虛擬電廠知識整理
隨著可再生能源成為未來全球能源發展的主要方向，虛擬電廠成為一種實現可再生能源發電大規模接入電網的區域性多能源聚合模式。
一、虛擬電廠定義
虛擬電廠是將能源與信息技術深度融合，利用先進的通信、量測、控制技術和軟件系統構成的虛擬聯合體，通過分布式能源管理系統將配電網中不同空間分散安裝的清潔能源、可控負荷和儲能系統等一種或多種資源聚合起來，實現自主協調優化控制，參與電力系統運行和電力市場交易的智慧能源系統，是一種跨空間的、廣域的源網荷儲的集成商。
其內部資源在空間上分散分布而非一個集中的物理實體，故稱之為“虛擬”；在整體上協同一致實現與電廠相同的功能，故稱之為“電廠”。
虛擬電廠通過分布式電力管理系統將電網中分布式電源、可控負荷和儲能裝置聚合成一個虛擬的可控集合體，參與電網的運行和調度，協調智能電網與分布式電源間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網和用戶所帶來的價值和效益。
二、虛擬電廠的優勢與特點
“虛擬電廠”不是傳統意義上的發電廠，而是相當于一個電力“智能管家”。能在光伏等分布式能源有間歇性時，通過儲能裝置把它們組織起來，形成穩定、可控的“大電廠”，便于處理與大電網之間的各種關系。在提高電網安全保障水平、降低用戶用能成本、促進新能源消納等方面具有較大的優勢，發展潛力巨大。
1、虛擬電廠是聚合優化“網源荷”清潔發展的新一代智能控制技術和互動商業模式。虛擬電廠就是互聯網+智慧能源，以用戶為中心，以商業化市場為平臺的電源電網負荷聚合的管理模式。
2、在傳統電網物理架構上，依托互聯網和現代信息通訊技術，把分布式電源、儲能、負荷等分散在電網的各類資源相聚合，進行協同優化運行控制和市場交易，實現電源側的多能互補、負荷側的靈活互動，對電網提供調峰、調頻、備用等輔助服務。對提升電網靈活調控能力和能源綜合利用效率發揮積極作用。
3、構建廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代電力系統的關鍵組成部分，為破解清潔能源消納的世界性難題和低碳能源轉型提供前瞻解決方案。推動傳統電網向新一代電力系統升級成為趨勢。
4、虛擬電廠構成資源具有多樣性、分散性。通過“通信”和“聚合”，最終以實現“聚沙成塔”的效果。集中管理，但管理控制的實體物理布局分散，充分發揮管控下各個設備的優勢。
5、構成資源具有環保性。虛擬電廠采用新型可再生能源，對環境影響較小。而通過節能技術或調節DL而實現的虛擬電廠電力生產，甚至達到了零排放，所產生的電能對環境完全沒有影響。
6、運營過程具有協同性。由于各地區的用電需求曲線不完全一致，使虛擬電廠的出力成本具有地域差別性及時間差別性，因而為使虛擬電廠有效參與電力市場，實現調峰及節能降耗作用，就需要多家虛擬電廠在不同的運營機構內相互配合、協同合作。
三、虛擬電廠的關鍵技術（內容來源于《電力技術情報》）
虛擬電廠的關鍵技術包括協調控制技術、智能計量技術、智能通信技術、運營交易與優化決策技術、數據驅動支持調控決策技術、信息預測與容量估計技術、補償結算與效益評估技術、儲能技術等。
1、協調控制技術
虛擬電廠的控制結構主要分為集中控制和分散控制。在集中控制結構下，虛擬電廠的全部決策由中央控制單元——控制協調中心（control coordination center，CCC）制定。如下圖所示，虛擬電廠中的每一部分均通過通信技術與CCC相互聯系，CCC多采用能量管理系統（energy management system，EMS），其主要職責是協調機端潮流、可控負荷和儲能系統。
在分散控制結構中，決策權完全下放到各DG，且其中心控制器由信息交換代理取代，如圖所示。信息交換代理只向該控制結構下的DER提供有價值的服務，如市場價格信號、天氣預報和數據采集等。由于依靠即插即用能力，因而分散控制結構比集中控制結構具有更好的擴展性和開放性。
>>智能計量技術
智能計量技術是虛擬電廠的一個重要組成部分，是實現虛擬電廠對DG和可控負荷等監測和控制的重要基礎。智能計量系統最基本的作用是自動測量和讀取用戶住宅內的電、氣、熱、水的消耗量或生產量，即自動抄表 （automated meter reading，AMR），以此為虛擬電廠提供電源和需求側的實時信息。作為AMR的發展，自動計量管理（automatic meter management，AMM）和高級計量體系（advanced metering infrastructure，AMI）能夠遠程測量實時用戶信息，合理管理數據，并將其發送給相關各方。AMI基于開放式雙向通信平臺，結合用電計量技術，以一定的方式采集并管理電網數據，能為用戶提供分時段或即時的計量值，如用電量、電壓、電流、電價等信息，便于用戶高效用電，提高設備使用效率，并支持電網協調運行。
>>智能通信技術
在虛擬電廠內，各發電單元與負荷均直接或間接與控制協調中心相連接，在虛擬電廠進行“源—網—荷—儲”的協調控制中擔負重要任務，需要傳輸大量采集、監測和控制的數據，且要求通信系統高可靠、低時延。虛擬電廠采用雙向通信技術，它不僅能夠接收各個單元的當前狀態信息，而且能夠向控制目標發送控制信號。
根據不同的場合和要求，虛擬電廠可以應用不同的通信技術。對于大型機組而言，可以使用基于EC 60870-5-101或IEC 60870-5-104協議的普通遙測系統。隨著小型分散電力機組數量的不斷增加，通信渠道和通信協議也將起到越來越重要的作用，昂貴的遙測技術很有可能將被基于簡單的TCP/IP適配器或電力線路載波的技術所取代。在歐盟 VFCPP項目中，設計者采用了互聯網虛擬專用網絡技術；在歐盟FENIX項目中，虛擬電廠應用了GPRS技術和IEC104協議通信技術；德國Pro ViPP的通信網絡則由雙向無線通信技術構成。
>>運營交易與優化決策技術
虛擬電廠運營體系通過虛擬電廠交易平臺、運營管理與監控平臺等系統，實現了調度需求觸發、多品種交易組織、虛擬電廠在線監控與管理等功能，實現了整個業務流、信息流的貫通。還通過制訂各類資源調用方式，模擬了常規發電機組爬坡率等參數，對每個用戶的參與方式進行了規范和細化，使虛擬電廠的機組特性曲線與常規發電機組近似，方便調度的實時調用。同時，通過用戶端系統，用戶還能對自身能耗情況開展分析，可進一步提升自身電力能源的精細化管理水平。
虛擬電廠一般采取集中化的組織架構，由VPP控制中心遠程調控各個分布式能源，參與能量市場和輔助服務市場交易等不同市場競價。除了集中化的組織架構，研究者也開始關注基于區塊鏈的分散式VPP市場組織架構。區塊鏈系統可為VPP提供公開透明、高效安全的交易平臺。能源互聯網背景下能源與信息的互聯,可以使得區塊鏈技術與能源技術結合,并應用在新型電力市場模式架構，未來具有相當的發展潛力。
市場交易與優化決策包括市場側的優化投標策略、用戶側的優化定價策略以及資源優化調度策略三部分。從數學層面而言，上述3個方面均是優化問題；而在物理層面上則是VPP運營過程中與不同主體之間進行利益博弈達到均衡優化的過程。
>>數據驅動支持調控決策技術
底層量測裝置的普及和通信網絡的完善可提供VPP中的海量數據，促使了數據驅動方法在VPP中的應用。數據驅動技術在VPP中的應用主要分為構成主體行為與外部環境感知、優化調控策略和為參與電力市場提供決策支持3個方面。
（1）主體行為與外部環境感知：主要涉及VPP負荷、可再生能源預測以及電力市場出清電價預測。
（2）優化調控策略：基于數據驅動方法的負荷聚類及分類過程，有助于充分利用量測裝置獲取的用戶用電數據，使得VPP更加確切地了解構成主體的用電特性，進而設計更為有效、更具針對性的策略。
（3）電力市場提供決策：VPP參與電力市場的流程如下圖所示，在具體的電力市場體系中，為滿足不同商業模式優化運營的需求，需要一系列關鍵技術的支撐才可以實現。其中，對于市場需求側資源的狀態感知與靈活聚合包括異構資源精準建模以及資源靈活優化聚合兩部分，是輔助VPP洞察和了解DER運行特性的基礎性工作，助力VPP實現需求側資源的精確感知、充分利用及價值挖掘。
>>信息預測與容量估計
信息預測與容量估計技術包括市場電價預測、分布式光伏預測、響應容量估計三部分內容。
（1）市場電價預測
市場電價的準確預測是VPP在市場交易過程中進行精準投標報價、實現利潤最大化的基礎與前提，作為電力系統的經典課題已得到了廣泛的研究。依據預測的時間尺度不同，可分為中長期預測、短期（日前電價）預測和超短期（實時電價）預測；依據預測內容的不同，可分為確定性預測與概率性預測，前者預測結果為確定的電價數值，后者則同時給出電價的取值及其概率分布情況。依據預測方法的不同，主要可分為時間序列法以及機器學習模型兩大類。
（2）負荷與電量預測
電力市場的有序放開為售電側引入了競爭機制，在此背景下，VPP作為電力市場新型主體參與市場競爭成為趨勢。根據交易時間尺度的不同，VPP可參與中長期市場與現貨市場進行交易，在此過程中，需要準確的中長期、短期、實時電力電量預測作為其參與市場交易的重要支撐。
（3）分布式光伏預測
傳統集中式光伏的預測以歷史出力數據、數值天氣預報和實測氣象數據為基礎，通過人工智能算法進行預測。然而，集中式光伏出力預測方法無法直接應用于分布式光伏出力預測。需要首先探究用戶負荷與表后光伏的解耦方法，將電網中這一部分“不可見”的分布式光伏分量辨識出來，與實際用電負荷解耦，而后分別進行預測。
（4）響應容量估計
目前需求側資源響應容量估計尚屬于新興領域，相關研究較少。現有針對響應容量估計的研究多從負荷的物理特性出發，其理論依據在于各類資源的需求響應容量絕大程度上取決于其用電特性。實際上，資源的需求響應容量通常分為理論響應容量、技術響應容量、經濟響應容量和可用響應容量四類，容量大小依次遞減。從物理特性入手計算所得結果屬于理論響應容量，其大于資源的實際可用響應容量。因此，在考慮資源物理特性的基礎上，仍需要在數學模型與數據驅動算法等方面著手對響應容量估計作更進一步的探索。
>>補償結算與效益評估技術
補償結算與效益評估面向市場交易過程結束后的結算與評價過程，包括基線負荷估計、收益分配策略以及綜合效益評估三部分內容。
（1）基線負荷估計
常用的個體CBL估計方法包括平均法、回歸法、對照組法、同步模式匹配法等；集群CBL方面尚無針對性研究，目前主要通過個體用戶基線估計值直接累加的方式得到。后續可結合用戶時間以及空間層面的分布特點與關聯性，利用圖神經網絡技術開展相關研究，提升集群CBL估計精度。此外，隨著分布式光伏在配電臺區內的滲透率提升，含分布式光伏用戶的集群CBL估計也是值得研究的方向之一。
（2）收益分配策略
VPP需要權衡自身利益以及用戶的經濟補償制定合理的分配機制，保證用戶參與需求響應項目的積極性以及“虛擬聯盟”的穩定性，達到整體響應效益最優。現有的響應利潤分配機制包括Shapley值法、均分法等。
（3）綜合效益評估
在VPP單次市場交易過程結束后，需要對此次事件整體的綜合效益進行定量刻畫，包括技術層面的指標完成度以及經濟層面的效益分析，通過復盤總結不斷提升響應執行度，優化外特性指標，為下一次競價出清奠定基礎。同時，效益評估還需細化至VPP中的各參與主體，使其明確自身的損益以便后續項目實施過程的優化。通過構建量化評價指標體系，實現整體-個體效益的分級綜合評估，這一過程也有利于政府機構對相關政策的修訂與改進。現有整體綜合效益評價方法包括系統動力學、信用等級、灰色綜合評價等。
>>儲能技術
儲能技術簡單的來說主要是指電能的儲存。從廣義上來看儲能即能量存儲，是指通過一種介質或者設備來將一種能量形式應用另外一種方式來展現或者存儲，并在未來應用的時候以特定能力的形式釋放出來。儲存的能量可以作為社會發展的應急能源，也可以作為電網負荷低時的一種能量補充支持，即在電網高負荷的時候輸出能量，用來削峰填谷，減輕電網波動。
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