虚拟电厂在分布式光伏发电数字新基建示范区中的应用前景

杜 亮，陈昱达，田小蕾

(1.国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114002；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

1 研究背景

分布式光伏发电技术的推广可有效节约资源，是未来智能电网发展的趋势，利用虚拟电厂可以为其提供强大的技术支持，一方面促进分布式电源的推广应用，另一方面也可以促进分布式电源的市场化发展。但是由于技术条件的限制，我国虚拟电厂发展起步较晚，还存在很多有待改进的地方，需要相关部门将各个部门联系起来，从制度、技术等各个方面入手，促进虚拟电厂在分布式光伏发电中的应用。

2 虚拟电厂概述

由于各方面原因的限制，目前虚拟电厂在国际上并没有一个统一的概念，不过综合国内外的相关探索与研究，可以将虚拟电厂的定义分为2种，一种是狭义的概念，即虚拟电厂指的是一组电源的集合，由2个方面的内容组成，一是通信系统，二是控制系统，主要作用是促进电力网络的调度运行，并且促进电力市场正常发展。另外一种是广义的概念，即虚拟电厂不仅是一组电源的集合，也包含很多技术层面的内容，例如可控负荷技术是目前电力市场的新型主体。就实际情况而言，虚拟电厂是依托于计算机信息技术而发展起来的，由各种先进技术和软件系统所组成，具有强大的功能，能够实现可控负荷、储能等业务的升级，并且能够作为一个独立的电厂对电网进行协同控制，顺利进入电力领域的市场竞争机制中。虚拟电厂的运行机制如图1所示。

图1 虚拟电厂的运行机制

2.1 特征

虚拟电厂具有强大的功能和优势，主要体现在2个方面：一是虚拟电厂对内的管理和监控功能，即具有相应的权限，用于监控分布式电源的运行，为了实现这一功能，就需要虚拟电厂拥有一个强大的监控系统，并且该系统一方面可以与相关的通信系统相关联，另一方面可以与控制系统连接，有效实现虚拟电厂的监控和管理功能。二是虚拟电厂对外的功能具有相应的权限，一方面可以实现对电网系统的调度，另一方面可以融入市场交易中，利用能源互补的形式，减少有限资源的损耗，提高整个电网系统的运转效率。另外，融入市场竞争的形式也有利于实现经济效益[1]。

2.2 控制方式

a.集中控制式

这是虚拟电厂的主要控制方式，即系统的采集模块，先采集发电和用电的相关数据信息，并且将数据资源及时传输到中心的控制单元，再由控制单元实现对数据资源的整合和分析，计算出最佳的用电和发电方案，并且及时下达指令，经过强大的通信系统，将命令传达到相应的执行模块，再由执行模块按照指令及时做出反应。这样集中控制的方式，有统一的集中控制器负责实施数据的收集、整理及决策等，具有一定优势，但也存在很多缺点，如信息量过大、数据传输过程繁琐等，这就要求通信系统具有足够的稳定性和可靠性[2]。

b.分散式

分散式是与集中控制式完全不同的一种控制方式，它在虚拟电厂中具有很多独立单元，相当于不同的智能代理，这些代理单元可以单独实现数据信息的收集、整理和分析，为虚拟电厂提供关于用电和发电的信息。在实际运行中，分散式具有更高的灵活性，但也具有一定的劣势，如对各个智能代理的要求更高，每个代理单元都要拥有强大的功能，这样才能保证虚拟电厂的正常运行。

2.3 虚拟电厂结构和功能

2.3.1 结构

a.信息采集模块：此模块的主要作用是获取用电和发电的数据，同时把收集到的数据及时传输到相应的控制模块。

b.控制模块：当发电和用电数据采集完成后，将被传输到中心控制模块，在此处实现数据的整合和分析，并且做出相应的决策。

c.通信网络：为确保系统中数据信息的安全传输，需要通信网络技术，同时，发达的通信网络也可以促进信息的高速传输，保证整个系统的运行效率，通信网络的作用至关重要。虚拟电厂的典型结构如图2所示。

图2 虚拟电厂的典型结构

2.3.2 功能

首先，虚拟电厂可以有效增强分布式电源的功能，加强其在系统运行中的价值。其次，虚拟电厂能够及时分析发电量，进而以调节电压的形式，保证电网系统的平衡。另外，通过虚拟电厂可以最大限度地节约资源，如用户的电量有富余时，相应的调控系统就会自动将多出来的电能输配到其他区域，而当用户的电力不足时，又可以及时补充电能，保证整个电力供应系统的平衡和稳定[3]。

3 虚拟电厂在分布式光伏发电应用示范区中的应用

不同于传统的检测技术，虚拟电厂可以实施智能化的检测，这有赖于虚拟电厂强大的数据计算能力，另外还需要相关的智能技术支持。在实际应用中，虚拟电厂可以通过检测电力网络中的发电和用电情况，分析整合相关数据信息，得出最佳的优化方案，合理分配资源，避免电力资源的损耗和浪费。自动检测技术就是智能抄表，它可以有效降低企业的经济成本，提高数据检测的效率，确保数据的准确性和可靠性，有利于整个电力网络的优化升级[4]。

将虚拟电厂应用于光伏示范区中，一个主要的技术支持就是通信技术，虚拟电厂内部有强大的通信体系，其中心的控制单元，一方面可以及时收到来自次级单元的相关数据信息，第一时间对这些数据信息进行处理，另一方面可以根据分析结果，得出最佳的优化方案，将相关的指令下达到底层单元，由底层单元负责执行命令。这样高效的信息传输系统，可以保证虚拟电厂最大限度地发挥功能，实现对分布式电源的控制和管理。根据不同的需求，依托不同的技术，虚拟电厂可以利用不同的通信手段，如在西方发达国家的部分虚拟电厂运行中，采用的是互联网通信、移动通信等，另外，也可利用其他的通信技术，如GPRS技术[5]等。

在大数据的时代背景下，虚拟电厂除了拥有强大的通信技术和检测技术外，还拥有高超的数据信息处理能力，这体现在虚拟电厂运行的各个方面，如数据信息的收集、整理、分析等，必须高效地对相关数据信息进行处理，得出最佳的执行方案，保证电力资源的优化配置。

由于分布式光伏发电具有一定的复杂性，所以其供电的状况不太稳定，而且很难控制经济效益。可以利用虚拟电厂中的不同控制手段，实现对于分布式电源的协调控制，保证发电的品质和稳定性，同时也帮助企业实现经济效益。

4 云计算过程

负荷预测是虚拟电厂智能管理的重要组成部分，也是调整分布式电网、传统电网之间关系的方法，保证整个电网的稳定运行。云计算以向用户提供优质电网为目标，调节分布式电网与传统电网之间的关系，利用相关算法，计算电网的负荷。传统电网预测依赖以往变化规律进行预测，忽视了其他相关指标的影响。云计算(cloud computing,CC)综合多种不定因素，计算结果和程度更加准确。

假设虚拟电厂中分布式电网指标集合为U，且包含2个特征向量负荷期望值f(x)和最高负荷值δ，δ∈U。f(x)>0,RN(f(x)，δ)表示负荷函数f(x)的均值，负荷预测函数d″f(x)。如果设置x1=RN(f(x)，δ1),x2=RN(f(x)，δ2)，那么x1=x2∈U，负荷预测函数d″f(x)，U是负荷期望与最高负荷值的集合；x1和x2分别为电网预测范围的2个边界值，x1为左边界值，x2为右边界值。δ1为左边界x1的最高负荷值；δ2为右边界x2的最高负荷值。其数学表达如下：

(1)

通过上述分析可知，负荷期望值f(x)和最高负荷值δ为云计算中的2个特征值。负荷预测函数d″f(x)是最能代表定性概念的点，是云计算中负荷出现改变的概率。一般来说，距离期望负荷值越近，云计算数据的值越集中，意味分布电网与传统电网之间的负荷程度越统一，负荷越低。离期望负荷值越远，云计算数据越稀疏，负荷越高，说明分布电网与传统电网之间的负荷程度不一致。负荷预测函数d″f(x)由分布式电网、传统电网共同决定，代表整个电网的稳定性，分布式电网额定功率与传统电网额定功率的结合反映了在整个虚拟电厂中负荷的承载范围。负荷预测函数d″f(x)代表整个电网的负荷超载临界值[2]。

5 应用

5.1 应用前景

随着社会经济技术的不断进步，虚拟电厂的应用将越来越广泛，和分布式的光伏发电相配合，可以有效提高电力资源的利用效率，最大限度地避免资源浪费，同时有利于优化整个供电系统，促进电力资源的高效供应，同时合理利用清洁能源，降低对自然环境的污染。所以将虚拟电厂应用于光伏示范区是未来电力领域的发展趋势。首先从政策层面来讲，由于光伏示范区不仅具有试验价值，也具有示范和引领的作用，会对未来相关领域的发展产生极大影响，也为虚拟电厂的发展提供了很好的平台，促进虚拟电厂的探索和研究。其次，就实际情况而言，光伏示范区的建设规范和面积都非常大，这对管理方面提出很大挑战，同时也可能会发生光伏渗透率超标的情况，这就需要智能化的监管平台保证光伏示范区的有效运行，而虚拟电厂强大的监管系统就可以发挥很大作用[5]。

另外，在运行模式上，光伏示范区和虚拟电厂之间也比较契合，一方面，虚拟电厂强大的监管系统可以对光伏示范区实施标准化管理，保证示范区的正常运行，避免很多风险和危害。另一方面，虚拟电厂自身具有一定的市场属性，可以参与到相关的市场交易中，所以将其应用于光伏示范区的运行中，可以最大限度地利用市场经济规律，促进分布式光伏发电的快速发展。虚拟电厂利用市场机制促进光伏示范区的有效运行是通过间接的管理方式实现的，这更符合当前的实际情况，即分布式光伏发电的业主和电力企业之间是各自独立存在的。另外，利用虚拟电厂可以有效降低电力网络运行的各项成本，随着技术的不断成熟，电力资源将依托虚拟电厂实现多样化的便捷交易。最后，虚拟电厂将作为一个新的契机，促进相关技术的创新，比如储能技术等，为分布式光伏发电的推广应用提供必要的技术支持。

另外，由于各种原因的限制，我国虚拟电厂的发展并不完善，主要表现在几个方面：一是电力资源作为一种商品，并没有深入参与市场竞争，因而没有形成相应的市场机制，如在没有完善的电价激励机制，这不利于我国虚拟电厂的广泛应用。二是由于我国虚拟电厂的研究和探索正在起步阶段，人们对于虚拟电厂缺乏相应的了解，也不能真正认知到虚拟电厂的重大价值，所以很多分布式光伏发电的业主没有应用新技术、新理念的意愿，这也制约了分布式光伏发电和虚拟电厂的发展[6]。

5.2 应用条件

5.2.1 完善市场机制

为了促进我国虚拟电厂的应用，必须建立完善的市场机制，一方面可以吸引分布式电源的业主参与到虚拟电网的应用和推广中，另一方面可以最大限度地发挥市场机制，实现一定的经济效益，保证虚拟电厂的健康发展。首先，应该完善电价机制，在相关部门的主导下，通过电价机制激励更多的业主，在市场交易的模式中，以虚拟电厂的方式运行整个光伏示范区，一方面在良好的平台上，促进虚拟电厂的发展，另一方面，利用虚拟电厂强大的功能，管理和监督分布式电源的运行，为人们的生产生活提供更多的便捷。另外在这个过程中，也保证了利益相关方的经济效益，在不断的探索中，也会创新出更加完善的运行方式[7]。

5.2.2 发展相关技术

技术是支持虚拟电厂发展的必要条件，也是促进虚拟电厂与分布式电源结合发展的动力。在具体的实践中，虚拟电厂需要提供满足光伏示范区发展需求的技术，包括储能技术、通信技术等，再利用强大的监督控制系统，充分发挥虚拟电厂的功能。为了实现通信和控制技术，光伏示范区也必须具备一定的技术条件，其系统必须可以接入虚拟电厂的控制单元。同时，为了实现虚拟电厂统一监管的作用，还应该加强不同分布式电源的性能，保证其自身拥有基本的通信功能，可以和虚拟电厂系统中的相关平台实现对接。这样就可以充分发挥虚拟电厂的优势，利用虚拟电厂监管示范区的整体运行状况，具体包括电压、电流等，同时，也可以及时进行数据信息的采集，并且将数据资源第一时间输送到控制平台。可以在电源的接口处安置一定的监控装置，实现对分布式电源的实时测量，并且将数据及时传输到控制系统，进而对于分布式电源实施更加全面的监督和管理。

5.3 存在的主要问题

就我国目前的实际情况，相关利益方怎样参与到虚拟电厂的建设和运行中，还没有统一的定论，因此其建设和运行主体并不确定。相关电力企业没有建设和运行分布式电源的权利，这是主要的困境之一，但是为了促进虚拟电厂在光伏示范区的应用，可以利用一定的制度手段，促进相关利益方积极研究探讨虚拟电厂的应用，促进分布式电源的管理和运行，也促进整个电网系统的协调[8]。

从范围与责任来讲，在具体实践中应根据电力发展的实际情况，结合各个地域的特殊状况，科学确定虚拟电厂的准许范围。虚拟电厂的建设和运行关系到很多相关方的利益，在市场相关机制缺乏的情况下，为了防止管理失当，可以在城市地区，尤其是电力负荷非常大的区域，用可控负荷的技术运行虚拟电厂，而在农村地区，由于用电量相对较低，可以使用大规模的分布电源，以此来运行虚拟电厂，保证电网系统的稳定性和可靠性。

另外，为了促进虚拟电厂的应用，将虚拟电厂和分布式光伏有效结合起来，促进我国电力事业的长远发展，就需要建立相关的激励机制和运行政策，并且积极进行宣传，让用户逐渐了解虚拟电厂，支持虚拟电厂的实施，再配合大面积的分布式电源，就可以对整个电网系统的运行进行智能化的控制[9]。

我国对于虚拟电厂的研究尚处于初级阶段，还没有形成相关的管理机制，就西方发达国家的情况而言，往往会在相关的电力交易系统中实现对虚拟电厂的操作，并且由分布式电源的业主对虚拟电厂实施管理[10]。但由于我国电力企业并不直接进行电力资源的投资，所以需要相关政府部门出面主导，因此，为了促进虚拟电厂的发展，保证其在光伏示范区的应用效率，就需要充分分析我国电力行业的发展状况，并且结合我国国情，积极学习西方发达国家的技术和经验，设计最佳的管理机制。

6 结语

虚拟电厂技术有很多优势，将其与分布式电源应用结合，一方面可以对分布式电源的运行实施全面的监管和检测，优化电力资源的配置，提高资源的利用效率，另一方面也可以为虚拟电厂的发展提供一个探索研究的平台，在不断实践中，完善相关技术，充分发挥虚拟电厂的优势。