面向分布式資源聚合管控的虛擬電廠建模與優化控制綜述

何斯強，張俊嶺，顧宗奇，施嘯寒，江 涵

（1.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學），山東 濟南 250061；2.山東魯軟數字科技有限公司，山東 濟南 250001；3.全球能源互聯網發展合作組織，北京 100031）

0 引言

近年來，全球變暖以及能源短缺問題日益嚴重，世界各國大力發展風電、太陽能發電等非化石能源，推動能源轉型而降低溫室氣體排放成為主流發展趨勢［1］。未來新能源占比將日益提高，風光波動性電源對火力發電的替代導致穩定優質發電資源不足而調控能力下降，可再生能源的出力不確定性與波動性帶來的更高調節需求給電力系統安全穩定經濟運行帶來挑戰。電力系統調度模式需要由“源隨荷動”向“源荷互動”進行轉變。

充分挖掘電力系統發輸配用各環節靈活可調資源被認為是應對上述挑戰的關鍵［2］。電能替代、用電技術進步及分布式發電技術使得負荷側向數字化、智能化、有源化方向發展，負荷側展現出巨大調節潛力［3］。充分挖掘負荷側調節潛力成為研究熱點和國家發展戰略，“十四五”能源體系規劃明確提出2035 年需求側響應能力達到5%［1］。然而，負荷側分布式可控資源（distributed energy resources，DER）點多、分散且單體容量小，如何實現對海量異構且出力具有不確定性的DER 聚合管控，推動其與電網互動而支撐電力系統運行優化成為負荷側調節潛力挖掘的關鍵［4］。

上述背景下，一種能夠實現海量分布式可控資源協調運行的虛擬電廠管控模式應運而生。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）是一種融合先進通信與控制技術的DER 管理新模式，可將廣泛分布、參數各異的DER 聚合為統一整體，充分利用各資源互補協調潛力，參與電能量市場及輔助服務市場［5-6］。虛擬電廠與傳統發電廠類似，具備功率調節、削峰填谷、旋轉備用與功率支撐的能力。虛擬電廠通過資源聚合與優化控制實現聚合體與電網之間友好互動，逐漸發展成為新能源高滲透率場景下建設新型電力系統的關鍵手段。

DER 聚合管控是虛擬電廠的構建基礎。如何考慮各類資源響應潛力、響應速度、響應時間等特征差異，通過分層聚合與協同優化形成“對外統一、對內協調”的統一整體［7-8］，利用不同特征可控資源參與多時間尺度電網互動是虛擬電廠構建需要解決的問題。DER 數量多、分布廣、總量大且特性各異，直接優化控制單體會產生維數災問題而導致優化方法難以實用，如何設計適應性管控架構，準確把握各類DER 調節特征，進而提出適應各類源-荷-儲性質資源特征的聚合模型及優化管控算法也尚未解決。

鑒于虛擬電廠迅猛發展勢頭及相關研究與試點快速推進實際，本文從虛擬電廠分布式資源聚合管控與運行優化角度出發，總結了虛擬電廠內涵、系統架構、資源建模、資源聚合與優化控制等方面研究現狀。首先，從虛擬電廠內涵與定位、關鍵技術和國內外試點工程實踐應用等方面進行了歸納；隨后，從虛擬電廠工程應用角度總結了基于端-邊-網-云的虛擬電廠管控架構，為虛擬電廠實踐應用提供基礎，并剖析了各層關鍵技術及研究進展；進一步，從單體建模和聚合建模兩個層次整理了適應虛擬電廠分層管控的可控資源單體建模與聚合方法，單體模型采集運行狀態、運行參數等信息作為聚合模型的基礎，聚合模型將控制指令進行解聚合下發至各單體資源；然后，分別從虛擬電廠內部優化管控和虛擬電廠間協同角度歸納了運行優化方法，實現“對外統一、對內協調”；最后，展望了虛擬電廠未來發展前景和需要突破的關鍵技術領域。

1 虛擬電廠內涵及其發展

虛擬電廠的定位與內涵自其產生后不斷變化，虛擬電廠作為一種新型能源管控技術，由最初簡單的分布式能源管控到聚合儲能、分布式電源、可控負荷等海量分布式可控資源的智慧能源管理系統。通過對虛擬電廠的深入研究，虛擬電廠關鍵技術不斷發展，在全球范圍內已有部分國家與地區開展了虛擬電廠的試點示范應用，針對不同定位的虛擬電廠進行了大量的實踐探索，如圖1 所示。這些試點示范應用為我國“雙碳”目標的實現與全球能源轉型提供了應用范式，也為全球清潔能源和智能電網建設提供了新的路徑。

圖1 虛擬電廠內涵與發展Fig.1 Connotation and development of VPP

虛擬電廠在發展初期主要作為單一類型的分布式能源并網手段，虛擬電廠最早來源于Shimon Awerbuch 博士1997 年提出的虛擬公共設施概念，主要強調無資產主體在市場驅動下采用靈活合作方式為消費者提供特定公共服務［9］。“虛擬”和“服務定制”是虛擬電廠的主要特征，按照虛擬電廠資源管控類型，早期虛擬電廠以分布式電源為聚合對象而形成電源型虛擬電廠對中壓配電網提供電壓支撐服務［10］；進一步為實現“源隨荷動”向“源荷互動”轉變，文獻［11-12］以風光電源-負荷為聚合對象，形成具有確定調節容量和爬坡率的源荷型虛擬電廠而參與日前機組組合的調節服務。為了進一步定義虛擬電廠，文獻［13-14］認為虛擬電廠是可控資源與靈活控制技術的組合。在虛擬電廠的定位上主要為支撐分布式電源（distributed generation，DG）可靠并網［6］，克服DG 出力波動性、隨機性對供電平衡調整，進而為分布式電源參與電力市場交易提供媒介。

隨著虛擬電廠的發展，虛擬電廠的定義與定位發生了變化，早期對虛擬電廠的定義僅停留在單一可控資源類型。如今，虛擬電廠逐漸演化為聚合海量分布式電源、儲能、可控負荷的智能管理系統［15］。虛擬電廠的定位由分布式能源可靠并網向海量分布式可控資源聚合管控進行轉變。虛擬電廠成為一個獨立運營的主體，整合內部可控資源參與電力市場能量交易與電網輔助服務，如文獻［16］將虛擬電廠定義為電力市場驅動下，通過協調、優化和控制分布式能源集群而作為一個整體參與電力市場交易及輔助服務；文獻［17］認為虛擬電廠是一種利用市場機制，對分布式能源資源進行協同優化與控制的新型運營模式。文獻［18］設計了虛擬電廠作為一個獨立的主體參與市場交易的體系架構，如圖2 所示。交易體系描述了虛擬電廠協同各可控資源參與市場交易的流程，該體系表明：通過虛擬電廠，原本不滿足市場準入門檻的DG、柔性負荷、分布式儲能，能以聚合體形式參與市場交易。現階段在資源聚合管控領域中，部分學者定義負荷聚合商作為電網與用戶直接交互的媒介，虛擬電廠與負荷聚合商的區別主要體現在二者功能與資源管控范圍不同。虛擬電廠通過聚合分布式可控資源在電網中既可參與發電環節，也可參與用電環節管控資源包含源-荷-儲側多類型分布式可控資源。負荷聚合商更偏向用電類型的負荷側資源管控，利用負荷資源參與需求側響應與電網服務環節。

圖2 虛擬電廠交易體系Fig.2 VPP trading system

隨著“雙碳”目標提出和新型電力系統建設推進，資源聚合、分層控制、協同優化與通信技術等VPP 相關技術在國內不斷發展，逐步由早期的聚合分布式電源參與電力交易發展為支撐源網荷儲一體化、能源互聯網等理念落地的重要形式，成為承載“源隨荷動”向“源荷互動”運行方式轉變、發揮新型電力系統規模化靈活資源調節潛力減碳的重要技術載體。如文獻［19］從動態聚合、安全通信、協同調控、可信交易等領域論述了虛擬電廠核心關鍵技術及關聯支撐關系；文獻［20］從面向碳減排和新能源消納的虛擬電廠調度方式方面歸納了VPP 關鍵技術；文獻［21］針對大量分布式資源集群調度問題，論述新型配電系統調度架構并歸納了DER 的分層聚合方法及協同調度方法。文獻［22］對比了虛擬電廠與主動配電系統、微電網的特征差異，認為VPP 在信息通信基礎設施、電力市場、DER 集成方面具有良好的適用性與靈活性。文獻［7，23］探討了DER 以VPP 形式參與大電網安全穩定控制的控制機制并初步驗證了對頻率穩定支撐效果。

隨著虛擬電廠熱度的增加，全球同步推動了示范工程建設。歐洲國家側重于分布式電源與儲能設備，主要目標是實現分布式發電設備并網，提高電網穩定性［12］。美國主要依靠可控資源實現需求側響應，利用虛擬電廠聚合大量可控資源參與電網調度并提高能源利用效率［13］。我國陸續在上海市、廣東省與冀北地區初步開展了虛擬電廠試點，目前均有不同應用成效。上海虛擬電廠實現了商業建筑的統一控制，構建了可發可用的虛擬電廠。通過利用中央空調等靈活可控資源的用電高峰來消納新能源電力，有效減少了碳排放。廣東省深圳市虛擬電廠試點實踐中構建了“網地一體虛擬電廠運營管理平臺”，實現了電網調度由“源隨荷動”向“源荷互動”的轉換實踐，有效實現了地方分布式資源參與電網互動。冀北地區的實踐應用基于物聯網云平臺實現，構建了云-管-邊-端的控制架構，實現了虛擬電廠的分層分級管理，攻克了資源聚合、市場交易與信息交互等關鍵技術，在調峰調頻輔助服務市場中發揮了重要作用。

2 虛擬電廠聚合管控架構

虛擬電廠在管理分布式資源參與電網互動過程中，需要對可控資源進行建模、聚合與協同控制，這其中涉及眾多可控資源的復雜物理模型和優化控制問題，給虛擬電廠的聚合管控帶來了挑戰。為了降低資源管控的難度、提高資源建模的精度、構建可靠的資源聚合模型，構建安全、高效、穩定的數據信息交互體系是虛擬電廠系統性實現的關鍵。

為了解決上述問題，需要融合資源建模、聚合調控、信息通信等技術，形成完整的虛擬電廠聚合管控體系。目前虛擬電廠的控制方式主要包含集中控制、集中-分散控制與完全分散控制型三種［24-25］。集中控制型虛擬電廠掌握各可控設備的全部信息，在電網調度過程中參與多種電網輔助服務，但該控制方式實現難度大、擴展難度大，對通信技術的要求較高［26］；集中-分散控制型虛擬電廠針對集中控制型中存在的問題進行了改進，通過本地的控制系統進行數據信息收集，但仍需要中央控制系統協調可控資源的分配問題［27］；完全分散控制型虛擬電廠是用數據交換處理器替代了分散型的控制中心，用來提供市場價格等相關信息，具有良好的擴展性［28］。

基于現有虛擬電廠相關實踐與理論研究［8，25］，提出虛擬電廠一種端-邊-網-云分層控制框架，各環節如圖3 所示，來進行虛擬電廠資源管控，該架構主要包含四個方面。

圖3 虛擬電廠端-邊-網-云控制架構Fig.3 VPP end edge network cloud control architecture

1）云端管控層。

云端管控平臺是虛擬電廠的核心，是協調多個子虛擬電廠與火電機組等其他靈活性資源為統一整體的關鍵。在虛擬電廠參與調度決策過程中，云端管控平臺與電網之間進行協調互動，利用各虛擬電廠的運行狀態與運行特性，參與電力市場投標競價與不同時間尺度的電網服務，實現“對外統一”。進一步優化決策出各虛擬電廠的日前出力計劃與發電計劃，并將調度指令按照虛擬電廠之間的協調關系分配至各子虛擬電廠。

云端管控中心的構建需要結合云計算、硬件系統等技術手段，通過收集管轄范圍內的各子虛擬電廠的運行狀態與參數，進而實現統一協調優化。現階段針對云平臺構建方案已有部分研究，文獻［29-30］分析了未來云計算在電網調度中的應用前景，提出了云平臺建設方案；文獻［31］將云平臺設計架構進一步細化，系統性地構建了云控平臺分層運行體系，為新一代云控平臺技術應用提供了范式。

2）通信網絡層。

通信網絡是云端管控平臺與虛擬電廠邊緣控制層鏈接的紐帶，安全可靠的通信網絡是二者之間信息高效傳遞與指令精確下達的關鍵。邊緣控制層匯總各子虛擬電廠運行狀態與參數并上傳至云端控制平臺，進而實現海量DER 參與電網的協同優化。在控制平臺確定各子虛擬電廠的調度計劃后，通過通信網絡下達至各子虛擬電廠。

為了保證通信網絡的安全可靠，在構建電廠通信網絡系統時，要綜合考慮通信延時性、可靠性、經濟性與安全性四個方面。傳統通信技術包含4G 移動通信網絡［32］、光纖通信［33］、電力線載波通信［34］等通信方式，每種方式存在一定優缺點，5G 作為新興發展的移動通信網絡，在未來的虛擬電廠中有很好的應用前景［35］。

3）虛擬電廠邊緣控制層。

虛擬電廠邊緣控制層表現為局域型分布式資源管理的子虛擬電廠，每個子虛擬電廠基于硬件資源，融合大數據、人工智能等技術，對內部各可控資源進行資源建模與聚合，對可再生能源出力與電力負荷進行預測［36］。在與電網交互的過程中，各子虛擬電廠基于各可控資源聚合模型提取出功率調節邊界、爬坡速率等外特性，進而整合出自己的運行狀態與運行特性并通過通信網絡上傳至云端管控平臺。另一方面，通過本地計算系統，實現對電網調度指令的協調分配與解聚合，實現“對內協調”。

虛擬電廠邊緣控制層為小型的虛擬電廠，具備一定計算能力并靠近資源終端，所以擁有出色的低延時數據采集能力，這使其能在一定程度上進行高效的就地優化決策，進而實現對資源的即時管理［37］。而云端控制平臺具有高效的計算能力，但海量資源信息使其面臨巨大壓力，難以實現海量資源的統一優化決策。為了提高分布式資源優化決策過程中的效率，文獻［38］介紹了云邊協同控制方法；文獻［39］提出了一種云邊協同虛擬電廠日前調度方法，利用子虛擬電廠對可控資源進行分布式優化，降低云端控制中心的優化決策壓力，通過算例驗證了該方法在虛擬電廠實時調控中的效果。

4）智能終端層。

智能終端是各可控資源附帶的智能監控裝置，是資源調控的底層單元，包含資源控制、狀態監測、安全并網等功能。各可控資源通過智能監測裝置來獲取設備功率、參數與工作狀態等信息，通過本地局域網絡上傳至虛擬電廠邊緣控制層，實現對海量DER 進行建模與聚合。同時，設備終端還能夠響應邊緣控制層下發的控制指令，最終實現電網調度的終端控制。

在端-邊-網-云控制架構下，虛擬電廠結合物聯網、人工智能、5G 通信等技術，利用終端監測設備匯總海量DER 設備信息，在邊緣控制層形成各子虛擬電廠內部資源聚合模型，并上傳運行狀態與運行特性至云端控制平臺參與電網互動。云端控制平臺與子虛擬電廠形成“對外統一、對內一致”的運行優化體系，最終通過智能終端實現各可控資源的分布式控制。

3 虛擬電廠內可控資源建模

虛擬電廠中的DER 通常具有異質性、分散性與隨機性的特點，精確構建DER 的物理模型是虛擬電廠分析自身運行狀態的關鍵，更是虛擬電廠參與電網調度的關鍵。

現有資源建模方法通常由物理模型出發，基于設備物理運行原理，精細化構建資源模型，有利于提高各資源之間的協調配合能力，提高能源利用效率。針對熱電聯產系統，文獻［40］構建了熱電聯產機組運行模型，結合了光伏電池、風電等可再生能源，有效降低了系統運行成本，提高了系統新能源消納能力。然而熱能傳遞具有延時性，為了實現對熱能的精確分析，文獻［41］提出了一種熱能系統構建方法，能夠精細化計算熱網溫度的變化過程；進一步將建模擴展到冷熱電聯供系統，文獻［42］提出了一種針對不同系統組成的母線式結構模型，設計了對應的優化框架并具有很好的工程應用效果。

為了探究儲能對電力系統穩定性的影響，文獻［43］構建了包含電-熱-氫多種儲能的系統模型。文獻［44］構建了儲能系統模型，有效應用于平滑風電出力。針對虛擬電廠中負荷側典型資源主要為熱泵、空調、熱水器等溫控負荷，目前溫控負荷的聚合通常基于物理模型出發，采取一階熱力學等值模型對溫控負荷的運行狀態進行描述，模型表示為溫度與功率之間的關系［45］。文獻［46-47］對包含熱泵、空調、熱水器等溫控負荷進行了建模，基于設備運行特性來確定模型參數與運行邊界，通過經濟調度驗證了模型的效果。電動汽車作為近年來快速發展的負荷側資源，其物理模型的構建已有大量研究。文獻［48-49］基于電動汽車物理運行原理，構建考慮離并網時間的電動汽車數學模型；進一步，文獻［50］構建了考慮充電方式的電動汽車模型，有效提高了負荷側資源的調度靈活性與電力系統運行經濟性。

目前對于可控資源的建模已經比較成熟，然而精確的物理模型往往要考慮壓強、熱動態過程等多種復雜因素，進而導致模型構建與求解出現困難，該情況下通常需要對模型進行一定的簡化來提高求解效率。如何在考慮物理運行原理的基礎上實現資源高效建模仍有待進一步研究。

4 虛擬電廠資源聚合模型構建

云端管控平臺在對虛擬電廠內部可控資源優化控制的過程中，會產生大量待求解的決策變量，在優化求解問題中，模型的求解難度以決策變量的維數呈指數增加，大量的決策變量會出現維數災的情況。另一方面虛擬電廠參與電力市場交易過程中，通常要保護內部設備模型的具體參數，進而保證自身的競爭優勢［51］。如何通過聚合手段聚合海量可控資源并進行外特性封裝，是降低系統優化求解難度，保護用戶隱私的關鍵。

4.1 新能源發電

虛擬電廠中源-荷-儲端的海量可控資源的聚合是虛擬電廠多能協同的關鍵，是系統參與優化運行的基礎。對于電源側，風、光等分布式可再生能源具有波動性與不確定性，導致出力情況難以預測。為了實現分布式電源的聚合管控，需要基于出力不確定性進行建模，文獻［52］利用概率密度函數處理不確定性問題，實現了風光資源聚合；文獻［53］首先分析了分布式電源調節的靈活性，構建一種分布式電源出力隨機性的定量描述方法，實現了不確定性分布式電源的聚合管控，有效提高了電網靈活性。

4.2 儲能

儲能資源因具有功率快速調節與供能的特點，能夠有效平滑新能源出力、提高新能源消納比例［54］。在未來隨著儲能技術的深入發展，大規模分布式儲能將接入電網，如何利用分布式儲能來提供快速、有效的電網服務是規模化利用儲能資源的關鍵。儲能的數學模型十分相似，聚合難度小，聚合的關鍵在于資源的分配過程。現有研究中通常采用一致性控制方法來實現對分布式儲能的控制，通過將調度指令在分布式電源間進行均分或者統一荷電狀態，依據儲能容量比例分配［55］。文獻［56］設計了一種多代理協調控制策略的儲能功率配置方法，具有很好的擴展性，能夠有效減小通信壓力；文獻［57］基于一致性理論提出了一種多組混合儲能控制模型，實現了不同類型儲能之間的功率分配。

4.3 溫控負荷

對于負荷側資源的聚合管控，現有文獻大都將負荷分為可中斷負荷［58-59］、可轉移負荷［60-61］、可削減負荷［62］三類，該類分析方法沒有充分考慮負荷側設備的物理模型，僅在宏觀的角度分析資源集群的功率響應能力，缺乏對各類資源調節能力的精確計算。為了充分利用負荷側資源的調節能力，需要構建能夠精確量化資源集群運行狀態的聚合模型。在負荷側的研究中，常見的負荷資源包含空調、熱泵、熱水器等溫控負荷與電動汽車，現階段學者對溫控負荷的建模方法與資源聚合方法已有大量研究，按照不同需求，利用不同的聚合模型來進行資源聚合。

通過構建溫控負荷一階熱力學等值模型可以實時計算各資源的運行狀態，基于資源單體模型進一步可以構建資源集群聚合模型。為了衡量負荷集群的功率水平，文獻［63-64］構建了狀態序列聚合模型，他們將溫度控制區間進行分組，通過計算各組的概率密度來計算聚合功率。為了能夠反應空調集群的功率變換過程，文獻［65］通過構建變狀態數的狀態序列模型，有效提高了聚合精度。狀態序列模型原理簡單，求解難度小，但聚合精度一般且不適用于參數異質性強的場景。為了提高聚合模型構建的精度與適用場景，文獻［66］提出了一種基于蒙特卡洛模擬法的溫控負荷集群Fokker-Planck 聚合模型；為了實現對模型的高效求解，文獻［67］提出了一種溫控負荷集群Fokker-Planck 聚合模型的拉普拉斯反變換求解方法。該模型能夠有效反映負荷集群工作過程中的開關狀態，精確計算聚合功率，然而模型存在求解困難或非可行解的情況，難以廣泛推廣應用。為了進一步反映虛擬電廠外特性，簡化模型求解過程，增加模型適用范圍，文獻［68-69］將室溫看作能量儲能系統，將溫控負荷功率看作儲能充放電功率，構建了定頻型溫控負荷的虛擬儲能模型，并提出了參數確定方法。虛擬儲能模型具有良好的普適性，還能夠實現變頻空調的聚合［70］。文獻［71］進一步模擬了模型在電力市場中的運行行為，發現模型在一定程度上能夠替代傳統鋰電池在電網服務中的作用。虛擬儲能模型原理簡單，能夠實現異質性負荷的聚合，具有很好的推廣前景。

4.4 電動汽車

電動汽車使用規模的不斷擴大，在傳統的集中控制模式下同樣會產生維數災的問題，如何減少優化過程中的模型求解難度是電動汽車聚合的關鍵。文獻［72］構建了一種按照電壓等級進行劃分的分層聚合模型，針對同層資源進行統一調度來降低算法求解難度；文獻［73］構建了一種考慮多重不確定性因素的電動汽車聚合模型；文獻［74］定義了用戶滿意度概念，構建了一種可擴展至各類柔性可控資源的電動汽車聚合模型，進一步實現了多類型資源的統一聚合。

通過對虛擬電廠內部源-荷-儲各類可控資源的聚合，基于資源聚合模型能夠進一步擬合資源集群的外特性，例如爬坡率、響應時間與調節潛力等特征。通過整合各資源集群的外特性能夠生成虛擬電廠整體運行特征，進而形成虛擬電廠運行邊界，為優化運行提供基礎。

5 虛擬電廠內運行優化

虛擬電廠內部運行優化，即根據虛擬電廠運行目標制定最優運行決策的過程。在優化決策過程中，虛擬電廠通過各資源聚合模型，結合各智能終端采集的設備運行狀態與參數等信息確定系統運行邊界，進而形成虛擬電廠內部優化約束條件。虛擬電廠在電網中主要參與電力市場與電網輔助服務，參與方式如圖4 所示，優化調度中的目標主要為經濟效益最優或電網輔助服務能力最優。

圖4 虛擬電廠內運行優化Fig.4 Optimization of operation in VPP

5.1 經濟調度

虛擬電廠作為獨立運營的主體，在激烈的市場競爭中，用能效率是保持競爭力和盈利能力的關鍵。在經濟調度下，針對虛擬電廠研究的側重點各不相同，為了提高電網對分布式能源消納能力，文獻［7］則根據虛擬電廠的組成單元特征構建虛擬電廠源-荷-儲多元備用容量系統，在降低棄風電量方面效用顯著；文獻［75］在經濟調度中，構建了風光儲分層容量配置模型，利用負荷側可控資源，有效提高了負荷曲線與可再生能源曲線的吻合度，在提高了新能源消納比例的同時還優化了電池配置容量；文獻［76］通過動態聚合分散式可控資源，構建了電力市場雙層交易互動模型，有效提高了能源利用率的同時降低了運行成本。

在“雙碳”政策下，碳排放量成為虛擬電廠運行過程中的一大重要指標，碳交易和綠證交易能夠有效減少虛擬電廠的運行成本［77］。文獻［78］提出了一種考慮階梯式碳交易和綜合需求響應的虛擬電廠低碳經濟調度方法，建立了虛擬電廠低碳經濟調度模型，有效提高了電力系統的經濟性并降低了碳排放量；文獻［79］將發電側與需求側調峰資源相結合，建立核-火-虛擬電廠三階段聯合調峰模型，并引入碳交易機制，從經濟性與低碳性兩方面綜合分析運行成本；文獻［80］建立了一種碳交易機制下計及用電行為的虛擬電廠經濟調度模型，使可再生能源能參與到碳交易中，并促進用戶側與發電側的協同，提高虛擬電廠的減排效益。

在經濟調度中，通常構建激勵型響應的運行成本函數來引導用戶行為。文獻［81］考慮激勵型需求響應的VPP 優化調度，通過激勵型響應引導用戶側柔性負荷參與調度決策，有效提高了系統運行的經濟效益；文獻［82］提出了一種基于激勵型需求響應的多級補償電價機制，以收益最大為目標，建立了虛擬電廠參與日前市場和日內平衡市場的兩階段經濟調度模型，有效平衡了風光出力偏差，提高虛擬電廠的收益。文獻［83］將電價型和激勵型需求響應措施相結合，建立電熱綜合需求響應模型，有效提高了虛擬電廠運行中的經濟效益。

虛擬電廠在經濟調度的同時會受到電力市場價格機制，如分時電價的影響。文獻［84］提出一種基于風電功率的分時電價劃分方法，實現虛擬電廠聚合蓄熱式電采暖參與基于分時電價的清潔供暖交易優化運營，達成減小棄風，提高經濟效益這一目標；文獻［85］基于分時電價機制以虛擬電廠經濟最優為目標，增加功率平衡、風/光新能源預測出力和儲能系統運行成本等系統約束條件，建立虛擬電廠經濟最優調度模型。

5.2 電網輔助服務

此外，虛擬電廠運行優化另一大目標是提高虛擬電廠運行的穩定性即做到緊急功率支撐。目前常用支撐手段如調頻，文獻［86］采用虛擬發電廠整合分布式能源參與電力系統的一次調頻，提出虛擬發電廠采用串聯運行控制和并聯運行控制兩種控制策略，使虛擬發電廠減小新能源接入電網的沖擊性。文獻［87］計及VPP 有功功率響應對電網頻率動態的影響，構建擴展系統頻率響應模型，能夠有效評估并調整VPP 支撐大電網頻率穩定的能力，提高擾動事故后的暫態最低頻率。

在緊急功率支撐方面，文獻［23］提出了VPP 參與電網緊急控制機制與調控策略，從而將DER 納入電網緊急控制技術體系。文獻［88］則構建兼顧物理狀態和用戶行為的DER 運行模型，提出考慮狀態轉移及邊界約束的緊急功率多時間尺度調節能力在線計算方法，構建更加靈活的網源荷儲互動的新型緊急控制系統。

6 多虛擬電廠協同優化

多虛擬電廠協同優化是指將多個虛擬電廠作為一個整體來進行管理和優化，以提高能源效率和經濟效益。在這種模式下，多個虛擬電廠通過先進的信息技術和控制系統相互連接，共享資源和信息，共同對分布式能源資源進行優化調度。

虛擬電廠需要彼此之間相互配合才能更有效地發揮自身的調節能力，多個虛擬電廠之間呈現互補合作關系，此時虛擬電廠間的協同優化往往需要與博弈論手段進行結合。為了提高虛擬電廠整體配合的效果，最大程度發揮虛擬電廠的綜合調節能力，文獻［89］提出了一種考慮碳交易的多虛擬電廠聯盟博弈優化方法，有效提高了分布式資源的綜合運行效益與能源利用率；文獻［90］針對多個VPP 間的交易博弈問題，考慮物理網絡特性對博弈過程的影響，提出了計及配電網運行約束的多VPP 合作博弈策略。文獻［91］將主從博弈與Kriging 模型相結合，建立DSO 和VPP 的一主多從博弈模型，并提出基于Kriging 模型的主從博弈均衡算法。虛擬電廠作為獨立運行的經濟主體，往往要考慮自身運行的經濟性，在多個虛擬電廠間還存在競爭關系，文獻［92］則綜合考慮多虛擬電廠形成的多決策主體利益關聯與沖突的局面，建立了考慮網絡安全約束的多虛擬電廠主從博弈優化運行方法。文獻［93］提出了多VPP 日前隨機博弈與變時間尺度協同優化方法，針對實時預測信息的更新和波動，考慮調度偏差減少率與綜合成本增加率的博弈，有效適應多種不確定性運行場景，在保證經濟性的同時提升了功率曲線跟蹤能力。

魯棒優化采用不確定集表征參數不確定性，克服隨機規劃中不確定參數概率分布難以準確獲取的困難，且決策方案可以根據魯棒系數靈活調節，實現經濟可靠運行。文獻［94］構建了多虛擬電廠非合作動態博弈日前市場優化交易模型，將確定性競標模型擴展為兩階段魯棒優化模型，并通過列約束生成算法對主、子問題進行交替求解，為虛擬電廠市場交易提供思路和參考。文獻［95］提出了一種基于非合作博弈理論和魯棒優化思想的多VPP 參與日前市場的競標博弈方法，通過強對偶理論和魯棒優化方法將確定性競標模型擴展為魯棒優化模型，并在模型中引入了魯棒調節系數來靈活調整VPP 競標方案的保守性。

此外，多虛擬電廠協同優化的研究除了優化手段，也針對不同場景進行了眾多研究。在多時間尺度場景下，文獻［96］基于多虛擬電廠參與電力市場時的雙層協調機制，和減小預測不確定性這一目標，建立基于機會約束規劃的多時間尺度優化模型。文獻［97］考慮可再生能源出力、電力負荷和電價等一系列不確定性因素，提出了高比例可再生能源滲透下的多虛擬電廠日內兩階段優化調度模型。考慮電力市場的參與和電價不確定性場景下，文獻［98］提出了滿意度的概念，為多VPP 之間電量交易提供合理的電價制定方案，從而為雙邊合同的簽訂提供了定量依據，同時為增量配電網投資商提供了具有參考價值的運營策略。

7 發展前景與挑戰

隨著我國對清潔能源的大力發展，虛擬電廠技術在提高新能源并網穩定性、提高未來新能源占比具有關鍵作用，具有很廣闊的發展前景。現有國內外關于虛擬電廠的研究還不能完全適用于我國目前的發展狀況，虛擬電廠在實際應用中的發展前景與未來的挑戰可能包含以下幾個方面：

1）虛擬電廠對內部各資源進行建模的過程中，精細化的模型構建能夠精確反映虛擬電廠的運行特征與調節邊界，能夠為虛擬電廠運行優化提供有效支撐。精確的模型構建需要基于各資源物理運行原理，例如在熱能傳輸中涉及熱網的構建，氣體傳輸的過程中涉及壓力、流量等信息的建模，這無疑加大了模型構建的難度。如何在簡化資源模型的過程中還能有效提高模型的精度仍有待研究。為了同時降低模型運算難度并提高模型通用性便于資源聚合，可以考慮構建資源多類型、異質性一階通用數學模型，便于虛擬電廠的資源管理與可調能力的分析。

2）在資源聚合方面，為了構建資源聚合模型，往往需要獲取單體資源的模型參數。然而海量分布式可控資源的模型參數有數量多、獲取難度大的特點。如何通過合理手段模擬分布式資源中的異質性參數，進而形成聚合模型參數，是提高聚合模型精確程度的關鍵。未來可以采用神經網絡曲線擬合能力來實現資源集群的聚合模型參數擬合，利用海量可控資源的運行狀態來進行模型訓練，利用擬合后的參數表征資源集群的運行情況。

同時在資源聚合過程中，低成本通信技術與海量數據實時可靠交互十分關鍵。還須解決在數據傳輸過程中產生的數據丟失與誤差問題，實現不完整數據優化。

3）在運行優化方面，由于用戶行為、資源參數、模型誤差、通信延時等不確定性因素導致的優化過程中的優化目標確定性與優化條件不確定性之間的矛盾成為挑戰。通常表現為系統運行中的多種不確定性因素對優化模型的影響，例如風光出力的不確定性、電動車用戶行為的不確定性、溫控負荷用戶響應意愿的不確定性等。大量不確定的因素會導致系統在響應的過程中出現誤差，影響虛擬電廠優化調度的結果。充分考慮各類資源中的不確定性因素使得虛擬電廠更有效地參與經濟調度與電網服務。

4）虛擬電廠在運行過程中，往往需要保證自身內部資源的信息不被泄露，以此來保證自身在電力市場中的競爭力。如何系統性構建虛擬電廠信息交互環節，保證信息交互過程中的安全性十分關鍵。未來虛擬電廠的發展中，可以通過分層信息傳輸框架來保證信息的安全性，利用多個小型管控終端實現局域資源信息采集與管控，通過外特征整合后上傳至虛擬電廠云端控制中心，既能充分發揮虛擬電廠的調節能力，又能保證內部信息的安全。

8 結束語

隨著可再生能源滲透率不斷提高，火電機組比重逐漸下降，電網調度靈活性受到挑戰。虛擬電廠通過先進的通信、聚合、控制技術，能夠協同海量分布式可控資源參與電網互動，是提高電網靈活性、促進分布式資源與大電網協同優化運行、促進電力系統清潔高效穩定運行的有效技術手段。

基于虛擬電廠的定義，文中梳理了虛擬電廠的發展歷程，認為虛擬電廠是協同源-荷-儲多類型分布式可控資源的資源管控平臺，是統一海量分布式資源參與大電網互動的重要手段。基于我國現有虛擬電廠相關研究與具體實踐，梳理端-邊-網-云系統分層聚合管控框架，并提出了虛擬電廠中的關鍵問題。按照資源類別介紹了目前虛擬電廠中各類分布式可控資源典型的建模與聚合方法；在協同優化方面，構建雙層協同優化架構，形成對內部資源協調優化、外部獨立參與市場交易與電網服務的“對外統一、對內協調”的運營模式；最后，各研究內容結合相關技術難點進行了展望。

虛擬電廠將成為未來高比例可再生能源場景下新型電力系統的關鍵技術手段，文中研究為虛擬電廠系統運行架構與相關關鍵技術提供理論支撐，現階段我國的虛擬電廠發展仍處于起步階段，在未來虛擬電廠仍需要進一步的理論與實踐研究。