虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電數(shù)字新基建示范區(qū)中的應(yīng)用前景

杜 亮，陳昱達(dá)，田小蕾

(1.國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114002；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 研究背景

分布式光伏發(fā)電技術(shù)的推廣可有效節(jié)約資源，是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，利用虛擬電廠可以為其提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，一方面促進(jìn)分布式電源的推廣應(yīng)用，另一方面也可以促進(jìn)分布式電源的市場化發(fā)展。但是由于技術(shù)條件的限制，我國虛擬電廠發(fā)展起步較晚，還存在很多有待改進(jìn)的地方，需要相關(guān)部門將各個(gè)部門聯(lián)系起來，從制度、技術(shù)等各個(gè)方面入手，促進(jìn)虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電中的應(yīng)用。

2 虛擬電廠概述

由于各方面原因的限制，目前虛擬電廠在國際上并沒有一個(gè)統(tǒng)一的概念，不過綜合國內(nèi)外的相關(guān)探索與研究，可以將虛擬電廠的定義分為2種，一種是狹義的概念，即虛擬電廠指的是一組電源的集合，由2個(gè)方面的內(nèi)容組成，一是通信系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)，主要作用是促進(jìn)電力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度運(yùn)行，并且促進(jìn)電力市場正常發(fā)展。另外一種是廣義的概念，即虛擬電廠不僅是一組電源的集合，也包含很多技術(shù)層面的內(nèi)容，例如可控負(fù)荷技術(shù)是目前電力市場的新型主體。就實(shí)際情況而言，虛擬電廠是依托于計(jì)算機(jī)信息技術(shù)而發(fā)展起來的，由各種先進(jìn)技術(shù)和軟件系統(tǒng)所組成，具有強(qiáng)大的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)可控負(fù)荷、儲(chǔ)能等業(yè)務(wù)的升級(jí)，并且能夠作為一個(gè)獨(dú)立的電廠對電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同控制，順利進(jìn)入電力領(lǐng)域的市場競爭機(jī)制中。虛擬電廠的運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。

圖1 虛擬電廠的運(yùn)行機(jī)制

2.1 特征

虛擬電廠具有強(qiáng)大的功能和優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是虛擬電廠對內(nèi)的管理和監(jiān)控功能，即具有相應(yīng)的權(quán)限，用于監(jiān)控分布式電源的運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，就需要虛擬電廠擁有一個(gè)強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)一方面可以與相關(guān)的通信系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，另一方面可以與控制系統(tǒng)連接，有效實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的監(jiān)控和管理功能。二是虛擬電廠對外的功能具有相應(yīng)的權(quán)限，一方面可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度，另一方面可以融入市場交易中，利用能源互補(bǔ)的形式，減少有限資源的損耗，提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。另外，融入市場競爭的形式也有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2.2 控制方式

a.集中控制式

這是虛擬電廠的主要控制方式，即系統(tǒng)的采集模塊，先采集發(fā)電和用電的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且將數(shù)據(jù)資源及時(shí)傳輸?shù)街行牡目刂茊卧儆煽刂茊卧獙?shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的整合和分析，計(jì)算出最佳的用電和發(fā)電方案，并且及時(shí)下達(dá)指令，經(jīng)過強(qiáng)大的通信系統(tǒng)，將命令傳達(dá)到相應(yīng)的執(zhí)行模塊，再由執(zhí)行模塊按照指令及時(shí)做出反應(yīng)。這樣集中控制的方式，有統(tǒng)一的集中控制器負(fù)責(zé)實(shí)施數(shù)據(jù)的收集、整理及決策等，具有一定優(yōu)勢，但也存在很多缺點(diǎn)，如信息量過大、數(shù)據(jù)傳輸過程繁瑣等，這就要求通信系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

b.分散式

分散式是與集中控制式完全不同的一種控制方式，它在虛擬電廠中具有很多獨(dú)立單元，相當(dāng)于不同的智能代理，這些代理單元可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集、整理和分析，為虛擬電廠提供關(guān)于用電和發(fā)電的信息。在實(shí)際運(yùn)行中，分散式具有更高的靈活性，但也具有一定的劣勢，如對各個(gè)智能代理的要求更高，每個(gè)代理單元都要擁有強(qiáng)大的功能，這樣才能保證虛擬電廠的正常運(yùn)行。

2.3 虛擬電廠結(jié)構(gòu)和功能

2.3.1 結(jié)構(gòu)

a.信息采集模塊：此模塊的主要作用是獲取用電和發(fā)電的數(shù)據(jù)，同時(shí)把收集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制模塊。

b.控制模塊：當(dāng)發(fā)電和用電數(shù)據(jù)采集完成后，將被傳輸?shù)街行目刂颇K，在此處實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和分析，并且做出相應(yīng)的決策。

c.通信網(wǎng)絡(luò)：為確保系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的安全傳輸，需要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)，發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)也可以促進(jìn)信息的高速傳輸，保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，通信網(wǎng)絡(luò)的作用至關(guān)重要。虛擬電廠的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬電廠的典型結(jié)構(gòu)

2.3.2 功能

首先，虛擬電廠可以有效增強(qiáng)分布式電源的功能，加強(qiáng)其在系統(tǒng)運(yùn)行中的價(jià)值。其次，虛擬電廠能夠及時(shí)分析發(fā)電量，進(jìn)而以調(diào)節(jié)電壓的形式，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的平衡。另外，通過虛擬電廠可以最大限度地節(jié)約資源，如用戶的電量有富余時(shí)，相應(yīng)的調(diào)控系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將多出來的電能輸配到其他區(qū)域，而當(dāng)用戶的電力不足時(shí)，又可以及時(shí)補(bǔ)充電能，保證整個(gè)電力供應(yīng)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定[3]。

3 虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)中的應(yīng)用

不同于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)，虛擬電廠可以實(shí)施智能化的檢測，這有賴于虛擬電廠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，另外還需要相關(guān)的智能技術(shù)支持。在實(shí)際應(yīng)用中，虛擬電廠可以通過檢測電力網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)電和用電情況，分析整合相關(guān)數(shù)據(jù)信息，得出最佳的優(yōu)化方案，合理分配資源，避免電力資源的損耗和浪費(fèi)。自動(dòng)檢測技術(shù)就是智能抄表，它可以有效降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，提高數(shù)據(jù)檢測的效率，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，有利于整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化升級(jí)[4]。

將虛擬電廠應(yīng)用于光伏示范區(qū)中，一個(gè)主要的技術(shù)支持就是通信技術(shù)，虛擬電廠內(nèi)部有強(qiáng)大的通信體系，其中心的控制單元，一方面可以及時(shí)收到來自次級(jí)單元的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，第一時(shí)間對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，另一方面可以根據(jù)分析結(jié)果，得出最佳的優(yōu)化方案，將相關(guān)的指令下達(dá)到底層單元，由底層單元負(fù)責(zé)執(zhí)行命令。這樣高效的信息傳輸系統(tǒng)，可以保證虛擬電廠最大限度地發(fā)揮功能，實(shí)現(xiàn)對分布式電源的控制和管理。根據(jù)不同的需求，依托不同的技術(shù)，虛擬電廠可以利用不同的通信手段，如在西方發(fā)達(dá)國家的部分虛擬電廠運(yùn)行中，采用的是互聯(lián)網(wǎng)通信、移動(dòng)通信等，另外，也可利用其他的通信技術(shù)，如GPRS技術(shù)[5]等。

在大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景下，虛擬電廠除了擁有強(qiáng)大的通信技術(shù)和檢測技術(shù)外，還擁有高超的數(shù)據(jù)信息處理能力，這體現(xiàn)在虛擬電廠運(yùn)行的各個(gè)方面，如數(shù)據(jù)信息的收集、整理、分析等，必須高效地對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，得出最佳的執(zhí)行方案，保證電力資源的優(yōu)化配置。

由于分布式光伏發(fā)電具有一定的復(fù)雜性，所以其供電的狀況不太穩(wěn)定，而且很難控制經(jīng)濟(jì)效益。可以利用虛擬電廠中的不同控制手段，實(shí)現(xiàn)對于分布式電源的協(xié)調(diào)控制，保證發(fā)電的品質(zhì)和穩(wěn)定性，同時(shí)也幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

4 云計(jì)算過程

負(fù)荷預(yù)測是虛擬電廠智能管理的重要組成部分，也是調(diào)整分布式電網(wǎng)、傳統(tǒng)電網(wǎng)之間關(guān)系的方法，保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。云計(jì)算以向用戶提供優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)為目標(biāo)，調(diào)節(jié)分布式電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的關(guān)系，利用相關(guān)算法，計(jì)算電網(wǎng)的負(fù)荷。傳統(tǒng)電網(wǎng)預(yù)測依賴以往變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測，忽視了其他相關(guān)指標(biāo)的影響。云計(jì)算(cloud computing,CC)綜合多種不定因素，計(jì)算結(jié)果和程度更加準(zhǔn)確。

假設(shè)虛擬電廠中分布式電網(wǎng)指標(biāo)集合為U，且包含2個(gè)特征向量負(fù)荷期望值f(x)和最高負(fù)荷值δ，δ∈U。f(x)>0,RN(f(x)，δ)表示負(fù)荷函數(shù)f(x)的均值，負(fù)荷預(yù)測函數(shù)d″f(x)。如果設(shè)置x1=RN(f(x)，δ1),x2=RN(f(x)，δ2)，那么x1=x2∈U，負(fù)荷預(yù)測函數(shù)d″f(x)，U是負(fù)荷期望與最高負(fù)荷值的集合；x1和x2分別為電網(wǎng)預(yù)測范圍的2個(gè)邊界值，x1為左邊界值，x2為右邊界值。δ1為左邊界x1的最高負(fù)荷值；δ2為右邊界x2的最高負(fù)荷值。其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

(1)

通過上述分析可知，負(fù)荷期望值f(x)和最高負(fù)荷值δ為云計(jì)算中的2個(gè)特征值。負(fù)荷預(yù)測函數(shù)d″f(x)是最能代表定性概念的點(diǎn)，是云計(jì)算中負(fù)荷出現(xiàn)改變的概率。一般來說，距離期望負(fù)荷值越近，云計(jì)算數(shù)據(jù)的值越集中，意味分布電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的負(fù)荷程度越統(tǒng)一，負(fù)荷越低。離期望負(fù)荷值越遠(yuǎn)，云計(jì)算數(shù)據(jù)越稀疏，負(fù)荷越高，說明分布電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的負(fù)荷程度不一致。負(fù)荷預(yù)測函數(shù)d″f(x)由分布式電網(wǎng)、傳統(tǒng)電網(wǎng)共同決定，代表整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，分布式電網(wǎng)額定功率與傳統(tǒng)電網(wǎng)額定功率的結(jié)合反映了在整個(gè)虛擬電廠中負(fù)荷的承載范圍。負(fù)荷預(yù)測函數(shù)d″f(x)代表整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷超載臨界值[2]。

5 應(yīng)用

5.1 應(yīng)用前景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬電廠的應(yīng)用將越來越廣泛，和分布式的光伏發(fā)電相配合，可以有效提高電力資源的利用效率，最大限度地避免資源浪費(fèi)，同時(shí)有利于優(yōu)化整個(gè)供電系統(tǒng)，促進(jìn)電力資源的高效供應(yīng)，同時(shí)合理利用清潔能源，降低對自然環(huán)境的污染。所以將虛擬電廠應(yīng)用于光伏示范區(qū)是未來電力領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。首先從政策層面來講，由于光伏示范區(qū)不僅具有試驗(yàn)價(jià)值，也具有示范和引領(lǐng)的作用，會(huì)對未來相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生極大影響，也為虛擬電廠的發(fā)展提供了很好的平臺(tái)，促進(jìn)虛擬電廠的探索和研究。其次，就實(shí)際情況而言，光伏示范區(qū)的建設(shè)規(guī)范和面積都非常大，這對管理方面提出很大挑戰(zhàn)，同時(shí)也可能會(huì)發(fā)生光伏滲透率超標(biāo)的情況，這就需要智能化的監(jiān)管平臺(tái)保證光伏示范區(qū)的有效運(yùn)行，而虛擬電廠強(qiáng)大的監(jiān)管系統(tǒng)就可以發(fā)揮很大作用[5]。

另外，在運(yùn)行模式上，光伏示范區(qū)和虛擬電廠之間也比較契合，一方面，虛擬電廠強(qiáng)大的監(jiān)管系統(tǒng)可以對光伏示范區(qū)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管理，保證示范區(qū)的正常運(yùn)行，避免很多風(fēng)險(xiǎn)和危害。另一方面，虛擬電廠自身具有一定的市場屬性，可以參與到相關(guān)的市場交易中，所以將其應(yīng)用于光伏示范區(qū)的運(yùn)行中，可以最大限度地利用市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律，促進(jìn)分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展。虛擬電廠利用市場機(jī)制促進(jìn)光伏示范區(qū)的有效運(yùn)行是通過間接的管理方式實(shí)現(xiàn)的，這更符合當(dāng)前的實(shí)際情況，即分布式光伏發(fā)電的業(yè)主和電力企業(yè)之間是各自獨(dú)立存在的。另外，利用虛擬電廠可以有效降低電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的各項(xiàng)成本，隨著技術(shù)的不斷成熟，電力資源將依托虛擬電廠實(shí)現(xiàn)多樣化的便捷交易。最后，虛擬電廠將作為一個(gè)新的契機(jī)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新，比如儲(chǔ)能技術(shù)等，為分布式光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用提供必要的技術(shù)支持。

另外，由于各種原因的限制，我國虛擬電廠的發(fā)展并不完善，主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：一是電力資源作為一種商品，并沒有深入?yún)⑴c市場競爭，因而沒有形成相應(yīng)的市場機(jī)制，如在沒有完善的電價(jià)激勵(lì)機(jī)制，這不利于我國虛擬電廠的廣泛應(yīng)用。二是由于我國虛擬電廠的研究和探索正在起步階段，人們對于虛擬電廠缺乏相應(yīng)的了解，也不能真正認(rèn)知到虛擬電廠的重大價(jià)值，所以很多分布式光伏發(fā)電的業(yè)主沒有應(yīng)用新技術(shù)、新理念的意愿，這也制約了分布式光伏發(fā)電和虛擬電廠的發(fā)展[6]。

5.2 應(yīng)用條件

5.2.1 完善市場機(jī)制

為了促進(jìn)我國虛擬電廠的應(yīng)用，必須建立完善的市場機(jī)制，一方面可以吸引分布式電源的業(yè)主參與到虛擬電網(wǎng)的應(yīng)用和推廣中，另一方面可以最大限度地發(fā)揮市場機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益，保證虛擬電廠的健康發(fā)展。首先，應(yīng)該完善電價(jià)機(jī)制，在相關(guān)部門的主導(dǎo)下，通過電價(jià)機(jī)制激勵(lì)更多的業(yè)主，在市場交易的模式中，以虛擬電廠的方式運(yùn)行整個(gè)光伏示范區(qū)，一方面在良好的平臺(tái)上，促進(jìn)虛擬電廠的發(fā)展，另一方面，利用虛擬電廠強(qiáng)大的功能，管理和監(jiān)督分布式電源的運(yùn)行，為人們的生產(chǎn)生活提供更多的便捷。另外在這個(gè)過程中，也保證了利益相關(guān)方的經(jīng)濟(jì)效益，在不斷的探索中，也會(huì)創(chuàng)新出更加完善的運(yùn)行方式[7]。

5.2.2 發(fā)展相關(guān)技術(shù)

技術(shù)是支持虛擬電廠發(fā)展的必要條件，也是促進(jìn)虛擬電廠與分布式電源結(jié)合發(fā)展的動(dòng)力。在具體的實(shí)踐中，虛擬電廠需要提供滿足光伏示范區(qū)發(fā)展需求的技術(shù)，包括儲(chǔ)能技術(shù)、通信技術(shù)等，再利用強(qiáng)大的監(jiān)督控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮虛擬電廠的功能。為了實(shí)現(xiàn)通信和控制技術(shù)，光伏示范區(qū)也必須具備一定的技術(shù)條件，其系統(tǒng)必須可以接入虛擬電廠的控制單元。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)虛擬電廠統(tǒng)一監(jiān)管的作用，還應(yīng)該加強(qiáng)不同分布式電源的性能，保證其自身擁有基本的通信功能，可以和虛擬電廠系統(tǒng)中的相關(guān)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對接。這樣就可以充分發(fā)揮虛擬電廠的優(yōu)勢，利用虛擬電廠監(jiān)管示范區(qū)的整體運(yùn)行狀況，具體包括電壓、電流等，同時(shí)，也可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，并且將數(shù)據(jù)資源第一時(shí)間輸送到控制平臺(tái)。可以在電源的接口處安置一定的監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)對分布式電源的實(shí)時(shí)測量，并且將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進(jìn)而對于分布式電源實(shí)施更加全面的監(jiān)督和管理。

5.3 存在的主要問題

就我國目前的實(shí)際情況，相關(guān)利益方怎樣參與到虛擬電廠的建設(shè)和運(yùn)行中，還沒有統(tǒng)一的定論，因此其建設(shè)和運(yùn)行主體并不確定。相關(guān)電力企業(yè)沒有建設(shè)和運(yùn)行分布式電源的權(quán)利，這是主要的困境之一，但是為了促進(jìn)虛擬電廠在光伏示范區(qū)的應(yīng)用，可以利用一定的制度手段，促進(jìn)相關(guān)利益方積極研究探討虛擬電廠的應(yīng)用，促進(jìn)分布式電源的管理和運(yùn)行，也促進(jìn)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)[8]。

從范圍與責(zé)任來講，在具體實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)電力發(fā)展的實(shí)際情況，結(jié)合各個(gè)地域的特殊狀況，科學(xué)確定虛擬電廠的準(zhǔn)許范圍。虛擬電廠的建設(shè)和運(yùn)行關(guān)系到很多相關(guān)方的利益，在市場相關(guān)機(jī)制缺乏的情況下，為了防止管理失當(dāng)，可以在城市地區(qū)，尤其是電力負(fù)荷非常大的區(qū)域，用可控負(fù)荷的技術(shù)運(yùn)行虛擬電廠，而在農(nóng)村地區(qū)，由于用電量相對較低，可以使用大規(guī)模的分布電源，以此來運(yùn)行虛擬電廠，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

另外，為了促進(jìn)虛擬電廠的應(yīng)用，將虛擬電廠和分布式光伏有效結(jié)合起來，促進(jìn)我國電力事業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，就需要建立相關(guān)的激勵(lì)機(jī)制和運(yùn)行政策，并且積極進(jìn)行宣傳，讓用戶逐漸了解虛擬電廠，支持虛擬電廠的實(shí)施，再配合大面積的分布式電源，就可以對整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行智能化的控制[9]。

我國對于虛擬電廠的研究尚處于初級(jí)階段，還沒有形成相關(guān)的管理機(jī)制，就西方發(fā)達(dá)國家的情況而言，往往會(huì)在相關(guān)的電力交易系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對虛擬電廠的操作，并且由分布式電源的業(yè)主對虛擬電廠實(shí)施管理[10]。但由于我國電力企業(yè)并不直接進(jìn)行電力資源的投資，所以需要相關(guān)政府部門出面主導(dǎo)，因此，為了促進(jìn)虛擬電廠的發(fā)展，保證其在光伏示范區(qū)的應(yīng)用效率，就需要充分分析我國電力行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，并且結(jié)合我國國情，積極學(xué)習(xí)西方發(fā)達(dá)國家的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)最佳的管理機(jī)制。

6 結(jié)語

虛擬電廠技術(shù)有很多優(yōu)勢，將其與分布式電源應(yīng)用結(jié)合，一方面可以對分布式電源的運(yùn)行實(shí)施全面的監(jiān)管和檢測，優(yōu)化電力資源的配置，提高資源的利用效率，另一方面也可以為虛擬電廠的發(fā)展提供一個(gè)探索研究的平臺(tái)，在不斷實(shí)踐中，完善相關(guān)技術(shù)，充分發(fā)揮虛擬電廠的優(yōu)勢。