虚拟电厂的概念和发展

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1、第八组： 虚拟电厂的概念与发展虚拟电厂的概念与发展虚拟电厂的概念与发展虚拟电厂的概念与发展 前言 虚拟电厂”这一术语源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作 虚拟公共设施:新兴产业的描述、技术及竞争力一书中对虚拟公共设 施的定义如下:虚拟公共设施是独立且以市场为驱动的实体之间的一种 灵活合作,这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要 的高效电能服务。正如虚拟公共设施利用新兴技术提供以消费者为导 向的电能服务一样,虚拟电厂并未改变每个DG并网的方式,而是通过先 进的控制、计量、通信等技术聚合DG、储能系统、可控负荷、电动汽 车等不同类型的分布式能源(distribute

2、denergyresources,DER),并通过 更高层面的软件构架实现多个DER的协调优化运行,更有利于资源的合 理优化配置及利用。虚拟电厂的概念更多强调的是对外呈现的功能和 效果,更新运营理念并产生社会经济效益,其基本的应用场景是电力市 场。这种方法无需对电网进行改造而能够聚合DER对公网稳定输电,并 提供快速响应的辅助服务,成为DER加入电力市场的有效方法,降低了 其在市场中孤独运行的失衡风险,可以获得规模经济的效益。同时, DER的可视化及虚拟电厂的协调控制优化大大减小了以往DER并网对 公网造成的冲击,降低了DG增长带来的调度难度,使配电管理更趋于合 理有序,提高了系统运行的稳定性

3、。 虚拟电厂的概念与发展 1虚拟电厂的定义 目前,从整个世界范围来看,虚拟电厂的研究和实施主要集中于欧洲和北 美。根据派克研究公司(PikeResearch)公布的数据,截至2009年底,全球虚拟电 厂总容量为19.4GW,其中欧洲占51%,美国占44%;截至2011年底,全球虚拟电厂总 容量增至55.6GW。然而,欧洲与美国虚拟电厂的应用形式有着显著的不同,欧 洲各国的虚拟电厂亦各具特色。欧洲现已实施的虚拟电厂项目,如欧盟虚拟燃 料电池电厂(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)项目、荷兰基于功率匹配器的虚 拟电厂项目、欧盟FENIX(flexibleelectri

4、citynetworktointegrateexpected)项目 以及德国专业型虚拟电厂(professionalVPP,ProViPP)试点项目,主要针对实现 DG可靠并网和电力市场运营的目标考虑而来,DG占据DER的主要成分;而美国 的虚拟电厂主要基于需求响应计划发展而来,兼顾考虑可再生能源的利用,因此 可控负荷占据主要成分。因此,尽管虚拟电厂的概念已提出十余年之久,但对于 虚拟电厂的框架尚无统一的定义。 对虚拟电厂不同的定义,如虚拟电厂被定义为依赖于软件系统远程、自动 分配和优化发电、需求响应和储能资源的能源互联网;虚拟电厂被定义为与自 治微网相同的网络;虚拟电厂被定义为以直接集中控制

5、方式聚合可控分布式能 源(controllabledistributedenergy,CDE)单位或主动用户网 (activecustomernetworks,ACN)的信息通信系统。 欧洲FENIX项目将虚拟电厂的概念定义为:虚拟电 厂聚合众多不同容量的DER,通过综合表征每一 DER的参数建立整体的运行模式,并能够包含聚 合DER输出的网络影响。虚拟电厂是DER投资组 合的一种灵活表现,可以在电力市场签订合同并 为系统操作员提供各种服务。 综合看来,虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信 ”和“聚合”。虚拟电厂可认为是通过先进信息通信 技术和软件系统,实现DG、储能系统、可控负 荷、电动汽车等

6、DER的聚合和协调优化,以作为 一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协 调管理系统。图中：表示机组；表示负 荷。 目前,国内有些文献将“能效电厂”称之为虚拟电 厂,这与文中所述“虚拟电厂”的概念有所不同,但 二者都属于广义上的虚拟电厂。能效电厂是指通 过采用高效用电设备和产品、优化用电方式等途 径,形成某个地区、行业或企业节电改造计划的 一揽子行动方案,降低用电负荷,等效产生富余电 能,从而达到与实际电厂异曲同工的效果。可以 看出, 能效电厂的实现形式在于需求侧的有效节电,而 虚拟电厂的实现形式在于电源侧有效分配和管理 DG发电、储能充放电和可控负荷。 2虚拟电厂与微网的区别 虚拟电厂和微

7、网是目前实现DG并网最具创造力 和吸引力的2种形式。对于微网的定义,国内一般认为: 微网是指由DG、储能装置、能量转换装置、相关负荷 和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个 能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与 外部电网并网运行,也可以孤立运行。微网技术的提出 旨在解决DG并网运行时的主要问题,同时由于它具备 一定的能量管理功能,并尽可能维持功率的局部优化与 平衡,可有效降低系统运行人员的调度难度。实际上, 尽管虚拟电厂和微网都是基于考虑解决DG及其他元件 整合并网问题范畴,但二者仍有诸多区别。 微网采用自下而上的设计 理念,强调“自治”,即以DG与用户就地应用 为主要控

8、制目标,实现 网络正常时的并网运行以及网络发 生扰动 或 故障时的孤岛运行。而虚拟电 厂的概念强调“参与”,即吸引并聚合各 种DER参与电网调度和电力市场交易,优化DER组合以满足电力系统 或市场要求为主要控制目标,强调对 外呈现的功能和效果。 微网的构成依赖于元件(DG、储能、负荷、电力线路等)的整合,由于电网拓 展的成本昂贵,因此微网主要整合地理位置上接近的DG,无法包含相对偏远和 孤立的分布式发电设 施。虚拟电 厂的构成则依赖于软件和技术:其辖域(聚 合)范围以及与市场的交互取决于通信的覆盖范围及可靠性;辖域内各DER的 参数采集与状态监 控取决于智能计量(smartmetering)系

9、统的应用;DER的优 化组合由中央控制或信息代理单元进行协调 、处理及决策。因此,引入虚拟 电厂的概念不必对原有电网进行拓展,而能够聚合微网所辖范围之外的DG。 设计 理念 微网相对于外部大电网表现为单 一的受控单元,通过公共耦合开关, 微网既可运行于并网模式,又可运行于孤岛模式。而虚拟电 厂始终与 公网相连,即只运行于并网模式。 构成条件 微网的运行特性包含2个方面的含义,即孤岛运行时配电网自身的运行特性以 及并网运行时与外部系统的相互作用。而虚拟电 厂作为聚合能量资源构成 的特殊电厂,其与系统相互作用的要求比微网更为严 格,可用常规电 厂的统计 数据和运行特性来衡量虚拟电 厂的效用,如:有

10、功/无功负载 能力、出力计 划、爬坡速度、备用容量、响应特性和运行成本特性等;其辖域内配电网的 运行特性则由配电电 系统操作员(distributionsystemoperator,DSO)进行衡 量。 运行模式 运行特性 3虚拟电厂的关键技术 1.协调控制技术 虚拟电厂的控制对象主要包括各种DG、储能系 统、可控负荷以及电动汽车。由于虚拟电厂的概念强 调对外呈现的功能和效果,因此,聚合多样化的DER实 现对系统高要求的电能输出是虚拟电厂协调控制的重 点和难点。实际上,一些可再生能源发电站(如风力发 电站和光伏发电站)具有间歇性或随机性以及存在预测 误差等特点,因此,将其大规模并网必须考虑不确

11、定性 的影响。这就要求储能系统、可分配发电机组、可控 负荷与之合理配合,以保证电能质量并提高发电经济 性。为实现上述目标,通常规划入虚拟电厂的DG一般 由若干可再生能源发电站和至少一座传统能源发电站 构成,并建立了线性规划优化分配模型;将区域风力发 电机组和常规水、火电机组及储能设备聚合为虚拟电 厂,建立虚拟电厂数据模型,并采用实际电网运行数据 验证了方案的可行性;研究了小型核反应堆与沿海风电 场以虚拟电厂形式聚合后风电的波动问题;研究了高风 电渗透率电力系统中聚合需求响应资源的优化运行问 题。 此外,对于不具有不确定性的DER聚合,基于热电联产发电系 统和储能装置建立混合整数优化模型,并基于

12、CPLEX软件进行了仿真 ;对由电动汽车、可控负荷和联合发电系统以虚拟电厂方式聚合管理 以提供负荷频率控制功能进行了研究;基于虚拟电厂的直接负荷控制 模型并进行了实地测试;虚拟电厂的控制结构主要分为集中和分散控 制。在集中控制结构下,虚拟电厂的全部决策由中央控制单元 控制协调中心(controlcoordinationcenter,CCC)制定。如图2所示,虚 拟电厂中的每一部分均通过通信技术与CCC相互联系,CCC多采用能 量管理系统(energymanagementsystem,EMS),其主要职责是协调机 端潮流、可控负荷和储能系统。 EMS根据其优化目标进行工作,其优化目标包括:发电成

13、本最 小化、温室气体排放量最小化、收益最大化等。为达到上述优化目 标,EMS需要接收每一单位的状态信息并据此作出预测,尤其对于可 再生能源发电机组,如风力发电和光伏发电机组。此外,电网中可能 发生阻塞问题的信息在虚拟电厂运行的优化过程中也起到至关重要 的作用。根据接收到的信息,EMS可以选择最佳解决方案,优化电网 运行。集中控制结构最易于实现虚拟电厂最优运行,但扩展性和兼容 性受到一定的限制。 在分散控制结构中,决策权完全下放到各DG,且其中心控制器 由信息交换代理取代,如图3所示。信息交换代理只向该控制结构下 的DER提供有价值的服务,如市场价格信号、天气预报和数据采集 等。由于依靠即插即用

14、能力,因而分散控制结构比集中控制结构具有 更好的扩展性和开放性。 2.智能计量技术 智能计量技术是虚拟电厂的一个 重要组成部分,是实现虚拟电厂对DG 和可控负荷等监测和控制的重要基 础。智能计量系统最基本的作用是自 动测量和读取用户住宅内的电、气、 热、水的消耗量或生产量,即自动抄表 (automatedmeteredreading,AMR),以 此为虚拟电厂提供电源和需求侧的实 时信息。作为AMR的发展,自动计量管 理 (automaticmetermanagement,AMM) 和高级计量体系 (advancedmeteringinfrastructure,AMI) 能够远程测量实时用户信

15、息,合理管理 数据,并将其发送给相关各方。对于用 户而言,所有的计量数据都可通过用户 室内网(homeareanetwork,HAN)在电 脑上显示。因此,用户能够直观地看到 自己消费或生产的电能以及相应费用 等信息,以此采取合理的调节措施。 3.信息通信技术 虚拟电厂采用双向通信技术,它不仅能 够接收每一单元的当前状态信息,而且能够向 控制目标发送控制信号。应用于虚拟电厂中 的通信技术主要有基于互联网的技术,如基于 互联网协议的服务、虚拟专用网络、电力线 路载波技术和无线技术(如全球移动通信系统 /通用分组无线服务技术(GSM/GPRS),3G等) 。在用户住宅内,WiFi、蓝牙、Zigbe

16、e等通信 技术构成了室内通信网络。 根据不同的场合和要求,虚拟电厂可以 应用不同的通信技术。对于大型机组而言,可 以使用基于IEC60870灢5灢101或IEC60870灢5 灢104协议的普通遥测系统。随着小型分散电 力机组数量的不断增加,通信渠道和通信协议 也将起到越来越重要的作用,昂贵的遥测技术 很有可能将被基于简单的TCP/IP适配器或电 力线路载波的技术所取代。在欧盟VFCPP项 目中,设计者采用了互联网虚拟专用网络技术; 荷兰功率匹配器虚拟电厂采用了通用移动通 信技术(UTMS)无线网通信技术;在欧盟FENIX 项目中,虚拟电厂应用了GPRS技术和IEC104 协议通信技术;德国ProViPP的通信网络则由 双向无线通信技术构成。 4虚拟电厂的运行 虚拟电厂最具吸引力的功能 在于能够聚合DER参与电力市场 和辅助服务市场运行,为配电网 和输电网提供管理和辅助服务。 为实现其最佳效益,进行了诸多 研究,例如:建立了DG和可控负 荷参与日前电力市场的运行框架 和模型;按功能不同,虚拟电厂可 划分为两大模块