淺談某園區虛擬電廠運營模式

山西啟申綜合能源服務有限公司 郭建華 山西泰和智達機電工程有限公司 李 強

華潤新能源投資有限公司山西分公司 張艷鋒 王明明

隨著社會對環境保護的要求越來越高，可再生能源成為未來全球能源發展的主要方向，其中分布式能源快速發展，園區通過將一定范圍內的分布式風光發電機組、可調控負荷以及儲能設施進行有機結合，然后通過電網配套的通訊控制技術，來實現對該虛擬電廠的控制和管理，園區內相關用戶及其設備可以看作一個整體來參與電網運行，這就組成了一個虛擬的電廠。本文以某園區為例，對園區虛擬電廠運營模式進行探討。該園區虛擬電廠主要是由“1+2+N”模式構成，實現園區用戶在滿足高質量電能的同時，實現冷、熱、氣等能源的供應與利用。

1個平臺：即園區虛擬電廠智慧管理平臺，通過該平臺能夠實現各個設備數據及人機交互信息的計算、存儲，將分布式能源運行管理、交易、服務等功能集合起來，實現運維者及用戶對運行狀態的直觀顯示與分析，同時滿足各類可調分布式能源與電力系統的實時交互，達到快速響應的目的。

兩張網絡：包括以園區配電網為核心的多能流網絡與以“云管邊端”架構為核心的電力物聯網絡，兩張網絡相互交互配合，實現園區電能在冷、熱、氣等多能源匯集傳輸和轉換利用中的樞紐作用。

N 方應用：電力系統對綜合能源的容納能力是考核電網網架結構及供電能力的重要標志，對電力用戶而言，提供便捷參與的技術手段、市場化參與的渠道和可持續的商業模式。對電網而言，提高綜合能源可觀可控性，提升電網安全穩定運行水平，提高電網供電可靠性，為用戶提供優質的電能和服務。對園區內分布式發電企業而言，提高綜合能源存量機組利用效率，促進新能源消納，對新興市場主體，拓展業務模式，形成商業新業態，豐富園區企業收入多樣性。

1 某園區虛擬電廠的特點

某園區虛擬電廠具有一整套控制與優化系統，能夠將發電機組、儲能設備、用戶負荷等有機結合起來，精確控制用電需求和發電輸出平衡，達到綜合能源最大程度的控制與使用。以園區內一個廠房為例，在冬夏兩季用電高峰期，園區虛擬發電廠控制系統通過對廠房內各泵與風機、中央空調等用電負荷參數進行一定的柔性調節，就能夠通過減負為電網釋放超過幾百甚至幾千千瓦電能，如果管控幾百個廠房，就能夠釋放幾萬到幾十萬的電能。相比于傳統調峰方式，各個電廠必須留有一定的備用容量，在用電高峰期電網調度部門根據外部需求和可用的備用容量，直接下發負荷指令到每臺機組，這種方式簡單粗放，經濟性不佳。該園區虛擬電廠相較于其他形式的虛擬電廠具有以下特點。

用戶集中：某園區用戶包括多種類型，空調、給排水、高低壓配電、電梯、照明、智能家居、汽車充電樁、電動車充電樁、無人售賣/ 醫藥、視頻安防監控、停車場管理、樓宇自動化等多種物聯網傳感系統集中在一個園區，具備聚集效應，降低運維成本。基于園區虛擬電廠平臺，連接園區海量數據，實現數據與業務的融合，以數字智能為基礎，幫助園區構建標準化的資產運營體系和智能化的運營決策模型，實現園區精細化運營。

規模較大：某園區主要分為企業生產園區、政府規劃園、居住區、商業大廈四種，園區內涉及居民住戶、商鋪和工業車間等，具有一定的規模效應。通過智能抄表器-云協同，形成用戶日能耗曲線，支持年/月/日/小時能耗同比及環比分析，能耗可視化分析，智能預測和異常報警，有效提高園區能源消耗效率，通過運維平臺進行能耗分析，幫助園區用戶優化能耗支出，降低企業運營成本。同時，打通企業、園區、政府關注的各類數據，通過清洗、分類、分析、整合、應用、可視化等環節，整合多源數據，挖掘價值，構建園區大數據可視化平臺輔助決策，為園區產業數字化服務創造條件。

2 某園區虛擬電廠的運營模式

某園區中的工業用戶和住戶可以利用屋頂或者空地，可以鋪設光伏板件和安裝風機等設備組成一個小型發電廠，每個小型發電廠可根據自身需求配置蓄電池和智能表計，通過自動化通訊控制技術將這些設備進行連接，進行統一管理，組成一個虛擬電廠。該虛擬電廠在園區需要用電的時，通過光伏和風力發電、蓄電池以及電網供電來滿足自身需求。在光伏和風電無法完全自身消納的情況下，電量可通過蓄電池或者園區內的電動車進行存儲，也可一起向電網供電。

由于園區虛擬電廠實行集中管理，可通過AGC 等設備進行控制，由于其自身具備的多種優勢，可較好地參加到電力市場中來。園區虛擬電廠通過對多個分布式單元進行聚合成為一個整體參與電力市場運營，既可發揮傳統電廠出力穩定和批量售電的特點，又由于聚合了多種發電單元而具有較好的互補性。虛擬電廠所參與的電力市場包括日前市場、實時市場、輔助服務市場等，由此可建立日前市場、雙邊合同、平衡市場及混合市場等多種市場模型。考慮虛擬電廠中可再生能源出力、負荷和實時電價等不確定因素，在不同市場環境下建立調度和競價模型，使虛擬電廠具有更廣泛的適用性。

基于博弈論建立科學的合作機制，確保虛擬電廠的穩定性。博弈論主要研究存在利益關系或沖突的多個決策主體，根據自身能力和了解的信息，如何各自進行有利于自己或決策者群體的決策的理論。基于博弈論，認為園區虛擬電廠內的所有發電和用電單元，以及虛擬電廠與外部所有運營商均為合作博弈。根據合作博弈理論制訂科學的合作機制，包括虛擬電廠內部聚合的多個發電或用電單元之間的合作機制、虛擬電廠與集成運營商、配電網或輸電網以及電力市場運營者之間的合作機制，保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期的參與積極性，確保虛擬電廠的穩定性。

3 某園區虛擬電廠的收入模式

某園區虛擬電廠在參加電力市場交易的收入來源主要有政府補貼、峰谷電價差、輔助服務費、需求側響應的激勵收入等。

政府補貼：針對園區安裝太陽能、風電等自用式可再生能源，政府層面會對度電進行補貼，目前這種補貼是家用光伏安裝普及的主要驅動力。通過該補貼政策，不管是發電自用還是上網，都能獲得一定收益，對于光伏用戶來講，目前的投資回收期在6～8年，對于工商業用戶，由于其用電價格較高，結合目前的補貼情況，投資回收期更短。

峰谷電價差：隨著電力競價上網政策的推廣，從電力現貨市場交易來看，發電側和用電側的電價都不再是固定不變的，而是根據供需情況在限定范圍內隨時變化，這就造成了一天之內電價高低不同。特別是隨著風電、光伏等間歇性能源占比越來越高，電價波動也會越來越大，為這種具備雙向調節性質的虛擬電廠提供了可靠的收入來源。峰谷電價差的收入模式，在一些實行競價上網的國家將會是虛擬電廠收入的主要來源之一。根據實地調研澳大利亞南澳大利亞州電力市場，該州風電和光伏裝機占比35%，燃氣裝機占比59%；其中清潔能源發電量占比50%，已經是該州主要的電力來源，該州根據供需情況，電價在5～185美元/MWh（1美元約合7.194人民幣）之間波動，如圖1所示。

圖1 南澳電力市場日曲線圖

圖2 HPR 電站頻率快速響應

圖3 傳統汽輪機AGC 響應曲線

圖4 HPR 電站AGC 響應曲線

輔助服務費：隨著電動汽車雙向充電技術的發展，電動汽車是可以移動的蓄電池，結合智能電網的發展，可根據電網調控中心指令進行充放電。另外，蓄電池具備響應速度快、指令跟隨性好、調節精度高等特點，屬于高質量的自助服務設備。

在南澳大利亞州（Hornsdale Power Reserve，HPR）儲能電站特斯拉汽車電池在2017年和2018年電網故障時提供了快速可靠的頻率支撐，成為南澳大利亞州明星電站。對南澳大利亞州特斯拉汽車蓄電池的AGC 跟蹤曲線，以及傳統形式的汽輪機發電站的AGC 跟蹤曲線進行對比，可以看出HPR 電站AGC 響應更加迅速準確。

由于蓄電池系統高質量的輔助服務，必然在低碳能源時代更受歡迎，也將享受更高的輔助服務費用，所以園區內電動汽車連同園區內配置的專用蓄電池可一起參與有償輔助服務，也將獲得較好回報。

需求側響應激勵收入：電力系統要時刻保持供需動態平衡，通常的做法是，電網調度公司根據負荷變化情況，通過調度指令對供給側發電廠進行出力調節來實現。但由于需求側負荷是隨時變化的，有的需求是很短暫的，為滿足這種變化而建設大量電站，在負荷下降后就會被閑置，造成資源的嚴重浪費。為了解決這種局面，園區虛擬電廠引入了需求側響應的概念：根據電力供需情況，在需求側通過減少或者延遲電力負荷來實現供需平衡，這就是需求側響應（Demand Response）。

目前，我國政府已經從國家層面出臺了需求側管理的制度，各省也在逐步落實，并制定了一些激勵措施，所以預計后續隨著制度的完善，需求側響應激勵收入也是該園區虛擬電廠收入來源之一。

4 結論

園區虛擬電廠的發展對于電力市場和社會具有重要意義。首先，某園區虛擬電廠將風、光、儲、用四者進行有機結合，聯合調度，避免了單一能源形式的不穩定性，對電網穩定運行具備重要意義。其次，該園區虛擬電廠通過儲、發、用協調配合，積極參與需求側響應，還可促進間歇性清潔能源消納，降低碳排放，同時增加分布式可再生能源裝機容量，減少二氧化碳的排放量。最后，該園區虛擬電網與用戶相結合，降低用戶用電成本的同時，還可以為用戶創收，利于貧困戶脫貧等社會效益。