。

1.2 虛擬電廠的特性

虛擬電廠通過整合分散式風(fēng)電、分布式光伏在內(nèi)的各類DER,在電力市場運營中參與電能量市場與輔助服務(wù)市場,提高電力系統(tǒng)與風(fēng)電、光伏等清潔能源波動性的相互適應(yīng)性[23]。在電力市場運營方面,參與的市場交易類型與火電廠相同,在資源分布特點與促進分布式能源并網(wǎng)消納方面,與微電網(wǎng)相似,但在環(huán)境保護、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特點等方式具有根本區(qū)別[24-25]。

虛擬電廠與火電廠、微電網(wǎng)相比,是一種通過市場機制聚集分布式發(fā)電、柔性負(fù)荷、儲能等分布式能源參與電力市場運行的運營機制,提升虛擬電廠及參與虛擬電廠各成員的整體收益,提高可再生能源的市場參與積極性與系統(tǒng)運行友好型,促進電力系統(tǒng)實現(xiàn)低碳、高效的多贏市場化運營。參與虛擬電廠的各成員靈活性、參與性強。具體來看,虛擬電廠相比火電廠與微電網(wǎng),在低碳運行、物理結(jié)構(gòu)以及控制模式3個方面存在差異：

1)在低碳運行方面。虛擬電廠通過市場利益分配,提高分散式風(fēng)電、分布式光伏等可再生能源、儲能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷等各類DER市場參與積極性與便利性,增加DER規(guī)模效應(yīng),促進供需互動,減少DER隨機性、波動性對電力系統(tǒng)的影響,提高電力系統(tǒng)可再生能源接納能力,提供系統(tǒng)低碳環(huán)保運行能力[26]。

2)在物理結(jié)構(gòu)方面。虛擬電廠各成員通過響應(yīng)虛擬電廠的控制要求,對外整體參與電力系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)和電力市場運營。虛擬電廠對各參與成員提出基本的市場準(zhǔn)入和調(diào)節(jié)特性等基本要求[23]。參與虛擬電廠的各成員應(yīng)滿足虛擬電廠成員的準(zhǔn)入市場、技術(shù)條件,本身具有可調(diào)節(jié)性,可以在一種或多種的電力市場交易類型上響應(yīng)虛擬電廠的運行過程。

3)在控制模式方面。虛擬電廠強調(diào)內(nèi)部成員間的協(xié)調(diào)控制,控制形式有所不同,主要為分散控制和完全分散控制。分散控制虛擬電廠引入分層模型,將虛擬電廠分為多個層次[27]。分散控制中,虛擬電廠監(jiān)督和協(xié)調(diào)其轄區(qū)內(nèi)的DER,同時將某些決策反饋給上層虛擬電廠,這種控制方式可以分擔(dān)中央控制單元的職能,不同于完全分散控制,分散控制不僅使通信系統(tǒng)簡單化,還減少了通訊系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

2 虛擬電廠“批發(fā)-零售”兩級市場交易體系

虛擬電廠作為一種受電力系統(tǒng)運行約束,以電力市場規(guī)則、電力系統(tǒng)運行需求、內(nèi)部成員利益等3方面條件驅(qū)動的電力系統(tǒng)市場化運營模式之一,需構(gòu)建有效提高內(nèi)部成員積極性、友好響應(yīng)系統(tǒng)外部需求的虛擬電廠組織形式、商業(yè)模式[9,28-29]。

在現(xiàn)階段,虛擬電廠主要通過調(diào)度靈活性資源提供輔助服務(wù)。隨著電力市場機制的逐步完善以及售電市場的建設(shè),以虛擬電廠為核心的售電公司將逐步參與電力市場交易。也就是說,虛擬電廠運營商可以作為一個獨立的市場主體代理自己服務(wù)范圍內(nèi)的分布式能源、柔性負(fù)荷、儲能系統(tǒng)等靈活性資源主動參與電力市場。基本市場框架如圖2所示。

圖2 虛擬電廠交易體系

在電力市場交易體系中,虛擬電廠運營商承擔(dān)以下責(zé)任,并享有相應(yīng)的效益：

1)虛擬電廠運營商對外的責(zé)任。

虛擬電廠運營商與虛擬電廠內(nèi)部各組成部分間是委托代理關(guān)系,虛擬電廠運營商是虛擬電廠內(nèi)外雙向互動的主體和媒介。虛擬電廠運營商負(fù)責(zé)虛擬電廠與外部大電網(wǎng)、發(fā)售電企業(yè)間的信息交換,既可以作為售電企業(yè),替虛擬電廠中的用戶進行購售電交易,還可以作為輔助服務(wù)提供商,參與輔助服務(wù)市場來獲得輔助服務(wù)補償。與此同時虛擬電廠運營商整體也可以對峰谷分時電價等需求側(cè)管理措施進行積極響應(yīng)。根據(jù)虛擬電廠聚合靈活性資源的特點,輔助服務(wù)交易將是虛擬電廠的重要交易類型[30]。基于對批發(fā)市場和用戶調(diào)用進行雙向決策,負(fù)荷集成商或虛擬電廠運營主體進而可以得到參與市場的最優(yōu)化決策方案[31]。

2)虛擬電廠運營商對內(nèi)的責(zé)任。

通過聚合分布式發(fā)電、可控負(fù)荷、電動汽車以及儲能等柔性資源,形成虛擬電廠代理交易物理基礎(chǔ)。從負(fù)荷聚合的階段來看,可劃分為自然組合、經(jīng)濟激勵以及運營協(xié)調(diào)3個階段,分別為負(fù)荷自然特性、經(jīng)濟手段柔性控制以及運營協(xié)調(diào)調(diào)度控制3個方面,通過3個階段可針對不同場景需求下的負(fù)荷進行智能集成。關(guān)于虛擬電廠運營機理關(guān)鍵技術(shù)將在第3小節(jié)進行詳細(xì)闡述。

同時,虛擬電廠運營商通過負(fù)荷代理集成參與市場交易獲得收益,通過考慮各柔性資源對虛擬電廠系統(tǒng)的價值貢獻度進行價值分配,其中需要考慮的因素包括響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)深度等。建立有效的價值分配體系時形成長期虛擬電廠交易主體的重要支撐,在具體操作過程中需要引入博弈論理論方法進行機制設(shè)計[32]。

3)虛擬電廠運營商代理靈活性資源的職責(zé)。具體為：

①分布式能源的權(quán)責(zé)。

分布式能源的主要職責(zé)包括2個方面：一是為虛擬電廠供應(yīng)電力,通過分布式光伏、小型燃?xì)廨啓C和燃料電池等分布式能源向虛擬電廠內(nèi)外提供穩(wěn)定安全可靠的電力;二是為參與輔助服務(wù)響應(yīng)的其它虛擬電廠主體提供一定的經(jīng)濟補償。

②可控負(fù)荷的權(quán)責(zé)。

可控負(fù)荷包括可中斷負(fù)荷(一般指居民和特殊工業(yè))和可平移負(fù)荷(可將用電高峰時期向后推移一段時間)2種。可控負(fù)荷的主要職責(zé)是參與輔助服務(wù)和需求響應(yīng)。最終結(jié)算時,當(dāng)可控負(fù)荷主體的購電成本大于其參與輔助服務(wù)和需求響應(yīng)所提供的收益補償時,可控負(fù)荷主體應(yīng)向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商則應(yīng)向可控負(fù)荷主體支付收益補償。

③儲能的權(quán)責(zé)。

儲能(一般包括抽水儲能電站、分布式儲能、充換電站和電動汽車等)的主要職責(zé)是通過充放電來參與輔助服務(wù)和需求響應(yīng)。最終結(jié)算時,當(dāng)儲能主體的購電成本減去賣電收益后若大于其參與輔助服務(wù)和需求響應(yīng)所提供的收益補償時,則儲能主體應(yīng)向虛擬電廠運營商支付電費;反之,虛擬電廠運營商應(yīng)向儲能主體支付收益補償。

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠運營機理

3.1 虛擬電廠調(diào)度運營機理

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)將極大促進電力終端數(shù)據(jù)的獲取及數(shù)據(jù)驅(qū)動下的業(yè)務(wù)增值,通過信息物理社會系統(tǒng)推動電力全業(yè)務(wù)集約化、智能化、自動化管理[33]。虛擬電廠是物理-信息-經(jīng)濟融合的能源供需集合體,隨著大量分布式電源及柔性負(fù)荷的接入,以虛擬電廠為節(jié)點的能源管理體系將為電力系統(tǒng)提供安全保障和運營支撐。相比于微電網(wǎng)更多在電力系統(tǒng)末段發(fā)揮效用,虛擬電廠具有不受地理位置約束的特點。以電動汽車車聯(lián)網(wǎng)為例,通過車聯(lián)網(wǎng)平臺及儲能云平臺,可以在較大范圍內(nèi)對電動汽車充放電負(fù)荷進行協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)電動汽車有序充放電,這是虛擬電廠的集中體現(xiàn)[34]。

在此,針對虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化特征,重點從自然聚合、經(jīng)濟激勵、運營協(xié)調(diào)3個維度對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化機理進行分析,3個維度互為遞進,其控制手段呈遞增趨勢,控制機理也由智能化逐步向人工決策轉(zhuǎn)變,如圖3所示。

圖3 虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化機理

具體來看,虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化具備下述3個

層次：

1)聚合機理,用戶組合錯峰效應(yīng)。

虛擬電廠是對分布式電源、柔性負(fù)荷、儲能等多種分布式能源的有效聚合。在具體展現(xiàn)形式上,虛擬電廠具有多種組合,目前常見的虛擬電廠類型包括“分布式風(fēng)電+儲能”、“分布式風(fēng)電+電動汽車”、“樓宇+儲能”等。通過對具有不同符合特征的用戶主體進行組合,利用各自負(fù)荷在日負(fù)荷率、日峰谷差率、日最大利用時間等特征值上的錯峰互補效應(yīng),通過引入人工智能技術(shù)對負(fù)荷曲線進行聚類,可以在一定程度上形成平抑虛擬電廠內(nèi)部主體自身波動的虛擬電廠[35]。

在終端設(shè)備數(shù)據(jù)獲取、存儲的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)用戶組合錯峰效應(yīng)包括2個關(guān)鍵步驟：一是要結(jié)合終端數(shù)據(jù)對不同類型柔性負(fù)荷的特征進行分析,采用統(tǒng)計學(xué)和計量經(jīng)濟學(xué)方法,識別其曲線特征,通過將曲線特征替代負(fù)荷曲線值,達到負(fù)荷曲線將為的目標(biāo),為開展進一步分析奠定基礎(chǔ);二是要構(gòu)建適用于海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的聚類分析算法,通過將曲線特征指標(biāo)進行聚類分析,在一定的聚類規(guī)則約束下,即可得到同類別的負(fù)荷曲線簇,進而通過分析其負(fù)荷特征值的相對性,得到具有錯峰效應(yīng)的用戶組合集。至此,該用戶組合集已經(jīng)初步具備平抑波動的功能。

2)激勵機理,基于用戶彈性的差異化合約。

在用戶組合錯峰效應(yīng)的基礎(chǔ)之上,需要引入經(jīng)濟手段對用戶行為進行影響,其最終展現(xiàn)形式為虛擬電廠運營商與不同用戶簽訂的差異化合約。由經(jīng)濟學(xué)中的邊際效應(yīng)理論可知,只有當(dāng)邊際成本等于邊際效用時,可實現(xiàn)資源最優(yōu)配置。因此,差異化合約的簽訂需要依據(jù)不同類型用戶的價格彈性,最大化經(jīng)濟杠桿效應(yīng)。

實現(xiàn)差異化合約制定的基礎(chǔ)是用戶用電行為的識別,同時對用戶行為通過多維數(shù)據(jù)進行客戶畫像,建立用戶行為標(biāo)簽庫。其關(guān)鍵點在于用戶行為及其彈性具有隱匿性,很難直接通過數(shù)據(jù)分析得出,這要求虛擬電廠運營商基于實驗經(jīng)濟學(xué)理論方法,構(gòu)建用戶行為識別及引導(dǎo)實驗框架,通過改變差異化合約關(guān)鍵參數(shù),從實際運營活動中獲取數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)進行用戶彈性分析,進而指導(dǎo)差異化合約制定。

3)運營機理,與儲能聯(lián)合運營。

由于用戶自身負(fù)荷特性及其可調(diào)節(jié)性方面的限制,單獨的虛擬電廠運營主體在電力直接交易及輔助服務(wù)市場中難免存在偏差。為應(yīng)對偏差風(fēng)險,有必要通過虛擬電廠與儲能聯(lián)合運營,進一步提升系統(tǒng)靈活性。

實現(xiàn)聯(lián)合運營的關(guān)鍵在于構(gòu)建多主體之間的利益分配機制。對于虛擬電廠運營商而言,通過與其他運營商或儲能設(shè)備簽訂合作協(xié)議,形成虛擬電廠運營聯(lián)盟,將進一步優(yōu)化自身調(diào)控能力。由調(diào)控能力上升帶來的效益增加或成本降低部分,可在各主體之間進行合理分配[36]。在這一過程中,除虛擬電廠運營主體外,其余主體承擔(dān)備用及風(fēng)險共擔(dān)責(zé)任,同時獲得相應(yīng)的備用收益與風(fēng)險承擔(dān)補償。

3.2 虛擬電廠各主體收益模式

通過上述分析可知,虛擬電廠內(nèi)部主體包括虛擬電廠運營商、分布式發(fā)電、可控負(fù)荷、儲能以及電動汽車等。各主體收益模式分析如下。

1)虛擬電廠運營商。

外購電成本為

CVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.pCVPP.o=QVPP.vPg.v+QVPP.fPg.f+QVPP.pPg.p(1)

式中：QVPP.vQVPP.v為虛擬電廠峰段外購電量;Pg.vPg.v為虛擬電廠電網(wǎng)峰段電價;QVPP.fQVPP.f為虛擬電廠平段外購電量;Pg.fPg.f為電網(wǎng)平段電價;QVPP.pQVPP.p為虛擬電廠谷段外購電量;Pg.pPg.p為谷段電價。

內(nèi)部購電成本為

CVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.fCVPP.i=QDGPDG+kQdPVPP.p+kQdPVPP.f(2)

式中CVPP.iCVPP.i為虛擬電廠內(nèi)部購電成本。

內(nèi)部主體激勵成本為

Ce=(QAS.fl+QAS.s)PASCe=(QAS.fl+QAS.s)PAS(3)

設(shè)備投資成本為

Ci=IDG+Is+IintCi=IDG+Is+Iint(4)

式中：CiCi為虛擬電廠總投資成本;IDGIDG為分布式電源投資成本;IsIs為儲能投資成本;IintIint為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投資成本。

2)分布式發(fā)電。

CDG=QAS.dgPASCDG=QAS.dgPAS(5)

EDG=QDGPDGEDG=QDGPDG(6)

式中：CDGCDG為分布式電源參與虛擬電廠成本;QASQAS為傳統(tǒng)模式下分布式電源應(yīng)參與輔助服務(wù)的電量;PASPAS為虛擬電廠中的輔助服務(wù)價格;EDGEDG為分布式發(fā)電參與虛擬電廠總收益;QDGQDG為分布式電源發(fā)電量;PDGPDG為虛擬電廠對分布式電源的收購電價。

3)柔性負(fù)荷。

CFl=QlPVPPCFl=QlPVPP(7)

EFl=QAS.flPASEFl=QAS.flPAS(8)

式中：CFlCFl為柔性負(fù)荷購電成本;QlQl為柔性負(fù)荷用電量;PVPPPVPP為虛擬電廠內(nèi)部電價;EFlEFl為柔性負(fù)荷收益。

4)儲能及電動汽車。

Cs=QcPVPP.vCs=QcPVPP.v(9)

Es=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPASEs=kQdPVPP.p+kQdPVPP.f+QAS.sPAS(10)

式中：CsCs為儲能成本;QcQc為儲能充電量;PVPP.vPVPP.v為虛擬電廠谷段電價;EsEs為儲能收益;kk為儲能充放電循環(huán)效率;QdQd為放電量;PVPP.pPVPP.p為虛擬電廠峰段電價,PVPP.fPVPP.f為虛擬電廠平段電價;QAS.sQAS.s為儲能參與調(diào)峰輔助服務(wù)電量。

4 虛擬電廠運營機制算例分析

4.1 算例概況

本文以某虛擬電廠示范區(qū)為例展開算例分析。該虛擬電廠主要包括分布式電源、柔性負(fù)荷、儲能等3類內(nèi)部主體,其中,分布式電源包括2座光伏電站及用戶側(cè)光伏,共計11 587 kW;柔性負(fù)荷主要包括電動汽車、分散式電采暖、地源熱泵及工商業(yè)可控負(fù)荷,共計9983 kW;儲能主要為電池儲能,容量共計10 000 kW。各主體及其參數(shù)如表1所示。

該虛擬電廠內(nèi)分布式電源典型日出力曲線與柔性負(fù)荷典型日負(fù)荷曲線如圖4所示。參考華北能監(jiān)局發(fā)布的《關(guān)于征求京津唐電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場運營規(guī)則(試行)(征求意見稿)》,梳理虛擬電廠內(nèi)外電價及輔助服務(wù)價格如表2所示。

表1 虛擬電廠主體資源及相關(guān)參數(shù)

圖4 典型日出力曲線與負(fù)荷曲線

表2 虛擬電廠內(nèi)外電價及輔助服務(wù)價格

4.2 結(jié)果分析

虛擬電廠各參與主體在虛擬電廠的統(tǒng)一代理運營下,內(nèi)部分布式機組、儲能可為負(fù)荷供應(yīng)電能,同時儲能和柔性負(fù)荷可通過需求側(cè)響應(yīng)提供輔助服務(wù),虛擬電廠典型日運行情況如圖5所示。

由虛擬電廠對負(fù)荷曲線可知,通過虛擬電廠統(tǒng)一運營,實現(xiàn)了削峰填谷的作用,同時獲得了輔助服務(wù)收益。參與虛擬電廠前后,虛擬電廠內(nèi)部主體和虛擬電廠運營商的成本/收益經(jīng)濟性對比如表3所示,成本、收益的單位均為萬元。

通過算例分析結(jié)果可知,典型日內(nèi)各類主體參與虛擬電廠后其收益均增加,虛擬電廠運營商也可獲得相應(yīng)收益,因此虛擬電廠運營模式可以實現(xiàn)各參與主體的投資回報和增值。上述分析結(jié)果表明,本文構(gòu)建的虛擬電廠運營機制及模式具有一定的經(jīng)濟性,可以為虛擬電廠運營實踐提供參考。

圖5 虛擬電廠典型日運行情況

表3 虛擬電廠運營前后主體成本/收益對比

5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠發(fā)展展望

虛擬電廠作為一種不改變各類分布式能源并網(wǎng)方式,利用電力市場驅(qū)動可再生能源發(fā)展、提高電力系統(tǒng)靈活性的有效方式[37]。虛擬電廠的建設(shè)和發(fā)展是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容,也是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的最小單元和基本模式。在電力市場發(fā)展成熟之后,虛擬電廠可通過市場手段獲得運營收益,這是虛擬電廠未來發(fā)展的重要驅(qū)動力。因此,為推進虛擬電廠發(fā)展,需在有效的市場運行規(guī)則的基礎(chǔ)上建立起交易、調(diào)度支持系統(tǒng),構(gòu)建包括政府、企業(yè)、用戶在內(nèi)的市場推廣應(yīng)用商業(yè)模式,從市場規(guī)則、支持平臺、參與各方協(xié)作發(fā)展三方面構(gòu)建虛擬電廠發(fā)展促進鏈條,具體如下：

1)在虛擬電廠參與的基礎(chǔ)上制定有效的市場運行規(guī)則。考慮用戶參與模式的申請、變更以及解除等操作,制定虛擬電廠內(nèi)部多利益主體參與虛擬電廠交易的規(guī)則;需要從整體上考慮虛擬電廠的對外特性并從市場準(zhǔn)入、競價模式、信息發(fā)布、報價規(guī)則、結(jié)算方式等方面研究虛擬電廠參與電力市場的規(guī)則。考慮虛擬電廠內(nèi)部資源的多樣性,研究虛擬電廠內(nèi)部資源的協(xié)調(diào)控制流程,提出虛擬電廠參與市場注冊、競價申報、出清優(yōu)化、安全校核、電能電量計量、結(jié)算等電力市場的全環(huán)節(jié)全過程業(yè)務(wù)流程。

2)建設(shè)一種有效的調(diào)度、交易支持系統(tǒng)以支持虛擬電廠運營。根據(jù)虛擬電廠交易類型、內(nèi)部分配原則、電網(wǎng)調(diào)度運行要求,確定虛擬電廠接入的調(diào)度、交易平臺功能的建設(shè)目標(biāo);虛擬電廠接入系統(tǒng)后提出功能建設(shè)方案來分析設(shè)計調(diào)度、交易平臺需要采用的系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和業(yè)務(wù)架構(gòu)的3步設(shè)計方法,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建功能總體架構(gòu)。明確虛擬電廠接入的交易系統(tǒng)與調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)及運營商其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與交互模式;根據(jù)虛擬電廠交易功能的數(shù)據(jù)集成需求,設(shè)計并研發(fā)交易系統(tǒng)與調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)、財務(wù)系統(tǒng)、營銷業(yè)務(wù)系統(tǒng)及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成接口與數(shù)據(jù)集成方案。

3)構(gòu)建政府、電網(wǎng)企業(yè)、用戶多方協(xié)作的虛擬電廠推廣商業(yè)模式。根據(jù)虛擬電廠參與電力市場的交易類型,以及參與虛擬電廠的資源的不同響應(yīng)特性,制定促進虛擬電廠應(yīng)用的政策支持建議和市場機制建議。并根據(jù)虛擬電廠交易類型及內(nèi)部成員特點,構(gòu)建虛擬電廠的典型產(chǎn)品模式以及典型用戶推廣模式,根據(jù)政府、電網(wǎng)企業(yè)以及參與虛擬電廠的資源在推廣應(yīng)用中的利益關(guān)系及相互作用,構(gòu)建虛擬電廠利益相關(guān)方協(xié)作模式與典型商業(yè)模式[38],實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)價值共享。

6 結(jié)論

虛擬電廠作為一種利用市場激勵規(guī)則,通過優(yōu)化、協(xié)調(diào)和控制等手段,聚合分布式能源參與電力市場與電力系統(tǒng)運行的運營模式,將是促進分布式能源與大電網(wǎng)友好協(xié)調(diào)優(yōu)化,促進電力系統(tǒng)清潔化的有效途徑之一。本文通過梳理虛擬電廠概念,認(rèn)為虛擬電廠內(nèi)在驅(qū)動力在于其對電力系統(tǒng)的價值,而合理的市場機制是將該價值實體化的重要途徑。根據(jù)虛擬電廠對外參與電力批發(fā)市場,對內(nèi)整合零售市場的運營特點,構(gòu)建了虛擬電廠對內(nèi)對外的兩級市場交易體系。在此基礎(chǔ)上,通過自然聚合、經(jīng)濟激勵、協(xié)調(diào)調(diào)度3個方面提出了虛擬電廠三階段調(diào)度優(yōu)化機理,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。在分析虛擬電廠收益模式的基礎(chǔ)上,選取虛擬電廠進行算例分析,驗證了本文所提出的商業(yè)模式的可行性。最后,立足于我國泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與電力市場建設(shè),對虛擬電廠未來發(fā)展通過市場機制、平臺支撐以及協(xié)作融通3個方面進行展望。

本文主要梳理在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)背景下,虛擬電廠未來運營模式及關(guān)鍵技術(shù),其中虛擬電廠交易體系及優(yōu)化運行機理是本文重要觀點。在下一步研究中需要針對本文構(gòu)建的交易體系及運行機理進行系統(tǒng)建模與模擬仿真,為虛擬電廠運行優(yōu)化提供參考。

作者介紹：

王宣元，高級工程師，研究方向為虛擬電廠及電力市場建設(shè)。

劉敦楠，副教授，博士生導(dǎo)師，華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院副院長，華北電力大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究中心副主任，主要研究方向為能源互聯(lián)網(wǎng)與電力市場。

劉蓁，工程師，研究方向為虛擬電廠及柔性交直流輸電系統(tǒng)建模。

劉明光，博士研究生，通信作者，研究方向為能源互聯(lián)網(wǎng)與虛擬電廠。