“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:新興產業的描述、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、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多個DER的協調優化運行,更有利于資源的合理優化配置及利用[11,13??5]。虛擬電廠的概念更多強調的是對外呈現的功能和效果,更新運營理念并產生社會經濟效益,其基本的應用場景是電力市場。這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合DER對公網穩定輸電,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,可以獲得規模經濟的效益。同時,DER的可視化及虛擬電廠的協調控制優化大大減小了以往DER并網對公網造成的沖擊,降低了DG增長帶來的調度難度,使配電管理更趨于合理有序,提高了系統運行的穩定性。

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。根據派克研究公司(PikeResearch)公布的數據,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)項目以及德國專業型虛擬電廠(professionalVPP,ProViPP)試點項目,主要針對實現DG可靠并網和電力市場運營的目標考慮而來,DG占據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展而來,兼顧考慮可再生能源的利用,因此可控負荷占據主要成分。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遠程、自動分配和優化發電、需求響應和儲能資源的能源互聯網;在文獻[21]中,虛擬電廠被定義為與自治微網相同的網絡;在文獻[22??3]中,虛擬電廠被定義為眾多連接于低壓配電網絡的熱電聯產發電機組的組合;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不同節點的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實體;在文獻[26]中,虛擬電廠由可接于配電網絡任意節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(activecustomernetworks,ACN)的信息通信系統。

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的參數建立整體的運行模式,并能夠包含聚合DER輸出的網絡影響。虛擬電廠是DER投資組合的一種靈活表現,可以在電力市場簽訂合同并為系統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,實現DG、儲能系統、可控負荷、電動汽車等DER的聚合和協調優化,以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行的電源協調管理系統。

目前,國內有些文獻將“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品、優化用電方式等途徑,形成某個地區、行業或企業節電改造計劃的一攬子行動方案,降低用電負荷,等效產生富余電能,從而達到與實際電廠異曲同工的效果[28??0]。可以看出,能效電廠的實現形式在于需求側的有效節電,而虛擬電廠的實現形式在于電源側有效分配和管理DG發電、儲能充放電和可控負荷。

虛擬電廠與微網的區別

虛擬電廠和微網是目前實現DG并網最具創造力和吸引力的2種形式[5]。對于微網的定義,國內一般認為:微網是指由DG、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統,是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統,既可以與外部電網并網運行,也可以孤立運行[6??]。微網技術的提出旨在解決DG并網運行時的主要問題,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化與平衡,可有效降低系統運行人員的調度難度[7]。實際上,盡管虛擬電廠和微網都是基于考慮解決DG及其他元件整合并網問題范疇,但二者仍有諸多區別。

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

2)構成條件。微網的構成依賴于元件(DG、儲能、負荷、電力線路等)的整合,由于電網拓展的成本昂貴,因此微網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;轄域內各DER的參數采集與狀態監控取決于智能計量(smartmetering)系統的應用;DER的優化組合由中央控制或信息代理單元進行協調、處理及決策。因此,引入虛擬電廠的概念不必對原有電網進行拓展,而能夠聚合微網所轄范圍之外的DG。

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

4)運行特性。微網的運行特性包含2個方面的含義,即孤島運行時配電網自身的運行特性以及并網運行時與外部系統的相互作用[9??0]。而虛擬電廠作為聚合能量資源構成的特殊電廠,其與系統相互作用的要求比微網更為嚴格,可用常規電廠的統計數據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];其轄域內配電網的運行特性則由配電電系統操作員(distributionsystemoperator,DSO)進行衡量。