洪博文1，李琼慧1，何永胜2，黄碧斌1，郑漳华3
(1.国网能源研究院，北京市102209；2.国家电网公司，北京市100031；3.全球能源互联网发展合作组织，北京市 100031)
摘 要：随着新能源城市、光伏发电应用示范区等的发展，分布式电源高渗透率的情况逐渐凸显，这给地区电网带来了新的运营和管理问题。虚拟电厂(virtual power plant，VPP)以其创新的运营模式为此类问题提供了可行的解决方案。在分析虚拟电厂的概念、特征、结构、功能等的基础上，重点围绕虚拟电厂在分布式光伏发电应用示范区中的应用开展研究和讨论，分析虚拟电厂的应用前景和先决条件，最后提出虚拟电厂未来发展应重点关注的问题。
关键词：虚拟电厂(VPP)；分布式光伏；应用前景；运营模式
随着电力体制改革的持续推进，电力市场将逐步建立和完善，未来的售电主体也将随着配售电业务的逐步放开而日益多元化，新的政策不断鼓励分布式电源和微电网作为独立的配售电市场主体，推动运营模式的创新。与微电网所采取的就地应用为控制目标的方式不同，虚拟电厂作为分布式电源市场化运营的一种方式，利用其组织方式的灵活性，能更好地适应大规模分布式电源市场化运营的需要[1]。不管是从系统运行的角度还是从分布式电源的角度，都有组织分布式电源参与电力市场的需求，考虑目前分布式电源规模小、数量多，难以有效参与，虚拟电厂恰能为分布式电源参与市场提供一种可行途径[2-5]。
分布式光伏发电应用示范区作为较早开展分布式电源运营模式创新性探索的区域，开展虚拟电厂的运营模式创新和应用前景分析具有可行性和必要性。
虚拟电厂并不改变分布式电源本身，而是对其进行聚合优化。“虚拟电厂”这一术语源于1997年Shimon Awerbuch博士提出的虚拟公共设施概念，即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[2]。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分布式电源并网的方式，而是通过先进的控制、计量、通信等技术聚合分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等，并通过更高层面的软件构架实现多个分布式电源的协调优化运行[6-7]。
与微电网等技术概念不同，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。虚拟电厂能够有效地降低分布式电源的市场准入门槛，提高分布式电源经济效益，同时降低分布式电源的管理难度和对电网的影响，还可为电网提供辅助服务。虚拟电厂无须对电网进行改造而能够聚合分布式电源对公网稳定输电，并提供快速响应的辅助服务，成为分布式电源加入电力市场的有效方法，降低了分布式电源的市场准入门槛，可以获得规模经济的效益。同时，分布式电源的可视化以及虚拟电厂的协调控制优化大大降低了以往分布式电源并网对公网造成的冲击，降低了分布式电源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。
2.1 虚拟电厂定义
目前，国际上对虚拟电厂的研究探索还处于初步阶段，尚未形成虚拟电厂的统一定义[8]。由于国情网情的不同，各个国家、地区和组织对于虚拟电厂的界定不尽相同。欧洲虚拟电厂的概念和项目强调分布式电源的聚合，目的是以合同管理的方式，使得原本不能参与市场竞价的小容量分布式电源参与市场竞价[9]。美国则重在需求侧管理技术的应用，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。我国对虚拟电厂的研究和应用起步较晚，研究内容涉及聚合模式、调度优化、市场机制、示范工程等的初步探索[10-16]。
需要注意的是，目前各方关注的虚拟电厂和我国早期虚拟电厂的概念并不相同，我国早期所讲的虚拟电厂项目均为“能效电厂”[12-13]，即以节能措施降低用户负荷，等同于“替代”同等规模的电厂，并没有实际的电源，也不参与调度运行和电力交易。而目前各方关注的虚拟电厂主要是多种分布式电源的聚合，而非通过减少负荷形成的虚拟电源，将众多的小型分布式电源虚拟成一个大型电源，更方便参与电力市场或者为电网提供辅助服务[15]。
从目前国外关于虚拟电厂的概念来看，可分为狭义和广义2种。狭义的虚拟电厂是指通过统一的通信和控制平台聚合在一起的一组电源(含储能)，其以整体形式参与电网调度运行或电力市场交易。广义的虚拟电厂不限于发电单元的聚合，还包括可控负荷和需求侧响应技术，是跨越发电侧和需求侧界线的新型市场主体。虚拟电厂通常比独立电源具有更好的技术经济性能，能实现类似于传统发电厂的功能和特性。
综合各方对虚拟电厂的定义，可以发现，虚拟电厂对系统中电源的组成类型、容量和接入位置没有严格限制，但均要求实现统一的控制和管理，具备整体参与电网调度运行或市场交易的权限和功能。因此，本文对虚拟电厂定义如下：虚拟电厂是指由不同的小型电源、储能或负荷聚合而成，具有统一协调和控制能力，以单个独立电厂形式参与市场竞争或电网调度运行的整体。
2.2 虚拟电厂主要特征
从虚拟电厂的定义可以看出，虚拟电厂具备以下2个基本特征：一是可监控、易管理，即虚拟电厂对内应具备监控和管理分布式电源和负荷的功能和权限，这就要求虚拟电厂具有统一的监控管理平台，同时联结分布式电源和负荷的通信和控制接口；二是可调度、可交易，即虚拟电厂对外应具备参与电网调度运行和市场交易的功能和权限，可以通过多能互补方式降低可再生能源波动，改善配电网运行水平，或者通过联合参与市场化竞争的方式获取更高经济效益。
虚拟电厂的特征与微电网既有联系也有区别。一方面，虚拟电厂与微电网类似，也依赖于多能互补和协调控制，有时也借助于储能和需求侧管理实现整体的调节功能，并通过多方共同参与的市场机制获得更好的经济收益，同时也为电网提供更简单有效的管理方式。另一方面，虚拟电厂更倾向于市场定位，不要求其内部组成单元具有紧密的物理连接关系，只需要统一的运行控制和市场结算即可实现其整体功能，而微电网重点强调分布式电源的就地消纳和电量平衡，因此微电网内部源储荷和控制平台在物理上是一个紧密联系的整体，对外仅以唯一的公共连接点与电网发生功率交换。
3.1 基本结构
虚拟电厂通过信息通信技术和中央协调控制技术，将相互分散的发电或者用电单元联合成一个整体。虚拟电厂的内部单元可能是不可控的，如分布式光伏，但通过统一的监控调度，使得其整体外部特性类似于传统发电机组，可参加电网的调度和电力市场的竞争。
虚拟电厂作为分布式电源(含储能)参与调度运行和市场交易的主体，必须兼备自我管理和监控的能力，同时具备调度和交易执行功能。虚拟电厂的构成大体可分为以下3个部分。
(1)采集和通信单元。采集通信单元可以采集发电或用电单元信息，并且能够将所采集的信息发送至控制单元。
(2)中央控制单元。中央控制单元需要能够接受发电单元发送的信息，并进行信息汇总和决策分析。能量管理系统(energy management system，EMS)是中央控制单元的核心，通常具备发电管理、发电与负荷预测、电力数据采集和管理等功能。
(3)通信网络。通信网络确保中央控制单元和硬件联络单元信息交互的安全和通畅。
3.2 主要功能
虚拟电厂通过提供一系列的功能，增强分布式电源、储能和负荷参与系统运行和市场交易的能力。
在系统运行方面，虚拟电厂可通过预测大型光伏或混合新能源发电厂中参与系统平衡的发电量，以提供调峰调频、电压控制等辅助服务的方式帮助实现系统平衡。
在市场交易方面，虚拟电厂可在能源批发市场中进行交易，平衡交易的投资组合，以及向系统运营者提供服务。
4.1 虚拟电厂在光伏示范区的应用前景
虚拟电厂概念的引入既为分布式光伏发电应用示范区提供了一种经营模式创新方案，分布式光伏发电示范区也为虚拟电厂提供了探索应用的平台，两者相互融合发展。
虚拟电厂符合分布式光伏发电应用示范区经营模式创新需求。经营模式创新需求来自外部的政策推动力和内部的经营管理要求。在政策推动力方面，示范区光伏发展模式具有引领和示范意义，未来会对分布式光伏发展模式、投融资模式及专业化服务模式创新提出更高要求，对传统分布式光伏运营模式产生持续的影响甚至变革。在经营管理需求方面，示范区内分布式光伏的规划建设规模较大，容易造成局部光伏渗透率过高的情况，对分布式光伏的监控和运行管理提出了更高的要求，未来需要建立与高渗透率光伏接入配电网相适应的监控管理平台。
虚拟电厂与分布式光伏发电应用示范区的经营模式创新需求契合。首先，虚拟电厂具备分布式电源的综合监控和管理功能，满足示范区对高渗透率分布式光伏的管理要求。虚拟电厂具备统一的中央控制单元和分布式电源监控平台，有助于推进分布式光伏监控和管理的标准化，提升示范区的分布式电源管理水平。与微电网相比，虚拟电厂更侧重经营的概念，适合于对数量较多、容量较小又相对独立的分布式电源进行管理。其次，虚拟电厂利用市场调节机制，充分挖掘分布式光伏发电的商品属性，有利于分布式光伏的健康发展。虚拟电厂通过价格机制对分布式电源进行间接管理而非直接控制，更符合当前电网企业与分布式电源业主相对独立的角色定位，同时有效减轻了配网运行人员对分布式电源统一监控的负担。随着未来能源互联网概念的推广，虚拟电厂将具有更为广阔的应用前景[15]，电力这一特殊的商品形式将借助虚拟电厂在更广泛的空间内参与灵活的市场交易。最后，虚拟电厂能推动新技术的发展和应用，探索未来高渗透率分布式光伏的发展路径。虚拟电厂有助于建立和推进各项负荷侧技术的发展，包括储能技术和需求侧控制技术等[17-21]，有助于建立和健全大规模分布式光伏和电网的全网规划和协调管理机制[22-23]，探索未来可能的配电网适应大规模分布式光伏发展的新模式、新方法。
同时，分布式光伏发电示范区也为虚拟电厂提供了理想的应用平台。目前虚拟电厂在我国的应用条件还不成熟，缺乏与之配套的管理模式和电力市场，产业设备基础也较为薄弱。首先，我国电力市场机制尚不成熟，缺乏激励分布式电源参与电网运行的电价机制，导致分布式电源业主缺乏参与虚拟电厂的意愿。其次，目前对分布式电源通讯和监控的要求较低，造成建设虚拟电厂的硬件基础薄弱。由于目前分布式电源规模较小，接入标准较低，基本不具备通讯和控制能力，随着分布式电源规模提升未来可能影响到配电网的安全运行，同时也将制约分布式电源的进一步发展。
分布式光伏发电示范区的各项条件和政策为虚拟电厂的应用提供了可操作的空间，是虚拟电厂试点应用的理想平台。在政策层面，示范区内鼓励探索分布式光伏发电区域电力交易试点，允许分布式光伏发电项目向同一变电台区的符合政策和条件的电力用户直接售电，为运营模式的创新提供了宽松的政策环境。在技术层面，示范区所在地区通常经济较为发达，具有密集的工商业负荷和坚强的电网支撑，建立市场交易机制的条件良好。这些政策和条件为虚拟电厂进行区域性的电力交易铺平了道路，因此，示范区无疑是虚拟电厂试点应用的理想平台。未来应在此平台上发挥虚拟电厂在分布式电源组织协调方面的作用，调动分布式电源业主参与虚拟电厂的积极性。
4.2 示范区开展虚拟电厂应用的先决条件
虚拟电厂的基本特点是多源互补的协调控制和市场化的经营管理模式，前者是技术基础，后者是市场基础，这也是分布式光伏发电应用示范区参与虚拟电厂需要满足的2个先决条件。
在市场机制方面，虚拟电厂的商业价值是吸引分布式光伏示范区参与的前提，离不开电力市场的完善机制，只有灵活的市场才能将虚拟电厂可调可控的技术优势转化为经济效益。
需要建立灵活电价机制鼓励分布式电源参与电网调度运行，并由政府主导虚拟电厂的实施。在充分市场化的条件下，将分布式光伏发电应用示范区作为虚拟电厂运营，使示范区内的发电和用电效益实现最优化，从而以市场化手段获得电网企业和示范区内业主及用户的双赢格局，有利于探索分布式电源更为科学合理的发展模式。
在技术方面，需要具备与分布式光伏互补协调的可控单元(储能、燃气轮机等)，并通过统一的通讯和监控平台，才能实现虚拟电厂的基本功能。
分布式光伏的通讯和控制应满足接入虚拟电厂中央控制单元的基本要求。虚拟电厂中的可控单元既可以是传统的分布式电源，也可以是储能和需求侧管理。为满足虚拟电厂对分布式电源等的统一调控，需要各分布式电源自身具备一定的通讯和控制能力，通过标准化的接口接入虚拟电厂中央控制平台，实现虚拟电厂对分布式电源运行工况、运行状态信息(包括电压、电流、有功功率、无功功率)的采集和监控。为此，需要在分布式电源的接入位置增加相应的监控端，将分布式电源监测量实时上传至主站，以实现分布式电源的全面监测、控制和调度。
考虑我国电力体制现状和未来改革推进路径，虚拟电厂研究和应用需要关注如下几个问题，并需要开展深入的研究。
(1)主体准入条件问题。虚拟电厂的建设主体还不明确，各方如何参与也有待研究。由于目前电网企业不具有分布式电源建设和运营职能，成为虚拟电厂的建设主体存在困难，但仍可积极参与虚拟电厂的目标设定和体系管理，通过电价激励等措施调动虚拟电厂为分布式电源管理和电网协调运行服务。
(2)准许范围和责任问题。结合我国电力发展现状，合理定位虚拟电厂的范围及职能。尽管虚拟电厂能够代表不同分布式电源业主的需求并能够为系统提供多种服务，但在我国电力市场并不完善的情况下，为避免管理和调度混乱，应当合理规划虚拟电厂的范围和职能，如在城区等负荷密集地区以可控负荷构成虚拟电厂，作为系统备用，或削减高峰用电；在乡村或郊区，以大规模分布式电源、储能等构成虚拟电厂，实现对系统的稳定和持续供电。
(3)定位问题。应明确虚拟电厂和微电网的发展定位。与微电网不同，虚拟电厂立足于市场机制，对实际电网接入点的管理约束较弱，缓解分布式光伏接入对局部配电网影响的作用不明显。因此，虚拟电厂不是解决分布式光伏并网影响的技术路径，但可作为加强分布式光伏运营管理的一种措施。与传统的分布式光伏管理模式相比，虚拟电厂具有更完善的监控和调节能力，具有更加平稳的外部特性和更加通用的控制平台，适应未来配电网对高渗透率分布式光伏的统一管理要求。
(4)配套政策问题。应制定电价激励政策，加大宣传力度，鼓励用户积极参与虚拟电厂。虚拟电厂在中国还是一个崭新的概念，用户及分布式电源所有者对其知之甚少。然而，虚拟电厂的实施需要用户及大量分布式电源的支持，这就要求相关部门积极宣传参与虚拟电厂的益处，并制定一系列的市场激励机制，从而在不同地区建立虚拟电厂试点项目。
(5)管理机制问题。国外虚拟电厂一般由独立的第三方对分布式电源进行统一协调和管理，并在电力交易平台上进行操作。我国现有政策不鼓励电网企业参与电源投资和运营，需要与政府沟通，由政府主导、系统调度机构和供电公司负责实施的虚拟电厂运营管理方案，积极培育参与虚拟电厂运营管理的专业机构。因此，需要积极探索虚拟电厂在我国应用的可行方案，充分借鉴国外经验，实施有效的管理模式和试点工程。
虚拟电厂为分布式光伏发电应用示范区提供了一种经营模式创新方案，示范区则为虚拟电厂提供了探索应用的平台。未来应关注虚拟电厂的主体准入条件等问题。
一方面，虚拟电厂符合分布式光伏发电应用示范区经营模式创新需求。经营模式创新需求来自外部的政策推动力和内部的经营管理要求，虚拟电厂与分布式光伏发电应用示范区的经营模式创新需求契合。另一方面，分布式光伏发电示范区为虚拟电厂提供了理想的应用平台，有必要对其未来发展前景展开研究。目前虚拟电厂在我国的应用条件还不成熟，缺乏与之配套的管理模式和电力市场，产业设备基础也较为薄弱。示范区的各项条件和政策为虚拟电厂的应用提供了可操作的空间，是虚拟电厂试点应用的理想平台。未来发展应从虚拟电厂的市场条件和技术条件着手分析其应用前景，对主体准入条件、准许范围和责任等问题展开研究。
考虑示范区建设规模的不断加大，以及示范区本身的示范引领作用，未来配电网中将出现更为复杂多样的商业模式和运营情况。在电力体制改革推进的外部环境下，以及项目业主希望通过转供电、参与市场而获得更高收益的内部需求来看，未来将出现多种形式的商业运营模式创新，对电网运营带来较大影响，需要开展前瞻性研究。针对虚拟电厂，需要明确其主体准入条件、准许范围和责任、定位，研究其配套政策和管理机制。
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(编辑 景贺峰)
Applications and Prospect of Virtual Power Plant in Distributed Photovoltaic Generation Application Demonstration Area
HONG Bowen1, LI Qionghui1, HE Yongsheng2, HUANG Bibin1, ZHENG Zhanghua3
(1. State Grid Energy Research Institute, Beijing 102209, China;2.State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;3.Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization, Beijing 100031, China)
ABSTRACT：With the development of new energy city and photovoltaic generation application demonstration area, a high penetration of distributed generation appears, which brings new operation and management issues to regional power grid. The virtual power plant (VPP) provides a feasible solution to these issues with the innovative operation mode. Based on the analysis of the concept, characteristics, structure and function of VPP, this paper focuses on the research and discussion of the application of VPP in the distributed photovoltaic generation application demonstration area, and analyzes its application prospect and preconditions. Finally, this paper proposes some key issues on the future development of VPP.
KEYWORDS：virtual power plant (VPP); distributed photovoltaic generation; application prospect; operation mode
中图分类号：TM 615
文献标志码：A
文章编号：1000-7229(2017)09-0032-06
DOI：10.3969/j.issn.1000-7229.2017.09.005
收稿日期：2017-05-17
作者简介：
洪博文(1985)，男，博士，工程师，主要研究方向为分布式电源和微电网的政策管理及优化规划；
李琼慧(1969)，女，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为新能源规划及并网技术经济评价；
何永胜(1972)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为能源电力规划、新能源消纳、节能减排；
黄碧斌(1982)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为新能源和分布式电源的政策管理及技术经济；
郑漳华(1985)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为新能源与微电网能量优化、政策分析与电力市场。
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