虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電數(shù)字新基建示范區(qū)中的應用前景

杜 亮，陳昱達，田小蕾

(1.國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114002；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 研究背景

分布式光伏發(fā)電技術的推廣可有效節(jié)約資源，是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，利用虛擬電廠可以為其提供強大的技術支持，一方面促進分布式電源的推廣應用，另一方面也可以促進分布式電源的市場化發(fā)展。但是由于技術條件的限制，我國虛擬電廠發(fā)展起步較晚，還存在很多有待改進的地方，需要相關部門將各個部門聯(lián)系起來，從制度、技術等各個方面入手，促進虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電中的應用。

2 虛擬電廠概述

由于各方面原因的限制，目前虛擬電廠在國際上并沒有一個統(tǒng)一的概念，不過綜合國內(nèi)外的相關探索與研究，可以將虛擬電廠的定義分為2種，一種是狹義的概念，即虛擬電廠指的是一組電源的集合，由2個方面的內(nèi)容組成，一是通信系統(tǒng)，二是控制系統(tǒng)，主要作用是促進電力網(wǎng)絡的調(diào)度運行，并且促進電力市場正常發(fā)展。另外一種是廣義的概念，即虛擬電廠不僅是一組電源的集合，也包含很多技術層面的內(nèi)容，例如可控負荷技術是目前電力市場的新型主體。就實際情況而言，虛擬電廠是依托于計算機信息技術而發(fā)展起來的，由各種先進技術和軟件系統(tǒng)所組成，具有強大的功能，能夠實現(xiàn)可控負荷、儲能等業(yè)務的升級，并且能夠作為一個獨立的電廠對電網(wǎng)進行協(xié)同控制，順利進入電力領域的市場競爭機制中。虛擬電廠的運行機制如圖1所示。

圖1 虛擬電廠的運行機制

2.1 特征

虛擬電廠具有強大的功能和優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在2個方面：一是虛擬電廠對內(nèi)的管理和監(jiān)控功能，即具有相應的權限，用于監(jiān)控分布式電源的運行，為了實現(xiàn)這一功能，就需要虛擬電廠擁有一個強大的監(jiān)控系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)一方面可以與相關的通信系統(tǒng)相關聯(lián)，另一方面可以與控制系統(tǒng)連接，有效實現(xiàn)虛擬電廠的監(jiān)控和管理功能。二是虛擬電廠對外的功能具有相應的權限，一方面可以實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度，另一方面可以融入市場交易中，利用能源互補的形式，減少有限資源的損耗，提高整個電網(wǎng)系統(tǒng)的運轉效率。另外，融入市場競爭的形式也有利于實現(xiàn)經(jīng)濟效益[1]。

2.2 控制方式

a.集中控制式

這是虛擬電廠的主要控制方式，即系統(tǒng)的采集模塊，先采集發(fā)電和用電的相關數(shù)據(jù)信息，并且將數(shù)據(jù)資源及時傳輸?shù)街行牡目刂茊卧?，再由控制單元實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的整合和分析，計算出最佳的用電和發(fā)電方案，并且及時下達指令，經(jīng)過強大的通信系統(tǒng)，將命令傳達到相應的執(zhí)行模塊，再由執(zhí)行模塊按照指令及時做出反應。這樣集中控制的方式，有統(tǒng)一的集中控制器負責實施數(shù)據(jù)的收集、整理及決策等，具有一定優(yōu)勢，但也存在很多缺點，如信息量過大、數(shù)據(jù)傳輸過程繁瑣等，這就要求通信系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

b.分散式

分散式是與集中控制式完全不同的一種控制方式，它在虛擬電廠中具有很多獨立單元，相當于不同的智能代理，這些代理單元可以單獨實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集、整理和分析，為虛擬電廠提供關于用電和發(fā)電的信息。在實際運行中，分散式具有更高的靈活性，但也具有一定的劣勢，如對各個智能代理的要求更高，每個代理單元都要擁有強大的功能，這樣才能保證虛擬電廠的正常運行。

2.3 虛擬電廠結構和功能

2.3.1 結構

a.信息采集模塊：此模塊的主要作用是獲取用電和發(fā)電的數(shù)據(jù)，同時把收集到的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)较鄳目刂颇K。

b.控制模塊：當發(fā)電和用電數(shù)據(jù)采集完成后，將被傳輸?shù)街行目刂颇K，在此處實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和分析，并且做出相應的決策。

c.通信網(wǎng)絡：為確保系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的安全傳輸，需要通信網(wǎng)絡技術，同時，發(fā)達的通信網(wǎng)絡也可以促進信息的高速傳輸，保證整個系統(tǒng)的運行效率，通信網(wǎng)絡的作用至關重要。虛擬電廠的典型結構如圖2所示。

圖2 虛擬電廠的典型結構

2.3.2 功能

首先，虛擬電廠可以有效增強分布式電源的功能，加強其在系統(tǒng)運行中的價值。其次，虛擬電廠能夠及時分析發(fā)電量，進而以調(diào)節(jié)電壓的形式，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的平衡。另外，通過虛擬電廠可以最大限度地節(jié)約資源，如用戶的電量有富余時，相應的調(diào)控系統(tǒng)就會自動將多出來的電能輸配到其他區(qū)域，而當用戶的電力不足時，又可以及時補充電能，保證整個電力供應系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定[3]。

3 虛擬電廠在分布式光伏發(fā)電應用示范區(qū)中的應用

不同于傳統(tǒng)的檢測技術，虛擬電廠可以實施智能化的檢測，這有賴于虛擬電廠強大的數(shù)據(jù)計算能力，另外還需要相關的智能技術支持。在實際應用中，虛擬電廠可以通過檢測電力網(wǎng)絡中的發(fā)電和用電情況，分析整合相關數(shù)據(jù)信息，得出最佳的優(yōu)化方案，合理分配資源，避免電力資源的損耗和浪費。自動檢測技術就是智能抄表，它可以有效降低企業(yè)的經(jīng)濟成本，提高數(shù)據(jù)檢測的效率，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，有利于整個電力網(wǎng)絡的優(yōu)化升級[4]。

將虛擬電廠應用于光伏示范區(qū)中，一個主要的技術支持就是通信技術，虛擬電廠內(nèi)部有強大的通信體系，其中心的控制單元，一方面可以及時收到來自次級單元的相關數(shù)據(jù)信息，第一時間對這些數(shù)據(jù)信息進行處理，另一方面可以根據(jù)分析結果，得出最佳的優(yōu)化方案，將相關的指令下達到底層單元，由底層單元負責執(zhí)行命令。這樣高效的信息傳輸系統(tǒng)，可以保證虛擬電廠最大限度地發(fā)揮功能，實現(xiàn)對分布式電源的控制和管理。根據(jù)不同的需求，依托不同的技術，虛擬電廠可以利用不同的通信手段，如在西方發(fā)達國家的部分虛擬電廠運行中，采用的是互聯(lián)網(wǎng)通信、移動通信等，另外，也可利用其他的通信技術，如GPRS技術[5]等。

在大數(shù)據(jù)的時代背景下，虛擬電廠除了擁有強大的通信技術和檢測技術外，還擁有高超的數(shù)據(jù)信息處理能力，這體現(xiàn)在虛擬電廠運行的各個方面，如數(shù)據(jù)信息的收集、整理、分析等，必須高效地對相關數(shù)據(jù)信息進行處理，得出最佳的執(zhí)行方案，保證電力資源的優(yōu)化配置。

由于分布式光伏發(fā)電具有一定的復雜性，所以其供電的狀況不太穩(wěn)定，而且很難控制經(jīng)濟效益?？梢岳锰摂M電廠中的不同控制手段，實現(xiàn)對于分布式電源的協(xié)調(diào)控制，保證發(fā)電的品質(zhì)和穩(wěn)定性，同時也幫助企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟效益。

4 云計算過程

負荷預測是虛擬電廠智能管理的重要組成部分，也是調(diào)整分布式電網(wǎng)、傳統(tǒng)電網(wǎng)之間關系的方法，保證整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。云計算以向用戶提供優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)為目標，調(diào)節(jié)分布式電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的關系，利用相關算法，計算電網(wǎng)的負荷。傳統(tǒng)電網(wǎng)預測依賴以往變化規(guī)律進行預測，忽視了其他相關指標的影響。云計算(cloud computing,CC)綜合多種不定因素，計算結果和程度更加準確。

假設虛擬電廠中分布式電網(wǎng)指標集合為U，且包含2個特征向量負荷期望值f(x)和最高負荷值δ，δ∈U。f(x)>0,RN(f(x)，δ)表示負荷函數(shù)f(x)的均值，負荷預測函數(shù)d″f(x)。如果設置x1=RN(f(x)，δ1),x2=RN(f(x)，δ2)，那么x1=x2∈U，負荷預測函數(shù)d″f(x)，U是負荷期望與最高負荷值的集合；x1和x2分別為電網(wǎng)預測范圍的2個邊界值，x1為左邊界值，x2為右邊界值。δ1為左邊界x1的最高負荷值；δ2為右邊界x2的最高負荷值。其數(shù)學表達如下：

(1)

通過上述分析可知，負荷期望值f(x)和最高負荷值δ為云計算中的2個特征值。負荷預測函數(shù)d″f(x)是最能代表定性概念的點，是云計算中負荷出現(xiàn)改變的概率。一般來說，距離期望負荷值越近，云計算數(shù)據(jù)的值越集中，意味分布電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的負荷程度越統(tǒng)一，負荷越低。離期望負荷值越遠，云計算數(shù)據(jù)越稀疏，負荷越高，說明分布電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的負荷程度不一致。負荷預測函數(shù)d″f(x)由分布式電網(wǎng)、傳統(tǒng)電網(wǎng)共同決定，代表整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性，分布式電網(wǎng)額定功率與傳統(tǒng)電網(wǎng)額定功率的結合反映了在整個虛擬電廠中負荷的承載范圍。負荷預測函數(shù)d″f(x)代表整個電網(wǎng)的負荷超載臨界值[2]。

5 應用

5.1 應用前景

隨著社會經(jīng)濟技術的不斷進步，虛擬電廠的應用將越來越廣泛，和分布式的光伏發(fā)電相配合，可以有效提高電力資源的利用效率，最大限度地避免資源浪費，同時有利于優(yōu)化整個供電系統(tǒng)，促進電力資源的高效供應，同時合理利用清潔能源，降低對自然環(huán)境的污染。所以將虛擬電廠應用于光伏示范區(qū)是未來電力領域的發(fā)展趨勢。首先從政策層面來講，由于光伏示范區(qū)不僅具有試驗價值，也具有示范和引領的作用，會對未來相關領域的發(fā)展產(chǎn)生極大影響，也為虛擬電廠的發(fā)展提供了很好的平臺，促進虛擬電廠的探索和研究。其次，就實際情況而言，光伏示范區(qū)的建設規(guī)范和面積都非常大，這對管理方面提出很大挑戰(zhàn)，同時也可能會發(fā)生光伏滲透率超標的情況，這就需要智能化的監(jiān)管平臺保證光伏示范區(qū)的有效運行，而虛擬電廠強大的監(jiān)管系統(tǒng)就可以發(fā)揮很大作用[5]。

另外，在運行模式上，光伏示范區(qū)和虛擬電廠之間也比較契合，一方面，虛擬電廠強大的監(jiān)管系統(tǒng)可以對光伏示范區(qū)實施標準化管理，保證示范區(qū)的正常運行，避免很多風險和危害。另一方面，虛擬電廠自身具有一定的市場屬性，可以參與到相關的市場交易中，所以將其應用于光伏示范區(qū)的運行中，可以最大限度地利用市場經(jīng)濟規(guī)律，促進分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展。虛擬電廠利用市場機制促進光伏示范區(qū)的有效運行是通過間接的管理方式實現(xiàn)的，這更符合當前的實際情況，即分布式光伏發(fā)電的業(yè)主和電力企業(yè)之間是各自獨立存在的。另外，利用虛擬電廠可以有效降低電力網(wǎng)絡運行的各項成本，隨著技術的不斷成熟，電力資源將依托虛擬電廠實現(xiàn)多樣化的便捷交易。最后，虛擬電廠將作為一個新的契機，促進相關技術的創(chuàng)新，比如儲能技術等，為分布式光伏發(fā)電的推廣應用提供必要的技術支持。

另外，由于各種原因的限制，我國虛擬電廠的發(fā)展并不完善，主要表現(xiàn)在幾個方面：一是電力資源作為一種商品，并沒有深入?yún)⑴c市場競爭，因而沒有形成相應的市場機制，如在沒有完善的電價激勵機制，這不利于我國虛擬電廠的廣泛應用。二是由于我國虛擬電廠的研究和探索正在起步階段，人們對于虛擬電廠缺乏相應的了解，也不能真正認知到虛擬電廠的重大價值，所以很多分布式光伏發(fā)電的業(yè)主沒有應用新技術、新理念的意愿，這也制約了分布式光伏發(fā)電和虛擬電廠的發(fā)展[6]。

5.2 應用條件

5.2.1 完善市場機制

為了促進我國虛擬電廠的應用，必須建立完善的市場機制，一方面可以吸引分布式電源的業(yè)主參與到虛擬電網(wǎng)的應用和推廣中，另一方面可以最大限度地發(fā)揮市場機制，實現(xiàn)一定的經(jīng)濟效益，保證虛擬電廠的健康發(fā)展。首先，應該完善電價機制，在相關部門的主導下，通過電價機制激勵更多的業(yè)主，在市場交易的模式中，以虛擬電廠的方式運行整個光伏示范區(qū)，一方面在良好的平臺上，促進虛擬電廠的發(fā)展，另一方面，利用虛擬電廠強大的功能，管理和監(jiān)督分布式電源的運行，為人們的生產(chǎn)生活提供更多的便捷。另外在這個過程中，也保證了利益相關方的經(jīng)濟效益，在不斷的探索中，也會創(chuàng)新出更加完善的運行方式[7]。

5.2.2 發(fā)展相關技術

技術是支持虛擬電廠發(fā)展的必要條件，也是促進虛擬電廠與分布式電源結合發(fā)展的動力。在具體的實踐中，虛擬電廠需要提供滿足光伏示范區(qū)發(fā)展需求的技術，包括儲能技術、通信技術等，再利用強大的監(jiān)督控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮虛擬電廠的功能。為了實現(xiàn)通信和控制技術，光伏示范區(qū)也必須具備一定的技術條件，其系統(tǒng)必須可以接入虛擬電廠的控制單元。同時，為了實現(xiàn)虛擬電廠統(tǒng)一監(jiān)管的作用，還應該加強不同分布式電源的性能，保證其自身擁有基本的通信功能，可以和虛擬電廠系統(tǒng)中的相關平臺實現(xiàn)對接。這樣就可以充分發(fā)揮虛擬電廠的優(yōu)勢，利用虛擬電廠監(jiān)管示范區(qū)的整體運行狀況，具體包括電壓、電流等，同時，也可以及時進行數(shù)據(jù)信息的采集，并且將數(shù)據(jù)資源第一時間輸送到控制平臺?？梢栽陔娫吹慕涌谔幇仓靡欢ǖ谋O(jiān)控裝置，實現(xiàn)對分布式電源的實時測量，并且將數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進而對于分布式電源實施更加全面的監(jiān)督和管理。

5.3 存在的主要問題

就我國目前的實際情況，相關利益方怎樣參與到虛擬電廠的建設和運行中，還沒有統(tǒng)一的定論，因此其建設和運行主體并不確定。相關電力企業(yè)沒有建設和運行分布式電源的權利，這是主要的困境之一，但是為了促進虛擬電廠在光伏示范區(qū)的應用，可以利用一定的制度手段，促進相關利益方積極研究探討虛擬電廠的應用，促進分布式電源的管理和運行，也促進整個電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)[8]。

從范圍與責任來講，在具體實踐中應根據(jù)電力發(fā)展的實際情況，結合各個地域的特殊狀況，科學確定虛擬電廠的準許范圍。虛擬電廠的建設和運行關系到很多相關方的利益，在市場相關機制缺乏的情況下，為了防止管理失當，可以在城市地區(qū)，尤其是電力負荷非常大的區(qū)域，用可控負荷的技術運行虛擬電廠，而在農(nóng)村地區(qū)，由于用電量相對較低，可以使用大規(guī)模的分布電源，以此來運行虛擬電廠，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

另外，為了促進虛擬電廠的應用，將虛擬電廠和分布式光伏有效結合起來，促進我國電力事業(yè)的長遠發(fā)展，就需要建立相關的激勵機制和運行政策，并且積極進行宣傳，讓用戶逐漸了解虛擬電廠，支持虛擬電廠的實施，再配合大面積的分布式電源，就可以對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的運行進行智能化的控制[9]。

我國對于虛擬電廠的研究尚處于初級階段，還沒有形成相關的管理機制，就西方發(fā)達國家的情況而言，往往會在相關的電力交易系統(tǒng)中實現(xiàn)對虛擬電廠的操作，并且由分布式電源的業(yè)主對虛擬電廠實施管理[10]。但由于我國電力企業(yè)并不直接進行電力資源的投資，所以需要相關政府部門出面主導，因此，為了促進虛擬電廠的發(fā)展，保證其在光伏示范區(qū)的應用效率，就需要充分分析我國電力行業(yè)的發(fā)展狀況，并且結合我國國情，積極學習西方發(fā)達國家的技術和經(jīng)驗，設計最佳的管理機制。

6 結語

虛擬電廠技術有很多優(yōu)勢，將其與分布式電源應用結合，一方面可以對分布式電源的運行實施全面的監(jiān)管和檢測，優(yōu)化電力資源的配置，提高資源的利用效率，另一方面也可以為虛擬電廠的發(fā)展提供一個探索研究的平臺，在不斷實踐中，完善相關技術，充分發(fā)揮虛擬電廠的優(yōu)勢。