一文讀懂虛擬電廠

數(shù)字新能源DNE · 2023-08-23 09:40:44

虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為“通信”和“聚合”。......

什么是“虛擬電廠”？

虛擬電廠是一種通過(guò)先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式電源DG（distributed generator）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等分布式能源資源DER（Distributed Energy Resource）的聚合和協(xié)調(diào)優(yōu)化，以作為一個(gè)特殊電廠參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行的電源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)。

虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為“通信”和“聚合”。虛擬電廠的關(guān)鍵技術(shù)主要包括協(xié)調(diào)控制技術(shù)、智能計(jì)量技術(shù)以及信息通信技術(shù)。

中國(guó)虛擬電廠產(chǎn)業(yè)鏈上游為各類基礎(chǔ)資源，包括可控負(fù)荷、分布式能源、儲(chǔ)能；中游為虛擬電廠運(yùn)營(yíng)，資源聚合平臺(tái)和技術(shù)服務(wù)；下游為電力需求方，包括電力公司、售電公司及大用戶。

虛擬電廠最具吸引力的功能在于能夠聚合分布式能源資源（DER）參與電力市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)行，在為配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)提供管理和輔助服務(wù)的同時(shí)，將虛擬電廠各參與主體整合互聯(lián)，形成一整套完備的數(shù)字化系統(tǒng)。

問(wèn)：為何是“虛擬”電廠？

答：“虛擬電廠”這一術(shù)語(yǔ)最早出現(xiàn)于1997年。“虛擬”即意味著并非實(shí)體，因此虛擬電廠本身并不發(fā)電，而是將電網(wǎng)中大量散落的、可調(diào)節(jié)的電力負(fù)荷整合起來(lái)，加入電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)有效削峰填谷。與此同時(shí)，還可以提供調(diào)頻、調(diào)壓、備用等電力輔助服務(wù)，增強(qiáng)電網(wǎng)安全性。所以，虛擬電廠本質(zhì)上是一套軟件平臺(tái)系統(tǒng)，它聚合了現(xiàn)有的分布式資源，并通過(guò)協(xié)同控制，參與電力市場(chǎng)。

問(wèn)：“虛擬電廠”的能源從何而來(lái)？

答：“虛擬電廠”的電能來(lái)自電網(wǎng)中大量散落的、可調(diào)節(jié)的電力負(fù)荷并將其整合起來(lái)，加入電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的組合、分析、優(yōu)化和調(diào)度。

一方面，虛擬電廠所聚合的各類用電負(fù)荷“可調(diào)節(jié)”，比如辦公樓里的空調(diào)、公共交通用電等。

另一方面，它以數(shù)字化技術(shù)為支撐，將不同空間的用電負(fù)荷整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，從而起到穩(wěn)定電力供應(yīng)的作用。在此基礎(chǔ)上，虛擬電廠還可進(jìn)一步對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等各類分布式資源進(jìn)行聚合管理和優(yōu)化控制，將不同類型的分布式資源“聚沙成塔”。

1.分布式光伏

分布式光伏電站通常是指利用分散式資源，裝機(jī)規(guī)模較小的、布置在用戶附近的發(fā)電系統(tǒng)，它一般接入低于35千伏或更低電壓等級(jí)的電網(wǎng)。分布式光伏電站特指采用光伏組件，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式光伏電站系統(tǒng)。

應(yīng)用最為廣泛的分布式光伏電站系統(tǒng)，是建在城市建筑物屋頂?shù)?a href="http://luiprize.com.cn/photovoltaic/" target="_blank" style="color: #4284f4; text-decoration: underline;" data-word="">光伏發(fā)電項(xiàng)目。該類項(xiàng)目必須接入公共電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)一起為附近的用戶供電。如果沒(méi)有公共電網(wǎng)支撐，分布式系統(tǒng)就無(wú)法保證用戶的用電可靠性和用電質(zhì)量。

近年來(lái)，我國(guó)分布式光伏新增裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)。2023年上半年，分布式光伏新增裝機(jī)容量達(dá)40.96GW。2023年上半年分布式光伏各細(xì)分領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了翻倍增長(zhǎng)，增速超過(guò)100%，預(yù)計(jì)2023年分布式光伏的裝機(jī)規(guī)模將再創(chuàng)新高。

2.分散式風(fēng)電

分布式風(fēng)力發(fā)電特指采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為分布式電源，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦（也有的建議限制在30～50兆瓦以下）的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電模式。它是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，可分為獨(dú)立與并網(wǎng)運(yùn)行兩類，前者為微型或小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，容量為100W～10kW，后者的容量通常超過(guò)150kW。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步很快，單機(jī)容量在2MW以下的技術(shù)已很成熟。隨著全球能源緊張進(jìn)一步加劇，可再生能源越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。作為重要的可再生能源，風(fēng)電資源得到了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)相對(duì)成熟，其應(yīng)用前景在全球能源枯竭的背景下也越來(lái)越光明。風(fēng)電資源清潔無(wú)污染、安全可控，是一種優(yōu)質(zhì)的可再生新能源，分布式發(fā)電技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

分散式是風(fēng)電業(yè)態(tài)的重要組成部分，是高能量密度的分布式電源。相比大型基地，分散式風(fēng)電不受特高壓輸電線路制約，可以就近滿足能源需求及負(fù)荷響應(yīng)。近年來(lái)，中國(guó)分散式風(fēng)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)。截至2022年年底，中國(guó)分散式風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量1344萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)34.9%，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)1577.32萬(wàn)千瓦。

3.水力發(fā)電

水力發(fā)電系(Hydroelectric power)利用河流、湖泊等位于高處具有勢(shì)能的水流至低處，將其中所含勢(shì)能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)之動(dòng)能，再借水輪機(jī)為原動(dòng)力，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

自2014年以來(lái)，中國(guó)水電裝機(jī)容量和發(fā)電量穩(wěn)居世界第一，水電資源成為我國(guó)第二大能源主體。2022年，全國(guó)水電發(fā)電裝機(jī)容量41350萬(wàn)千瓦，較上年同期增加2258萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)5.8%。截至2023年6月底，全國(guó)水電裝機(jī)4.18億千瓦。

4.機(jī)械儲(chǔ)能

（1）抽水蓄能

抽水蓄能，一種儲(chǔ)能技術(shù)。即利用水作為儲(chǔ)能介質(zhì)，通過(guò)電能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和管理。利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電。可將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能。適用于調(diào)頻、調(diào)相，穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，還可提高系統(tǒng)中火電站和核電站的效率。

中國(guó)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈體系已基本形成。2022年中國(guó)抽水蓄能新增裝機(jī)容量8.8GW，截至2022年底抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)45.19GW，較2021年增長(zhǎng)24.18%。在政策引導(dǎo)下，抽水蓄能電站建設(shè)速度將進(jìn)一步加快，預(yù)計(jì)到2023年裝機(jī)容量將達(dá)到51.39GW。

（2）壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能，是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。形式主要有，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、帶儲(chǔ)熱裝置的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、液氣壓縮儲(chǔ)能系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)壓縮空氣儲(chǔ)能正加快進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。據(jù)北極星儲(chǔ)能網(wǎng)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年約有19個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目簽約，已公開(kāi)的儲(chǔ)能規(guī)模約6.48GW，參與企業(yè)包括中儲(chǔ)國(guó)能、中國(guó)能建、中國(guó)電建、國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投、中國(guó)華能、福能股份等。

5.化學(xué)儲(chǔ)能

化學(xué)儲(chǔ)能通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，“消耗”電能并將其儲(chǔ)存，主流的技術(shù)路徑包括電池儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能，目前資本市場(chǎng)上大熱的鋰電池、鈉電池、釩電池就是化學(xué)儲(chǔ)能的代表作。

2021年全國(guó)能源工作會(huì)議明確提出要大力提升新能源消納和儲(chǔ)存能力，大力發(fā)展儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)。受各方面利好因素影響，電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)保持快速發(fā)展。2022年，中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量達(dá)11GW。未來(lái)，隨著分布式光伏、分散式風(fēng)電等分布式能源的大規(guī)模推廣，電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量將繼續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2023年電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)20.9GW。

問(wèn)：“虛擬電廠”如何改變行業(yè)？

1、虛擬電廠能夠有效地緩解分布式發(fā)電所產(chǎn)生的負(fù)面影響、提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

虛擬電廠作為一種可視化的自組織模式，不僅能夠通過(guò)組合多種分布式資源實(shí)現(xiàn)發(fā)電，同時(shí)也能夠通過(guò)調(diào)節(jié)可控負(fù)荷、采用分時(shí)電價(jià)、可中斷電價(jià)以及用戶時(shí)段儲(chǔ)能等措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能儲(chǔ)備。這種協(xié)調(diào)控制優(yōu)化大大降低了分布式資源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)所造成的沖擊，從而降低了分布式資源增長(zhǎng)所帶來(lái)的調(diào)度難度，使得配電管理更加合理有序，進(jìn)而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2、虛擬電廠能夠更高效地利用和促進(jìn)分布式能源發(fā)電。

隨著我國(guó)分布式光伏和分散式風(fēng)電等分布式能源增長(zhǎng)迅速，其大規(guī)模、高比例接入給電力系統(tǒng)的平衡和電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。如果這些分布式發(fā)電以虛擬電廠的形式參與電網(wǎng)的運(yùn)行，通過(guò)內(nèi)部的組合優(yōu)化，可以消除其波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，從而實(shí)現(xiàn)高效利用。此外，虛擬電廠還能使分布式能源從電力市場(chǎng)中獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，縮短成本回收周期，從而吸引和擴(kuò)大此類投資，進(jìn)而促進(jìn)分布式能源的發(fā)展。

3、虛擬電廠能夠利用市場(chǎng)手段促進(jìn)發(fā)電資源的優(yōu)化配置。

在電網(wǎng)和用戶側(cè)引導(dǎo)社會(huì)資本自愿參與虛擬電廠項(xiàng)目，就必須要讓社會(huì)資本“有利可圖”，虛擬電廠要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，才可以在電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)得到更廣泛的應(yīng)用。

虛擬電廠最具吸引力的功能就在于能夠聚合多種類型的分布式資源參與電力市場(chǎng)運(yùn)行。虛擬電廠作為分布式資源與電力調(diào)度機(jī)構(gòu)、電力市場(chǎng)之間的中介，可以代表分布式資源所有者執(zhí)行市場(chǎng)出清結(jié)果，實(shí)現(xiàn)能源交易。從其他市場(chǎng)參與者的角度來(lái)看，虛擬電廠表現(xiàn)為傳統(tǒng)的可調(diào)度發(fā)電廠。由于擁有多樣化的發(fā)電資源，虛擬電廠不僅可以參與主能量市場(chǎng)，也可以參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，從而參與多種電力市場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)模式及其調(diào)度框架，對(duì)發(fā)電資源的廣泛優(yōu)化配置起到了積極的促進(jìn)作用。

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