“雙碳”背景下虛擬電廠研究綜述

彭道剛，稅紀(jì)鈞，王丹豪，趙慧榮

（1. 上海電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，上海市 楊浦區(qū) 200090；2. 上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心，上海市 楊浦區(qū) 200090）

0 引言

隨著化石能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖問題日益明顯，如何實(shí)現(xiàn)低碳、可持續(xù)發(fā)展成為世界范圍內(nèi)的重要議題[1]。為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化帶來的一系列威脅，2020 年9 月，國家主席習(xí)近平在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上的講話[2]中提出“雙碳”目標(biāo)。2021 年全國兩會(huì)，“碳達(dá)峰、碳中和”被首次寫入政府工作報(bào)告[3]。針對(duì)富煤、貧油、少氣的資源稟賦特征，能源結(jié)構(gòu)從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型可為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供可行路徑。

雖然可再生能源具備環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、靈活等優(yōu)勢(shì)，但其出力隨機(jī)性以及不可控性也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定影響[4]。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，電力系統(tǒng)應(yīng)基于市場(chǎng)運(yùn)營，但由于分布式發(fā)電(distributed generator，DG)的特點(diǎn)，僅靠其本身參與電力系統(tǒng)并不可行[5]。為解決上述問題，可將分布式發(fā)電聚合成一個(gè)實(shí)體(integrated entity，IE)[6]。

虛擬電廠(virtual power plant，VPP)通過先進(jìn)的通信、計(jì)量和控制技術(shù)，基于通信和聚合的思想[7]，在不改變分布式發(fā)電并網(wǎng)方式的前提下，以各類聚合體的形式對(duì)外呈現(xiàn)，并參與到電力市場(chǎng)中。隨著智能電網(wǎng)、綜合智慧能源和能源互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬電廠這一概念受到更廣泛的關(guān)注，其在充分利用信號(hào)處理、信息通信、計(jì)量、數(shù)據(jù)處理等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生(digital twin，DT)、區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)，使其有望成為新能源接入的智慧能源技術(shù)支撐框架[8]。

本文對(duì)虛擬電廠的概念、分類及其與微電網(wǎng)的區(qū)別進(jìn)行介紹，總結(jié)歸納虛擬電廠協(xié)調(diào)控制、資源聚合與優(yōu)化調(diào)度、參與電力市場(chǎng)3 個(gè)方面的研究進(jìn)展，分析區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠中應(yīng)用的可行性，并指出虛擬電廠在我國“雙碳”背景下的發(fā)展前景以及未來可能面臨的挑戰(zhàn)，為后續(xù)開展適合我國能源背景和電力現(xiàn)狀的虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型以及“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 虛擬電廠概述

1.1 虛擬電廠基本概念

虛擬電廠的概念源于1997 年Shimon Awerbuch 在其著作中對(duì)虛擬公共設(shè)施的定義[9]：虛擬公共設(shè)施是獨(dú)立且以市場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)的實(shí)體之間的一種靈活合作，這些實(shí)體能夠在不擁有相應(yīng)資產(chǎn)的情況下，為消費(fèi)者提供其所需要的公共服務(wù)。

自虛擬電廠的概念提出至今，由于不同國家電力背景存在差異，對(duì)虛擬電廠的研究側(cè)重點(diǎn)也不同，因此對(duì)于虛擬電廠的框架尚無統(tǒng)一定義[7-8,10]。Caldon 等[11]將虛擬電廠描述為一個(gè)地理位置上由多個(gè)分布式發(fā)電組合聚集成的拓展網(wǎng)絡(luò)。Bignucolo 等[12]將虛擬電廠描述為分散于中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同類型分布式能源(distributed energy resource，DER)的集合。Morais等[13-14]先將虛擬電廠定義為多技術(shù)和多地點(diǎn)的異質(zhì)實(shí)體，隨后又將其確定為與自治微電網(wǎng)相同的網(wǎng)絡(luò)。Bliek等[10]開展了基于功率匹配器的虛擬電廠項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，虛擬電廠由微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、混合熱泵、光伏發(fā)電裝置、可控電器、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電站以及燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成。

整體來看，虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為通信和聚合，不應(yīng)被定義為分布式能源的集合體，而應(yīng)將其定義為利用先進(jìn)計(jì)量、通信、控制等技術(shù)，將地理位置分散且與不同層級(jí)的電網(wǎng)直接或間接相連的分布式電源、柔性負(fù)荷等聚集起來，通過能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制并參與到整個(gè)電力市場(chǎng)，同時(shí)優(yōu)化資源利用、提高大電網(wǎng)穩(wěn)定性和供電可靠性的一種綜合體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬電廠結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of VPP

1.2 虛擬電廠分類

虛擬電廠可以聚合各種類型的分布式能源，并通過能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化多種分布式能源，參與主輔市場(chǎng)。根據(jù)功能不同，一般可以將虛擬電廠劃分為商業(yè)型虛擬電廠(commercial VPP，CVPP)和技術(shù)型虛擬電廠(technical VPP，TVPP) 2類[15]。虛擬電廠運(yùn)行框架如圖2所示，其中：TSO為輸電系統(tǒng)運(yùn)營商(transmission system operator)；DSO 為配電系統(tǒng)運(yùn)營商(distribution system operator)。

圖2 虛擬電廠運(yùn)行框架Fig. 2 Operating structure of VPP

CVPP 的功能是制定最優(yōu)購電和售電計(jì)劃，參與電力市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)獲取最大收益，不考慮對(duì)配電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的影響[16]。在CVPP 架構(gòu)中，各分布式能源向其遞交邊際成本、測(cè)量數(shù)據(jù)等，CVPP 以利潤最大化為目標(biāo)制定購電、售電計(jì)劃。當(dāng)CVPP 中標(biāo)時(shí)，CVPP 執(zhí)行獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(independent system operator，ISO)的調(diào)度指令，向TVPP 遞交分布式能源發(fā)電計(jì)劃與運(yùn)行成本等信息。需要指出的是：CVPP 和分布式能源均有選擇權(quán)，CVPP 可以選擇任意數(shù)量的分布式能源作為自身組成部分，同樣地，分布式能源也可以選擇任意一個(gè)CVPP代表其參與電力市場(chǎng)[17]。

TVPP的功能是為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)，需考慮分布式能源聚合對(duì)大電網(wǎng)、配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)影響。TVPP 還負(fù)責(zé)對(duì)所在區(qū)域的TSO 和DSO 提供平衡和其他配套輔助服務(wù)，考慮CVPP 內(nèi)部所包含可控靈活性資源的工況、運(yùn)行參數(shù)、邊際成本等信息以及由ISO 提供的網(wǎng)絡(luò)信息，形成其可調(diào)節(jié)功率成本和調(diào)節(jié)功率域。

根據(jù)虛擬電廠所包含分布式能源的實(shí)際情況，虛擬電廠可單獨(dú)作為CVPP 參與電力市場(chǎng)，也可單獨(dú)作為TVPP提供輔助服務(wù)，還可先作為CVPP參與電力市場(chǎng)，再作為TVPP提供輔助服務(wù)。

1.3 虛擬電廠與微電網(wǎng)的區(qū)別

目前，虛擬電廠和微電網(wǎng)是解決小容量分布式能源并網(wǎng)的主要手段，也是實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電并網(wǎng)最具創(chuàng)造力和吸引力的2種形式[6]。國內(nèi)一般將微電網(wǎng)描述為由分布式發(fā)電、保護(hù)裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷匯集而成，實(shí)現(xiàn)自主控制、管理以及保護(hù)的小型發(fā)配電自治系統(tǒng)[18]。虛擬電廠和微電網(wǎng)均是解決分布式發(fā)電及其他元件整合并網(wǎng)問題的有效手段，但二者在設(shè)計(jì)理念、組成、運(yùn)行模式與特性等方面仍有諸多區(qū)別[19]。微電網(wǎng)注重自治，而虛擬電廠更側(cè)重參與及對(duì)外的展現(xiàn)。微電網(wǎng)整合地理位置較近的分布式發(fā)電，而虛擬電廠憑借先進(jìn)通信和計(jì)量技術(shù)，可聚合多個(gè)地理位置接近或分散的分布式能源。另外，虛擬電廠與系統(tǒng)相互作用的要求較微電網(wǎng)更嚴(yán)苛，可用常規(guī)電廠運(yùn)行特性和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)虛擬電廠。

2 虛擬電廠研究現(xiàn)狀

2.1 虛擬電廠協(xié)調(diào)控制

一般可以將虛擬電廠協(xié)調(diào)控制分為集中控制、集中-分散控制和完全分散控制3 類[8]。在集中控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠的全部決策由控制協(xié)調(diào)中心(control coordination center，CCC)制定[20]，對(duì)分布式電源控制器(distributed generation controller，DGC)下發(fā)出力、啟停等信息。在集中-分散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠被分為2 層，同樣地，協(xié)調(diào)控制也分為上下2層。上層控制中心(即虛擬電廠控制中心)將任務(wù)分解，發(fā)配到下層控制中心，由各個(gè)下層控制中心制定所聚合的每個(gè)單元的發(fā)電、用電方案；同時(shí)，下層控制中心將采集到的信息數(shù)據(jù)傳遞到上層控制中心，由上層控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)整體虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制。在完全分散控制結(jié)構(gòu)中，虛擬電廠被劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)間通過先進(jìn)通信技術(shù)進(jìn)行協(xié)作，控制中心則成為數(shù)據(jù)交換和處理中心。

為平衡電力需求和供應(yīng)之間的關(guān)系，以減少負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的影響，國內(nèi)外學(xué)者圍繞集中控制結(jié)構(gòu)展開研究。文獻(xiàn)[21-25]均采用了直接負(fù)載控制(direct load control，DLC)優(yōu)化算法來確定虛擬電廠終端可控設(shè)備的最佳負(fù)載控制計(jì)劃。文獻(xiàn)[21]基于線性規(guī)劃，提出了一種熱水器控制策略，通過檢測(cè)不同的不受控?zé)崴鲾?shù)據(jù)，對(duì)多樣化的熱水器負(fù)載需求和不同控制動(dòng)作的受控?zé)崴骰貓?bào)模式進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[22]在文獻(xiàn)[21]的基礎(chǔ)上，通過分割回報(bào)模式改善預(yù)先確定的候選控制時(shí)間表，使控制更加靈活。文獻(xiàn)[23]基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)負(fù)荷設(shè)備的啟/停周期，與文獻(xiàn)[21-22]不同之處在于，該控制策略在降低峰值負(fù)荷的基礎(chǔ)上最大限度減少了控制的負(fù)荷量，以提高收益和客戶滿意度。文獻(xiàn)[24]則基于線性規(guī)劃實(shí)現(xiàn)控制周期內(nèi)效用利潤最大化。在上述研究基礎(chǔ)上，Ruiz 等[25]基于DLC來管理由大量具有恒溫控制設(shè)備的終端用戶組成的虛擬電廠，確定虛擬電廠中可控負(fù)荷的最佳控制策略，以優(yōu)化控制周期內(nèi)負(fù)載；然后采用建筑能源模擬工具EnergyPlus 模擬每種終端用戶類型的模型，以準(zhǔn)確獲得空調(diào)和加熱器在不同控制動(dòng)作作用下的熱行為；最后在西班牙北部一個(gè)實(shí)際電力系統(tǒng)上驗(yàn)證了算法的有效性，為虛擬電廠參與輸電系統(tǒng)運(yùn)營市場(chǎng)提供了一條可行路徑。

然而，基于集中控制結(jié)構(gòu)的虛擬電廠由于通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，通常會(huì)遇到諸如通信時(shí)延等問題[26]，傳統(tǒng)虛擬電廠架構(gòu)不能滿足電力系統(tǒng)與市場(chǎng)要求。因此，集中-分散控制結(jié)構(gòu)逐漸取代集中控制結(jié)構(gòu)，成為研究熱點(diǎn)。在集中-分散控制結(jié)構(gòu)中，各個(gè)代理之間僅根據(jù)通信協(xié)議交互少量信息，因此在該架構(gòu)下的控制可靠且高效[27-35]。陳厚合等[27]提出了一種分布式調(diào)度模型和協(xié)同優(yōu)化的計(jì)算框架，計(jì)及電網(wǎng)現(xiàn)狀和分區(qū)，利用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers，ADMM)構(gòu)建了調(diào)度模型和計(jì)算框架。陸秋瑜等[28]基于次梯度投影分布式控制法，提出了虛擬電廠經(jīng)濟(jì)性一次調(diào)頻方法。近年來，基于多代理技術(shù)的分布式控制尤為受到關(guān)注[29-34]。于娜等[29]提出了一種分層聚合結(jié)構(gòu)的多代理系統(tǒng)(multi-agent system，MAS)控制架構(gòu)。劉思源等[30]提出了基于MAS的多虛擬電廠分層控制結(jié)構(gòu)，并研究了二者的兼容性。文獻(xiàn)[31-32]通過構(gòu)建兩階段優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)MAS的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。文獻(xiàn)[33-34]通過構(gòu)建虛擬電廠多目標(biāo)優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)全局調(diào)度最優(yōu)。劉源等[35]則針對(duì)文獻(xiàn)[30-34]中存在的MAS調(diào)度及風(fēng)險(xiǎn)控制問題，提出了基于條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值(conditional value-at-risk，CVaR)的兩階段雙層分解(bi-level decentralized planning，BLDP)模型，并用此模型模擬MAS的控制結(jié)構(gòu)及各代理層之間的相互聯(lián)系。

通過對(duì)上述文獻(xiàn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，集中控制模式下的通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、通信時(shí)延等問題并不能完全表征虛擬電廠的核心思想，集中-分散控制和完全分散控制能夠在同時(shí)滿足電力系統(tǒng)與市場(chǎng)要求的前提下，使控制更加可靠高效。因此，未來將圍繞集中-分散和完全分散控制結(jié)構(gòu)開展協(xié)調(diào)控制相關(guān)研究。整體來看，虛擬電廠對(duì)分布式能源的協(xié)調(diào)控制極大地緩解了網(wǎng)側(cè)壓力。

2.2 虛擬電廠資源聚合與優(yōu)化調(diào)度

虛擬電廠資源聚合與優(yōu)化調(diào)度可以概括如下：在滿足約束條件的前提下，協(xié)調(diào)所聚合的分布式發(fā)電，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本、碳排放最小化以及收益最大化的目標(biāo)。從微觀上看，這是對(duì)虛擬電廠中多個(gè)分布式發(fā)電實(shí)現(xiàn)容量分配或出力的優(yōu)化調(diào)度；從宏觀上看，這是把虛擬電廠視為一個(gè)整體參與電網(wǎng)調(diào)度。根據(jù)虛擬電廠的提出目的和核心思想，資源聚合與優(yōu)化調(diào)度是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的手段，也是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)[36]。

近年來，研究者主要基于不確定性處理、多時(shí)間尺度優(yōu)化、需求響應(yīng)、CVaR等方面研究虛擬電廠的資源聚合和優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[15, 37-38]基于不確定性的響應(yīng)需求實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度。楊秀等[15]建立商業(yè)層與技術(shù)層相結(jié)合的虛擬電廠雙層優(yōu)化模型，分別以用戶利潤最高和分布式發(fā)電出力成本最小為目標(biāo)，并充分考慮需求側(cè)和發(fā)電側(cè)的利益。王蕓蕓等[37]基于雙層優(yōu)化模型，在上層模型中聚合風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、抽水蓄能電站和需求響應(yīng)負(fù)荷，以總成本最低為目標(biāo)，建立了滿足市場(chǎng)公平性的多能源經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。袁桂麗等[38]考慮價(jià)格型需求響應(yīng)(price demand response，PDR)，通過調(diào)整價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制來改善需求側(cè)在系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響。

計(jì)及分布式能源出力不確定性、電價(jià)不確定性等因素，文獻(xiàn)[39-42]對(duì)多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)展開了研究。楊洪朝等[39]提出了多虛擬電廠(Multi VPPs)日內(nèi)兩階段多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)，如圖3 所示，上層為虛擬電廠互聯(lián)后所涉及的共享設(shè)備，下層為所涉及的可再生能源等設(shè)備，分別采用小時(shí)級(jí)和分鐘級(jí)調(diào)度策略。李翔宇等[40]在日內(nèi)優(yōu)化中引入馬爾科夫決策過程(Markov decision process，MDP)以減少建模層級(jí)，并提出了包括虛擬電廠日前計(jì)劃、滾動(dòng)計(jì)劃、實(shí)時(shí)計(jì)劃在內(nèi)的全時(shí)域優(yōu)化調(diào)度框架。張大海等[41]在文獻(xiàn)[39-40]基礎(chǔ)上，考慮將光熱(concentrating solar power，CSP)電站和電儲(chǔ)能裝置(electrical energy storage device，EESD)作為虛擬電廠的組成部分，從資源聚合和優(yōu)化調(diào)度的角度出發(fā)，建立基于魯棒隨機(jī)優(yōu)化理論的虛擬電廠隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型，以提高新能源并網(wǎng)時(shí)的可調(diào)度性。葛曉琳等[42]針對(duì)固定時(shí)間尺度調(diào)度策略的不足，提出了日前隨機(jī)博弈與實(shí)時(shí)變時(shí)間尺度協(xié)同優(yōu)化方法，對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間尺度進(jìn)行自適應(yīng)改變，協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)節(jié)成本與調(diào)度偏差。

圖3 多虛擬電廠多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度架構(gòu)Fig. 3 Multi-time scale optimal scheduling architecture for multi-virtual power plants

此外，也有學(xué)者基于碳交易[43]、場(chǎng)景決策[44]、合作博弈[37,42]、資源配置[45-46]等方面研究虛擬電廠的資源聚合與優(yōu)化調(diào)度。

2.3 虛擬電廠參與電力市場(chǎng)

隨著電力市場(chǎng)的逐漸開放以及交易機(jī)制的逐步完善，對(duì)虛擬電廠響應(yīng)市場(chǎng)電價(jià)、負(fù)荷需求變化能力以及參與調(diào)峰調(diào)頻等方面提出了更高要求。虛擬電廠參與的電力市場(chǎng)可以分為主能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)，其交易框架[47]如圖4 所示。當(dāng)虛擬電廠參與日前市場(chǎng)時(shí)，市場(chǎng)運(yùn)營商根據(jù)虛擬電廠和常規(guī)發(fā)電機(jī)組提交的交易電量以及各方信息確定次日能源價(jià)格并對(duì)外公布，市場(chǎng)參與者根據(jù)該信息調(diào)整自身投標(biāo)量并再次匯報(bào)，直至投標(biāo)量和能源價(jià)格達(dá)到平衡。當(dāng)虛擬電廠參與日內(nèi)市場(chǎng)時(shí)，由于可再生能源的出力隨機(jī)性和不可控性，為保證電網(wǎng)穩(wěn)定性和能源供需平衡，在棄風(fēng)、棄光時(shí)啟動(dòng)調(diào)峰市場(chǎng)實(shí)時(shí)出清。

圖4 虛擬電廠參與電力市場(chǎng)交易框架Fig. 4 Trading framework of VPP participating in the electricity market

陳剛等[48]提出了基于上下層雙階段的電-熱能源市場(chǎng)交易策略，上下層分別以購能成本最小和收益最大為目標(biāo)優(yōu)化價(jià)格和投標(biāo)量，并通過先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互。宋大為等[49]也提出了一種雙層兩階段聯(lián)合競(jìng)價(jià)策略模型，但與文獻(xiàn)[48]不同的是，該研究同時(shí)考慮到在競(jìng)價(jià)決策過程中報(bào)價(jià)的隨機(jī)性與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手策略的不確定性對(duì)競(jìng)價(jià)策略的影響。劉敦楠等[50]針對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)難以適應(yīng)多元市場(chǎng)主體的差異化物理經(jīng)濟(jì)特性和多樣化交易需求，提出了多元市場(chǎng)主體的交易報(bào)價(jià)方式和靈活能量塊交易出清模型。

現(xiàn)階段，虛擬電廠處于參與輔助服務(wù)市場(chǎng)為主、參與能量市場(chǎng)為輔的業(yè)務(wù)形態(tài)。劉浩文等[51]為降低電網(wǎng)調(diào)壓成本、提高整體經(jīng)濟(jì)效益，提出了基于邊緣計(jì)算虛擬電廠無功服務(wù)優(yōu)化出清模型。卿竹雨等[52]在響應(yīng)價(jià)格制定策略中引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)，提出了考慮分散式資源互動(dòng)響應(yīng)的虛擬電廠智能化調(diào)峰定價(jià)策略。也有學(xué)者[53-54]從宏觀層面探討了虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場(chǎng)。還有學(xué)者[47,55]將主能量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。祖文靜等[47]設(shè)計(jì)了虛擬電廠參與主輔市場(chǎng)的交易體系，考慮新能源出力的不確定性以及主能量市場(chǎng)與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)價(jià)格的相關(guān)性，構(gòu)建了虛擬電廠參與主輔市場(chǎng)的聯(lián)合出清優(yōu)化模型。葉飛等[55]針對(duì)虛擬電廠內(nèi)部資源和外部市場(chǎng)對(duì)競(jìng)標(biāo)策略的互動(dòng)影響，提出了考慮購售風(fēng)險(xiǎn)的虛擬電廠雙層競(jìng)標(biāo)策略。

3 “雙碳”背景下虛擬電廠的數(shù)字技術(shù)

以區(qū)塊鏈和數(shù)字孿生為例，分析數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用及其在虛擬電廠協(xié)調(diào)控制、資源聚合和優(yōu)化調(diào)度中提供的輔助與支撐作用。

3.1 區(qū)塊鏈在虛擬電廠中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N不可篡改、可追溯的分布式數(shù)據(jù)庫，其具有去中心化、時(shí)序數(shù)據(jù)、集體維護(hù)、可編程和安全可信等特點(diǎn)[56]。文獻(xiàn)[56-57]從廣義和狹義上給出區(qū)塊鏈的定義，張寧等[58]將區(qū)塊鏈描述為由區(qū)塊有序鏈接的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)區(qū)塊由用于鏈接的區(qū)塊頭和記錄數(shù)據(jù)信息的區(qū)塊主體2部分構(gòu)成。區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用[58]如圖5 所示，可以從功能維度、對(duì)象維度和屬性維度3 個(gè)方面進(jìn)行歸納和分析。本文結(jié)合虛擬電廠與區(qū)塊鏈自身特性并參考現(xiàn)有研究，主要對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)輔助虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度、支撐虛擬電廠參與電力市場(chǎng)交易2個(gè)方面進(jìn)行歸納分析。

圖5 區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用Fig. 5 Application of blockchain technology in VPP

1）區(qū)塊鏈技術(shù)輔助虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度

區(qū)塊鏈技術(shù)可作為虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度的輔助技術(shù)。文獻(xiàn)[59-60]探討了基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠模型，重點(diǎn)分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于虛擬電廠的可行性，并將應(yīng)用中存在的問題歸納如下：區(qū)塊鏈的信息并非完全安全可靠；運(yùn)行效率較低，資源利用不充分；智能合約責(zé)任主體缺失。文獻(xiàn)[61-65]探索了區(qū)塊鏈技術(shù)引入虛擬電廠的可能性，其中，佘維等[61]提出了一種基于能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的虛擬電廠運(yùn)行與調(diào)度模型，該模型更強(qiáng)調(diào)反映需求側(cè)實(shí)時(shí)信息，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和存儲(chǔ)安全性。周國亮等[62]提出利用共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)調(diào)度，并利用拜占庭容錯(cuò)(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)算法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在機(jī)組間的合理分配。任建文等[63]對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)引入虛擬電廠的合理性進(jìn)行分析，并基于PBFT 實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈下半中心化的兩階段魯棒優(yōu)化調(diào)度模型。陳凱玲等[64]在文獻(xiàn)[61-63]的基礎(chǔ)上，基于多元用電主體的概念，提出了改進(jìn)的虛擬電廠運(yùn)行調(diào)度模型。王海群等[65]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，形成能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬電廠分布式調(diào)度，利用等耗量微增率準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了虛擬電廠電能調(diào)度最優(yōu)化。周步祥等[66]從虛擬電廠的功能特征出發(fā)，創(chuàng)建由商業(yè)鏈、技術(shù)鏈和資產(chǎn)鏈組成的區(qū)塊鏈，綜合考慮多虛擬電廠形成的多決策主體利益關(guān)聯(lián)與沖突的局面，建立考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束的多虛擬電廠主從博弈優(yōu)化運(yùn)行方法。以上研究為區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的分布式調(diào)度提供了參考。

2）區(qū)塊鏈技術(shù)支撐虛擬電廠參與電力市場(chǎng)交易

部分學(xué)者[67-73]側(cè)重研究基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠參與電力市場(chǎng)交易模型。文獻(xiàn)[67-68]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型，其中文獻(xiàn)[67]分別從物理結(jié)構(gòu)、智能合約以及交易流程3 個(gè)模塊構(gòu)建了基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型。平健等[69]針對(duì)分布式能源交易違約現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，提出了基于信用證明(proof-of-credit，PoC)共識(shí)機(jī)制的分布式能源信用管控機(jī)制。李強(qiáng)等[70]針對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠可信交易平臺(tái)對(duì)虛擬電廠交易的適配性和應(yīng)用場(chǎng)景等問題，搭建了涵蓋各項(xiàng)服務(wù)的全鏈條服務(wù)，并驗(yàn)證了運(yùn)行模式的可行性。玄佳興等[71]針對(duì)分布式能源交易集中調(diào)度處理可靠性低、速度慢等問題，提出了主從分片區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型，從鏈采用文獻(xiàn)[69]所提出的PoC共識(shí)機(jī)制。陳子杰等[72]基于現(xiàn)有研究搭建了基于區(qū)塊鏈的硬件仿真平臺(tái)；針對(duì)現(xiàn)有能源區(qū)塊鏈研究尚未定量對(duì)比不同共識(shí)算法優(yōu)劣的問題，該團(tuán)隊(duì)[73]又提出了多維度的共識(shí)算法定量評(píng)估方法，以及應(yīng)用兩階段混合公式算法的能源區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)方案。

現(xiàn)階段關(guān)于分布式電力交易的區(qū)塊鏈算法應(yīng)用研究較多，但基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠研究仍處于起步階段。因此，以上2 個(gè)方面的融合研究或?qū)⒊蔀槲磥淼难芯恐攸c(diǎn)。

3.2 數(shù)字孿生在虛擬電廠中的應(yīng)用

數(shù)字孿生的概念起源于美國密歇根大學(xué)Grieves教授的產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management，PLM)中的設(shè)想[74]，他首次提出了鏡像空間模型(mirrored spaces model，MSM)，并指出該模型由真實(shí)空間、虛擬空間和鏈接機(jī)制3 個(gè)元素組成。數(shù)字孿生可以更廣義地描述為：利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，利用數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)情景中的活動(dòng)，以及利用虛實(shí)體互動(dòng)、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等方法，為物理實(shí)體增強(qiáng)或擴(kuò)展新的能力[75]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息與通信技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。學(xué)者們開始探討數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用。房方等[76]提出面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生架構(gòu)，探討了在智能發(fā)電系統(tǒng)中部署數(shù)字孿生技術(shù)的一般性方法，并分別從過程自動(dòng)化、綜合效益管理、生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控、設(shè)備設(shè)計(jì)交付、新應(yīng)用研發(fā)、高效信息交流、協(xié)同決策和人員操作培訓(xùn)8 個(gè)方面探索數(shù)字孿生技術(shù)在智能發(fā)電中應(yīng)用的可行性。文獻(xiàn)[77-78]則圍繞數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)中的應(yīng)用問題，分析該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑與技術(shù)挑戰(zhàn)。趙鵬等[79]重點(diǎn)分析了數(shù)字融合建模與電網(wǎng)資源協(xié)同互動(dòng)，提出了電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和安全防御機(jī)制。齊波等[80]從狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)治理、模型構(gòu)建3 個(gè)方面闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用。盛戈皞等[81]在文獻(xiàn)[80]的研究基礎(chǔ)上，提出了新型電力系統(tǒng)背景下電力設(shè)備高效運(yùn)行和智能維護(hù)的基本特征和技術(shù)體系。蒲天驕等[82]基于數(shù)字孿生五維模型，針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際需求，結(jié)合多業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生模型，分別從物理感知、傳輸交互、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用服務(wù)、虛擬空間和安全防護(hù)等方面分析其架構(gòu)。文獻(xiàn)[83-84]分別探討了電力數(shù)字孿生系統(tǒng)(digital twin of power systems，PSDT)的實(shí)現(xiàn)框架和項(xiàng)目成熟度評(píng)價(jià)體系。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用研究主要集中在電力系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)等較為宏觀的方面，數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠上的融合與應(yīng)用的相關(guān)研究仍較少。嚴(yán)興煜等[85]基于數(shù)字孿生技術(shù)在能源電力上的應(yīng)用研究，提出了以下概念：數(shù)字孿生虛擬電廠是指物理空間實(shí)體和信息維度虛擬電廠虛實(shí)融合與共存的形式。數(shù)字孿生虛擬電廠系統(tǒng)(digital twin VPP system，DTVPPS)包含物理實(shí)體、數(shù)字孿生體、孿生數(shù)據(jù)、連接以及智能應(yīng)用等，總體架構(gòu)[85]如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生虛擬電廠系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig. 6 Framework of DTVPPS

DTVPPS 技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)由物理層、信息中樞層、感知層和智能應(yīng)用層組成，其中：物理層是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的物理實(shí)體、人員行為等；信息中樞層是系統(tǒng)的智慧大腦，由孿生模型、智能分析平臺(tái)等部分構(gòu)成；感知層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知接入的媒介，借助高性能傳感器獲取物理實(shí)體電氣量，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合的物理對(duì)象的狀態(tài)感知、環(huán)境檢測(cè)、行為追蹤以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋恢悄軕?yīng)用層按場(chǎng)景分為設(shè)備管理、應(yīng)用業(yè)務(wù)、配網(wǎng)接入、運(yùn)營管理等模塊[85]。

數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠領(lǐng)域的研究目前還處于起步階段，但考慮到我國電力行業(yè)的特點(diǎn)，可預(yù)見數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用有望成為未來的研究重點(diǎn)。

4 發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

鑒于我國對(duì)清潔能源和新興技術(shù)發(fā)展的大力推動(dòng)，加之虛擬電廠自身特性又符合我國能源電力發(fā)展的要求與方向，因此虛擬電廠具有巨大的發(fā)展前景。以上探討的虛擬電廠并非完全適合我國電力工業(yè)，還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行研究，虛擬電廠的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)可能有以下方面：

1）CVPP和TVPP相互協(xié)作。TVPP完成運(yùn)行特性聚合后，會(huì)受到上級(jí)電網(wǎng)的控制，從而無法獲取更多利潤；由于CVPP 的規(guī)模擴(kuò)大，市場(chǎng)行為有可能會(huì)影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，單純的CVPP或TVPP無法滿足分布式能源的經(jīng)濟(jì)效益以及配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，需要借助CVPP的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和TVPP的技術(shù)支撐，共同促進(jìn)虛擬電廠進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2）建立考慮多能源與多重不確定性的優(yōu)化調(diào)度與控制策略。由于虛擬電廠中可再生能源的高比例接入，其出力隨機(jī)性和不可控性不斷提高，在制定調(diào)度計(jì)劃時(shí)面臨不確定的風(fēng)險(xiǎn)，不僅會(huì)影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)對(duì)虛擬電廠收益造成一定影響。因此，在考慮內(nèi)部資源協(xié)調(diào)的同時(shí)，還需要考慮不確定性因素帶來的影響，從虛擬電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化2 個(gè)方面深入研究。

3）虛擬電廠參與多種市場(chǎng)。完善的虛擬電廠架構(gòu)不僅參與主能量市場(chǎng)，也應(yīng)提供與傳統(tǒng)電廠相同的各種輔助服務(wù)。利用虛擬電廠聚合分布式發(fā)電提供無功服務(wù)，可以在很大程度上減輕電網(wǎng)的調(diào)節(jié)成本，實(shí)現(xiàn)整體利益最大化。雖然已有學(xué)者在虛擬電廠參與輔助服務(wù)市場(chǎng)方面進(jìn)行研究，但如何克服分布式能源地域性特征和削弱電網(wǎng)運(yùn)行條件影響仍是亟待解決的問題[51]。

4）數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的融合應(yīng)用。與傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域相比，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)規(guī)模大、復(fù)雜程度高以及反饋實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，因此對(duì)區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用提出了更高的要求。探討數(shù)字技術(shù)的融合應(yīng)用可以從DTVPPS 技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)各層入手，挖掘可實(shí)現(xiàn)的典型應(yīng)用，為電力發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)和建設(shè)思路，為電網(wǎng)數(shù)字化、智能化建設(shè)提供新途徑。

5 結(jié)論

虛擬電廠是基于先進(jìn)控制、通信、計(jì)量等技術(shù)的分布式能源綜合體，通過協(xié)調(diào)調(diào)度聚合的資源參與電力市場(chǎng)。在“雙碳”背景下，對(duì)虛擬電廠的研究重點(diǎn)聚焦在協(xié)調(diào)控制、資源聚合與優(yōu)化調(diào)度、參與電力市場(chǎng)等方面。同時(shí)，區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)都可應(yīng)用在虛擬電廠的體系架構(gòu)中，以促進(jìn)虛擬電廠技術(shù)的發(fā)展。總的來說，虛擬電廠在推動(dòng)資源高效利用、可再生能源發(fā)電、我國電力市場(chǎng)環(huán)境和體制改革與完善等方面均具有廣闊的發(fā)展前景。