中國儲能網(wǎng)訊：歐洲虛擬電廠發(fā)展
歐洲VPP的發(fā)展追溯至2007年，開展以集成中小型分布式發(fā)電單元為主要目標的VPP研究項目，參與的國家包括德國、英國、西班牙、法國等。其主要針對實現(xiàn)分布式電源（distrubuted generator,DG）可靠并網(wǎng)和電力市場運營。歐洲近些年VPP發(fā)展迅猛，據(jù)guidehouse Insights預測，歐洲是世界上VPP最集中的市場，到2028年，市場收入預計每年將超過30億美元。我國與歐洲的VPP發(fā)展路線更相似，德國在歐洲VPP發(fā)展處于前列，因此本文詳細梳理歐洲具有代表性的VPP項目研究現(xiàn)狀和德國成功案例。
歐盟FENIX項目
2005年~2009年，來自歐盟8個國家的20個研究機構和組織合作實施和開展了FENIX項目，F(xiàn)ENIX的目標是通過將分布式能源資源聚合成大型VPP和分散管理，最大限度地提高分布式能源對電力系統(tǒng)的貢獻，擺脫傳統(tǒng)對電力系統(tǒng)小單元的管理。
其主要成果：一是開發(fā)適合歐洲電力系統(tǒng)的VPP；二是開發(fā)可擴展和分層流動的信息和通信架構；三是由歐洲領先制造商開發(fā)新的硬件組件和軟件應用程序；四是開發(fā)商業(yè)和監(jiān)管框架，允許VPP在未來歐洲電力系統(tǒng)中實現(xiàn)利益整合；五是成本效益分析，量化VPP經(jīng)濟效益；六是在西班牙和英國的兩個實際網(wǎng)絡現(xiàn)場演示，輔以實驗室演示和模擬，證明開發(fā)的VPP可行性。
FENIX項目中VPP的通用架構如圖1所示。FENIX架構引入了三個新元素：一是FENIX box (FB)與本地系統(tǒng)接口，允許遠程訪問以進行監(jiān)視和控制；二是CVPP負責DER單元的調(diào)度和能源優(yōu)化功能；三是TVPP在配電管理系統(tǒng)(DMS)執(zhí)行一些功能，例如:驗證發(fā)電計劃，調(diào)度DER來解決電壓或電流約束等。根據(jù)通用架構，在北部場景（英國）和南部場景（西班牙）相應作出調(diào)整。CVPP 通過整合 DER 資源為系統(tǒng)提供服務。DER通過調(diào)度中心接口FB與CVPP進行連接獲得指令信號。市場靈活決定CVPP的先后配置 ，接著CVPP將DER信息發(fā)送給DSO以進行狀態(tài)估計等驗證。驗證通過后，DSO 將通信申請發(fā)送給電力系統(tǒng)中的配電節(jié)點，同時將各 DER 出力情況發(fā)送給 TSO。
歐盟WEB2ENERGY項目
歐盟WEB2ENERGY項目成立于2010年1月，2012年12月完成項目，是歐盟第七個研究和技術發(fā)展框架計劃支持的歐洲項目，涉及奧地利、瑞士、德國、波蘭、荷蘭等國家。
項目旨在：一是對所有市場參與者開放端到端通信系統(tǒng)解決方案以支持基于 IEC 標準的開放式通信理念；二是將 W2E 實際獲得的經(jīng)驗引入 IEC 標準化工作，并實現(xiàn)商業(yè)推廣；三是實施和批準“智能配電”的三個支柱：客戶集成、主動分銷網(wǎng)絡和通過自動化實現(xiàn)自我修復，提高智能配電自動化的供應可靠性。四是實施和批準進一步改善技術、環(huán)境、市場和社會方面的技術條件。
WEB2ENERGY項目VPP包含5座CHP電廠、2組100千瓦時氧化還原電池、10組5千瓦時鋰電池、6座光伏電站、3座風電場、2座小型水電站和3類大型可控負荷。通過VPP將單個能源生產(chǎn)商連接到網(wǎng)絡中，VPP的電表與計費電能表相一致。不同所有權的發(fā)電商向20 千伏HSE網(wǎng)絡供電。簽訂DSO和電廠業(yè)主之間的相互協(xié)議，同意安裝遠程控制和監(jiān)控設施并執(zhí)行控制功能。
WEB2ENERGY項目VPP控制中心基于兩種控制策略對VPP進行管理：一是當前策略：根據(jù)VPP當前的狀態(tài)信息和市場要求，自動生成DSM方案，控制儲能單元工作。二是前瞻策略：通過日前規(guī)劃生成電能消費參考曲線和虛擬交通燈時段（紅燈表示節(jié)能有利，綠燈表示用電有利）。WEB2ENERGY項目在極端情況下100%被移到綠燈階段，平均約8%的峰值功率被削減掉。在試點項目的第一個月，已經(jīng)引入了3%的節(jié)能和負荷從紅色轉移到約15%的負荷峰值的綠色區(qū)域。
德國成功案例
Next Kraftwerke是德國一家大型的VPP運營商，也是歐洲最大的VPP。它創(chuàng)立于2009年，是歐洲電力交易市場(EPEX)認證的能源交易商，在EPEX SPOT和EEX等歐洲交易所可以參與能源的現(xiàn)貨市場交易，在七個歐洲輸電系統(tǒng)運營商（Transmission System Operator）TSO地區(qū)提供平衡服務。Next Kraftwerke通過中央控制系統(tǒng)的M2M實時通信，將來自沼氣、風能、太陽能、垃圾等可再生能源與商業(yè)和工業(yè)電力用戶以及儲能系統(tǒng)匯集在一起。截至2020年6月，Next Kraftwerke已有9516個聚合單元，8179兆瓦聯(lián)網(wǎng)裝機容量，627.7百萬歐元營業(yè)額，15.1T瓦時能源交易量。
公司NEMOCS平臺是一個模塊化設計的軟件，使VPP能夠連接、監(jiān)控和控制DER、用戶和存儲系統(tǒng)，以高頻率和最精確的方式顯示和記錄當前輸入和資產(chǎn)狀態(tài)的實時信息。Next Kraftwerke使用Next Box來遠程控制聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)，提供電網(wǎng)平衡頻率調(diào)節(jié)服務，參與電力市場交易并獲得收益。由于電力供應的迅速變化，市場價格波動很大?？刹倏v資產(chǎn)的運營商可以利用不斷變化的能源價格：通過在價格高的時候發(fā)電，在價格低的時候讓設備待運，這樣既可以增加利潤又可以支持電網(wǎng)的可持續(xù)利用。Next Pool在其控制系統(tǒng)中使用算法，以確保電池儲能系統(tǒng)中將有足夠的電能，在需要時響應來自電網(wǎng)運營商和調(diào)度中心的信號。
德國VPP已大范圍商業(yè)化，主要應用場景為通過電力市場的靈活電價，引導電廠管轄內(nèi)系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)用電成本，優(yōu)化交易收益。已形成了完整的市場生態(tài)鏈和商業(yè)模式，并已經(jīng)歷了第一輪市場整合。德國與VPP配套的上中下游產(chǎn)品已逐漸完備，VPP除直接參與電力市場進行交易之外，溢價部分與客戶分成參與電網(wǎng)系統(tǒng)輔助服務（二次、三次調(diào)頻）來收取服務傭金，與此同時：針對城市供電公司、大型工業(yè)用戶、部分針對小用戶的都有相應的售電套餐。
我國虛擬電廠試點情況
上海黃浦區(qū)試點商業(yè)建筑VPP示范項目
自2016年起，上海市開展國家級需求側管理示范項目“上海黃浦區(qū)商業(yè)建筑VPP項目”建設，引導商業(yè)用戶與發(fā)電側的互動響應，提升電力需求側管理水平，推動VPP的開發(fā)建設。
上海市隨著產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，電力峰谷差不斷增大，加上消納清潔能源和電動汽車行業(yè)的壓力，電網(wǎng)負荷供需平衡矛盾增大。并且黃浦區(qū)是上海商業(yè)建筑最密集的中心城區(qū)，大型商業(yè)建筑數(shù)量繁多，開發(fā)商業(yè)建筑VPP，實現(xiàn)多元化需求響應和柔性負荷控制迫在眉睫。
平臺總體架構分為兩層：下層為虛擬發(fā)電機層（即樓宇用戶層），又可以細分為邊緣計算層和感知層，通過智能終端與VPP平臺進行數(shù)據(jù)采集上傳和接受削峰指令，實現(xiàn)交互和樓宇系統(tǒng)控制；上層為VPP層，采集、分析樓宇內(nèi)海量上傳數(shù)據(jù)，并完成虛擬發(fā)電任務執(zhí)行、監(jiān)視、結算等任務，實現(xiàn)電廠整體運營管理。
在總體架構的基礎上，在2020年7月，上海在結合商業(yè)VPP的基礎上，正開展包括工業(yè)、商業(yè)居民等領域的VPP研發(fā)工作。通過AI和遠程控制方式，將周邊樓宇中充電樁的充電模式由快充轉變?yōu)槁?；在不影響樓宇安全的條件下，調(diào)節(jié)電梯運行方式、儲能設備、三聯(lián)供機組和空調(diào)溫度等。通過VPP的方式，把閑散電集中起來，緩解部分地區(qū)用電緊張。而提供電能的樓宇，已出售電價獲得補償。
冀北VPP項目
2019年10月在上海舉行的第83屆國際電工委員會（IEC）大會上，國網(wǎng)冀北公司VPP示范工程被寫入IEC國際標準用例，并向國際首次公開展示VPP測試床。2019年12月11日，冀北VPP示范工程投入商業(yè)運營。VPP在“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源環(huán)境下，以用戶為中心，以商業(yè)化市場為平臺的泛在可調(diào)資源聚合管理模式。冀北VPP在促進清潔能源消納的同時，對構建電力市場也具有重要意義，同時對于聚合商參與市場主體運作提出了更大的機遇和挑戰(zhàn)。
示范工程一期實時接入與控制蓄熱式電采暖、可調(diào)節(jié)工商業(yè)、智能樓宇、分布式光伏等11類19家泛在可調(diào)資源，容量約16萬千瓦，涵蓋張家口、秦皇島、廊坊三個地市。其主要架構圖如圖2所示。該工程依托泛（FUN）電平臺，具備秒級感傳算用、億級用戶能力、多級共享生態(tài)。通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的技術，可與電力系統(tǒng)實施柔性互動，實現(xiàn)能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)流“三流合一”。
天津智慧能源新城項目
國網(wǎng)天津公司在中新天津生態(tài)城選取面積約 8 平方千米的惠風溪示范區(qū)建設智慧能源新城。新城共包括集中式儲能站、主動配電網(wǎng)、VPP綠色公共建筑等 10 個項目。該項目有望成為我國首個基于未來場景的智慧城市項目。新城VPP項目通過在各類源、荷、儲資源加裝物聯(lián)感知終端，將各類資源高效聚合，形成一個虛擬的可控能量集合體，像“真實電廠”一樣參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻輔助服務和電力市場交易等。目前已完成VPP系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)已接入 49 戶公共資源用戶，可調(diào)負荷 2.637 萬千瓦，可以有效協(xié)調(diào)電網(wǎng)供需平衡，促進各種能源資源的優(yōu)化配置。
總結與啟示
VPP的目標是集分布式能源優(yōu)化于一體,使其作為一種特殊的電廠參與電力市場的運營管理事務,提供電力輔助服務,并使VPP通過協(xié)調(diào)控制在最優(yōu)操作點。隨著現(xiàn)貨市場和電力市場的發(fā)展越來越靈活，VPP和市場聯(lián)系越來越緊密并逐漸參與商業(yè)化運營。國外VPP發(fā)展較早，尤其德國，美國等發(fā)達國家VPP的上中下游配套技術和設施已非常完善，我國VPP發(fā)展還處于探索階段。根據(jù)國外VPP發(fā)展，可借鑒經(jīng)驗和建議有如下幾點：
一是優(yōu)化調(diào)度體系，完善調(diào)度機制和標準體系。我國現(xiàn)存電力調(diào)度體系為五級：國調(diào)中心、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、區(qū)調(diào)、縣調(diào)。隨著電力體制改革的推進，售電公司，能源服務公司，聚合商，將逐步進入電力市場,參與電網(wǎng)建設與運行,目前的調(diào)度體系會被逐漸打破。歐洲現(xiàn)有調(diào)度體系為日前市場、日內(nèi)市場與實時市場互為補充的市場模式。如要大力推廣VPP，必須優(yōu)化調(diào)度體系，推進電力調(diào)度系統(tǒng)整體智能化。
二是積極推進負荷聚合商為主體運營的商業(yè)運營模式，形成調(diào)度中心—負荷聚合商—VPP—聯(lián)網(wǎng)DER—用戶相互關聯(lián)的信息互通鏈，使VPP有效聚合分散DER資源，保證虛擬發(fā)電效果可監(jiān)測和可驗證。建議由政府或調(diào)度中心對已有遠程控制設備進行整合，減輕負荷聚合商、VPP和用戶二次投入支出。
三是完善輔助服務市場和定價、交易機制。配合現(xiàn)貨交易試點，進一步完善輔助服務市場建設。VPP建設會與一些交易定價沖突，比如電網(wǎng)公司過網(wǎng)費等，應鼓勵儲能設備、需求側資源參與提供電力輔助服務，協(xié)調(diào)各方利益，完善提供方式、調(diào)節(jié)和評估指標、結算方式。
四是增強VPP配套軟件安全性與魯棒性，保證數(shù)據(jù)實時有效。完善智能感知技術和傳輸技術，制定VPP傳輸協(xié)議和標準，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性。如數(shù)據(jù)需透明公開，則增加公用接口使操作方便；如數(shù)據(jù)需保密，則確保數(shù)據(jù)安全，防止泄露。
近些年我國加快發(fā)展壯大水電等可再生能源，水電大機組設備陸續(xù)生產(chǎn)完成，對發(fā)展VPP給予了很多政策支持。VPP“串聯(lián)”源網(wǎng)荷儲售服，它的實施可以推遲對輸電和配電線路的新投資，提高資源利用率，有利于優(yōu)化其地位和最大限度地增加收入機會，從而在實施中產(chǎn)生經(jīng)濟利益。在一系列配套實施中拉動上下游產(chǎn)業(yè)技術升級，貫通能源市場產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)多方互利共贏。
（本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》（上旬刊）2020年第9期，作者單位：國家電投中電國際政研室）
