“双碳”目标下虚拟电厂关键技术与建设现状

2022-11-08吴晓刚唐家俊吴新华杜倩昀阙凌燕毛新飞

浙江电力 2022年10期

吴晓刚，唐家俊，吴新华，杜倩昀，卢敏，杨莉，阙凌燕，毛新飞

（1.国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江丽水 323000；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310007；3.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

近年来，中国电力需求迅猛增长。随着能源革命的不断推进，环境问题也日益严峻，因此分布式发电、需求侧响应、高弹性电网和综合能源系统等各种新事物、新技术不断涌现，电力行业正面临着包括高比例新能源接入、电网灵活性改造和碳减排在内的各种新挑战［1］。“碳达峰、碳中和”目标的提出，使得分布式清洁能源成为中国电网不可或缺的重要组成部分，高比例分布式可再生能源的接入也对电网的运行水平和调控能力提出了更高的要求［2］。VPP（虚拟电厂）作为一种新型电力系统管理模式，能够在可再生能源装机容量不断提升的背景下，掌握各分布式能源的聚类特性和灵活性特征，实现对各类分布式新能源的有效聚合和灵活调控，减小其出力间歇性、随机性和波动性对电网的冲击［3］。

中国对VPP 进行了大量的政策引导和鼓励，以推进国内VPP 建设。由于中国仍处在电力市场改革阶段，因此目前需要同时发展VPP 及电力需求侧响应。自2014 年以来，中国在北京、上海和佛山等多个试点开展需求侧响应项目，以补贴的形式启动需求侧响应和VPP 的发展［4］。随着2016年电力体制改革的稳步推进，中国VPP 得到了进一步的发展。2020 年起，国家能源局确定将多层级VPP平台纳入能源领域重点专项，以推动VPP技术成果的转化落地［5］。2021 年，国家能源局印发《2021年能源监管工作要点》，积极推进VPP等第三方主体参与电力辅助服务市场［6］。

然而，从目前已开展的VPP 技术研究和实践来看，VPP 关键技术研究的广度和深度还远远不够，主要问题包括：VPP 的基础设备欠缺，支撑计量、通信和控制的设备生产水平较为落后，VPP的生态圈没有形成；VPP关键技术研究不足，VPP 的智能计量、信息通信和协调控制技术水平较低，其运行的实时性和自动化无法得到保障；VPP 绿色低碳化运行方式有待开发，尤其是在碳达峰、碳中和目标背景下，高比例新能源电网为VPP低碳运行带来的一系列问题没有得到解决。

本文对VPP 及其关键技术的研究现状进行了全面阐述，介绍了“双碳”背景下VPP 的低碳经济调度方式，选取了国内3 家不同类型的VPP，介绍了其建设现状并分析各自的特点，总结了“双碳”背景下VPP技术选择的要点。

1 VPP及其关键技术概述

VPP 的概念最初于1997 年由Shimon Awerbuch 提出［7］，21 世纪初在德国、英国、法国和荷兰等欧洲国家兴起。VPP 的核心可以归纳为“通信”和“聚合”，其通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式发电、储能系统、可控负荷和电动汽车等分布式资源的聚合和协调优化，并作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行。VPP 具备传统电厂的基本功能，但也存在以下区别：一是VPP 不是物理存在的电厂，而是一种资源管理手段；二是VPP 的能量流动是双向的，既可以送电又可以受电；三是VPP 的负荷特征是动态可调整的，要求负荷端去适应电网。VPP 的关键技术主要包括智能计量技术、信息通信技术以及协调控制技术。

1.1 智能计量技术

VPP 通信、控制的基础是快速可靠的计量，智能计量技术主要包括自动抄表技术［8］、智能计量管理技术［9］和数字孪生技术［10］等。自动抄表技术指VPP 内部各单元自动测量并读取其冷、热、电、气等能源的生产或消耗信息，并将这些数据实时上传到VPP控制中心；计量管理技术指VPP可远程测量其内部所有分布式单元的实时信息，检查各发电、用电单元的运行状态，同时进行合理适当的管理并将数据保存、上传及分析；数字孪生技术指将VPP 的运行数据采集并同步到虚拟空间中进行仿真反馈，从而输出预测、仿真和监测等实时分析结果。

对于分布式资源而言，智能计量技术还可以实时显示耗能情况和设备运行状态等重要信息，各分布式资源可以根据这些实时信息进行运行策略的调整。

1.2 信息通信技术

为了实现对各分布式资源运行状态的实时监控和运行数据的快速汇聚，先进成熟的信息通信技术是VPP 必不可少的重要元素之一［11］。该技术需要在VPP 控制中心与各个单元之间建立双向通信通道，从而实现计量、监测和控制数据的实时传输。

VPP 通信系统具有分层结构，包括终端层、接入层、骨干层和平台层［11］。终端层主要由分布式资源控制终端和VPP 通信终端组成，包括分布式发电、储能和柔性负荷等。接入层主要由通信设备组成，包括接入终端、路由器和网关等，主要承担VPP通信的衔接作用；骨干层即VPP通信系统的骨干网络，其除了可以依赖于4G或5G［12-13］公用通信网络外，还可以通过光纤专网［14］和无线专网［15-16］实现，主要负责VPP 多个平台、系统的信息交互；平台层则是VPP 的控制中心，由智能算法实现VPP 内部各种分布式资源的协同运行，对外制定参与电力市场的交易策略，对内给分布式资源下达调度指令。对于终端层而言，接入层主要负责数据的汇聚、清洗和上传；对于骨干层而言，主要负责业务数据信息的下达和转发。

通信性能是VPP 实现安全可靠控制的基础，非理想的通信条件将会造成严重的经济损失，甚至危害系统运行安全［17］。为了满足VPP 通信的高性能要求，其关键技术主要包括边缘计算［13，18-19］、云计算［20-21］、D2D（设备到设备）通信［22］和时延控制技术［23-24］等。随着通信关键技术研究的不断提升，VPP 的整体协调性也将得到改善，从而能够实现更优的调度决策。

1.3 协调控制技术

根据电源组成方式与运行模式的差异，VPP的控制模式可以分为集中式控制、集中-分散式控制和完全分散控制3 种［25］。集中式控制模式指VPP 内部的控制中心掌握所有分布式资源的数据信息，对所有资源进行调度控制。集中式控制模式下，VPP 的调控能力强、控制手段灵活，但也因通信流量集中、计算复杂度高导致VPP 兼容性与扩展性较差。集中-分散式控制模式一定程度上缓解了集中式控制模式下的数据拥堵和计算困难的问题，通过将VPP 控制中心的一部分功能下放到本地控制中心实现分层控制，VPP 控制中心负责VPP 整体任务的制定和分解，而本地控制中心侧重于制定每一个单元的调度指令。完全分散控制模式指VPP 不再拥有单独的控制中心，而是被划分为多个子系统，子系统可以根据内部运行情况，自行对本系统内分布式资源进行调度分配，同时各子系统之间需要通过信息通信技术进行相互通信，实现各子系统之间的协作运行。这种控制模式使得VPP 具有很好的可扩展性，但需要其子系统具备协调管理、故障响应与诊断能力，对VPP通信和控制都有更高的要求。

VPP 的协调控制技术主要分为调度和控制两方面。目前已有较多文献对VPP 的协调调度与联合运行进行了研究，涉及的优化目标有成本最小［26-31］、收益最大［32-35］、运行风险最小［36-39］、新能源消纳能力最强［41-43］、出力波动最小［44-45］和负荷需求最小［46］等。在各类优化目标下，部分文献也有针对性地采用了不同的技术解决VPP 参与协调调度存在的时效性不足和对配电网运行影响较大等问题，如文献［26］采用数据驱动技术对VPP 调度特性进行研究和处理，实现了对VPP 最大容量和爬坡能力的评估计算；文献［46］采用负荷直接控制技术降低了VPP 对电网的负荷需求，缓解了配电网阻塞问题。

在VPP 的控制方式层面，目前国内外的研究主要集中在VPP 本身对其所聚合的分布式资源的控制上，如文献［47］考虑VPP 内部资源的个体利益，提出一种基于模仿者动态算法的控制策略求解方法；文献［48］将多智能体控制理论应用于配电网的电网协调控制中，实现了VPP 与配电网调压设备的协调控制。

2 “双碳”目标下VPP调度方式研究现状

在碳达峰、碳中和目标背景下，VPP 的节能减排职能愈发重要。国内外不少学者对于VPP 的低碳经济调度开展了研究，VPP 通过调度实现低碳运行的表现方式大致分为降低碳排放量和提高新能源消纳量两类。

2.1 面向碳减排的VPP调度

VPP 通过调度实现碳排放量的降低，大多数研究都是在其目标函数中量化碳排放的成本［28-29，31-35］，进而实现低碳运行的决策，如文献［28］考虑VPP 的碳排放权成本、碳捕集成本和碳封存成本，优化其内部碳捕集电厂的有功出力和碳捕集率；文献［29］考虑碳交易机制下的免费碳配额和碳排放权购买成本，实现VPP 的调峰策略优化；文献［31］采用Copula 函数对电价和碳价的联合概率分布进行建模，优化VPP 的电力市场竞价策略；文献［33］采用分段函数构造VPP 碳排放成本的阶梯模型；文献［34］考虑需求侧响应对含碳捕集设备VPP 的碳排放量的影响，研究了计及电价型需求侧响应的VPP 经济调度，实现了需求响应的低碳化利用。部分学者通过碳约束来间接实现碳减排运行，如文献［49］在多能互补的VPP日前调度模型中引入最大碳排放限额作为边际条件；文献［50］利用碳捕集系统中的再生碳修正VPP碳排放量，进而建立VPP双碳量约束条件。

2.2 面向新能源消纳的VPP调度

VPP 提高新能源消纳量的具体做法同样可以分为弃风弃光约束［51-53］和量化新能源消纳效益［40-43］两类。前者通常依据相关政策设置弃风弃光阈值作为优化的边际条件，后者则在目标函数中加入新能源消纳的量化效益，如文献［40］依据VPP 的调峰裕度量化其新能源消纳能力，进而提出一种利用电动汽车和柔性负荷提升VPP 新能源消纳能力的方法；文献［41］将消纳新能源量化为经济收益，进而提出VPP 分布式储能集群控制策略；文献［42］通过弃风惩罚函数实现VPP 的新能源消纳量的提升；文献［43］以减小系统弃风弃光量为目标，提出一种基于自动发电控制的清洁能源消纳量提升方法。

3 “双碳”目标下VPP应用实践

近年来，中国多个省份发布了适应本地实际情况的VPP相关政策，并积极推动VPP试点项目的实施与落地，将其应用到实际电力系统调度中，并取得了一定的成效。

3.1 上海黄浦区商业建筑VPP

上海是典型的国际化大都市，空调负荷占比高、用户负荷波动性强以及用电峰谷差较大等问题严重。上海黄浦区夏日峰值负荷约500 MW，区内有着大量的商业建筑，空调类商业负荷资源丰富，这也是黄浦区负荷高峰的主要原因之一。

上海黄浦区VPP内部商业建筑主要为办公楼、酒店、商贸中心和综合大厦等，虚拟发电主要来源于中央空调、照明、生活用水以及新风系统负荷。截至2020年，VPP累计实现59.6 MW商业建筑需求响应资源的开发，共整合了550个可调资源（其中空调资源占比74%，其他资源占比26%），楼宇130幢（其中办公建筑68幢、酒店30幢、商贸中心10 幢、综合体22 幢）。2018—2020 年间，上海黄浦区商业建筑VPP 累计响应削峰负荷超过200 MW，曾在1 h内削减电力负荷20.12 MW［54］。

上海黄浦区商业建筑VPP 内所有用户楼宇安装了智能计量系统，可以实现用户楼宇内电、气、水和热等能源的自动测量读取，而VPP 内用户可以通过室内网络查看所有的计量数据，了解实时的电能产销情况和相应费用等数据。信息通信方面，上海黄浦区商业建筑VPP骨干层采用Internet网络和移动通信网络；接入层主要由位于用户楼宇内本地宽带网络架构而成；采集器用RS485 总线，采集间隔为5 min。协调控制方面，上海黄浦区商业建筑VPP 采用集中式控制模式。电网公司调度部门提前一天或几个小时通过场外平台将需求下发给黄浦区商业建筑VPP控制中心，VPP控制中心进行相应的内部分解。从低碳调度的层面来看，上海黄浦区商业建筑VPP 所聚合的居民楼宇负荷主要通过需求侧响应参与电力市场，可以通过参与电网调峰促进新能源的消纳。

此外，上海黄浦区商业建筑VPP 采用了先进的自动需求响应技术，遵循开放自动需求响应通信规范协议OpenADR与国标电力需求响应信息交换规范协议DL/T 1867—2018，设计了双兼容的通信数据模型进行自动化的调度。此外，还在VPP 的用户楼宇内安装二次开发定制化的自动需求响应网关及智能控制器。VPP 对用户设备的操作方式主要分为3种：

1）用户默认。VPP 控制中心直接对用户设备进行启停或调整，调整时间约25 s，用户虽无需确认，但却拥有被通知和拒绝的权利。

2）用户确认，直接控制。VPP 控制中心将分解任务发送给用户，经用户确认后由VPP 远程进行设备的操作，调整时间约1 min。

3）用户确认，就地控制。对于部分不具备远程控制能力的用户，需要在确认后由用户自己就地控制，实现设备操作，调整时间约15 min。

3.2 江苏大规模源网荷友好互动系统VPP

近年来，江苏省空调负荷高速增长，成为夏季和冬季负荷尖峰的主要因素。2018 年江苏省全省最高负荷达到10 288万kW，其中空调负荷占比36%，而南京地区的空调负荷占比高达50%。

截至2019 年，江苏大规模源网荷友好互动系统VPP共聚合了非工业柔性负荷2 715户，工业刚性负荷1 726户，主动需求响应20.8万户。2017年5 月，江苏大规模源网荷友好互动系统VPP 在245 ms 内成功切除全部参与签约的233 户电力用户，共计25.5万kW，平衡苏州电网3 000 MW的负荷缺口。江苏大规模源网荷友好互动系统VPP 是一个较为庞大的工程，具有许多子系统，如江苏南京的珠江壹号VPP 用电典型负荷约为4 500 kW，可控负荷达1 800 kW，2017年7月25日，珠江壹号VPP参与了当日13：00—13：30的需求侧响应，累计切负荷386.14 kW，获得收益11 584.2元。

江苏省大规模源网荷友好互动系统VPP 在用户侧安装智能网荷互动终端装置，实现安全快速的计量、通信和控制。信息通信方面，江苏省大规模源网荷友好互动系统VPP 骨干层采用基于SDH（同步数字体系）光传输网的2M 专用通道，接入层采用专用光纤、无线4G和光电实时转换等多种通信技术［54-55］，能够实现VPP 的毫秒级精准切负荷。

协调控制方面，江苏大规模源网荷友好互动系统VPP采用完全分散式控制模式，VPP具有多个子系统。各子系统根据自身运行情况，对内部分布式资源进行优化调度。同时各子系统之间、子系统和电网之间相互通信、协调运行。与上海黄浦区商业建筑VPP 相似，江苏大规模源网荷友好互动系统VPP 主要实现电源、电网和负荷的友好互动，可以通过协调优化负荷和发电资源的出力促进新能源的消纳，实现低碳运行。

3.3 浙江某市绿色能源VPP

浙江某市2020 年度全社会用电量118.1 亿kWh，负荷97%、95%尖峰持续时间仅为45 h、60 h。该市境内电源装机总容量389.8 万kW，其中水电装机容量占比高达72.5%，光伏占比21.4%，绿色能源是全域内的主要发电资源。

该市绿色能源VPP 由全市境内800 多座水电站组成，同时聚合光伏、电动汽车和柔性负荷等绿色资源。2021 年1 月，浙江电网远程控制该市绿色能源VPP 辅助电网调峰43 万kW，经测算，共增加新能源消纳量108 万kWh，节约需求侧响应资金130万元，同时减少发电耗煤94 t，相当于减排CO2253 t。

该市绿色能源VPP 在终端安装机组智能控制设备，除了能够完成自动计量、智能管理等功能外，还可以实现安全可靠的远程控制。信息通信方面，该市绿色能源VPP 骨干层采用专用数字通道，接入层应用无线5G网络和北斗通信系统，如图1 所示。协调控制方面，该市绿色能源VPP 采用集中-分散式控制方式。电网公司提前一天下发需求给VPP，VPP 控制中心将任务分解给各地调部门，各地调部门进一步将任务分解，确定各分布式单元的调度指令。该市绿色能源VPP 聚合的资源以绿色发电资源为主，调度的目标是为了最大化地利用区域内的清洁能源发电和灵活性资源，VPP 在消纳内部可再生能源发电量的基础上，可以通过提供电能、电力服务，从而降低VPP 以外的碳排放量。

图1 浙江某市绿色能源VPP架构

3.4 VPP关键技术和低碳调度方式对比分析

上海某区商业建筑VPP、江苏大规模源网荷友好互动系统VPP和浙江某市绿色能源VPP的对比如表1 所示。结合VPP 当地负荷特色知，上海某区商业建筑VPP 和江苏大规模源网荷友好互动系统VPP 都是以负荷为主要灵活性资源的VPP，其建设目的主要是为了缓解负荷尖峰时刻的电网调度压力，而浙江某市绿色能源VPP 建设目的主要是为了提高清洁能源的利用率，是以水电资源为主的VPP。因此在终端安装设备上，浙江某市VPP 主要为各机组安装智能控制设备，而上海VPP和江苏VPP侧重于负荷的智能控制。从信息通信架构来看，江苏VPP和浙江某市VPP在骨干层和接入层都以较高的标准进行架构，这主要是因为江苏VPP 对其切负荷速率和精度提出了更高的要求，而浙江某市VPP由于需要及时准确地控制各发电机组，因此也需要较高的通信技术水平。

表1 上海、江苏、浙江某市VPP比较

从VPP 控制方式来看，3 家VPP 采用了3 种不同的控制方式。VPP 控制模式的选择主要与其聚合资源和自身特点有关：上海某区商业建筑VPP 主要聚合了某区一定范围内的楼宇负荷，VPP控制中心对资源的控制能力强，且VPP对扩展性的要求较低；浙江某市绿色能源VPP 主要聚合了该市的小型水电站和光伏等资源，各水电站根据分布又隶属于不同地调公司的调控，因此采用集中-分散式控制模式较为合适；江苏大规模源网荷友好互动系统VPP 是江苏省在全省范围内开展的源网荷友好互动项目，VPP 规模大，资源的分布范围广，VPP 控制中心的控制能力较弱，且未来对于VPP 的扩展性要求较高，因此完全分散式控制模式更适应于江苏大规模源网荷友好互动系统VPP的情况。

综上，VPP 建设目的、技术标准要求、聚合资源类型、分布式资源规模及范围都会对VPP 的关键技术选择产生影响。因此，合理地选择VPP的计量、通信、控制以及低碳调度方式是建设VPP的关键［56-58］。