新型电力系统中虚拟电厂的技术创新与示范应用报告

核心观点与挑战

• 新型电力系统面临分布式资源快速增长带来的灵活性增量需求，2030年分布式电源占比达17%，灵活资源规模达1.08亿千瓦，但利用率低，导致电网实时平衡调节困难，2030年电网调峰容量缺口约2亿千瓦。
• 传统供需平衡以源侧调节为主，新型系统平衡需需求侧主动参与，虚拟电厂（VPP）通过聚合柔性负荷、分布式电源、电动汽车和储能等资源，提升电网平衡调节能力，促进新能源消纳，具有显著低碳特征。

虚拟电厂科学问题与研究框架

• 物理视角：
  • 分层分区：提出基于“伪测量”的配网状态感知能力与分区并行计算的拓扑变化辨识模型，建立“信息-物理-社会”多维互动的灵活资源分层组织规则。
  • 动态聚合：提出虚拟电厂动态构建与可信量化分析理论，形成规模化灵活资源外特性的通用指标评估体系及规范化建模方法。
  • 运行优化：构建虚拟电厂参与调峰辅助服务市场的可调空间统一模型，提出基于动态鲁棒优化的调峰优化模型，提高运营经济性。
  • 协同控制：提出云边协同二次调频优化架构，明确云边协同流程及功能，实现灵活调度。
• 信息视角：
  • 安全接入：提出基于被动式设备指纹的电力物联网终端接入认证方法，采用轻量级安全接入方法，适配现网应用。
  • 信息控制：设计多源协同时间同步及混合互补网络测量方法，构建软件定义通信控制架构，实现通信资源调配及低时延控制。
  • 隐私防护：研究虚拟电厂用户隐私数据场景化动态脱敏技术，通过决策树、差分隐私等技术实现脱敏策略最优化选择。
  • 信息控制现场检测：在上海市黄浦区商业楼宇虚拟电厂进行边缘聚合通信控制模组研发与部署，现场测试处理时延为12.3ms，满足≤20ms要求。
• 社会视角：
  • 可信交易：结合不同市场层级特点设计虚拟电厂主侧链治理结构，构建主侧链可信交易体系。
  • 市场策略：提出资源聚合体与虚拟电厂运营商的内部交易模式，设计参与需求响应、辅助服务市场时的定价策略及精细化负荷资源响应方案。
  • 交易技术：提出基于区块链的分布式电力交易隐私结算模型，使用同态承诺、公钥加密及零知识证明技术保证数据合法性。
  • 交易技术适配：建立联盟链仿真器，模拟电力交易、共识过程，验证10余个节点时交易共识时间可达成0.73s。

核心装备

• 边缘聚合通信控制模组：完成3款研发，支持4G/5G、北斗、边缘计算与人工智能，具备精确时延测量能力，已有23台设备在上海市虚拟电厂示范工程稳定运行。
• 边缘聚合管控装置：完成硬件架构设计及原理样机研制，实现分布式资源监测、就地资源聚合、辅助服务响应等功能。
• 运营管控系统：提出虚拟电厂动态构建与可信量化关键技术体系，具备规模化灵活资源虚拟电厂动态聚合、安全通信、协同管控与可信交易等核心业务能力。

国重示范工程建设进展

• 浙江省级广域虚拟电厂：电力强省、清洁能源大省，拥有丰富分布式清洁能源，构建“主-次主-侧链”多级区块链架构，2023年参与辅助服务削峰1361.22万千瓦时。
• 上海超大城市虚拟电厂：超大城市大受端电网，拥有丰富灵活负荷资源，构建“主-侧链”平行区块链架构，2023年夏季单次最大调用负荷22.84万千瓦，冬季最大削峰能力46.44万千瓦。
• 亚运虚拟电厂示范工程：聚合海量可调资源保障亚运“安全电”，汇聚分布式光伏增添“绿色电”，推出第三方市场主体政策供给“经济电”，打造智能互动平台实现“高效电”。
• 湖北示范工程：平台累计接入虚拟电厂29家，涵盖13000多座5G基站等资源，储备资源总体报装容量达1610万千瓦，2024年1月发布市场运营规则。
• 深圳虚拟电厂工程：聚合蔚来电动汽车充换电资源，降碳效益显著，参与调频预期收益可观。

应用案例

• 钢铁生产：通过配置储能平抑冲击负荷，降低基本电费与电能量费用，以某钢铁企业为例，选型20MWh锂电储能系统，项目IRR为12.51%。
• 中国铁塔通信基站虚拟电厂：集团级平台接入10多个省市资源，聚合6类设备363,348台，可调容量超过70万kW。

研究进展

• 在Applied Energy、电力系统自动化等期刊组织VPP专刊6次，作为召集人在CIGRE发起虚拟电厂工作组WGC1.52，通过人民日报等媒体扩大影响力。