“雙碳”目標下虛擬電廠關鍵技術與建設現狀

吳曉剛，唐家俊，吳新華，杜倩昀，盧 敏，楊 莉，闕凌燕，毛新飛

（1.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；2.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310007；3.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

近年來，中國電力需求迅猛增長。隨著能源革命的不斷推進，環境問題也日益嚴峻，因此分布式發電、需求側響應、高彈性電網和綜合能源系統等各種新事物、新技術不斷涌現，電力行業正面臨著包括高比例新能源接入、電網靈活性改造和碳減排在內的各種新挑戰［1］。“碳達峰、碳中和”目標的提出，使得分布式清潔能源成為中國電網不可或缺的重要組成部分，高比例分布式可再生能源的接入也對電網的運行水平和調控能力提出了更高的要求［2］。VPP（虛擬電廠）作為一種新型電力系統管理模式，能夠在可再生能源裝機容量不斷提升的背景下，掌握各分布式能源的聚類特性和靈活性特征，實現對各類分布式新能源的有效聚合和靈活調控，減小其出力間歇性、隨機性和波動性對電網的沖擊［3］。

中國對VPP 進行了大量的政策引導和鼓勵，以推進國內VPP 建設。由于中國仍處在電力市場改革階段，因此目前需要同時發展VPP 及電力需求側響應。自2014 年以來，中國在北京、上海和佛山等多個試點開展需求側響應項目，以補貼的形式啟動需求側響應和VPP 的發展［4］。隨著2016年電力體制改革的穩步推進，中國VPP 得到了進一步的發展。2020 年起，國家能源局確定將多層級VPP平臺納入能源領域重點專項，以推動VPP技術成果的轉化落地［5］。2021 年，國家能源局印發《2021年能源監管工作要點》，積極推進VPP等第三方主體參與電力輔助服務市場［6］。

然而，從目前已開展的VPP 技術研究和實踐來看，VPP 關鍵技術研究的廣度和深度還遠遠不夠，主要問題包括：VPP 的基礎設備欠缺，支撐計量、通信和控制的設備生產水平較為落后，VPP的生態圈沒有形成；VPP關鍵技術研究不足，VPP 的智能計量、信息通信和協調控制技術水平較低，其運行的實時性和自動化無法得到保障；VPP 綠色低碳化運行方式有待開發，尤其是在碳達峰、碳中和目標背景下，高比例新能源電網為VPP低碳運行帶來的一系列問題沒有得到解決。

本文對VPP 及其關鍵技術的研究現狀進行了全面闡述，介紹了“雙碳”背景下VPP 的低碳經濟調度方式，選取了國內3 家不同類型的VPP，介紹了其建設現狀并分析各自的特點，總結了“雙碳”背景下VPP技術選擇的要點。

1 VPP及其關鍵技術概述

VPP 的概念最初于1997 年由Shimon Awerbuch 提出［7］，21 世紀初在德國、英國、法國和荷蘭等歐洲國家興起。VPP 的核心可以歸納為“通信”和“聚合”，其通過先進信息通信技術和軟件系統，實現分布式發電、儲能系統、可控負荷和電動汽車等分布式資源的聚合和協調優化，并作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行。VPP 具備傳統電廠的基本功能，但也存在以下區別：一是VPP 不是物理存在的電廠，而是一種資源管理手段；二是VPP 的能量流動是雙向的，既可以送電又可以受電；三是VPP 的負荷特征是動態可調整的，要求負荷端去適應電網。VPP 的關鍵技術主要包括智能計量技術、信息通信技術以及協調控制技術。

1.1 智能計量技術

VPP 通信、控制的基礎是快速可靠的計量，智能計量技術主要包括自動抄表技術［8］、智能計量管理技術［9］和數字孿生技術［10］等。自動抄表技術指VPP 內部各單元自動測量并讀取其冷、熱、電、氣等能源的生產或消耗信息，并將這些數據實時上傳到VPP控制中心；計量管理技術指VPP可遠程測量其內部所有分布式單元的實時信息，檢查各發電、用電單元的運行狀態，同時進行合理適當的管理并將數據保存、上傳及分析；數字孿生技術指將VPP 的運行數據采集并同步到虛擬空間中進行仿真反饋，從而輸出預測、仿真和監測等實時分析結果。

對于分布式資源而言，智能計量技術還可以實時顯示耗能情況和設備運行狀態等重要信息，各分布式資源可以根據這些實時信息進行運行策略的調整。

1.2 信息通信技術

為了實現對各分布式資源運行狀態的實時監控和運行數據的快速匯聚，先進成熟的信息通信技術是VPP 必不可少的重要元素之一［11］。該技術需要在VPP 控制中心與各個單元之間建立雙向通信通道，從而實現計量、監測和控制數據的實時傳輸。

VPP 通信系統具有分層結構，包括終端層、接入層、骨干層和平臺層［11］。終端層主要由分布式資源控制終端和VPP 通信終端組成，包括分布式發電、儲能和柔性負荷等。接入層主要由通信設備組成，包括接入終端、路由器和網關等，主要承擔VPP通信的銜接作用；骨干層即VPP通信系統的骨干網絡，其除了可以依賴于4G或5G［12-13］公用通信網絡外，還可以通過光纖專網［14］和無線專網［15-16］實現，主要負責VPP 多個平臺、系統的信息交互；平臺層則是VPP 的控制中心，由智能算法實現VPP 內部各種分布式資源的協同運行，對外制定參與電力市場的交易策略，對內給分布式資源下達調度指令。對于終端層而言，接入層主要負責數據的匯聚、清洗和上傳；對于骨干層而言，主要負責業務數據信息的下達和轉發。

通信性能是VPP 實現安全可靠控制的基礎，非理想的通信條件將會造成嚴重的經濟損失，甚至危害系統運行安全［17］。為了滿足VPP 通信的高性能要求，其關鍵技術主要包括邊緣計算［13，18-19］、云計算［20-21］、D2D（設備到設備）通信［22］和時延控制技術［23-24］等。隨著通信關鍵技術研究的不斷提升，VPP 的整體協調性也將得到改善，從而能夠實現更優的調度決策。

1.3 協調控制技術

根據電源組成方式與運行模式的差異，VPP的控制模式可以分為集中式控制、集中-分散式控制和完全分散控制3 種［25］。集中式控制模式指VPP 內部的控制中心掌握所有分布式資源的數據信息，對所有資源進行調度控制。集中式控制模式下，VPP 的調控能力強、控制手段靈活，但也因通信流量集中、計算復雜度高導致VPP 兼容性與擴展性較差。集中-分散式控制模式一定程度上緩解了集中式控制模式下的數據擁堵和計算困難的問題，通過將VPP 控制中心的一部分功能下放到本地控制中心實現分層控制，VPP 控制中心負責VPP 整體任務的制定和分解，而本地控制中心側重于制定每一個單元的調度指令。完全分散控制模式指VPP 不再擁有單獨的控制中心，而是被劃分為多個子系統，子系統可以根據內部運行情況，自行對本系統內分布式資源進行調度分配，同時各子系統之間需要通過信息通信技術進行相互通信，實現各子系統之間的協作運行。這種控制模式使得VPP 具有很好的可擴展性，但需要其子系統具備協調管理、故障響應與診斷能力，對VPP通信和控制都有更高的要求。

VPP 的協調控制技術主要分為調度和控制兩方面。目前已有較多文獻對VPP 的協調調度與聯合運行進行了研究，涉及的優化目標有成本最小［26-31］、收益最大［32-35］、運行風險最小［36-39］、新能源消納能力最強［41-43］、出力波動最小［44-45］和負荷需求最小［46］等。在各類優化目標下，部分文獻也有針對性地采用了不同的技術解決VPP 參與協調調度存在的時效性不足和對配電網運行影響較大等問題，如文獻［26］采用數據驅動技術對VPP 調度特性進行研究和處理，實現了對VPP 最大容量和爬坡能力的評估計算；文獻［46］采用負荷直接控制技術降低了VPP 對電網的負荷需求，緩解了配電網阻塞問題。

在VPP 的控制方式層面，目前國內外的研究主要集中在VPP 本身對其所聚合的分布式資源的控制上，如文獻［47］考慮VPP 內部資源的個體利益，提出一種基于模仿者動態算法的控制策略求解方法；文獻［48］將多智能體控制理論應用于配電網的電網協調控制中，實現了VPP 與配電網調壓設備的協調控制。

2 “雙碳”目標下VPP調度方式研究現狀

在碳達峰、碳中和目標背景下，VPP 的節能減排職能愈發重要。國內外不少學者對于VPP 的低碳經濟調度開展了研究，VPP 通過調度實現低碳運行的表現方式大致分為降低碳排放量和提高新能源消納量兩類。

2.1 面向碳減排的VPP調度

VPP 通過調度實現碳排放量的降低，大多數研究都是在其目標函數中量化碳排放的成本［28-29，31-35］，進而實現低碳運行的決策，如文獻［28］考慮VPP 的碳排放權成本、碳捕集成本和碳封存成本，優化其內部碳捕集電廠的有功出力和碳捕集率；文獻［29］考慮碳交易機制下的免費碳配額和碳排放權購買成本，實現VPP 的調峰策略優化；文獻［31］采用Copula 函數對電價和碳價的聯合概率分布進行建模，優化VPP 的電力市場競價策略；文獻［33］采用分段函數構造VPP 碳排放成本的階梯模型；文獻［34］考慮需求側響應對含碳捕集設備VPP 的碳排放量的影響，研究了計及電價型需求側響應的VPP 經濟調度，實現了需求響應的低碳化利用。部分學者通過碳約束來間接實現碳減排運行，如文獻［49］在多能互補的VPP日前調度模型中引入最大碳排放限額作為邊際條件；文獻［50］利用碳捕集系統中的再生碳修正VPP碳排放量，進而建立VPP雙碳量約束條件。

2.2 面向新能源消納的VPP調度

VPP 提高新能源消納量的具體做法同樣可以分為棄風棄光約束［51-53］和量化新能源消納效益［40-43］兩類。前者通常依據相關政策設置棄風棄光閾值作為優化的邊際條件，后者則在目標函數中加入新能源消納的量化效益，如文獻［40］依據VPP 的調峰裕度量化其新能源消納能力，進而提出一種利用電動汽車和柔性負荷提升VPP 新能源消納能力的方法；文獻［41］將消納新能源量化為經濟收益，進而提出VPP 分布式儲能集群控制策略；文獻［42］通過棄風懲罰函數實現VPP 的新能源消納量的提升；文獻［43］以減小系統棄風棄光量為目標，提出一種基于自動發電控制的清潔能源消納量提升方法。

3 “雙碳”目標下VPP應用實踐

近年來，中國多個省份發布了適應本地實際情況的VPP相關政策，并積極推動VPP試點項目的實施與落地，將其應用到實際電力系統調度中，并取得了一定的成效。

3.1 上海黃浦區商業建筑VPP

上海是典型的國際化大都市，空調負荷占比高、用戶負荷波動性強以及用電峰谷差較大等問題嚴重。上海黃浦區夏日峰值負荷約500 MW，區內有著大量的商業建筑，空調類商業負荷資源豐富，這也是黃浦區負荷高峰的主要原因之一。

上海黃浦區VPP內部商業建筑主要為辦公樓、酒店、商貿中心和綜合大廈等，虛擬發電主要來源于中央空調、照明、生活用水以及新風系統負荷。截至2020年，VPP累計實現59.6 MW商業建筑需求響應資源的開發，共整合了550個可調資源（其中空調資源占比74%，其他資源占比26%），樓宇130幢（其中辦公建筑68幢、酒店30幢、商貿中心10 幢、綜合體22 幢）。2018—2020 年間，上海黃浦區商業建筑VPP 累計響應削峰負荷超過200 MW，曾在1 h內削減電力負荷20.12 MW［54］。

上海黃浦區商業建筑VPP 內所有用戶樓宇安裝了智能計量系統，可以實現用戶樓宇內電、氣、水和熱等能源的自動測量讀取，而VPP 內用戶可以通過室內網絡查看所有的計量數據，了解實時的電能產銷情況和相應費用等數據。信息通信方面，上海黃浦區商業建筑VPP骨干層采用Internet網絡和移動通信網絡；接入層主要由位于用戶樓宇內本地寬帶網絡架構而成；采集器用RS485 總線，采集間隔為5 min。協調控制方面，上海黃浦區商業建筑VPP 采用集中式控制模式。電網公司調度部門提前一天或幾個小時通過場外平臺將需求下發給黃浦區商業建筑VPP控制中心，VPP控制中心進行相應的內部分解。從低碳調度的層面來看，上海黃浦區商業建筑VPP 所聚合的居民樓宇負荷主要通過需求側響應參與電力市場，可以通過參與電網調峰促進新能源的消納。

此外，上海黃浦區商業建筑VPP 采用了先進的自動需求響應技術，遵循開放自動需求響應通信規范協議OpenADR與國標電力需求響應信息交換規范協議DL/T 1867—2018，設計了雙兼容的通信數據模型進行自動化的調度。此外，還在VPP 的用戶樓宇內安裝二次開發定制化的自動需求響應網關及智能控制器。VPP 對用戶設備的操作方式主要分為3種：

1）用戶默認。VPP 控制中心直接對用戶設備進行啟停或調整，調整時間約25 s，用戶雖無需確認，但卻擁有被通知和拒絕的權利。

2）用戶確認，直接控制。VPP 控制中心將分解任務發送給用戶，經用戶確認后由VPP 遠程進行設備的操作，調整時間約1 min。

3）用戶確認，就地控制。對于部分不具備遠程控制能力的用戶，需要在確認后由用戶自己就地控制，實現設備操作，調整時間約15 min。

3.2 江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP

近年來，江蘇省空調負荷高速增長，成為夏季和冬季負荷尖峰的主要因素。2018 年江蘇省全省最高負荷達到10 288萬kW，其中空調負荷占比36%，而南京地區的空調負荷占比高達50%。

截至2019 年，江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP共聚合了非工業柔性負荷2 715戶，工業剛性負荷1 726戶，主動需求響應20.8萬戶。2017年5 月，江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP 在245 ms 內成功切除全部參與簽約的233 戶電力用戶，共計25.5萬kW，平衡蘇州電網3 000 MW的負荷缺口。江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP 是一個較為龐大的工程，具有許多子系統，如江蘇南京的珠江壹號VPP 用電典型負荷約為4 500 kW，可控負荷達1 800 kW，2017年7月25日，珠江壹號VPP參與了當日13：00—13：30的需求側響應，累計切負荷386.14 kW，獲得收益11 584.2元。

江蘇省大規模源網荷友好互動系統VPP 在用戶側安裝智能網荷互動終端裝置，實現安全快速的計量、通信和控制。信息通信方面，江蘇省大規模源網荷友好互動系統VPP 骨干層采用基于SDH（同步數字體系）光傳輸網的2M 專用通道，接入層采用專用光纖、無線4G和光電實時轉換等多種通信技術［54-55］，能夠實現VPP 的毫秒級精準切負荷。

協調控制方面，江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP采用完全分散式控制模式，VPP具有多個子系統。各子系統根據自身運行情況，對內部分布式資源進行優化調度。同時各子系統之間、子系統和電網之間相互通信、協調運行。與上海黃浦區商業建筑VPP 相似，江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP 主要實現電源、電網和負荷的友好互動，可以通過協調優化負荷和發電資源的出力促進新能源的消納，實現低碳運行。

3.3 浙江某市綠色能源VPP

浙江某市2020 年度全社會用電量118.1 億kWh，負荷97%、95%尖峰持續時間僅為45 h、60 h。該市境內電源裝機總容量389.8 萬kW，其中水電裝機容量占比高達72.5%，光伏占比21.4%，綠色能源是全域內的主要發電資源。

該市綠色能源VPP 由全市境內800 多座水電站組成，同時聚合光伏、電動汽車和柔性負荷等綠色資源。2021 年1 月，浙江電網遠程控制該市綠色能源VPP 輔助電網調峰43 萬kW，經測算，共增加新能源消納量108 萬kWh，節約需求側響應資金130萬元，同時減少發電耗煤94 t，相當于減排CO2253 t。

該市綠色能源VPP 在終端安裝機組智能控制設備，除了能夠完成自動計量、智能管理等功能外，還可以實現安全可靠的遠程控制。信息通信方面，該市綠色能源VPP 骨干層采用專用數字通道，接入層應用無線5G網絡和北斗通信系統，如圖1 所示。協調控制方面，該市綠色能源VPP 采用集中-分散式控制方式。電網公司提前一天下發需求給VPP，VPP 控制中心將任務分解給各地調部門，各地調部門進一步將任務分解，確定各分布式單元的調度指令。該市綠色能源VPP 聚合的資源以綠色發電資源為主，調度的目標是為了最大化地利用區域內的清潔能源發電和靈活性資源，VPP 在消納內部可再生能源發電量的基礎上，可以通過提供電能、電力服務，從而降低VPP 以外的碳排放量。

圖1 浙江某市綠色能源VPP架構

3.4 VPP關鍵技術和低碳調度方式對比分析

上海某區商業建筑VPP、江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP和浙江某市綠色能源VPP的對比如表1 所示。結合VPP 當地負荷特色知，上海某區商業建筑VPP 和江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP 都是以負荷為主要靈活性資源的VPP，其建設目的主要是為了緩解負荷尖峰時刻的電網調度壓力，而浙江某市綠色能源VPP 建設目的主要是為了提高清潔能源的利用率，是以水電資源為主的VPP。因此在終端安裝設備上，浙江某市VPP 主要為各機組安裝智能控制設備，而上海VPP和江蘇VPP側重于負荷的智能控制。從信息通信架構來看，江蘇VPP和浙江某市VPP在骨干層和接入層都以較高的標準進行架構，這主要是因為江蘇VPP 對其切負荷速率和精度提出了更高的要求，而浙江某市VPP由于需要及時準確地控制各發電機組，因此也需要較高的通信技術水平。

表1 上海、江蘇、浙江某市VPP比較

從VPP 控制方式來看，3 家VPP 采用了3 種不同的控制方式。VPP 控制模式的選擇主要與其聚合資源和自身特點有關：上海某區商業建筑VPP 主要聚合了某區一定范圍內的樓宇負荷，VPP控制中心對資源的控制能力強，且VPP對擴展性的要求較低；浙江某市綠色能源VPP 主要聚合了該市的小型水電站和光伏等資源，各水電站根據分布又隸屬于不同地調公司的調控，因此采用集中-分散式控制模式較為合適；江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP 是江蘇省在全省范圍內開展的源網荷友好互動項目，VPP 規模大，資源的分布范圍廣，VPP 控制中心的控制能力較弱，且未來對于VPP 的擴展性要求較高，因此完全分散式控制模式更適應于江蘇大規模源網荷友好互動系統VPP的情況。

綜上，VPP 建設目的、技術標準要求、聚合資源類型、分布式資源規模及范圍都會對VPP 的關鍵技術選擇產生影響。因此，合理地選擇VPP的計量、通信、控制以及低碳調度方式是建設VPP的關鍵［56-58］。

4 結論

VPP 技術可以有效解決電力行業當前所面臨的高比例可再生能源接入、電網靈活性改造和碳減排等問題。本文從智能計量、信息通信和協調控制3 個方面對VPP 關鍵技術研究現狀進行了深入剖析；總結了“雙碳”背景下VPP 實現低碳經濟運行的調度方式。現階段VPP 關鍵技術存在巨大的發展空間，主要包括：

1）智能計量技術方面，自動抄表、智能計量管理和數字孿生技術是VPP 智能計量的基礎，VPP 在分布式資源終端安裝的智能計量設備將提供更加人性化、定制化和多功能化的服務，是未來的重點發展方向。

2）信息通信技術方面，VPP 邊緣計算、云計算和D2D 通信是未來的發展方向，同時時延控制技術的提升將有利于未來VPP 實現更加精確、快速的控制。

3）協調控制技術方面，未來VPP 將具有更高的開放性和可擴展性，VPP 也將從初期的集中式控制模式更多地向分散式或集中-分散式控制模式過渡，從而整合和控制更多的分布式資源。

未來隨著智能計量、信息通信和協調控制關鍵技術的發展，VPP 在中國將會有更廣闊的發展前景［59-61］。