“虛擬電廠”這一術(shù)語(yǔ)源于1997年ShimonAwerbuch博士在其著作《虛擬公共設(shè)施:新興產(chǎn)業(yè)的描述、技術(shù)及競(jìng)爭(zhēng)力》一書(shū)中對(duì)虛擬公共設(shè)施的定義如下:虛擬公共設(shè)施是獨(dú)立且以市場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)的實(shí)體之間的一種靈活合作,這些實(shí)體不必?fù)碛邢鄳?yīng)的資產(chǎn)而能夠?yàn)橄M(fèi)者提供其所需要的高效電能服務(wù)。正如虛擬公共設(shè)施利用新興技術(shù)提供以消費(fèi)者為導(dǎo)向的電能服務(wù)一樣,虛擬電廠并未改變每個(gè)DG并網(wǎng)的方式,而是通過(guò)先進(jìn)的控制、計(jì)量、通信等技術(shù)聚合DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等不同類型的分布式能源(distributedenergyresources,DER),并通過(guò)更高層面的軟件構(gòu)架實(shí)現(xiàn)多個(gè)DER的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)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(qiáng)調(diào)的是對(duì)外呈現(xiàn)的功能和效果,更新運(yùn)營(yíng)理念并產(chǎn)生社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,其基本的應(yīng)用場(chǎng)景是電力市場(chǎng)。這種方法無(wú)需對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造而能夠聚合DER對(duì)公網(wǎng)穩(wěn)定輸電,并提供快速響應(yīng)的輔助服務(wù),成為DER加入電力市場(chǎng)的有效方法,降低了其在市場(chǎng)中孤獨(dú)運(yùn)行的失衡風(fēng)險(xiǎn),可以獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效益。同時(shí),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(duì)公網(wǎng)造成的沖擊,降低了DG增長(zhǎng)帶來(lái)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(yùn)行的穩(wěn)定性。

虛擬電廠的定義

目前,從整個(gè)世界范圍來(lái)看,虛擬電廠的研究和實(shí)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?cè)萘繛?9.4GW,其中歐洲占51%,美國(guó)占44%;截至2011年底,全球虛擬電廠總?cè)萘吭鲋?5.6GW[11]。然而,歐洲與美國(guó)虛擬電廠的應(yīng)用形式有著顯著的不同,歐洲各國(guó)的虛擬電廠亦各具特色。歐洲現(xiàn)已實(shí)施的虛擬電廠項(xiàng)目[13,16??9],如歐盟虛擬燃料電池電廠(virtualfuelcellpowerplant,VFCPP)項(xiàng)目、荷蘭基于功率匹配器的虛擬電廠項(xiàng)目、歐盟FENIX(flexibleelectricitynetworktointegrateexpected)項(xiàng)目以及德國(guó)專業(yè)型虛擬電廠(professionalVPP,ProViPP)試點(diǎn)項(xiàng)目,主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)DG可靠并網(wǎng)和電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)考慮而來(lái),DG占據(jù)DER的主要成分;而美國(guó)的虛擬電廠主要基于需求響應(yīng)計(jì)劃發(fā)展而來(lái),兼顧考慮可再生能源的利用,因此可控負(fù)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(duì)于虛擬電廠的框架尚無(wú)統(tǒng)一的定義[20]。

在文獻(xiàn)[11]中,虛擬電廠被定義為依賴于軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)程、自動(dòng)分配和優(yōu)化發(fā)電、需求響應(yīng)和儲(chǔ)能資源的能源互聯(lián)網(wǎng);在文獻(xiàn)[21]中,虛擬電廠被定義為與自治微網(wǎng)相同的網(wǎng)絡(luò);在文獻(xiàn)[22??3]中,虛擬電廠被定義為眾多連接于低壓配電網(wǎng)絡(luò)的熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組的組合;在文獻(xiàn)[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(diǎn)的DER的集合;在文獻(xiàn)[25]中,虛擬電廠被定義為一個(gè)多技術(shù)和多站點(diǎn)異質(zhì)實(shí)體;在文獻(xiàn)[26]中,虛擬電廠由可接于配電網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點(diǎn)的具有豐富操作模式和可用性的一系列技術(shù)組成;在文獻(xiàn)[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(dòng)用戶網(wǎng)(activecustomernetworks,ACN)的信息通信系統(tǒng)。

歐洲FENIX項(xiàng)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(guò)綜合表征每一DER的參數(shù)建立整體的運(yùn)行模式,并能夠包含聚合DER輸出的網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)簽訂合同并為系統(tǒng)操作員提供各種服務(wù)[19]。圖1中:G表示機(jī)組;L表示負(fù)荷。

綜合看來(lái),虛擬電廠概念的核心可以總結(jié)為“通信”和“聚合”。虛擬電廠可認(rèn)為是通過(guò)先進(jìn)信息通信技術(shù)和軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等DER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)。

目前,國(guó)內(nèi)有些文獻(xiàn)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(guò)采用高效用電設(shè)備和產(chǎn)品、優(yōu)化用電方式等途徑,形成某個(gè)地區(qū)、行業(yè)或企業(yè)節(jié)電改造計(jì)劃的一攬子行動(dòng)方案,降低用電負(fù)荷,等效產(chǎn)生富余電能,從而達(dá)到與實(shí)際電廠異曲同工的效果[28??0]?？梢钥闯?能效電廠的實(shí)現(xiàn)形式在于需求側(cè)的有效節(jié)電,而虛擬電廠的實(shí)現(xiàn)形式在于電源側(cè)有效分配和管理DG發(fā)電、儲(chǔ)能充放電和可控負(fù)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(shí)現(xiàn)DG并網(wǎng)最具創(chuàng)造力和吸引力的2種形式[5]。對(duì)于微網(wǎng)的定義,國(guó)內(nèi)一般認(rèn)為:微網(wǎng)是指由DG、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng),是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng),既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,也可以孤立運(yùn)行[6??]。微網(wǎng)技術(shù)的提出旨在解決DG并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的主要問(wèn)題,同時(shí)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?jī)?yōu)化與平衡,可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行人員的調(diào)度難度[7]。實(shí)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(wèn)題范疇,但二者仍有諸多區(qū)別。

1)設(shè)計(jì)理念。微網(wǎng)采用自下而上的設(shè)計(jì)理念,強(qiáng)調(diào)“自治”,即以DG與用戶就地應(yīng)用為主要控制目標(biāo),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)的并網(wǎng)運(yùn)行以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擾動(dòng)或故障時(shí)的孤島運(yùn)行。而虛擬電廠的概念強(qiáng)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(chǎng)交易,優(yōu)化DER組合以滿足電力系統(tǒng)或市場(chǎng)要求為主要控制目標(biāo),強(qiáng)調(diào)對(duì)外呈現(xiàn)的功能和效果。

2)構(gòu)成條件。微網(wǎng)的構(gòu)成依賴于元件(DG、儲(chǔ)能、負(fù)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(wú)法包含相對(duì)偏遠(yuǎn)和孤立的分布式發(fā)電設(shè)施。虛擬電廠的構(gòu)成則依賴于軟件和技術(shù):其轄域(聚合)范圍以及與市場(chǎng)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(jì)量(smartmetering)系統(tǒng)的應(yīng)用;DER的優(yōu)化組合由中央控制或信息代理單元進(jìn)行協(xié)調(diào)、處理及決策。因此,引入虛擬電廠的概念不必對(duì)原有電網(wǎng)進(jìn)行拓展,而能夠聚合微網(wǎng)所轄范圍之外的DG。

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

4)運(yùn)行特性。微網(wǎng)的運(yùn)行特性包含2個(gè)方面的含義,即孤島運(yùn)行時(shí)配電網(wǎng)自身的運(yùn)行特性以及并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)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(gòu)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(yán)格,可用常規(guī)電廠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)行特性來(lái)衡量虛擬電廠的效用,如:有功/無(wú)功負(fù)載能力、出力計(jì)劃、爬坡速度、備用容量、響應(yīng)特性和運(yùn)行成本特性等[26];其轄域內(nèi)配電網(wǎng)的運(yùn)行特性則由配電電系統(tǒng)操作員(distributionsystemoperator,DSO)進(jìn)行衡量。