“虛擬電廠”這一術語源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作《虛擬公共設施:新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術及競爭力》一書中對虛擬公共設施的定義如下:虛擬公共設施是獨立且以市場為驅(qū)動的實體之間的一種靈活合作,這些實體不必擁有相應的資產(chǎn)而能夠為消費者提供其所需要的高效電能服務。正如虛擬公共設施利用新興技術提供以消費者為導向的電能服務一樣,虛擬電廠并未改變每個DG并網(wǎng)的方式,而是通過先進的控制、計量、通信等技術聚合DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等不同類型的分布式能源(distributedenergyresources,DER),并通過更高層面的軟件構架實現(xiàn)多個DER的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行,更有利于資源的合理優(yōu)化配置及利用[11,13??5]。虛擬電廠的概念更多強調(diào)的是對外呈現(xiàn)的功能和效果,更新運營理念并產(chǎn)生社會經(jīng)濟效益,其基本的應用場景是電力市場。這種方法無需對電網(wǎng)進行改造而能夠聚合DER對公網(wǎng)穩(wěn)定輸電,并提供快速響應的輔助服務,成為DER加入電力市場的有效方法,降低了其在市場中孤獨運行的失衡風險,可以獲得規(guī)模經(jīng)濟的效益。同時,DER的可視化及虛擬電廠的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化大大減小了以往DER并網(wǎng)對公網(wǎng)造成的沖擊,降低了DG增長帶來的調(diào)度難度,使配電管理更趨于合理有序,提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

虛擬電廠的定義

目前,從整個世界范圍來看,虛擬電廠的研究和實施主要集中于歐洲和北美。根據(jù)派克研究公司(PikeResearch)公布的數(shù)據(jù),截至2009年底,全球虛擬電廠總容量為19.4GW,其中歐洲占51%,美國占44%;截至2011年底,全球虛擬電廠總容量增至55.6GW[11]。然而,歐洲與美國虛擬電廠的應用形式有著顯著的不同,歐洲各國的虛擬電廠亦各具特色。歐洲現(xiàn)已實施的虛擬電廠項目[13,16??9],如歐盟虛擬燃料電池電廠(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)項目、荷蘭基于功率匹配器的虛擬電廠項目、歐盟FENIX(flexibleelectricitynetworktointegrateexpected)項目以及德國專業(yè)型虛擬電廠(professionalVPP,ProViPP)試點項目,主要針對實現(xiàn)DG可靠并網(wǎng)和電力市場運營的目標考慮而來,DG占據(jù)DER的主要成分;而美國的虛擬電廠主要基于需求響應計劃發(fā)展而來,兼顧考慮可再生能源的利用,因此可控負荷占據(jù)主要成分。因此,盡管虛擬電廠的概念已提出十余年之久,但對于虛擬電廠的框架尚無統(tǒng)一的定義[20]。

在文獻[11]中,虛擬電廠被定義為依賴于軟件系統(tǒng)遠程、自動分配和優(yōu)化發(fā)電、需求響應和儲能資源的能源互聯(lián)網(wǎng);在文獻[21]中,虛擬電廠被定義為與自治微網(wǎng)相同的網(wǎng)絡;在文獻[22??3]中,虛擬電廠被定義為眾多連接于低壓配電網(wǎng)絡的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機組的組合;在文獻[24]中,虛擬電廠被定義為不同類型的分散在中壓配電網(wǎng)不同節(jié)點的DER的集合;在文獻[25]中,虛擬電廠被定義為一個多技術和多站點異質(zhì)實體;在文獻[26]中,虛擬電廠由可接于配電網(wǎng)絡任意節(jié)點的具有豐富操作模式和可用性的一系列技術組成;在文獻[27]中,虛擬電廠被定義為以直接集中控制方式聚合可控分布式能源(controllabledistributedenergy,CDE)單位或主動用戶網(wǎng)(activecustomernetworks,ACN)的信息通信系統(tǒng)。

歐洲FENIX項目將虛擬電廠的概念(如圖1所示)定義為:虛擬電廠聚合眾多不同容量的DER,通過綜合表征每一DER的參數(shù)建立整體的運行模式,并能夠包含聚合DER輸出的網(wǎng)絡影響。虛擬電廠是DER投資組合的一種靈活表現(xiàn),可以在電力市場簽訂合同并為系統(tǒng)操作員提供各種服務[19]。圖1中:G表示機組;L表示負荷。

綜合看來,虛擬電廠概念的核心可以總結為“通信”和“聚合”。虛擬電廠可認為是通過先進信息通信技術和軟件系統(tǒng),實現(xiàn)DG、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化,以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。

目前,國內(nèi)有些文獻將“能效電廠”稱之為虛擬電廠,這與文中所述“虛擬電廠”的概念有所不同,但二者都屬于廣義上的虛擬電廠。能效電廠是指通過采用高效用電設備和產(chǎn)品、優(yōu)化用電方式等途徑,形成某個地區(qū)、行業(yè)或企業(yè)節(jié)電改造計劃的一攬子行動方案,降低用電負荷,等效產(chǎn)生富余電能,從而達到與實際電廠異曲同工的效果[28??0]。可以看出,能效電廠的實現(xiàn)形式在于需求側的有效節(jié)電,而虛擬電廠的實現(xiàn)形式在于電源側有效分配和管理DG發(fā)電、儲能充放電和可控負荷。

虛擬電廠與微網(wǎng)的區(qū)別

虛擬電廠和微網(wǎng)是目前實現(xiàn)DG并網(wǎng)最具創(chuàng)造力和吸引力的2種形式[5]。對于微網(wǎng)的定義,國內(nèi)一般認為:微網(wǎng)是指由DG、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng),是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng),既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可以孤立運行[6??]。微網(wǎng)技術的提出旨在解決DG并網(wǎng)運行時的主要問題,同時由于它具備一定的能量管理功能,并盡可能維持功率的局部優(yōu)化與平衡,可有效降低系統(tǒng)運行人員的調(diào)度難度[7]。實際上,盡管虛擬電廠和微網(wǎng)都是基于考慮解決DG及其他元件整合并網(wǎng)問題范疇,但二者仍有諸多區(qū)別。

1)設計理念。微網(wǎng)采用自下而上的設計理念,強調(diào)“自治”,即以DG與用戶就地應用為主要控制目標,實現(xiàn)網(wǎng)絡正常時的并網(wǎng)運行以及網(wǎng)絡發(fā)生擾動或故障時的孤島運行。而虛擬電廠的概念強調(diào)“參與”,即吸引并聚合各種DER參與電網(wǎng)調(diào)度和電力市場交易,優(yōu)化DER組合以滿足電力系統(tǒng)或市場要求為主要控制目標,強調(diào)對外呈現(xiàn)的功能和效果。

2)構成條件。微網(wǎng)的構成依賴于元件(DG、儲能、負荷、電力線路等)的整合,由于電網(wǎng)拓展的成本昂貴,因此微網(wǎng)主要整合地理位置上接近的DG,無法包含相對偏遠和孤立的分布式發(fā)電設施。虛擬電廠的構成則依賴于軟件和技術:其轄域(聚合)范圍以及與市場的交互取決于通信的覆蓋范圍及可靠性;轄域內(nèi)各DER的參數(shù)采集與狀態(tài)監(jiān)控取決于智能計量(smartmetering)系統(tǒng)的應用;DER的優(yōu)化組合由中央控制或信息代理單元進行協(xié)調(diào)、處理及決策。因此,引入虛擬電廠的概念不必對原有電網(wǎng)進行拓展,而能夠聚合微網(wǎng)所轄范圍之外的DG。

3)運行模式。微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元,通過公共耦合開關,微網(wǎng)既可運行于并網(wǎng)模式,又可運行于孤島模式。而虛擬電廠始終與公網(wǎng)相連,即只運行于并網(wǎng)模式。

4)運行特性。微網(wǎng)的運行特性包含2個方面的含義,即孤島運行時配電網(wǎng)自身的運行特性以及并網(wǎng)運行時與外部系統(tǒng)的相互作用[9??0]。而虛擬電廠作為聚合能量資源構成的特殊電廠,其與系統(tǒng)相互作用的要求比微網(wǎng)更為嚴格,可用常規(guī)電廠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和運行特性來衡量虛擬電廠的效用,如:有功/無功負載能力、出力計劃、爬坡速度、備用容量、響應特性和運行成本特性等[26];其轄域內(nèi)配電網(wǎng)的運行特性則由配電電系統(tǒng)操作員(distributionsystemoperator,DSO)進行衡量。