前言：21世紀以來，隨著世界能源儲量的緊缺和環境問題的愈加突出，智能電網的發展方向更加註重
分佈式能源的建設。分佈式電力能源具有經濟、可靠、靈活和環保的特點，這種調度管理模式不僅有利於提高能源利用率，同時可以在促進能源可持續發展的基礎上，減少電力工業生產造成的汙染排放。分佈式電力系統的研究和應用，促進了分佈式電源管理功能和集中發電之間的協調運作，是電力系統發展的一個必然趨勢。作為能源綜合管理調控的先進技術，虛擬電廠結合了發電，儲能與數字通信系統，充分挖掘了經濟價值和社會效益。一、原理簡介
虛擬電廠是通過先進的信息通信技術和軟件系統，結合協調控制技術、數據分析算法、優化預測算法，實現可再生能源、儲能系統、發售電側的聚合和協調優化，每個部分與能源管理系統相連，當作特殊電廠來參與電力市場交易和電網優化運行的管理系統。它與電力交易市場、電網運營公司、售電商、發電商、用戶、政策製造者相互聯繫，與主要能源互聯網參與者進行互動。
圖1：一種典型的虛擬發電廠結構[1]
目前，各個研究機構對虛擬電廠的實質有不同的解釋：“可自愈的微電網”、“不同類型的分散在中壓配電網不同節點的分佈式能源集合”、“帶有傳輸系統的發電站”、“多技術和多站點異質實體”等。基於先進的信息通信和協調控制技術，虛擬電網的功能模塊可以分為4個：
- 市場管理模塊：基於市場接口管理、電力市場電價清算、電能交易管理等功能，參與多種電力市場（能源市場、輔助服務市場等）投標，簽署多種交易協議（遠期合同、期貨合同、雙邊交易合同）；
- 組合管理模塊：根據天氣狀況、能源需求、市場環境等預測信息，結合歷史數據分析，對申請加入虛擬電廠的發電商進行優化組合，並根據發電商的報價、輸出功率等指定電力市場投標策略及發電計劃表；
- 發電商管理模塊：根據發電計劃表和電網實際狀態，協調虛擬電廠成員的優化運行，並對發電商狀態進行實時監控評估；
- 數據分析模塊：為其他模塊提供數據分析支持和信息檢索服務，對市場電價、能源需求、競爭對手決策等數據分析，行為決策對經濟效益的影響分析，運營安全性風險分析。
圖2：虛擬電廠交易體系[5]
二、特性分析
- 電能生產高效、環保：虛擬電廠通過利用新型可再生能源和節能調控技術和完善的運行機制，實現傳統能源與新能源之間的互補協同調度，輔助電網的優化運行，最大程度地減少新能源發電的隨機波動性，在保證電網穩定性和安全性的基礎上提高新能源的利用率；
- 具有地域分佈上的分散性與運行調度上的協同性：虛擬發電廠通過監管控制中心對分佈在不同區域的發電設備進行集中管理，有效整合各種特性的電源及用電負荷，對發電和用電單元實現了經濟高效的控制；
- 虛擬電廠不僅可以集合大量的分佈式和可再生能源發電，進行統一的管理和市場交易，還可以扮演售電商的角色， 設計靈活的售電套餐；
- 虛擬電廠通過整合發電側管理、需求側響應、儲能管理、中央調度、電力交易，參與電力產業鏈所有環節並與各個環節的市場參與者形成互動；
- 虛擬電廠的資產具有虛擬性：虛擬電廠內部的資產並不一定屬於代理商，代理商與資產的關係主要是能量流的調度、貨幣流的分配和信息流的共享，類似於傳統電網的調度、交易中心與各發電廠的關係，虛擬電廠對管轄區內的發電資產不一定具有所有權；
- 虛擬電廠可實現預測功率和管理控制的智能化：綜合氣象數據、預報信息，並對影響用電需求的因素進行深入分析，實現對發電側的輸出功率預測和用電側的用電功率預測；
- 虛擬電廠屬於 可持續發展的投資，具有建設投資的可持續性，即從建設投資形成到發揮其功能的整個生命週期內，所接近或達到既滿足當代人的需要，又不損害後代人需要能力的標準程度，具有生態環境相容性、技術情節性、經濟合理性、社會公正性；
- 虛擬電廠的實施有明顯的正溢出效應即正外部效果，即由於行為主體發生某種活動或行為，而對主題外的其他因素（具有生態、環境、經濟等）所產生的沒有包括在預先行為目標中的正面影響結果，具有無法預計性；
- 生產產品具有特殊性：一般項目的實施都是為了獲得產品收益或者設備的使用效用，而虛擬電廠的建設是為了獲得節點收益，即節約下的電量乘以電價後的收益，因此在計算項目投資成本、費用、收益方面有另一套方法。
三、應用場景
1. 電動汽車
隨著能源供應的日趨緊張，電動汽車的迅速發展勢在必行，大量的電動汽車儲能電池的無序充電將給電網造成負面衝擊。一體化電站的運營模式是指，建立包含有電動汽車充換儲一體化電站和可中斷負荷的虛擬電廠控制模型；以運行成本最小為調度目標，運用二進制粒子群算法，實現虛擬電廠的經濟調度。在虛擬電廠的控制下，充換儲一體化電站與可中斷負荷相互配合，可大大緩解高峰用電的緊張，起到削峰填谷的作用。
2. 智能園
園區通常是指諸如經濟技術開發區或工業園區等獨立區域，園區主要為產業或技術發展聚集而設立的城市區域，可包括工業區、科技研發區和居住區等功能區。而智能園區則是在園區的基礎上，採用先進的信息技術和自動化技術對園區的電網基礎設施和自動化系統進行改造，使之成為具有低碳節能、供電可靠、友好互動等特徵的智能園區。 虛擬發電廠對電力傳輸過程中的很多其它工作負責，比如負責制定發電時間表、限定發電上線、控制經營成本等，我們將其看作成一個帶有傳輸系統的發電站。虛擬電廠所負責的這些工作可以方便實現與電網運行工程中的其他參與者取得聯繫，併為其提供相應的服務。虛擬發電站可以在電廠批發銷售電能的過程中與通信中心直接取得聯繫，實現電網的整體穩定運行。
3. 與分佈式光合示範區結合
虛擬電廠在分佈式光伏發電中的應用為整個示範區的運作提供了一種經營模式的創新方案。經營模式的創新需求來自外部的政策推動力和內部的經營管理要求，虛擬電廠與分佈式光伏發電應用示範區的經營模式創新需求契合。同時，分佈式光伏發電示範區為虛擬電廠提供了理想的應用平臺，對其未來發展前景展開研究。
四、經濟性分析
虛擬電廠有很大的節能潛力，使用過程中節省的電量可以與一座常規電廠的發電量相當。
表1：虛擬電廠與常規電廠的比較
由上表可以看出，虛擬電廠節電過程中對環境無汙染，且成本較低，能獲得顯著的碳減排效益和更高的經濟效益。
我國北方冬季供暖期，大量熱電聯產機組工作在 “以熱定電” 運行模式下，造成了系統調峰能力不足，棄風形勢嚴峻。能有效減少棄風的風電供熱由於經濟效益問題和調度平臺尚未完善，難以大規模推廣應用。為此，將一定供熱區域內的熱電廠、風電場、光伏電站組成虛擬電廠，並加入風電供熱設備實現熱電聯產機組的“熱電解耦”。華北電力大學控制與計算機工程學院基於虛擬電廠“熱電解耦”進行了負荷優化調度和經濟效益分析，建立了虛擬電廠
熱電負荷優化調度模型，對比了不同的虛擬電廠運行策略，並採用自適應免疫遺傳算法進行求解，實現了虛擬電廠內部熱電負荷優化調度。通過算例分析，驗證所建立模型的合理性與有效性：表明在虛擬電廠中加入風電供熱設備的運行策略可以有效地減少出力偏差與環保代價，提高經濟效益。風電供熱容量在一定範圍內越高或風光預測精度越高，虛擬電廠經濟效益越好，同時體現了虛擬電廠作為一個利益整體的經濟性優勢。
圖3：虛擬電廠“熱電解耦”組成結構[6]
五、政策支持
虛擬電廠在國內的發展離不開國家的支持：
- 2016年2月，國家發改委發佈“關於推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見”，指出：建設能源生產消費的智能化體系、多能協同綜合能源網絡、與能源系統協同的信息通信基礎設施。
- “十四五”能源電力發展重大問題探討：深入推進能源市場化改革，儘快建立完善現貨市場等機制”指出：虛擬電廠將成為整合利用用戶側資源的重要手段，促進分佈式能源高效利用。虛擬電廠是互聯網思維與前沿信息技術促進能源電力系統業態創新的典型代表。隨著泛在電力物聯網逐步建成，“十四五”期間虛擬電廠有望迎來爆發式增長階段。基於商業模式創新，通過物聯網技術、先進調度控制技術，對各類分佈式能源、儲能、交互式用能設施進行整合調控，作為一個特殊電廠參與電網運行和市場交易，為電力系統提供調峰、調頻、備用等輔助服務，對未來提高分佈式能源系統友好屬性、保障電力安全供應大有裨益。
- 2018年10月，國際電工委員會（IEC）召開虛擬電廠工作組會議，組織研討了兩項虛擬電廠標準編制工作。據瞭解，這兩項標準來自中國國家電網公司向IEC提交的虛擬電廠《架構與功能要求》和《用例》兩項提案。國網董事長舒印彪表示：“作為IEC在虛擬電廠領域立項的首批國際標準，它們將確立我國在虛擬電廠技術模式的主導作用和領跑優勢。”
- 2019年國家電網有限公司“兩會”提出，聚焦建設世界一流能源互聯網企業，守正創新、擔當作為，打造“樞紐型、平臺型、共享型”企業，建設運營好“堅強智能電網、泛在電力物聯網”，即為“三型兩網”發展戰略，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的戰略部署，提出到2021年初步建成公司及智慧能源綜合服務平臺，新興業務協同發展，打造完善的虛擬電廠運營模式的目標。並計劃到2024年，形成共建共治共贏的能源互聯網生態圈，引領能源生產、消費變革，實現涉電業務線上率90%。
六、國內外發展現狀與案例介紹
1. 北美
美國是最早研究虛擬電廠的國家，取得了大量的研究成果。美國以加利福尼亞州、佛蒙特州和紐約州3 個地區為代表：加利福尼亞州是美國開展電力需求側管理最早的州；佛蒙特州是最早提出虛擬電廠概念並付諸實施的州，採用系統效益收費模式，實現了在負荷增長減少約一半的情況下，投資收益仍舊良好的局面。同美國一樣，加拿大也非常注重能效管理和虛擬電廠的建設。加拿大魁北克水電公司是北美最大的發電公司，通過虛擬電廠的控制，合理利用峰谷電價、可中斷電價等電價政策引導用戶儘可能在低谷時段用電，合理避開高峰時段；同時吸收更多虛擬電廠參與者，採用技術更先進的節電設備提高終端用電效率，從而節約電能。
2. 澳大利亞
2016年，澳大利亞公用事業AGL宣佈將要打造世界上最大的虛擬電廠，以此來連接澳大利亞南部1 000個電池組，為家庭和企業供電。這個虛擬電廠造價達2000萬澳元，能夠存儲7MWh的電能，相當於一個5MW的太陽能調峰電廠。同時，澳大利亞可再生能源機構表示，“有條件地承諾” 資助該電廠項目達500萬美元。該項目所需的電池系統和能源管理系統將由美國的儲能開發商Sunverge提供。
AGL的首席執行官表示：“我們相信這個項目能夠降低電費，減少碳排放量，調節能源需求，有利於維持電網的穩定。”該項目的相關負責人透露，虛擬電廠將分成3個階段，共計18個月。有意願參與該計劃的客戶能夠購買一個5kW/7.7 kWh的儲能系統。有充足資金的消費者也可以期待一個7年的投資回收期。南澳大利亞能源部長兼國庫部長表示：“政府祝賀 AGL通過尋找新的方法來普及可再生能源的使用。同時，我們也鼓勵其他私營部門考慮如何分配通過可再生能源生產的電力。”
3.德國
作為能源匱乏的國家，德國政府在虛擬電廠的發展方面也給予了高度重視。同時，在市場機制的推動下，各大綜合能源服務公司積極開發相關技術與服務，共同助力綜合能源系統的建設。
位於德國中北部的哈茨山脈的可再生能源示範項目——RegModHarz項目，是將新能源能效優化領域的典型案例，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，在分佈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。在該項目中，虛擬電廠與分散式電源進行通訊連接，新能源系統數據變化較快，安全、穩定性高的傳輸技術是這一系統穩定運行的必要條件。此項目中制定了統一的數據傳輸標準，使得虛擬電廠對於數據變化能夠快速反應。在考慮發電端的同時，同樣關注用電側的反應，在哈茨地區的試樣中，家庭用戶安裝了能源管理系統，即
“雙向能源管理系統”(簡稱BEMI)。用戶安裝的能源管理系統能夠每15分鐘儲存用戶用電數據，記錄用戶每天的用電習慣，並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。此外，萊茵集團也開始運營第一家商用規模的“虛擬電廠”，利用電力設備的無線鏈接和工程巨頭西門子公司設計的一套能源管理系統，萊茵集團可以將數十個小型綠色能源設備的輸出組合在一起，將可再生能源發電機組產生的電力打包成較大的供應量，再通過計算機進行交易，實現穩定供電，並獲得補貼。在滿負荷生產時，虛擬電廠的發電量可達80兆瓦。這些電力由該公司在歐洲最大的能源交易市場，位於萊比錫的歐洲能源交易所進行銷售。萊茵-魯爾地區是人口密度最高的區域，這裡設置了風力渦輪機、屋頂太陽能電池板以及其他一些可再生能源設備。而在多特蒙德發電廠操作員可以在辦公大樓裡的電腦屏幕前，統籌安排這些設備的能量輸出。
4. 英國
英國Limejump公司已獲得英國能源管理局(Ofgem)的准許，在國家電網的平衡機制中運行虛擬電廠。一套由Anesco公司在Derbyshire開發的10兆瓦Breach Farm電池儲能系統已經首次為平衡機制系統供電，為國家電網在電力供應緊張期間提供額外的電源。而後殼牌新能源大舉支出，收購了該公司Limejump。收購完成後，Limejump將成為殼牌的全資子公司。
5. 日本
福島核事故暴露出大規模集中式電力供給的脆弱性，日本由此下決心建設新一代電力系統和能源綜合管理，以實現電力需求側管理的智慧化向以可再生能源、蓄能為代表的小規模分佈式能源體系轉型。但分佈式電源如何動態優化組合、如何保證供需的實時平衡成為這一轉型的難題。2018年初，在能源互聯網的大背景下，需求響應和虛擬電廠成為日本電力市場的新寵，二者不僅可以降低系統基本負荷和峰值負荷，彌補因核電大量關閉帶來的電力缺口，而且在負荷側增加了電源集成的互補性，降低了火電調峰需求，提高了可再生能源的利用率。同時，促使電網根據不同類型電源輸出特性實現優化配置，推動電網智能化提升。因此，需求響應和虛擬電廠成為當前日本分佈式能源互聯網市場創新的一大亮點。
6. 中國
與國外相比，國內虛擬電廠的概念出現得較晚，自 2005 年以來，江蘇和廣東已率先開始了虛擬電廠的研究。2016年6月15日，江蘇大規模源網荷友好互動系統初步建成，該系統為2016年迎峰度夏期間，特高壓直流2160萬千瓦滿功率輸送時的電網安全穩定運行提供了有力支撐。蘇州地區已實現1100 MW容量的快切負荷能力即“虛擬電廠”資源。
2017年5月24日，世界首套“大規模源網荷友好互動系統”在江蘇投運，整個系統涉及華東區域的8個特高壓直流子站，8個抽水蓄能子站，蘇州南部地區1個江蘇切負荷控制中心站、4個500 kV分區切負荷控制子站、252個電網側變電站以及810個負荷用戶控制終端。當天，按照華東電網實戰演練安排，±800千伏錦蘇特高壓直流電被人工閉鎖，江蘇電網瞬間缺少300萬千瓦電力供應，通過“大規模源網荷友好互動系統”統一調度控制，實時填補了負荷缺口。該系統藉助“互聯網+”技術和智能電網技術的有機融合，大大提升了電網的穩定性。
2017年12月，江蘇大規模源網荷示範工程二期擴建投入運行。2018年5月28日，由南瑞集團承擔建設的國內首套“大規模源網荷友好互動系統”三期擴建工程投入試運行。目前該工程可提升特高壓直流送電能力154萬千瓦，年增利潤約8400萬元。累計增供電量49.896億千瓦時，累計新增銷售額27.4428億元，累計新增利潤1.2474億元，經濟效益顯著。在負荷控制能力方面，相當於4臺百萬千瓦火電機組，節省投資126.4億元，環境效益顯著。該系統在江蘇電網成功應用，實現了快速負荷調控方式的根本性改變，起到了很好的示範作用。該成果已在山東、河南、上海、浙江、安徽、湖南6個省級電網推廣應用。此外，10月11日，國網江蘇與蘇寧簽署了合作協議，雙方將在居民家庭電氣化推廣、智能家電高端應用、綜合能源服務示範點等領域加強合作。項目鼓勵客戶利用家電海量微負荷參與電網互動，建立“虛擬電廠”。
2018年1月，位於上海市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。該項目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《上海黃浦區商業建築虛擬電廠示範項目》 已於2016年獲國家發改委批覆，將在三年內全面完成。
【1】 Research of Virtual Power Plant under the Participating of the Tradable Green Certificates
【2】 能源互聯網中虛擬電廠的運營模式及啟示
【3】 Smart Grid Practices in Germany
【4】 http://www.lianmenhu.com/blockchain-9640-1
【5】 Operation Mechanism and Key Technologies of Virtual Power Plant Under Ubiquitous Internet of Things
【6】 華北電力大學控制與計算機工程學院，基於虛擬電廠“熱電解耦”的負荷優化調度和經濟效益分析
【7】 國網互聯網部，泛在電力物聯網建設大綱（節選）
【8】 http://shoudian.bjx.com.cn/html/20191213/1028441.shtml
【9】 http://www.nea.gov.cn/2016-02/29/c_135141026.htm
【10】 http://www.nea.gov.cn/2015-07/07/c_134388049.htm
作者 | 尹華琛
欄目負責人 | 晉羽華琛
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