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虛擬電廠的商業模式開發與實踐
時間:2019-05-05 11:07:42

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隨著世界各國推動清潔、低碳的新型能源體系發展,分布式可再生電源、電動汽車、終端用戶的再電氣化比例大幅增長。對于面臨“電力緊張和能效偏低矛盾”的中國來說,“虛擬電廠”的解決思路在我國有著非常大的市場潛力,無疑是一種好的選擇。

一、虛擬電廠概述

虛擬電廠是將分布式發電機組、可控負荷和分布式儲能設施有機結合,通過配套的調控技術、通信技術實現對各類分布式能源進行整合調控的載體,以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網運行。從某種意義上講,虛擬電廠可以看做是一種先進的區域性電能集中管理模式,通過一套智能調控系統,讓電廠發電量和用戶用電量保持平衡,而這里的電廠不只是我們所看到的中心電廠,也包括電網中風力發電、太陽能發電這種不穩定的發電設備。虛擬電廠概念的核心可以總結為“通信”和“聚合”。其最具吸引力的功能在于能夠聚合分布式能源參與電力市場和輔助服務市場運行,為配電網和輸電網提供管理和輔助服務。

二、虛擬電廠較傳統分布式電源并網方式的優勢

2018年9月,中國風電、太陽能發電裝機年均增長44%和191%,遠高于全球平均增速。但風能、太陽能等隨機性、間歇性和波動性特征,大規模、高比例接入將給電力系統平衡和電網安全運行帶來一系列挑戰。虛擬電廠的解決思路可以有效應對這些問題。

(一)虛擬電廠可以擺脫傳統微網的地域限制

中國目前大多采用微網的概念作為分布式電源的并網形式,它能夠很好地協調大電網與分布式電源的技術矛盾,并具備一定的能量管理功能,但微網以分布式電源與用戶就地應用為主要控制目標,且受到地理區域的限制,對多區域、大規模分布式能源的有效利用及在電力市場中的規?;б婢哂幸歡ǖ木窒扌?。虛擬電廠并未改變每個分布式電源并網的方式,而是通過先進的控制計量、通信等技術聚合分布式電源、儲能系統、可控負荷、電動汽車等不同類型的分布式能源,并通過更高層面的軟件構架實現多個分布式能源的協調優化運行,更有利于資源的合理優化配置及利用。

(二)虛擬電廠的解決思路可以產生規模經濟效益

傳統主動配電網是實現大規模分布式電源并網運行的另一種有效解決方案,它是將分布式電源的接入半徑進行了一定的擴展,能夠對配電網實施主動管理,但對分布式電源能夠呈現給大電網及電力市場的效益考慮不足。虛擬電廠的提出則為解決這些問題提供了新的思路。虛擬電廠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分布式電源對公網穩定輸電,并提供快速響應的輔助服務,成為分布式電源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。

三、虛擬電廠主要開發方式

(一)商業型

商業型虛擬電廠是從商業收益角度考慮的虛擬電廠,是分布式電源投資組合的一種靈活表述。其基本功能是基于用戶需求、負荷預測和發電潛力預測,制定最優發電計劃,并參與市場競標。商業型虛擬電廠不考慮虛擬電廠對配電網的影響,并以與傳統發電廠相同的方式將分布式電源加入電力市場。商業型虛擬電廠投資組合中的每個分布式電源向其遞交運行參數、邊際成本等信息。將這些輸入數據整合后創建唯一配置文件,它代表了投資組合中所有分布式電源的聯合容量。結合市場情報,商業型虛擬電廠將優化投資組合的潛在收益,制定發電計劃,并同傳統發電廠一起參與市場競標。一旦競標取得市場授權,商業型虛擬電廠與電力交易中心和遠期市場簽訂合同,并向技術型虛擬電廠提交分布式電源發電計劃表和運行成本信息。

(二)技術型

技術型虛擬電廠是從系統管理角度考慮的虛擬電廠,考慮分布式電源聚合對本地網絡的實時影響,并代表投資組合的成本和運行特性。技術型虛擬電廠提供的服務和功能包括為DSO(110千伏及其以下電壓等級下運行電網的配電系統運營商)提供系統管理、為TSO(最高電壓等級下運行電網的輸電系統運營商)提供系統平衡和輔助服務。本地網絡中,分布式電源運行參數、發電計劃、市場競價等信息由商業型虛擬電廠提供。技術型虛擬電廠整合商業型虛擬電廠提供數據以及網絡信息(拓撲結構、限制條件等),計算本地系統中每個分布式電源可作出的貢獻,形成技術型虛擬電廠成本和運行特性。技術型虛擬電廠的成本及運行特性同傳統發電廠一起由TSO進行評估,一旦得到技術確認,技術型虛擬電廠將控制分布式電源執行發電計劃。

四、虛擬電廠上海實踐

上海市電力發展“十三五”規劃中,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,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。發電和用電保持動態平衡,是電網平穩運行的重要保障。近年來,隨著上海產業結構調整和生活水平提高,電力峰谷差不斷加大。為了保證高峰期供電安全,上海電網不得不保留大量的冗余發電能力,造成資源浪費。虛擬電廠的出現解決了這個問題。

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。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。以中央空調為例,在夏季用電高峰期,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?;?、不影響用戶使用的前提下,達到柔性調節空調負荷的目的。

五、虛擬電廠德國實踐

2008年,德國聯邦經濟和技術部啟動了“E-Energy”計劃,目標是建立一個能基本實現自我調控的智能化的電力系統,而其中信息和通信技術是實現此目的的關鍵。E-Energy同時也是德國綠色IT先鋒行動計劃的組成部分,總共投資1.4億歐元,包括智能發電、智能電網、智能消費和智能儲能四個方面。為了分別開發和測試智能電網不同的核心要素,德國聯邦經濟技術部通過技術競賽選擇了6個試點項目。在由“E-Energy”計劃支持的6個涉及能源互聯網項目中,哈茨項目,就是將新能源最大化利用的典型案例,而其中最引人注目的就是虛擬電廠部分。

該項目所選定的哈茨地區,在分布式電力供應方面擁有風能、抽水蓄能、太陽能、沼氣、生物質能以及電動車等多種方式,在輸配電方面主要有6家配電運營商、4家電力零售商以及1家輸電商運營。虛擬電廠與分散式電源進行通訊連接,而與原有的傳統大型發電場不同的是,新能源系統數據變化較快,安全、穩定性高的傳輸技術非常必要。所以在此項目中制定了統一的數據傳輸標準,使得虛擬電廠對于數據變化能夠快速反應。在考慮發電端的同時,虛擬電廠同樣關注的是用電側的反應,在哈茨地區的試樣中,家庭用戶安裝了能源管理系統,被稱為“雙向能源管理系統”(簡稱BEMI)。資料顯示,用戶安裝的能源管理系統每15分鐘儲存用戶用電數據,記錄用戶每天的用電習慣,并將這些數據通過網絡傳輸到虛擬電廠的數據庫中。同時,BEMI系統還可以通過無線控制開關的插座,當電價發生變動時,可以通過無線控制來調控用電時間和用電量。

六、虛擬電廠發展需要重視的問題

(一)鼓勵用戶積極參與虛擬電廠

虛擬電廠在中國還是一個嶄新的概念,用戶及分布式能源所有者對其知之甚少。然而,虛擬電廠的實施需要用戶及大量私有分布式電源的支持,這就要求相關部門積極宣傳參與虛擬電廠的益處,并制定一系列的鼓勵機制,從而在不同地區建立虛擬電廠試點項目。

(二)合理規劃虛擬電廠的范圍及職能

盡管虛擬電廠能夠代表不同分布式能源所有者的需求并能夠為系統提供多種服務,但在中國電力市場并不完善的情況下,為避免管理和調度混亂,應當合理規劃虛擬電廠的范圍和職能,如在城區等負荷密集地區以可控負荷構成虛擬電廠,作為系統備用,或削減高峰用電;在鄉村或郊區,以大規模分布式能源、儲能等構成虛擬電廠,實現對系統的穩定和持續供電。

(三)制定合理的競爭機制和有針對性的政策,完善電力市場運營機制

虛擬電廠與傳統電廠的效用基本相同,但發電來源豐富多樣。為鼓勵新能源和可再生能源發電的發展,中國制定了一系列相應的優惠和補貼政策。一方面,為了避免投機倒把行為以及不必要的購電支出,虛擬電廠的實施應由政府主導,系統調度機構和供電公司負責實施,購電電價應根據虛擬電廠中的可再生能源所占成分區別設定,同時規定可再生能源發電應盡量并網,并進一步完善現行的分時電價辦法,鼓勵和促進用電高峰時用戶節電和分布式能源發電。另一方面,應區別對待不同職能的虛擬電廠(如以分布式能源尤其是可再生能源發電為主的供電虛擬電廠,以參與前期市場為主,實時市場為輔,輔助服務市場為補充;以可控負荷和少量分布式能源為主的備用或平衡虛擬電廠,以參與輔助服務市場為主,實時市場為輔)。


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