從技術層面講，虛擬電廠并未改變每個分布式能源并網的方式，而是通過先進的控制、計量、通信等技術聚合分布式電源、可控負荷、儲能系統、電動汽車等不同類型的分布式電源，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，使其能夠參與電力市場和輔助服務市場運營，實現實時電能交易，同時優化資源利用，大大提高供電可靠性。

 

虛擬電廠的概念更多強調的是對外呈現的功能和效果，這種方法無需對電網進行改造而能夠聚合分布式能源對公網穩定輸電，并提供快速相應的輔助服務，成為分布式能源加入電力市場的有效方法，降低了其在市場中孤島運行的失衡風險，可以獲得規模經濟的效益。同時，分布式能源的可視化以及虛擬電廠的協調控制優化大大減小了分布式能源并網對公網造成的沖擊，降低了分布式能源增長帶來的調度難度，使使配電管理更趨于合理有序，提高了系統運行的穩定性。

 

（虛擬電廠的典型結構，來源：《虛擬發電廠研究綜述》中國電機工程學報）

 

分布式能源發電系統按照用途分為家庭型和公用型兩類，家庭型發電系統首先需要滿足用戶自身負荷，當產生電能剩余時才會輸送給電網，當產生電能不足時，依然由電網向用戶供電。典型的家庭型分布式電源可以是光伏發電設備、小型熱電聯產設備以及一些應急發電設備等。公用型發電系統作為發電商，其功能即為自身產生電能并輸送到電網。典型的公用型發電系統主要包括風電站、光伏電站等新興能源發電裝置。

 

關鍵技術

 

1、協調控制技術

 

在分布式能源中占主要部分的可再生能源發電站，如風力發電站、光伏發電站等，由于他們的間歇性和波動性使得發電電能質量和發電經濟性成為難點，因此在虛擬電廠控制各種分布式能源發電設備、儲能系統以及可控負荷的過程中，對他們的協調控制是最關鍵的部分。集中控制方式、分散控制方式和完全分散控制方式。虛擬電廠采用集中控制方式時，所有單元的信息都需要通過控制協調中心進行處理和雙向通信，采用能源管理系統（EMS）協調機端潮流、可控負荷和儲能系統，找到最佳加爵方案，優化電網運行。集中控制方式最容易實現虛擬電廠的最優化運行，但其擴展性和兼容性受到很大局限。分散控制方式能使虛擬電廠模塊化，改善集中控制方式下的通信堵塞和兼容性差的問題。完全分散控制方式使得虛擬電廠具有很好的擴展性和開放性，更適合參與電力市場。

 

以下為三種控制方式的對比：

 

 

（虛擬電廠的完全分散控制結構，來源：《虛擬發電廠研究綜述》中國電機工程學報）

 

2、信息通信技術

 

虛擬電廠要采用融合能源流與信息流的雙向通信技術，控制中心不僅可以接受各單元的當前狀態信息，而且能夠向控制目標發送控制信號。應用于虛擬電廠中的通信技術主要基于互聯網的技術，如互聯網協議的服務、虛擬專用網絡、電力線路載波技術和無線技術。根據不同場合和要求，虛擬電廠要應用不同的通信技術。在歐洲進行的一些虛擬電廠項目中，主要應用有互聯網虛擬專用網絡技術、移動通信技術、GPRS技術和IEC104協議通信技術等。

 

3、智能計量技術

 

智能計量技術是虛擬電廠發展中設備應用技術的重要環節，是實現虛擬電廠控制技術的基礎。智能計量最基本的作用是自動測量和讀取用戶住宅內的電、熱、氣、水的消耗量和生產量，即自動抄表技術，以此來作為虛擬電廠提供電源盒需求側的信息來源。

 

發展現狀

 

目前，VPP技術在歐美發達國家有著較為成熟的發展，在歐美各國已有一些可供借鑒的小規模示范項目。自2001年起歐洲各國就開始開展以集成中小型分布式發電單元為主要目標的虛擬發電廠研究項目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國、丹麥等。現已實施的虛擬電廠項目包括：德國卡塞爾大學太陽能供應技術研究所的試點項目、o歐盟虛擬燃料電池電廠項目、歐盟FENIX項目等。北美則較少采用“虛擬發電廠”的概念，而是主要推進利用用戶側可控負荷的需求響應，并已取得令人矚目的成效：據統計2008年美國的各類需求響應項目可在用電高峰時段減少高達38000MW的負荷。而在亞太地區，走在前端的是澳大利亞。2016年8月，AGL能源公司宣布在澳大利亞阿德萊德舉辦一個5兆瓦的虛擬電廠計劃。

 

在我國由于能源體制中發電、輸配電、用電三方的相對獨立，國內尚未形成相關成熟的VPP成套解決技術，VPP基本處于前期研究階段。

 

未來與展望

 

針對中國實際情況，對未來開展虛擬電廠仍需要幾點進步：

 

1）虛擬電廠需要用戶的參與，因此對于這一概念的宣傳還需加深，也需要一定鼓勵機制；

 

2）虛擬電廠的應用需要中國電力市場的進一步完善，為了避免管理和調度混亂，仍需合理規劃虛擬電廠的范圍和職能；

 

3）虛擬電廠的發展需要國內擁有合理的競爭機制和有針對性的政策。

 

根據派克研究公司2014年的報告， VPP市場將在未來幾年內繼續保持穩定增長，基準情況從2010年的52億美元增長到2015年的近75億美元。在更積極的預測情況下，清潔技術市場情報公司預測，同期全球VPP收入可能達到高達117億美元。

 

派克研究部高級分析師彼得·阿斯穆斯（Peter Asmus）說：“虛擬發電廠代表著能源互聯網”。“這些系統利用現有的網格網絡為客戶量身定制電力供需服務VPP使用一套復雜的基于軟件的系統為最終用戶和分銷公用事業提供最大的價值，它們是動態的，實時提供價值，并能夠快速反應客戶負荷變化。”

 

各國虛擬電廠的發展

 

德國

 

作為能源互聯網發源地的德國，在其能源轉型戰略中提出明確的棄核期限以及占比非常高的可再生能源發展指標，這意味著其分布式能源的比例也將不斷提高，優化控制這些分散的分布式“電廠”、保持電網穩定成為了德國能源研究中的重點。在虛擬電廠這一概念的應用上，德國也走在前列。科研上，政府的大力支持在全德開展了多個虛擬電廠試點項目和示范研究項目；商業上，越來越多的公司開始進入虛擬電廠領域，除了大公司西門子、博世等等聯合傳統電力巨頭想在通訊服務領域占得頭籌，更多的中小型企業也看中了虛擬電廠未來的發展前景，業務涉及能效管理、節能合約、充電設施服務等等。

 

RegModHarz項目

 

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。綠色IT先鋒行動計劃總共投資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，位于德國中北部的哈茨山脈的可再生能源示范項目——RegModHarz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。

 

項目中，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。
 

（RegModHarz項目發電側及用電側負荷曲線（其中紅線表示用電量，藍線表示分布式能源發電量，風能發電占絕大部分） 來源：RegModHarz項目項目報告）

 

在哈茨項目執行的過去幾年間，項目方對于進入批發市場的商業模式進行模擬。而模擬的結果是，在當時，如果缺乏補貼，可再生能源進入電力批發市場獲利可能性很小。在示范區當地，將可再生能源進行銷售也是另一種商業模式。隨著民眾對于可再生能源認同感增強，并且對于當地電源發展的認同與支持，虛擬電廠作為協調方，協調發電端和零售商以及最后到用戶端之間的交易。

 

歐盟FENIX項目

 

FENIX（Flexibleelectricity network to integrate the expected energy solution）項目是由來自英國、西班牙、法國等8個國家的20個研究機構和組織，在歐盟第6框架計劃下與2005-2009年間實施的VPP研究和試點項目，其目的在于通過將大型虛擬電廠（LSVPP）和分布式能源進行管理，來最大化地提升DER（分布式能源）對電力系統的貢獻。

 

（FENIX項目的合作國家及機構 來源：FENIX報告）

 

FENIX項目的一般架構如下圖所示，基于此架構，在英國和西班牙分別實施了北部方案和南部方案。

 

（FENIX項目的一般架構 來源：《虛擬電廠歐洲研究項目述評》電力系統自動化第21期）

 

北部方案的重點在于以英國電力市場為依托建立商業性VPP（CVPP）運行模式，在其架構中，各種分布能源被分散代理，并通過分布式能源接口傳遞其當前狀態和數據信息，匯總后傳給VPP代理，并形成競標曲線，參與e-terra Trade的市場競爭和市場交易。

 

而南部方案通過在配電系統中聚合多種分布式發電技術同時應用了商業型VPP和技術型VPP（TVPP）兩種概念，展示了VPP的三大功能：1）聚合DER加入日前電力市場；2）提供第三備用輔助服務：3）維持書店和配電電壓。在這個方案中，每個DER的實時狀態信息提交給CVPP，CVPP由西門子公司開發的分布式能源管理系統（DEMS）來實現，聚合、制定、分配DER的發電計劃，并實時操控，在TVPP方面，配電網運營商根據當地SCADA參數和網絡拓撲結構等信息，進行計算和估計，確定DER與輸電系統連接點的潮流來保證電壓穩定。

 

NextKraftwerke公司

 

NextKraftwerke是德國一家大型的虛擬電廠運營商，同時也是歐洲電力交易市場 (EPEX) 認證的能源交易商，參與能源的現貨市場交易。除了虛擬電廠相關的一切業務，從技術，電力交易，電力銷售，用戶結算等，同時也可以為其他能源運營商提供虛擬電廠的運營服務。管理了超過2400個分布式發電設備，包括生物質發電裝置，熱電聯產，水電站，靈活可控負荷，風能和太陽能光伏電站等, 總體管理規模達到1450MW。是目前德國虛擬電廠方面的領先企業。

 

公司有兩種主要的業務模式，一方面是將風電和光伏發電等可控性較差的發電資源直接參與電力市場交易，獲取利潤分成。另一方面，它利用生物質發電和水電啟動速度快、出力靈活的特點，來參與電網的二次調頻和三次調頻，從而獲取附加收益，這也是這家公司最重要的利潤來源。目前Next公司能占到德國二次調頻市場的10%的份額。

 

第一種業務模式在發電端（風電/光伏）安裝遠程控制裝置NextBox，通過這個硬件設備將電源集成到了虛擬電廠平臺；根據電源運行參數、市場數據和電網狀態，通過虛擬電廠平臺對各個電源進行控制，參與電力市場交易；虛擬電廠運營商不需要自己投資交易基礎設施，就可獲取能源交易收益。
 

 

（Next Kraftwerke的業務模式圖1 來源：Next Kraftwerke）

 

另外一種業務模式是在生物燃氣熱電聯產的機組（CHP）安裝遠程控制裝置NextBox，CHP的靈活性可以提供給電力平衡市場；平時CHP會收到備用費補償，這時CHP正常運行不需要作出調整；當電網過載時，CHP可以在幾分鐘內減少或停止出力。CHP運營商將從Next獲得額外的調頻服務費。
 

 

（Next Kraftwerke的業務模式圖2 來源：Next Kraftwerke）

 

澳大利亞

 

近年來，澳大利亞開始大力發展生物質、光伏和風電等可再生能源，盡管在全國一次能源生產中的比例僅占2%，但在南澳大利亞州等地區風電已經供應了近40%的電力。澳大利亞對于新能源發展的扶持為其虛擬電廠的發展提供了良好的環境。

 

AGL能源公司項目

 

澳大利亞最大的可再生能源資產私有者和運營商AGL能源有限公司（AGL）去年8月宣布推出全球最大的虛擬電廠，最終在南澳的家庭和企業中安裝了1,000臺連接電池，提供5兆瓦的峰值能力，并為客戶提供節省能源費用的機會。在這一示范項目中，AGl與澳大利亞可再生能源機構（ARENA）和美國領先的儲能和管理公司Sunverge公司合作。

 

在美國，其虛擬電廠主要基于需求側響應計劃發展而來，兼顧考慮可再生能源的利用，因此對負荷的控制和儲能設備的投入占其虛擬電廠的主要部分。

 

ConEdison項目

 

美國SunPower推出新型屋頂太陽能+存儲捆綁包，旨在紐約建立一個虛擬電廠，包括1.8兆瓦的光伏裝機容量和4兆瓦的電池存儲。1500萬美元項目是紐約“能源愿景改革（REV）”計劃的一部分，Sunverge提供鋰離子電池存儲系統，SunPower租賃其太陽能電池板，公用事業Con Edison管理存儲電力的電網供電。該項目就是為了將更多的太陽能集成到當地電網，這樣Con Edison就能夠在高峰時段給客戶調度存儲電力。如果發生停電，住戶們還可以使用。該試驗項目將為紐約布魯克林和皇后區的300個住宅用戶提供服務，Con Edison主要瞄準自用單戶住宅。參與租用SunPower太陽能系統（從7kW 到9kW）的租戶將獲得Sunverge合適尺寸的電池--該公司提供其6kWh和19.4kWh存儲系統。該存儲系統一開始歸Con Edison所有，可讓此公用事業測試該領域實時應用、調峰、調頻和技術能力。