“双碳”目标下虚拟电厂关键技术及其建设

“双碳”目标下虚拟电厂关键技术及其建设

蔡野

云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司  云南普洱  665000

摘要：随着新型电力系统建设不断推进，以及“碳达峰”和“碳中和”战略目标的提出，大规模接入了以风电、光电为代表的可再生能源，为电力系统的安全高效运行带来诸多挑战。在实现“双碳”目标期间，风、光力发电等分布式可再生能源并入电网的比例逐渐增高，但是，由于其波动性、间歇性的特点，给电网系统安全、平稳地运行带来了较大影响。而虚拟电厂的提出可综合平衡电力供给侧和需求侧，有效解决上述问题。基于此，本文首先对虚拟电厂的相关概念进行了介绍，其次探究了“双碳”目标下虚拟电厂的关键技术及其建设，以期能为相关工作带来参考。

关键词：“双碳”目标；虚拟电厂；关键技术；建设

引言

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，在中国电网中分布式清洁能源已经成为不可缺少的重要组成部分，同时，在高比例分布式可再生能源的接入下，也要求电网要具有更高的运行水平和调控能力。虚拟电厂作为一种新型电力系统管理模式，可以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。但是，从目前已经开展的虚拟电厂技术研究和实践来看，虚拟电厂关键技术研究的广度和深度还不足，其主要问题如下：虚拟电厂的智能计量，虚拟电厂关键技术研究不足，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；没有形成虚拟电厂的生态圈，虚拟电厂的基础设备欠缺，通信、支撑计量以及控制的设备生产水平较为落后，虚拟电厂绿色低碳化运行方式有待开发，特别是在碳达峰、碳中和目标背景下，高比例新能源电网为虚拟电厂低碳运行带来了诸多问题，而且都没有得到有效解决。

1、虚拟电厂的基本概念

1.1虚拟电厂的定义

现阶段，对虚拟电厂的定义，行业内并没有统一。通过欧洲和美国等国对虚拟电厂的实践应用，其应用模式和方向大致可分为两种，分别是以美国为代表的优化需求响应计划，兼顾可再生能源综合高效利用为原则的模式，以及以欧洲等国为代表的、针对实现分布式能源安全平稳并网和电力市场灵活运营的目标为原则的模式[1]。与以上两种应用模式相结合，可以得知虚拟电厂是虚拟化的，不具备实际发电厂的物理属性，但是，具有实际发电厂功能的一种管理模式或一套管理系统。通过对互联网等技术的应用，整合分散的风力、光力发电等分布式发电装置、储能设备和各种可调可控的终端负荷，并通过系统的协调控制，集合为可控电源，参与电力系统的运行。与此同时，可以参与电力市场的交易，优化利用资源，以此维护区域内安全，确保平稳用电。通过预测终端负荷用电情况，有计划地向电网系统下载或上传电量，不仅可以发挥削峰填谷的效果，还可以获得经济效益。

1.2虚拟电厂的结构组成

虚拟电厂平台的主要模块分为云计算中心、远程控制中心、交易服务中心、以及资源管理中心等。而虚拟电厂就是基于云技术的分散式电厂，其是通过设计软件构架，利用远程控制、互联网通信等技术实现储能系统、电动汽车、分布式能源、可控负荷等各类分布式设备的有限聚合，实现资源的交换共享及合理配置，对外表现出与电厂类似特性，实现稳定供能。虚拟电厂智慧运营系统基于上述基础结构，涵盖交易服务管理、资源利用管理、设备设施管理以及运营运行管理等主要功能。

2、“双碳”目标下虚拟电厂关键技术

2.1协调控制技术

根据电源组成方式与运行模式的差异，虚拟电厂的控制模式可以分为集中－分散式控制、集中式控制以及完全分散控制三种。首先，集中－分散式控制模式能够对集中式控制模式下，数据拥堵和计算困难的问题进行进一步的缓解，通过在本地控制中心中，下放一部分虚拟电厂 控制中心的功能，以此实现分层控制，虚拟电厂控制中心负责虚拟电厂 整体任务的制定和分解，而本地控制中心则着重于制定每个单元的调度指令。其次，集中式控制模式就是指虚拟电厂内部的控制中心掌握所有分布式资源的数据信息，调度控制所有资源。集中式控制模式下，虚拟电厂的调控能力相对较强，且控制手段灵活，但同时也会因为通信流量集中、计算较复杂，而导致虚拟电厂就能具有较好的兼容性与扩展性。最后，完全分散控制模式是指虚拟电厂被划分为多个子系统，不再拥有单独的控制中心，子系统可以根据内部运行情况，自行调度分配本系统内分布式资源，同时各子系统之间的相互通信，需要通过信息通信技术进行，以此来让各子系统之间协作运行。这种控制模式能够让虚拟电厂具有更好的可扩展性，但是，对虚拟电厂通信和控制的要求会更高，而且其子系统需要具备协调管理、故障响应与诊断能力。虚拟电厂的协调控制技术主要分为两个方面，分别是调度和控制。现如今，已有较多文献对虚拟电厂 的协调调度与联合运行进行了研究，所涉及成本最小、运行风险最小、收益最大、负荷需求最小、新能源消纳能力最强、出力波动最小等优化目标有。

2.2信息通信技术

通信关键技术主要包括边缘计算、云计算、D2D（设备到设备）通信和时延控制技术等，能够满足虚拟电厂 通信的高性能要求。在虚拟电厂中，先进成熟的信息通信技术是 必不可少的重要元素之一。其能够快速汇聚各分布式资源运行状态的实时监控和运行数据。信息通信技术需要在虚拟电厂 控制中心与各个单元之间建立双向通信通道，以此实时传输计量、监测和控制数据。虚拟电厂通信系统具有分层结构，包括接入层、平台层、骨干层、终端层。接入层：其主要由通信设备组成，包括接入终端、路由器和网关等，主要承担虚拟电厂通信的衔接作用。平台层：是虚拟电厂 的控制中心，由智能算法实现虚拟电厂 内部各种分布式资源的协同运行，对内给分布式资源下达调度指令，对外制定参与电力市场的交易策略。骨干层：其是虚拟电厂通信系统的骨干网络，主要负责虚拟电厂 多个平台、系统的信息交互，骨干层不仅能够依赖于4G或5G公用通信网络，还能够通过光纤专网和无线专网实现。对于骨干层而言，接入层主要负责业务数据信息的下达和转发。终端层：其主要由分布式资源控制终端和虚拟电厂 通信终端组成，包括分布式发电、储能和柔性负荷等。对于终端层而言，接入层主要负责数据的汇聚、清洗和上传。虚拟电厂 实现安全可靠控制的基础就是通信性能，非理想的通信条件会造成严重的经济损失，甚至危害系统运行的安全性。随着通信关键技术研究的不断提升，也将进一步改善虚拟电厂的整体协调性，进而让调度决策更优质[2]。

2.3人工智能和大数据技术

人工智能和大数据技术不仅能够作为“正电厂”向电网供电削峰，也可以作为“负电厂”消纳电力填谷，在收到电力调度中心的指令后快速下发给用户，从而高效调配电力。通过先 进 的 人 工 智 能 和 大 数 据 技术，才能实现资源最大化价 值 。虚拟电厂要将分布式能源聚合为可控的负荷资源，然后通过虚拟电厂对电力资源进行调配。参与电力现货交易市场和辅助服务市场，虚拟电厂运行会不断产生能源和交易数据，而人工智能和大数据技术可以帮助虚拟电厂存储和处理海量的电力数据，分析、预测电力负荷和调节、调控的负荷，将响应分配工作高效完成。

2.4智能计量技术

快速可靠的计量就是虚拟电厂通信、控制的基础。对于分布式资源而言，智能计量技术能够将耗能情况和设备运行状态等重要信息实时显示出来，进而各分布式资源能够根据这些实时信息调整运行策略。智能计量技术主要包括数字孪生技术、自动抄表技术、智能计量管理技术等。数字孪生技术指将虚拟电厂 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。自动抄表技术指虚拟电厂 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虚拟电厂控制中心；计量管理技术指虚拟电厂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[3]。

2.5高效的智慧管控平台

控制中心、资源中心、能量管理中心、计算中心和交易中心等都是虚拟电厂双网主要平台。控制中心能够控制资源；资源中心负责管理用户和资源；能量管理中心能够基于资源状态和市场信息的资源对策略的制定进行监视和控制；计算中心能够完成对资源的可调度潜力分析等分析计算功能；交易中心负责虚拟电厂与电力交易中心以及虚拟电厂与资源用户的交易管理，竞价策略制定和申报等功能。虚拟电厂总体技术路线包括1个平台、2张网络、4大中心和多方应用。平台基于电力物联网可接入风力发电、光伏发电、柴油发电、燃气发电，储能灯分布式电源和电动汽车等负荷，同时基于平台的运行控制中心，可控制电力能量的合理流动。同时，平台支持和调度中心、电力市场交易管理中心进行信息交互。

虚拟电厂智慧运营管控系统对上提供与调控中心和电力市场交易中心的接口，接受调度的控制指令，下发资源执行，同时与电力交易中心通信，交互电力市场信息，包括需求侧响应相关信息，参与电力市场，获取经济收益。虚拟电厂平台管理的资源数量多，地理位置分散，虚拟电厂智慧运营系统对下支持通过无线公网、专网或光纤通道等多种方式实现与各类型资源站端的智能终端实现信息交互，并经过安全接入区接入系统平台。支持通过微信公众号、手机App等方式，实现用户注册、资源注册、电价发布、申报竞价、合同签订、状态查询等信息的智慧交互[4]。

3、“双碳”目标下虚拟电厂的建设

电力市场的建设与发展对虚拟电厂的组织形式有着积极的作用和意义。市场机制的完善一方面有助于提高虚拟电厂参与市场的利润，减轻投资压力；另一方面有助于维护市场参与者的公平性。两方面共同提升了参与者的参与意愿。虚拟电厂内部的资源具有极高的灵活性，除了参与传统虚拟电厂所参与的中长期、现货电力市场获利外，市场也可以根据所处地区情况开辟应对极端气候的临时交易，通过激励虚拟电厂提高配电网的弹性。同时，碳电联合市场也将提高新能源和资源的内在价值，同时推动了虚拟电厂的发展。虚拟电厂建设的关键因素有以下几点：

3.1政策支持面

新的产业要想发展，离不开相关政策的支持。电价激励政策、宣传力度等支持政策均会刺激和鼓励供电商、运营商、终端用户积极参与到虚拟电厂的建设中。虚拟电厂的概念在我国还是相对较新的，潜在终端用户以及分布式能源运营商对其如何运营、如何参与、实施效果的了解并不深入。但虚拟电厂的发展离不开终端用户和分布式能源运营商的参与及支持，这就需要相关职能部门积极宣传、参与虚拟电厂带来的社会效益和经济效益，同时制定一系列的市场激励政策。

3.2关键技术

虚拟电厂赖以发展的关键技术，为实时、快速的远程控制技术以及先进的5G、云计算、大数据、人工智能等技术。达到分钟级、秒级快速响应是虚拟电厂的基本要求，能够实现实时的远程控制，营造可靠的交易环境。

3.3可控资源

虚拟电厂可以实现远程控制、智能化调节等条件，为具有可控的发电资源和可调节的终端负荷用户。可控发电资源包括较为准确预测的风光发电、微生物发电、余压发电、储能设备等。可控终端负荷包括楼宇建筑可调用电负荷、工厂用电负荷、充电桩、家庭空调等终端设备等。

3.4市场机制

如果脱离电力市场交易和良好的商业模式，那么虚拟电厂将不能很好地建设发展，因此，应该不断的探索和优化虚拟电厂体系和商业模式，形成多方合作共赢、绿色环保的生态模式，在创新建设发展的同时取得良好的收益，从而形成良性循环，不断促进产业的建设与发展[5]。

4、结语

综上所述，在深化电力体制改革背景下，能源转型催生“源荷互动”“源、网、荷、储协同”的需求和更加数字化、智能化的电力系统，而虚拟电厂作为协调分布式资源参与电力交易市场和需求响应的能源数字化平台，在产业政策和市场需求不断加码的现期，会迎来快速发展。在“双碳”目标的确定性远景之下，虚拟电厂具有多样性、协同性、灵活性等技术特点，满足未来新型电力系统在“绿色、灵活、多元互动、高度市场化”方面的运行需求，是重要的技术支撑，虚拟电厂在国内势必会迎来良好的发展。

参考文献：

[1] 徐峰，何宇俊，李建标，等.考虑需求响应的虚拟电厂商业机制研究综述［J］.电力需求侧管理，2019，21（3）：2-6.

[2] 张高.含多种分布式能源的虚拟电厂竞价策略与协调调度研究［D］.上海：上海交通大学，2019.

[3] 傅中兴，邹蓉蓉，王佳宁，等.商业型与技术型虚拟电厂优化调度技术研究［J］.机电信息，2019（18）：96-97.

[4] 曾鸣，马嘉欣，许彦斌，等.“双碳”目标下虚拟电厂参与调峰产品交易的机制与路径探索[J].价格理论与实践，2021，（10）：9-14.

[5] 张凯杰，丁国锋，闻铭，等.虚拟电厂的优化调度技术与市场机制设计综述[J].综合智慧能源，2022，44（02）：60-72.