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  • 大规模可再生能源接入电网的模式:虚拟电厂
  • 2018-05-15 08:46:36  发布:  来源:北极星电力网
  • 摘要:随着可再生能源成为未来全球能源发展的主要方向,虚拟电厂成为一种实现可再生能源发电大规模接入电网的区域性多能源聚合模式。

     随着可再生能源成为未来全球能源发展的主要方向,虚拟电厂成为一种实现可再生能源发电大规模接入电网的区域性多能源聚合模式。

     
    什么是虚拟电厂?
     
    虚拟电厂的提出是为了整合各种分布式能源,包括分布式电源、可控负荷和储能装置等。其基本概念是通过分布式电力管理系统将电网中分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合体,参与电网的运行和调度,协调智能电网与分布式电源间的矛盾,充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益。虚拟电厂主要由发电系统、储能设备、通信系统构成,如图所示:
     

     
    1)发电系统主要包括家庭型(domesticdistributedgeneration,DDG)和公用型(publicdistributedgeneration,PDG)这2类分布式电源。DDG的主要功能是满足用户自身负荷,如果电能盈余,则将多余的电能输送给电网;如果电能不足,则由电网向用户提供电能。典型的DDG系统主要是小型的分布式电源,为个人住宅、商业或工业分部等服务。PDG主要是将自身所生产的电能输送到电网,其运营目的就是出售所生产的电能。典型的PDG系统主要包含风电、光伏等新能源发电装置。
     
    2)能量存储系统可以补偿可再生能源发电出力波动性和不可控性,适应电力需求的变化,改善可再生能源波动所导致的电网薄弱性,增强系统接纳可再生能源发电的能力和提高能源利用效率。
     
    3)通信系统是虚拟电厂进行能量管理、数据采集与监控,以及与电力系统调度中心通信的重要环节。通过与电网或者与其他虚拟电厂进行信息交互,虚拟电厂的管理更加可视化,便于电网对虚拟电厂进行监控管理。
     
    虚拟电厂的关键技术是什么?
     
    根据虚拟电厂信息流传输控制结构的不同,虚拟电厂的控制方式可以分为:集中控制方式、分散控制方式、完全分散控制方式。
     
    ①集中控制方式下的虚拟电厂可以完全掌握其所辖范围内分布式单元的所有信息,并对所有发电或用电单元进行完全控制。
     
    ②分散控制方式下的虚拟电厂被分为多个层次。处于下层的虚拟电厂的控制协调中心控制辖区内的发电或用电单元,再由该级虚拟电厂的控制协调中心将信息反馈给更高一级虚拟电厂的控制协调中心,从而构成一个整体的层次结构。
     
    ③在完全分散控制方式下,虚拟电厂控制协调中心由数据交换与处理中心代替,只提供市场价格、天气预报等信息。而虚拟电厂也被划分为相互独立的自治的智能子单元。这些子单元不受数据交换与处理中心控制,只接受来自数据交换与处理中心的信息,根据接受到的信息对自身运行状态进行优化。
     
    虚拟电厂的优化调度问题可以分为2种:
     
    ①内部调度,虚拟电厂对自身内部多个电源的容量配置或出力进行优化调度;
     
    ②外部调度,由电网将虚拟电厂当成一个整体进行优化调度。
     
    虚拟电厂与微网的区别在哪?
     
    虚拟电厂和微网是目前实现分布式电源并网最具创造力和吸引力的两种形式。
     

     
    对于微网的定义,国内一般认为:微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行。它能够很好地协调大电网与分布式电源的技术矛盾,并具备一定的能量管理功能,但微网以分布式电源与用户就地应用为主要控制目标,且受到地理区域的限制,对多区域、大规模分布式电源的有效利用及在电力市场中的规模化效益具有一定的局限性。
     
    虚拟电厂并未改变每个分布式电源并网的方式,而是通过先进的控制、计量、通信等技术聚合分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车等不同类型的分布式能源并通过更高层面的软件构架实现多个分布式能源的协调优化运行。它能够聚合微网所辖范围之外的分布式电源,更有利于资源的合理优化配置及利用。
     
    虚拟电厂未来是什么样子的?
     
    美国的一份报告指出,储能使得虚拟电厂在未来几年将“侵入能源市场”。报告认为,一个功能全面的能量云的前提是虚拟电厂,虚拟电厂的增长将使能源云成为一种交易平台,参与者能够在其中相互购买和出售来自多个电源点的能源,基于虚拟电厂的能源云使得能源交易双向互动,而不是传统意义上的能源单向流动。
     
    随着国家对清洁能源和新兴技术的发展的大力推动,虚拟电厂将成为智能电网和全球能源互联网建设中重要的能源聚合形式,具有广阔的发展空间。
     
    1)分布式电源的互补性减少出力的不确定性。
     
    由于可再生能源出力存在较大的随机性、波动性、间歇性,分布式电源的动态组合问题亟待解决。随着全球能源互联网建设的推进,三部委针对可再生能源联合发布了“一带一路”和“一极一道”发展战略,“一带一路”沿线各国都具有丰富的风能和太阳能资源,“一极一道”更是推进了大型可再生能源基地电力送出以及各大洲之间电力交换。能源互联网战略推进跨境电力与输电通道建设,积极开展区域电网升级改造合作,充分发挥不同区域内分布式电源的时差互补和季节互补特性,提高可再生能源的利用率和虚拟电厂的效益。
     
    2)多个分布式单元灵活地进行动态组合组成虚拟电厂。
     
    虚拟电厂与微电网的最大区别在于构成虚拟电厂的多个分布式发电单元不一定在同一个地理区域内,其聚合范围以及与市场的交互取决于通信能力和可靠性。多个分布式发电单元按照一定的规则或目标进行聚合,以一个整体参与电力市场或辅助服务市场,最后将利益分配给每个分布式发电单元。虚拟电厂作为中介,根据动态组合算法或动态博弈理论等规则对多个分布式发电单元灵活地进行动态组合。动态组合的实时性和灵活性可以避免实时不平衡所带来的成本问题以及由于电厂停机、负荷和可再生能源出力预测失误时所导致的组合偏差问题。
     
    3)大数据对可再生能源进行预测,提高虚拟电厂数据处理速度。
     
    大数据是指无法在可承受的时间内用传统的IT技术、软硬件工具和数学分析方法进行感知、获取、管理、处理和分析的数据集合。大数据技术可进行负荷预测和可再生能源出力预测,包括风能和太阳能。风能预测非常必要,因为数据显示在用电高峰期,风电场的实际产能变化幅度很大。准确预测太阳能和风能需要分析大量数据,包括风速、云层等气象数据。同时,利用大数据技术处理虚拟电厂内的各种信息,能有效提高数据交换与处理中心的处理速度,为虚拟电厂的数据交换与处理中心提供各子系统实时、精确的数据信息流。
     
    4)虚拟电厂参与多种市场进行优化调度和竞价。
     
    虚拟电厂通过对多个分布式单元进行聚合成为一个整体参与电力市场运营,既可以发挥传统电厂出力稳定和批量售电的特点,又由于聚合了多种发电单元而具有较好的互补性。虚拟电厂所参与的电力市场包括日前市场、实时市场、辅助服务市场等,由此可建立日前市场、双边合同、平衡市场及混合市场等多种市场模型。考虑虚拟电厂中可再生能源出力、负荷和实时电价等不确定因素,在不同市场环境下建立调度和竞价模型,使虚拟电厂具有更广泛的适用性。
     
    5)基于博弈论建立科学的合作机制,确保虚拟电厂的稳定性。
     
    博弈论主要研究存在利益关系或冲突的多个决策主体,根据自身能力和了解的信息,如何各自进行有利于自己或决策者群体的决策的理论。基于博弈论,认为虚拟电厂内的所有发电和用电单元和虚拟电厂与外部所有运营商均为合作博弈。根据合作博弈理论制订科学的合作机制,包括虚拟电厂内部聚合的多个发电或用电单元之间的合作机制和虚拟电厂与集成运营商、配电网或输电网以及电力市场运营者之间的合作机制,保证所有参与者的合理收益,使参与者保持长期的参与积极性,确保虚拟电厂的稳定性。
     
    案例分享
     
    上海黄浦区试点商业建筑虚拟电厂项目
     
    在上海市中心黄浦区,一座不同寻常的电厂正在悄然建设中。它不建厂房,不烧煤、不烧气,预计今年年末,它能在用电高峰时段释放出约5万千瓦电力来“削峰填谷”。这座明确写入上海市电力发展“十三五”规划,由众多分布式储能设备集合而成的黄埔区商业建筑虚拟电厂,正成为上海市电力体制改革、智能电网建设的独特案例。
     
    2018年1月,位于黄浦区九江路上的宝龙大厦第八次参与了虚拟电厂试运行,“发电”能力达100千瓦。宝龙大厦仅仅是黄浦区虚拟电厂的一个项目。迄今,虚拟电厂最大规模的一次试运行,参与楼宇超过50栋,释放负荷约1万千瓦。
     
    “这个原理说来也简单。”上海经研院规划评审中心(以下简称“规评中心”)杨建林博士告诉笔者,“以宝龙大厦为例,在冬夏两季用电高峰期,我们的系统只需对大厦各楼层中央空调的预设温度、风机转速、送风量等参数进行一定的柔性调节,就能够通过减负为电网释放出100千瓦电能。”
     
    目前,黄浦区内95%以上符合安装要求的公共建筑(包括办公楼、商场、医院、学校、政府机关等)都实现了能耗在线监测。由上海市经信委牵头、上海经研院参与规划设计、上海腾天节能技术有限公司参与实施的《上海黄浦区商业建筑虚拟电厂示范项目》已于2016年获国家发改委批复,将在三年内全面完成。
     
    “办公楼的发电原理看似简单,具体实现却不容易,这里面涉及众多电力参数与空调参数的对应与算法。”杨建林博士介绍,“这也就是虚拟电厂比传统需求响应资源调用更为先进的地方。”
     
    传统的需求响应资源调用,如负荷控制平台,实际上相当于一个备用调峰机组。在用电高峰期,电网调度部门启动该平台,向协议用户下达手动削减负荷指令,或远程拉闸限电“关开关”。这种方式简单粗放,用户体验感受也较差。
     
    而虚拟电厂要实现的,是柔性负荷控制,柔性负荷在一定时间内灵活可变,可在基本不影响用户的前提下,达到削减或增加负荷的目的。
     
    目前,可参与需求响应的柔性负荷种类繁多。上海经研院规划评审中心具体研究了柔性负荷调控系统的结构组成、工作原理、参数设置、功率调节以及聚合方法等内容,设计了柔性负荷响应系统。杨建林介绍,“以商用大楼宝龙大厦的中央空调为例,在夏季用电高峰期,我们的响应系统依托精密的信息技术,通过对空调的预设温度、风机转速、送风量、新风量、冷冻水泵流量、冷冻水进水温度等几十个特性参数变量的控制,可以在不停机、不影响用户使用的前提下,达到柔性调节空调负荷的目的。”
     
    柔性负荷响应系统不仅能够实现‘削峰’的作用,还能实现‘填谷’的功能。同样以夏季空调制冷为例,在系统检测到电网的负荷进入低谷期后,利用空调所属房间储热能力,自动调整几十个特性参数变量,增加空调负荷,可提前储存一部分冷量,使电力系统的利用率增高。
     
    电力系统运行调度的核心是功率平衡,若需求响应资源本身具备在线功率调节功能,则可以发挥更显著的系统调节作用。然而传统的负荷控制平台只能参与离线调峰安排,条件和技术都难以达到接入系统的要求。
     
    “虚拟电厂要达到的目标,不仅仅是收集分散的电能数据、控制负荷量,而是像一个真正的发电厂一样,可以参与系统调度,提供调峰、调频辅助服务和电力市场交易等。”上海经研院规评中心主任费斐介绍,“从这个角度看,上海黄浦区具有建立虚拟电厂得天独厚的条件。”
     
    黄浦区是上海商业建筑最密集的中心城区,大型商业建筑数量超过200幢,面积近1000万平方米,年耗电量约13亿千瓦时,峰值负荷近50万千瓦,楼宇能耗占全区总能耗的65%以上,方便对诸多分布式发电资源进行大范围集中控制。截至2月28日,黄浦区内像宝龙大厦这样对能耗实时在线监测的楼宇,总数已超过230栋,年监测用电量超过10亿千瓦时,占上海市社会领域用电总量的40%。
     
    目前,该项目正在有序推进中。根据规划,今年上海黄浦区将建成预期具有5万千瓦容量、1万千瓦自动需求响应能力、0.2万千瓦二次调频能力,年虚拟发电运行时间不少于50小时的商业建筑虚拟电厂,总“发电”能力将达到5万千瓦。按此推算,如果上海其他区域也能推广这种模式,就相当于在不增加资源消耗的情况下新建一座大型电厂。
     
    江苏的世界上最大规模容量的“虚拟电厂”
     
    2017年5月24日,世界上首套大规模“源网荷互动”系统在江苏投运,它的投运,也相当于我国拥有了世界上最大规模容量的“虚拟电厂”。
     
    这套系统通过“互联网+电网”的技术,实现调控电厂发电的同时,也能调控用户用电,让两边都在不停变化的天平达到毫秒级的瞬时平衡。它借助“互联网+”技术和智能电网技术的有机融合,将零散分布、不可控的负荷资源转化为随需应变的“虚拟电厂”资源,在清洁电源波动、突发自然灾害特别是用电高峰突发电源或电网紧急事故时,用电客户主动化身“虚拟电厂”,参与保护大电网安全。这是我国推出的创新举措,最新建成投运了世界最大规模“虚拟电厂”。
     
    “按照传统的处理方式,在电网出现紧急事故时,我们将紧急调动备用的发电资源,同时立即切除部分用户用电负荷,以此确保大电网安全。2016年起国家电网主导建设‘大规模源网荷友好互动系统’,在国际上首创将分散的海量可中断用电负荷集中起来进行精准实时控制。”国网江苏电力调度控制中心副主任罗建裕表示。
     
    据介绍,这种可中断负荷是指在一定补偿机制下、签订经济合同或协议、客户自愿中断用电的负荷,主要包括家庭热水器、空调以及工厂非连续性生产负荷等。由于该类负荷中断不会对用户生产生活造成实质影响,且可根据电源、电网的动态变化实时启停,因此该类负荷既具有负荷特性,又具有电源特性,相当于随时、随地、随需投运的“虚拟电厂”。目前,江苏“虚拟电厂”毫秒级实时响应规模已达100万千瓦,另有276万千瓦秒级准实时响应能力,规模为世界最大。
     
    特斯拉计划在澳大利亚建全球最大虚拟发电厂
     
    据外媒消息,近日南澳大利亚州政府公布新计划,由特斯拉帮助建设虚拟发电厂,连接到蓄电池站的太阳能板将为该州家庭免费供电,南澳大利亚州政府将为5万家庭免费提供太阳能板和特斯拉电池,将民居变成相互连接的巨大发电厂。如果这座发电厂建成,这将是世界上最大的电池、太阳能热电厂,也是世界上最大的储电厂。
     
    州政府还宣布,将免费安装1100套公共住房、5千瓦太阳能电池板和13.5千瓦特斯拉Powerwall2电池,并通过售电进行融资。
     
    虚拟电厂是通过控制手段,把分散的分布式电源组织起来,形成一种可以控制的、规模化效应的类似于电厂的组织。通俗讲,就是每一家的太阳能板在自家不用时,将产生的电源送到特斯拉提供的蓄电池中储存起来。谁提供的电能多,谁就受益多。
     
    南澳大利亚州政府表示,他们的虚拟发电厂将通过3个阶段来实现。第一阶段是在1100户家庭进行试验,每家通过太阳能板为特斯拉的电池组提供5千瓦的电能。之后,该系统将在2.4万个家庭中展开。最后,整个南澳大利亚州的家庭都将纳入这一虚拟发电厂。州政府将为该项目提供209万美元资金支持和3000万贷款。
     
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