虛擬電廠(Virtual Power Plants, VPP)是實現智能配電網的重要技術之一。它是指通過分布式能源管理系統將配電網中分散安裝的清潔能源、可控負荷和儲能系統合并作為一個特別的電廠參與電網運行，從而很好地協調智能電網與分布式能源之間的矛盾，充分挖掘分布式能源為電網和用戶所帶來的價值和效益。

虛擬電廠的概念

在虛擬電廠中，分散安裝在配電網中的清潔電源、受控負荷和儲能系統合并作為一個特別的電廠參與電網運行，每一部分均與能量管理系統(EMS)相連，控制中心通過智能電網的雙向信息傳送，利用EMS系統進行統一調度協調機端潮流、受端負荷以及儲能系統，從而達到降低發電損耗、減少溫室氣體排放、優化資源利用、降低電網峰值負荷和提高供電可靠性的目的。

(1)發電系統主要包括家庭型(domestic distributed generation，DDG)和公用型(public distributed generation，PDG)這2類分布式電源。DDG的主要功能是滿足用戶自身負荷，如果電能盈余，則將多余的電能輸送給電網;如果電能不足，則由電網向用戶提供電能。典型的DDG系統主要是小型的分布式電源，為個人住宅、商業或工業分部等服務。PDG主要是將自身所生產的電能輸送到電網，其運營目的就是出售所生產的電能。典型的PDG系統主要包含風電、光伏等新能源發電裝置。

(2)能量存儲系統可以補償可再生能源發電出力波動性和不可控性，適應電力需求的變化，改善可再生能源波動所導致的電網薄弱性，增強系統接納可再生能源發電的能力和提高能源利用效率。

(3)通信系統是虛擬電廠進行能量管理、數據采集與監控，以及與電力系統調度中心通信的重要環節。通過與電網或者與其他虛擬電廠進行信息交互，虛擬電廠的管理更加可視化，便于電網對虛擬電廠進行監控管理。

虛擬電廠相當于一個帶有傳輸系統的發電站，它在電力傳輸過程中負責了許多其他工作，比如：負責制定發電時間表、限定發電上限、控制經營成本等。有了這些功能之后，一個獨立的虛擬電站可以隨時與電力運營的其他參與者取得聯系，并提供相應的服務。在通過批發商銷售電能的同時，虛擬電廠可以通過直接與通信中心聯系來實現為電網整體運行做出貢獻。在單獨運行時，分布式電源沒有足夠的能力、靈活性和控制力使得發電站在管理以及市場前提下的運作既做到成本合理，在技術上也可行。然而，如果將一系列的分布式能源整合成為虛擬電廠，這些問題就迎刃而解了。3)

虛擬電廠作為一個靈活整合各類分布式電源的方案，它不僅可以整合各種具有不同發電方式的分布式能源，并且可以結合各類分布式電源的功能特性，綜合空間的條件來合理將一系列分布式電源組合成一個整體。可以用常規發電站所使用的統計數據來衡量虛擬電廠的效用，比如：預計產量、電壓調節能力、電能儲備能力、電能上升率等。此外，虛擬電廠也滿足了一些可控的需求，比如需求價格彈性、負荷恢復模式，這些參數也可作為衡量虛擬電廠作用的參數。4)

虛擬電廠概念的提出，使得分布式能源大范圍投入電網運行成為可能，也可以為傳輸系統的管理提供服務。5)

虛擬電廠的控制方式

根據控制結構以及相關信息指示方式不同，可以分成以下三種不同的基本分類。6)

(1)集中控制的虛擬電廠(Centralized Controlled VPP，CCVPP)：這一結構下的虛擬電廠，要求電廠可以完整掌握涉及分布式運行的每一個單位的信息，同時，其操作設置需要滿足當地電力系統的不同需求。這一類型的虛擬電廠，在達到最佳運行模式時會有很大的潛力。但是，往往由于具體的運行實際的限制，可擴展性和兼容性較為有限。7)

(2)分散控制的虛擬電廠(Decentralized Controlled VPP，DCVPP)： 這個是指本地控制的分布式運行模式，在本地控制的系統中，構成一個整體的層次結構。針對上一種集中控制模式模式中的弱點，DCVPP模式通過模塊化的本地運行模式和信息收集模式有效地改進了缺陷。然而，中央控制系統在運行時仍然需要位于整個分散控制的虛擬發電系統的最頂端，以確保系統運行時的安全性和整體運行的經濟性。8)

(3)完全分散控制的虛擬電廠(Fully Decentralized Controlled VPP，FDCVPP)：改運行模式可以認為是DCVPP的一種延伸。分散式控制模式中的中央控制系統由數據交換處理器代替，這些數據交換代理提供如市場價格、天氣預報以及數據記錄等有價值的信息。對于分散控制模式中的小單位來說，由于FDCVPP模式下的即插即用能力(plug and play ability)，在此模式下運行，相比前兩種模式，會具有很好的可擴展性和開放性。9)

基于以上三種模式的運行特點，完全分散控制的虛擬電廠虛擬電站更適合于在市場中投入運行的模式。在歐盟研究委員會規劃設計的一個未來電力系統網絡模型中，將一個完全分散控制的虛擬電廠視為分布式發電成功邁向全面運營的基礎，在這個規劃中，電網中的每一個節點都被激活，反應靈敏，對于周圍環境的變化敏感，并且可以智能調整價格。10)

虛擬電廠的優化調度問題

虛擬電廠的優化調度問題可以分為2種：11)

(1)內部調度，虛擬電廠對自身內部多個電源的容量配置或出力進行優化調度;

(2)外部調度，由電網將虛擬電廠當成一個整體進行優化調度。

虛擬電廠投入運行所需技術

驅使人們研究智能電網以及虛擬電廠的主要原因不是制造電力本身的成本，而是保證合格電力所需要的成本。虛擬電廠技術可以提高智能電網各方面的優點，包括兼容性、優化電能質量、互動性以及集成系統資源等。如今，通信以及計算機技術的長足發展使得虛擬電廠內部各部分的實時通信成為可能。但是，為了在實際市場的運行中發揮虛擬電廠兼容、互動和自愈等優勢，還有一系列的關鍵技術問題需要解決。12)

(1)數字化的量測體系

在虛擬電廠的發電側及用戶側都引入數字化儀表(Advanced Metering Infrastructure, AMI)。AMI相對于相對于現行的測量儀表的一大特點是授權于用戶，將電網和用戶聯系起來，讓用戶可以支撐電網的運行。AMI的組成和特點具體包括：13)

a.高級智能儀表

高級智能儀表相對于現有的電表的區別在于，它們類似于電網上的傳感器，可以將用戶端的實時數據，如電量、電壓、電流、用電功率等信息即使傳送到發電端。這樣可以為電網的運行、調度和規劃提供大量準確信息，方便運行人員精確把握電網的運行狀態。尤其是針對分布式電源的管理，更需要通過高級智能儀表，精確掌握和預測分布式能源的狀態信息。14)

b.供用電服務

在用戶端引入智能儀表后，系統可以根據電網的用電信息，對用戶的用電量實行實時計價，不同時段不同電價，鼓勵用戶在電價高時少用電，電價低時多用電，實現負荷的平衡和優化控制。這樣不僅可以大大降低用戶的用電成本，同時也大大提高了電能的利用效率，并且實現與用戶互動的負荷側管理。15)

c.用戶室內網(HAN)

一旦智能電網得到完善和普及后，用戶端將不再僅僅擔當負荷側這一種角色，在一定情況下，用戶本身也可以成為一個小型的虛擬電廠，參與電網的運行。通過網關或用戶入口把智能電表和用戶室內可控的電氣或裝置連接起來，讓用戶能根據電網公司的需要，積極參與需求、響應電力市場的功能。16)

d.遠程接通或斷開

AMI將為虛擬電廠提供系統故障快速檢測功能，一旦故障發生，系統將立刻切斷故障區域，等待故障修復之后自動合閘。17)

(2)廣域測量系統

目前的廣域測量系統(WAMS)的電源管理單位(PMU)裝置以GPS為采樣基準的，它能實現全網同步采集機組和線路的電壓、電流以及重要的開關保護信號;并且能夠計算出相應的電壓和電流相量、頻率和頻率變化率、機組和線路功率、發電機內電勢(功角)以及根據機組鍵相信號實測機組功角;同時還能提供擾動觸發的暫態記錄。18)

廣域測量系統能實現對電力系統動態過程的監測，其測量的數據能反映系統的動態行為特征。廣域測量系統為電力系統提供了新的測量和監控手段，其突出優點是：廣域測量可以實現在時間/空間/幅值三維坐標下，同時觀察電力系統全局的電力動態過程全貌。19)

(3)先進的監控軟件和輔助決策體系

目前電網的調度和監控采用的大多是EMS，SCADA系統或者其擴展功能，這些系統的弊端存在處理問題速度慢，系統儲存的信息量十分有限，并且系統的在線分析能力較差，在多數時間需要人腦經驗來解決問題，而這些弊端使得這一系統已經無法使用如今日益復雜多變的電力系統。20)

而智能電網在運行時，需要實施監控網內所有節點、線路和設備上的所有數據，這是傳統的監控軟件和決策系統無法完成的任務。虛擬電廠需要依靠最先進的計算機優化算法來實現采集、組織、分類和處理智能電網中的海量信息，并基于數據和分析為運行人員提供輔助決策。21)

實現符合虛擬電廠運行要求的監控軟件，可以通過將分布式監控系統與集中式監控系統相結合的方式實現。目前電力系統的調度方式是采用將所有信息在電網調度中心進行統一處理，然后向相應的下級發電廠發布處理決定的模式。而在智能電網中，隨著負荷側管理數字化儀表的應用，分布式的監控系統不僅能夠采集、分析本地的數據，并且篩選出需要與上級或其他分布式系統通行的數據，分布式的監控系統還能根據計算的結果決定采取必要的本地控制措施，而不是通過控制中心下達命令。在智能電網中，虛擬電廠可以引入多代理系統，將信息發布至相應等級的代理來處理，而集中式的監控層主要負責統籌和協調各個代理之間的信息通信和交流。22)

在輔助決策層面，虛擬電站可引入高級的可視化界面和運行決策支持。通過數據過濾和分析，高級的可視化界面能夠將大量數據分層次，具體而清晰地呈現出來，從整體到局部地向運行人員展示精確、實時的電網運行狀態，并且提供相應的輔助決策支持，包括預警工具、事故預想(what-if)工具和行動方案工具，這樣較為完善的輔助決策系統便可成型。同時，系統也可通過內部儲存的數據，對電網可能出現的問題進行預測，方便虛擬電廠對潛在危險采取一定的預防措施。23)

(4)快速仿真和模擬

快速仿真和模擬包括風險評估、自愈控制與優化等高級軟件系統，可實時監測和分析系統目前狀態，幫助虛擬電廠做出快速響應和預測。通過其數字運算和預測功能，應用于虛擬電廠的配電快速仿真模擬(DFSM)可支持四個主要的自愈功能：網絡重構、電壓與無功控制、故障定位、隔離和恢復供電以及當系統拓撲結構發生變化時繼保再整定，提高了智能電網的穩定性、安全性和可靠性。24)

虛擬電廠未來發展

美國的一份報告指出，儲能使得虛擬電廠在未來幾年將“侵入能源市場”。報告認為，一個功能全面的能量云的前提是虛擬電廠，虛擬電廠的增長將使能源云成為一種交易平臺，參與者能夠在其中相互購買和出售來自多個電源點的能源，基于虛擬電廠的能源云使得能源交易雙向互動，而不是傳統意義上的能源單向流動。25)

隨著國家對清潔能源和新興技術的發展的大力推動，虛擬電廠將成為智能電網和全球能源互聯網建設中重要的能源聚合形式，具有廣闊的發展空間。26)

(1)分布式電源的互補性減少出力的不確定性。27)

由于可再生能源出力存在較大的隨機性、波動性、間歇性，分布式電源的動態組合問題亟待解決。隨著全球能源互聯網建設的推進，三部委針對可再生能源聯合發布了“一帶一路”和“一極一道”發展戰略，“一帶一路”沿線各國都具有豐富的風能和太陽能資源，“一極一道”更是推進了大型可再生能源基地電力送出以及各大洲之間電力交換。能源互聯網戰略推進跨境電力與輸電通道建設，積極開展區域電網升級改造合作，充分發揮不同區域內分布式電源的時差互補和季節互補特性，提高可再生能源的利用率和虛擬電廠的效益。

(2)多個分布式單元靈活地進行動態組合組成虛擬電廠。28)

虛擬電廠與微電網的最大區別在于構成虛擬電廠的多個分布式發電單元不一定在同一個地理區域內，其聚合范圍以及與市場的交互取決于通信能力和可靠性。多個分布式發電單元按照一定的規則或目標進行聚合，以一個整體參與電力市場或輔助服務市場，最后將利益分配給每個分布式發電單元。虛擬電廠作為中介，根據動態組合算法或動態博弈理論等規則對多個分布式發電單元靈活地進行動態組合。動態組合的實時性和靈活性可以避免實時不平衡所帶來的成本問題以及由于電廠停機、負荷和可再生能源出力預測失誤時所導致的組合偏差問題。

(3)大數據對可再生能源進行預測，提高虛擬電廠數據處理速度。29)

大數據是指無法在可承受的時間內用傳統的IT技術、軟硬件工具和數學分析方法進行感知、獲取、管理、處理和分析的數據集合。大數據技術可進行負荷預測和可再生能源出力預測，包括風能和太陽能。風能預測非常必要，因為數據顯示在用電高峰期，風電場的實際產能變化幅度很大。準確預測太陽能和風能需要分析大量數據，包括風速、云層等氣象數據。同時，利用大數據技術處理虛擬電廠內的各種信息，能有效提高數據交換與處理中心的處理速度，為虛擬電廠的數據交換與處理中心提供各子系統實時、精確的數據信息流。

(4)虛擬電廠參與多種市場進行優化調度和競價。30)

虛擬電廠通過對多個分布式單元進行聚合成為一個整體參與電力市場運營，既可以發揮傳統電廠出力穩定和批量售電的特點，又由于聚合了多種發電單元而具有較好的互補性。虛擬電廠所參與的電力市場包括日前市場、實時市場、輔助服務市場等，由此可建立日前市場、雙邊合同、平衡市場及混合市場等多種市場模型。考慮虛擬電廠中可再生能源出力、負荷和實時電價等不確定因素，在不同市場環境下建立調度和競價模型，使虛擬電廠具有更廣泛的適用性。

(5)基于博弈論建立科學的合作機制，確保虛擬電廠的穩定性。31)

博弈論主要研究存在利益關系或沖突的多個決策主體，根據自身能力和了解的信息，如何各自進行有利于自己或決策者群體的決策的理論。基于博弈論，認為虛擬電廠內的所有發電和用電單元和虛擬電廠與外部所有運營商均為合作博弈。根據合作博弈理論制訂科學的合作機制，包括虛擬電廠內部聚合的多個發電或用電單元之間的合作機制和虛擬電廠與集成運營商、配電網或輸電網以及電力市場運營者之間的合作機制，保證所有參與者的合理收益，使參與者保持長期的參與積極性，確保虛擬電廠的穩定性。

虛擬電廠案例

(1)上海黃浦區試點商業建筑虛擬電廠項目32)

在上海市中心黃浦區，一座不同尋常的電廠正在悄然建設中。它不建廠房，不燒煤、不燒氣，預計今年年末，它能在用電高峰時段釋放出約5萬千瓦電力來“削峰填谷”。這座明確寫入上海市電力發展“十三五”規劃，由眾多分布式儲能設備集合而成的黃埔區商業建筑虛擬電廠，正成為上海市電力體制改革、智能電網建設的獨特案例。

2018年1月，位于黃浦區九江路上的寶龍大廈第八次參與了虛擬電廠試運行，“發電”能力達100千瓦。寶龍大廈僅僅是黃浦區虛擬電廠的一個項目。迄今，虛擬電廠最大規模的一次試運行，參與樓宇超過50棟，釋放負荷約1萬千瓦。

“這個原理說來也簡單。”上海經研院規劃評審中心(以下簡稱“規評中心”)楊建林博士告訴筆者，“以寶龍大廈為例，在冬夏兩季用電高峰期，我們的系統只需對大廈各樓層中央空調的預設溫度、風機轉速、送風量等參數進行一定的柔性調節，就能夠通過減負為電網釋放出100千瓦電能。”

目前，黃浦區內95%以上符合安裝要求的公共建筑(包括辦公樓、商場、醫院、學校、政府機關等)都實現了能耗在線監測。由上海市經信委牽頭、上海經研院參與規劃設計、上海騰天節能技術有限公司參與實施的《上海黃浦區商業建筑虛擬電廠示范項目》已于2016年獲國家發改委批復，將在三年內全面完成。

“辦公樓的發電原理看似簡單，具體實現卻不容易，這里面涉及眾多電力參數與空調參數的對應與算法。”楊建林博士介紹，“這也就是虛擬電廠比傳統需求響應資源調用更為先進的地方。”

傳統的需求響應資源調用，如負荷控制平臺，實際上相當于一個備用調峰機組。在用電高峰期，電網調度部門啟動該平臺，向協議用戶下達手動削減負荷指令，或遠程拉閘限電“關開關”。這種方式簡單粗放，用戶體驗感受也較差。

而虛擬電廠要實現的，是柔性負荷控制，柔性負荷在一定時間內靈活可變，可在基本不影響用戶的前提下，達到削減或增加負荷的目的。

目前，可參與需求響應的柔性負荷種類繁多。上海經研院規劃評審中心具體研究了柔性負荷調控系統的結構組成、工作原理、參數設置、功率調節以及聚合方法等內容，設計了柔性負荷響應系統。楊建林介紹，“以商用大樓寶龍大廈的中央空調為例，在夏季用電高峰期，我們的響應系統依托精密的信息技術，通過對空調的預設溫度、風機轉速、送風量、新風量、冷凍水泵流量、冷凍水進水溫度等幾十個特性參數變量的控制，可以在不停機、不影響用戶使用的前提下，達到柔性調節空調負荷的目的。”

柔性負荷響應系統不僅能夠實現‘削峰’的作用，還能實現‘填谷’的功能。同樣以夏季空調制冷為例，在系統檢測到電網的負荷進入低谷期后，利用空調所屬房間儲熱能力，自動調整幾十個特性參數變量，增加空調負荷，可提前儲存一部分冷量，使電力系統的利用率增高。

電力系統運行調度的核心是功率平衡，若需求響應資源本身具備在線功率調節功能，則可以發揮更顯著的系統調節作用。然而傳統的負荷控制平臺只能參與離線調峰安排，條件和技術都難以達到接入系統的要求。

“虛擬電廠要達到的目標，不僅僅是收集分散的電能數據、控制負荷量，而是像一個真正的發電廠一樣，可以參與系統調度，提供調峰、調頻輔助服務和電力市場交易等。”上海經研院規評中心主任費斐介紹，“從這個角度看，上海黃浦區具有建立虛擬電廠得天獨厚的條件。”

黃浦區是上海商業建筑最密集的中心城區，大型商業建筑數量超過200幢，面積近1000萬平方米，年耗電量約13億千瓦時，峰值負荷近50萬千瓦，樓宇能耗占全區總能耗的65%以上，方便對諸多分布式發電資源進行大范圍集中控制。截至2月28日，黃浦區內像寶龍大廈這樣對能耗實時在線監測的樓宇，總數已超過230棟，年監測用電量超過10億千瓦時，占上海市社會領域用電總量的40%。

目前，該項目正在有序推進中。根據規劃，今年上海黃浦區將建成預期具有5萬千瓦容量、1萬千瓦自動需求響應能力、0.2萬千瓦二次調頻能力，年虛擬發電運行時間不少于50小時的商業建筑虛擬電廠，總“發電”能力將達到5萬千瓦。按此推算，如果上海其他區域也能推廣這種模式，就相當于在不增加資源消耗的情況下新建一座大型電廠。

(2)江蘇的世界上最大規模容量的“虛擬電廠”33)

2017年5月24日，世界上首套大規模“源網荷互動”系統在江蘇投運，它的投運，也相當于我國擁有了世界上最大規模容量的“虛擬電廠”。

這套系統通過“互聯網+電網”的技術，實現調控電廠發電的同時，也能調控用戶用電，讓兩邊都在不停變化的天平達到毫秒級的瞬時平衡。它借助“互聯網+”技術和智能電網技術的有機融合，將零散分布、不可控的負荷資源轉化為隨需應變的“虛擬電廠”資源，在清潔電源波動、突發自然災害特別是用電高峰突發電源或電網緊急事故時，用電客戶主動化身“虛擬電廠”，參與保護大電網安全。這是我國推出的創新舉措，最新建成投運了世界最大規模“虛擬電廠”。

“按照傳統的處理方式，在電網出現緊急事故時，我們將緊急調動備用的發電資源，同時立即切除部分用戶用電負荷，以此確保大電網安全。2016年起國家電網主導建設‘大規模源網荷友好互動系統’，在國際上首創將分散的海量可中斷用電負荷集中起來進行精準實時控制。”國網江蘇電力調度控制中心副主任羅建裕表示。

據介紹，這種可中斷負荷是指在一定補償機制下、簽訂經濟合同或協議、客戶自愿中斷用電的負荷，主要包括家庭熱水器、空調以及工廠非連續性生產負荷等。由于該類負荷中斷不會對用戶生產生活造成實質影響，且可根據電源、電網的動態變化實時啟停，因此該類負荷既具有負荷特性，又具有電源特性，相當于隨時、隨地、隨需投運的“虛擬電廠”。目前，江蘇“虛擬電廠”毫秒級實時響應規模已達100萬千瓦，另有276萬千瓦秒級準實時響應能力，規模為世界最大。

(3)特斯拉計劃在澳大利亞建全球最大虛擬發電廠34)

據外媒消息，近日南澳大利亞州政府公布新計劃，由特斯拉幫助建設虛擬發電廠，連接到蓄電池站的太陽能板將為該州家庭免費供電，南澳大利亞州政府將為5萬家庭免費提供太陽能板和特斯拉電池，將民居變成相互連接的巨大發電廠。如果這座發電廠建成，這將是世界上最大的電池、太陽能熱電廠，也是世界上最大的儲電廠。

州政府還宣布，將免費安裝1100套公共住房、5千瓦太陽能電池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2電池，并通過售電進行融資。

虛擬電廠是通過控制手段，把分散的分布式電源組織起來，形成一種可以控制的、規模化效應的類似于電廠的組織。通俗講，就是每一家的太陽能板在自家不用時，將產生的電源送到特斯拉提供的蓄電池中儲存起來。誰提供的電能多，誰就受益多。

南澳大利亞州政府表示，他們的虛擬發電廠將通過3個階段來實現。第一階段是在1100戶家庭進行試驗，每家通過太陽能板為特斯拉的電池組提供5千瓦的電能。之后，該系統將在2.4萬個家庭中展開。最后，整個南澳大利亞州的家庭都將納入這一虛擬發電廠。州政府將為該項目提供209萬美元資金支持和3000萬貸款。

參考資料：

1), 3) - 10), 12) - 24) 《分布式發電與智能電網》, 2013.

2) , 11) , 25) - 34) 大規模可再生能源接入電網的模式-虛擬電廠!實際案例有哪些?, 2018.北極星儲能網.