虚拟电厂的概念思辨.docx

摘要：虚拟电厂聚合海量分布式资源参与电力市场交易和电力系统运行，是新型电力系统建设背景下充分挖掘分布式资源电力电量平衡的重要抓手，近年来发展迅速，是当前的热点研究领域，但是目前存在一些概念上的困扰。比较了虚拟电厂、需求响应、负荷聚合商等概念，提出了虚拟电厂发电的相对量模型和绝对模型，并构建了虚拟电厂的资源聚合逻辑，提出了基于市场应用的虚拟电厂资源配置概念。关键词：虚拟电厂；分布式资源；电力市场；需求响应；电力电量平衡引言在国家战略的指引下，我国以风光为代表的新能源发电发展极为迅猛，除了大规模集中式新能源快速发展，分布式新能源发电也进入了快速发展通道，据国家能源局统计，截至2023年9月，全国户用分布式光伏累计装机容量突破1亿kw,达到1Q5亿kw,助推我国光伏发电总装机规模超5亿kW,达到S2亿kW。仅以江苏为例，2022年以来，分布式光伏装机容量每月增长100万ko新能源发电出力的随机性、间歇性问题是新时期困扰电力系统运行的关键问题。如何管理海量分布式发电，充分挖掘分布式资源电力电量平衡能力，应对大规模新能源接入，已经成为目前较为紧迫的现实问题。"虚拟电厂''己经成为"双碳''目标下解决该问题的重要抓手。国家层面已经颁布大量的虚拟电厂政策支持文件，同时在现实中也有大量的虚拟电厂建设案例，在现有政策文件中明确了虚拟电厂作为发掘用户侧资源的重要手段，如在2021年年底国家发展和改革委员会、国家能源局颁布的电力并网运行管理规定（国能发监管规（2022）6。号）和电力辅助服务管理办法（国能发监管规（2021）61号）中明确了虚拟电厂的市场主体地位。虚拟电厂通过应用先进的信息通信和控制技术，优化聚合大量的分布式资源参与系统优化运行，充分挖掘原先闲置的分布式资源，使其可观测、可管理，将有效助力新型电力系统运行。据不完全统计，我国有数百家虚拟电厂正在规划、建设或运行中，其中绝大多数虚拟电厂的主要业务是参与需求响应。从业务层面来说与常规的负荷或者负荷聚合商无异。目前国内的虚拟电厂研究和应用存在一些基本概念的问题：如虚拟电厂与需求响应是什么关系；虚拟电厂与负荷聚合商有什么区别；虚拟电厂是否可以常态化运行；既然分布式光伏没有调节能力，虚拟电厂为什么要聚合分布式光伏。这些问题给虚拟电厂领域的研究、建设和运行人员造成了一定的困扰，同时也影响了相应的市场交易或系统接入的规则制定。本文从基本概念出发，力求厘清虚拟电厂、需求响应、负荷聚合商的基本概念及各概念间的联系和区别，同时围绕虚拟电厂资源分类、聚合和资源配置，建立对虚拟电厂的基本认知。虚拟电厂与需求响应、负荷聚合商，工需求响应需求响应指电力用户收到电价改变或者经济激励信号，改变其固有用电行为。根据发起方的不同，一般有3种类型的需求响应应用场景。1）电网作为发起方：适用于电力供需平衡出现缺口。2）售电公司作为发起方：适用于批发市场和零售市场存在价格差异。3)负荷聚合商作为发起方：筹措需求侧资源参与辅助服务市场。其中第一种场景对应的是可靠性型需求响应，第二种、第三种都属于经济型需求响应。在现实中也有重叠，比如售电商也兼顾了负荷聚合商的职能，组织下属的用户资源参与需求响应。需求响应的模型如图2所示，需求响应量一般可以定义为：(1)式中：乙为实际负荷；4为基线负荷；乙为在电价项目或者经济激励下用户用电功率的改变量，在负荷削峰时，该值为负值，填谷时该值为正值。可见需求响应量的确定依赖于负荷基线的定义，一般负荷基线由负荷预测确定，但这样也决定了无法基于该模型开展常态化的需求响应，这是因为一旦常态化开展需求响应，则无法确定其固有的用电模式。需求响应是针对负荷而言的行为，首先认定负荷是电能量的需求方,是被满足的对象，其随意用电的行为本身具有天然的合理性，要求其改变用电行为，即改变其固有负荷曲线，则需要对其给予额外的经济激励，这是需求响应项目的底层逻辑。图1需求响应模型表达负荷聚合商负荷聚合商是需求响应资源的整合者，通过专业技术评估用户的需求响应潜力，整合分散的需求响应资源参与电力系统运营。系统依然承认其负荷身份，其参与的业务也依然是需求响应。当然负荷聚合商是专业化的需求响应服务提供商，形式可以多样化，在电网管理体系下，主要是营销部门与其对接。1.3虚拟电厂虚拟电厂聚合分布式资源，使之呈现出电厂的外特性，实现对分布式资源的监测、管理和运行，其核心技术是聚合、通信与控制。虚拟电厂是一个技术平台，依托通信、控制技术聚合调控分布式资源，资源散布于电网各处，聚合需考虑电网拓扑；虚拟电厂是一种商业模式，对上参与电力市场，提供电能量或辅助服务，对下通过各种交易行为购买获得下属资源；虚拟电厂是一种运行方式，虚拟电厂作为一个中间载体联通了主网和配电网、批发侧和零售侧，其业务逻辑与售电商正好反向，在用户侧/配电网侧筹措分布式资源向主网提供能量和辅助服务。必须强调的是，虚拟电厂首先是电厂身份，是系统中产品或服务的提供商，应将其以电厂的身份来管理，逻辑上来说应该与电厂一样参与电力市场竞争和系统调度，在电网管理体系下主要是调度部门与其对接，营销部门做好计量工作，但是虚拟电厂与下属的资源之间可以采用但不限于需求响应的商业模式。如果虚拟电厂参与系统发起的需求响应业务，实际上扮演的是负荷聚合商的角色。虚拟电厂的模型2.1虚拟电厂的相对量模型虚拟电厂的相对量模型往往应用于负荷型虚拟电厂，其发电模型类似于需求响应模型，实质是将负荷功率的改变量虚拟为虚拟电厂的发电功率，如图2所示，以负荷削峰为例，调整量实际上是将需求响应期间的功率调整量等效为虚拟发电机组的出力。其模型可以表达为：2.2虚拟电厂的绝对量模型虚拟电厂的绝对量模型（如图3所示）是指虚拟电厂的发电功率为下属资源功率相加形成的净功率输出，这与常规的电厂模型是类似的，其发电功率并非调整量，如果聚合的资源为负荷，则净功率输出为负发电。实际上常规电厂中存在厂用电负荷，其发电功率本身就是发电机出力与负荷功率的代数和。绝对量模型虚拟电厂的输出功率模型可以表达为:Pq-Pqo-Plo（3）式中：入。为虚拟电厂下属的发电资源出力；为虚拟电厂下属的负荷功率需求。虚拟电厂视为对分布式资源的聚合，形成对外提供电能量或者辅助服务的“电厂1.具有电厂的身份，是市场的供应者。在虚拟电厂内部，分布式电源即电厂的发电机组，可调负荷即电厂的厂用电。分布式电源和分布式负荷的功率之和组成虚拟电厂的输出功率，功率为正则发电，功率为负则用电或负发电。2.3相对量模型与绝对量模型的比较表工给出了虚拟电厂绝对量和相对量模型的比较，目前我国虚拟电厂绝大多数应用为参与需求响应，所采用的是虚拟电厂的相对量模型，本质上是在做需求响应，因此虚拟电厂起到的是常规的负荷聚合商的作用。虚拟电厂如果具有功率可调的功能，同时具有负荷的身份，则必然具有参与需求响应的资格和能力。目前的负荷型虚拟电厂资源本身就在用户侧，作为拥有独立户号的电力用户，本身就可以参与需求响应。相对量模型的实施效果依赖于基线功率曲线的确定，但是这也意味着基于相对量模型无法开展常态化的虚拟电厂运行，因为一旦常态化也就无法确定基线功率曲线。因此相对量模型仅适用于激励型的需求响应场景。而绝对量模型不依赖于负荷基线，可更广泛地应用于电网调度，但是其隐含的含义是虚拟电厂事实上成为一个对外能量代理的独立主体，其内部资源之间存在能量共享，商业模式可以多种多样，"隔墙售电”也仅是其特例，这在现行的国内环境下还需要较大的政策突破和现实验证。表I虚拟电厂绝对模型和相对模型的比较TableICompansonbetweenabsoluteandrelativemodelsofvirtualPOwCrplant相对模型绝对模型更似负荷聚合商.依然是负荷身份；适用于峰,不适用于倦交灯与IWU适用r净功率幡人F或仇荷虚拟电厂；依赖于负荷拓线,常态化两用较为用事更似电厂.与电厂身份适配；适用德员交易.唧峰.两频等各肿场景；更适用r用功率抬出圈或电源型虚Itt电厂；没有负荷基纹依犊.可常态化运行虚拟电厂的资源聚合逻辑3.1 虚拟电厂的内涵与特征常规电厂一般具备向系统提供2种类型的产品：一是电能量，满足电力用户的电能需求，在电能量市场进行交易获利；二是功率调节能力，对应于辅助服务，在辅助服务市场进行交易获利。虚拟电厂首先应该视为一个当作电厂看待的主体，具有“电厂"的身份，"电厂''实体千差万另U,如核电、风电、光伏发电、燃气发电等，发电原理各不相同，但是其输出产品均为电能量或者提供辅助服务，其身份由其生产的产品定义，虚拟电厂应与常规电厂一样扮演电力能源产品的提供方角色。从资源来看，虚拟电厂应具有以下特征：1）分布式：虚拟电厂聚合对象，可以是分布式电源、柔性负荷、储能或其组合，但应该是分布式，否则谈不上“虚拟1.常规电厂搭配分布式资源提升其发电性能，如大型煤电机组或集中型的新能源场站通过配置分布式储能或柔性可调负荷仍应作为集中型电厂来看待，而非虚拟电o2）可管理：聚合分布式资源应实现可管理功能，包括监测、预测、控制及代理下属资源参与市场交易和执行市场交易结果，监测是最基本的功能，对于其中具有输出电能量的资源，至少应该做到可预测，最好能做到可控，而对于负荷资源则应具备预测和控制功能，否则对于虚拟电厂的对外职能毫无意义。3）规模化：虚拟电厂是分布式资源的规模化聚合，只有规模化具备一定的体量，才能调度可见，才可与传统机组一样参与主配网不同层级的调度运行，目前几乎所有的虚拟电厂市场或系统准入规则均提出了容量要求，达不到一定规模的虚拟电厂失去了电网调度的意义。3.2 虚拟电厂资源分类与资源聚合3.2.1 分类虚拟电厂资源可根据其资源属性分为能量输出型和功率调节型，部分资源如小型燃机可具有双重属性。3.2.2 能量输出型资源能量输出型资源能够向外输出电能量，应具备参与电能量市场等功能，主要包含小型燃气机组、分布式光伏、分散式风电等，这些资源可以生产电能量，在虚拟电厂中扮演能量提供者的角色。3.2.3 功率调节型资源功率调节型资源能够接受调控指令，并在秒级、分钟级或更长时间尺度进行功率调节，调节方向可上调或下调，主要包含储能、电动汽车、可控负荷、小型燃气机组，以及其他可调节负荷等，是虚拟电厂中负责提供灵活性的资源。3.2.4 虚拟电厂的资源聚合虚拟电厂的对外特性实际上是下属资源的规模化体现，如图4所示,虚拟电厂聚合空调、电动汽车、储能等功率调节型资源以及分布式光伏、分散式风电等能量输出型资源，总体上形成一般意义上具备可调度并输出电功率的虚拟电厂，可同时参与能量市场和辅助服务市场。特例情况下，仅聚合柔性负荷等功率调节型资源可形成负荷型虚拟电厂，可调度但是消耗电功率，可参与辅助服务市场，向系统提供系统平衡能力；仅聚合风电光伏发电等能量输出型资源则形成单纯电源型虚拟电厂，不可调度但是向系统输出电能量，可参与电能量市场。空调电动汽车充电储能小型燃机分布式光伏分布式风电功率调节型资源（灵活性）能量输出型资源（电能量）负荷型虚拟电厂,虚拟电厂（可调，电源型虚拟电J（可调度、消耗电功率）度、输出电功率）（不可调度、输出电功率）<>辅助服务市场能量市场（功率平衡能力）图4虚拟电厂聚合组成与外特性基于市场需求的虚拟电厂资源配置虚拟电厂是新型的市场主体，在市场中自负盈亏，在市场中与常规电厂竞争，通过向系统提供电力能源产品或服务赚取收益。基于市场的虚拟电厂资源配置逻辑如图S所示，虚拟电厂的资源配置应该根据能量市场和辅助服务市场的价格来确定其配置方案。简单来说，所配置的虚拟电厂资源应使得虚拟电厂在市场中获取更好的收益。如所在区域水电充足，调节性资源丰富，则辅助服务市场价格不高，但是有可能存在季节性缺电现象，则聚合柔性可调负荷或者储能意义不大，而聚合分布式电源参与能量市场能够赚取更多的市场收益。如所在区域系统灵活性不足，则应该更多地配置储能或者柔性负荷。另一个需要特别指出的是虚拟电厂需要明确等效的系统接入点，一方面从系统来看应该要知晓虚拟电厂所处的电气位置，否则无法进行电网的安全校核；另一方面市场环境下，不同的节点也意味着不同的市场价格，为了使得虚拟电厂具有应对未来市场变化的能力，获得良好的投资收益，在配置资源时应综合考虑性能、规模、地理/电气位置、成本及预期市场收益，从而确定配置方案。结语虚拟电厂是新型市场主体，近年来引起了广泛的关注，产业界对其也抱有极大的热忱，将其视为建设新型电力系统和能源互联网的典型应用，但是在实际应用中存在概念交叉和混淆，本文通过对比虚拟电厂、需求响应和负荷聚合商的概念，着力厘清各种概念的边界，促进该领域的技术交流和产业发展。对于虚拟电厂的概念应明确，如果概念让我们对事物的理解更不清晰，则说明概念定义不明，需要明确概念定义，区分各种概念的边界。虚拟电厂具有"电厂”身份，是系统中“产品"或“服务”的提供者；基于本文的分析，得到以下结论：1）供需角度：虚拟电厂是市场的供应方，而不是需求方，在逻辑上来说，虚拟电厂不应参与需求响应，而应作为电厂参与系统调度，其参与需求响应时仍有负荷身份，实际扮演的是负荷聚合商的角色。2）产品角度：虚拟电厂提供常规电厂一样的产品，应与电厂同台竞价，无需给虚拟电厂设置特殊的市场，电力市场中产品和服务本身不应该因虚拟电厂而有任何特殊性，虚拟电厂的加入相当于给系统运行增加了额外的供应侧资源，总体上应能提升系统效率。3）接入规范：虚拟电厂应承担常规电厂一样的系统义务，按照电厂的方式来管理，在信息通信、安全防范以及承担的安全责任等方面，均应一视同仁，满足系统安全运行的需要。4）效果评估：虚拟电厂与常规电厂的主要区别在于，其资源散布于电网各处，不像常规电厂有统一的物理接入点，同时也没有统一的计量表计，因此其发电效果，包括电能量或辅助服务均为计算值，亟待通过标准进行统一规范。