新型电力系统中的虚拟电厂研究综述

高明1，曾平良2，冯永朝1 （1.广州储能集团有限公司，广东广州510623；2.杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018） 摘要：随着传统化石能源的日益枯竭，以风能、太阳能为主的新能源发电资源已成为构建新型电力系统的主要能源形式。风能、太阳能等分布式能源具有较强的随机性、波动性、间歇性特征，大规模并网对电网稳定运行带来诸多挑战。虚拟电厂（virtual power plant，VPP）凭借其较强聚合调节各类型资源的能力，参与电网运行调度，促进清洁能源消纳。文中首先梳理VPP的基本概念，综述国内外VPP研究现状，并总结国内能源发展现状及趋势；然后归纳VPP的控制方式及架构，将目前VPP模型划分为4类，即VPP优化调度模型、VPP参与竞标竞价模型、VPP参与需求侧响应模型、考虑系统风险的VPP模型，同时系统总结VPP模型的各类算法；最后展望VPP在未来电力系统中的发展趋势，尤其是VPP参与电力市场提升经济效益的潜力。文中对现阶段VPP的相关研究进行归纳和总结，为该领域的后续研究提供借鉴。 关键词：可再生能源；分布式能源；虚拟电厂（VPP）；需求侧响应；机组组合；VPP模型 中图分类号：TM73文献标志码：A 完善，在电能量市场中，VPP通过优化运营策略，参与电力现货市场的日前、日内及实时交易以获取收益。在电力辅助服务市场中，VPP可参与一次调频、调峰、无功调节、备用等服务，通过跟踪电力调度指令实时调节出力，获得调频收益，同时可以预留备用容量获得收益。此外，传统电力系统为“源随荷动”模式，而未来清洁能源占比不断增大，新型电力系统将呈现“源荷互动”的特征，即供给发电侧与用户需求侧实现动态平衡。VPP技术利用数智化手段整合“源、网、荷、储”资源，参与电网优化调度，有效应对清洁能源不确定性以及电力系统供需匹配问题。 0引言 传统化石能源的过度开发导致资源不足，同时引发显著的气候变化，对社会以及自然环境产生破坏性影响。能源是推动人类社会进步发展的关键资源，加快推进风电、光伏等清洁能源替代传统化石 能 源，已 成 为 当 前 能 源 转 型 阶 段 的 主 要 任 务 。2024年7月25日，国家发改委、国家能源局、国家数据局联合发布《加快构建新型电力系统行动方案（2024年—2027年）》，提出9项专项行动，旨在加快构建新型电力系统。在此背景下，政府出台相关政策，激励企业参与虚拟电厂（virtual power plant，VPP）示范项目的建设与运营，引导助推VPP发展[1-4]。与此同时，全国统一电力市场体系正在加速构建，跨省跨区电力市场与省/区域电力市场机制不断完善，为VPP参与电力交易市场提供效益，政策引导与机制完善也可以使得VPP行业健康发展[5-8]。 VPP作为先进技术，一方面增加了以新能源为主体的新型电力系统在用户需求侧的调节能力，提升了系统应对波动性的韧性；另一方面，为可靠消纳新能源提供市场化的技术手段和路径。其不仅有助于解决分布式能源并网问题，还可以通过参与电力市场为发电单元和电网带来经济效益。未来，发电侧将以大规模可再生能源发电机组为主，而用户需求侧也表现出高度不确定性。目前需求侧响应 的 研 究 主 要 分 为 两 类：基 于 价 格 的 需 求 响 应（price-based demand response，PBDR）和基于激励的需求响应（incentive-based demand response，IBDR）。其中，PBDR的分时电价（time of use，TOU）策略和IBDR的可中断负荷（interruptible load，IL）策略，是VPP系统运行中常见的参与方式。电力系统的相关学者将传统能源、新能源发电技术以及储能系统相结合，探索多能源互补的运行模式。风电、光伏 风电、光伏等清洁能源不仅出力呈现随机性、波动性，而且此类新能源场站地理位置具有分布式特点，导致电力系统的源侧出力不稳定，从而使得供电稳定性、可靠性难以得到保证。VPP利用软件系统及新一代双向通信技术，结合天气数据对风电、光伏出力进行预测。当电网调节能力不足时，可向新型电力系统中的灵活性资源（新型储能、可控负荷）发送调节指令，实现快速响应并获取收益，从而提高供电可靠性。随着电力市场机制的逐步 与运营管理实施方案（试行）》，提出VPP应利用数智化技术对区域内的可调负荷、分布式电源、储能等资源进行聚合，并具备响应电网运行调节的能力；2024年11月，广东省能源局联合国家能源局南方监管局印发《广东省虚拟电厂参与电力市场交易实施方案》，明确VPP可依托负荷聚合商、售电公司等机构，通过数字化信息技术聚合需求侧资源，作为独立经营主体参与电力市场交易。 清洁能源作为未来电网的主要构成形式，有望实现能源的可持续发展。 VPP作为整合分布式能源参与电网运行的新技术，通过协调供给发电侧和用户需求侧进行优化调度，其带来的经济效益和环境效益不可估量，在新型电力系统发展中具有广阔前景。文中系统梳理VPP的定义；综述国内外VPP研究现状及我国能源发展趋势；归纳VPP的控制方式及架构体系；分类整理现有VPP模型及其求解算法；展望VPP在新型电力系统的发展方向。 综上所述，VPP是通过数智化技术手段，聚合用户侧的分布式新能源、储能系统和可调节负荷，依托能量管理平台，借助双向通信技术实现数据传输，由软件系统实时监测，并利用人工智能算法对新能源出力、可控负荷、新型储能运行情况进行分析，进而对发电侧和用户需求侧进行优化调配，增强电网调节能力。同时，VPP可适时参与电力市场交易，促进清洁能源优先消纳，提高新型电力系统的供电可靠性、稳定性与经济性。 1VPP概述 1.1VPP的概念 VPP的概念最早由AWERBUCH S博士在其著作《The virtual utility:Accounting,technology&competitive aspects of the emerging industry》[9]中 提出：由无需拥有实际资产的独立实体通过灵活协作，在市场驱动下提供高效能源服务的虚拟公共设施。“十四五”以来，国家大力推进风电、光伏等清洁能源，其在新型电力系统中所占比重持续上升，VPP作为新兴的聚合型资源调控技术，通过合理调配资源，有效应对能源供需矛盾。文献[10]指出VPP通过通信技术、互联网技术、数据处理技术和智能决策技术，构建电力系统中发电与用电之间的桥梁，为分布式可再生能源和可控负荷提供接入平台；文献[11]将VPP定义为由分散的发电单元、灵活性负荷和存储系统组成的单一运行实体；文献[12]认为VPP是一系列分布式能源的聚合体，其出现有助于提升可再生能源的管理效率，促进电力系统的高效运行。国外对VPP的定义主要是通过软件系统与通信技术，聚合分布式可再生能源、可控负荷以及储能系统，形成统一调度单元，参与电网运行，并通过智能决策提升能源管理效率。 1.2国外VPP研究现状 德国。Next-Kraftwerke公司运营的VPP聚合电力负荷、应急发电机、水力发电、光伏发电、风力发电、生物质能等多种资源。其主要收益来源于电力交易服务、灵活性资源出力以及参与电网调频服务。该VPP以Next Box为核心技术根据电价变化动态调整运行策略。 澳大利亚。其VPP主要以聚合用户侧资源为主，包括屋顶光伏、小型储能系统、可控负荷设备，应用于电网调峰、清洁能源消纳和市场交易。收益模式包括与售电公司签订合同参与交易，或作为独立主体参与辅助服务市场。 美国。作为较早开始实行需求侧管理的国家，其VPP侧重于聚合可控负荷开展需求侧响应，整合分布式光伏与储能设施，依据不同响应类型获得收益。例如，特斯拉研发的能源交易管理系统，聚合电动汽车、光伏和储能设备，提供快速调度响应能力以获取市场收益。 近年来，我国各省份逐步出台相关政策支持VPP的发展。2024年4月，江苏省发改委发布《江苏省电力需求响应实施细则》，明确VPP依托售电公司、储能运营商等机构，对可调节负荷、新型储能、电动汽车等资源进行聚合协调，参与需求响应；2024年8月，浙江省能源监管办发布《虚拟电厂参与 浙 江 电 力 辅 助 服 务 市 场 试 点 工 作 方 案》 ，将VPP定义为依托负荷聚合商、售电公司等机构，通过信息技术实现需求侧资源等聚合，形成规模化调节能力，作为“特殊机组”参与电力运行调节；2024年10月，甘肃省工信厅发布《甘肃省虚拟电厂建设 总体来说，国外VPP发展较早，在政府新能源发展、电力市场交易和需求侧管理政策的推动下，已形成以分布式能源聚合参与电力市场或以可调节负荷参与需求侧响应为主的成熟模式。 1.3国内VPP研究现状 深圳市。深圳VPP管理中心成立于2022年，是国内首个VPP管理机构。截至2024年10月，该中心已接入资源容量达330万kW，最大调节能力约80万kW。预计到2025年底，将建成具备100万kW可 调 资 源、最 大 负 荷 调 节 能 力 达5% 的 稳 定VPP 系统。 上海市。上海市在VPP调节能力建设方面处于全国前列。2024年8月，上海电网负荷达到4 000万kW，国网上海电力公司成功利用VPP技术完成迎峰度夏期间的快速削峰验证，最大响应负荷达70.43万kW，创下历史新高，有效缓解了用电高峰期的供电压力。 浙 江 省 。 截至2024年9月，国 网 浙 江 省 级VPP管理平台已聚合空调负荷用户、新型储能、充电桩等多种分布式资源。并于8月组织VPP参与电网调度运行，最大响应负荷132.3万kW，平均响应负荷100.3万kW。 江苏省。2024年8月，常州市VPP平台正式投入运行，整合光伏、储能系统、充电桩、5G基站等 灵 活 资 源，总 聚 合 规 模 达45.45万kW，形 成 超12万kW的动态可调节能力。 当前，我国处于构建新型电力系统的关键阶段，VPP主要以聚合负荷、分布式能源、新型储能、充电桩等方式形成规模化调节能力。深圳、上海、浙江、江苏等多个VPP示范项目已投入运行，主要以需求侧响应模式为主，但在应用场景拓展与商业模式创新方面仍须进一步探索。 1.4国内能源行业发展现状 未来电网的能源结构将以大规模清洁能源发电为主，特别是风力发电和光伏发电。近年来，我国风力发电与光伏发电装机容量逐年上升[13]，如图1和 图2所 示 。2023年 全 国 发 电 装 机 容 量 为2 919.65 GW，其中可再生能源装机容量占比50.43%，超出火电装机容量比例2.81个百分点，可再生能源装机容量首次超过火电装机容量。从发电量看，如图3和图4所示，2023年全国总发电量为9.288 7万亿kW·h，火电仍占主导地位，但风电和光伏发电量占比已接近20%，较2022年增加19% 左右。在“双碳”战略持续推进的背景下，随着可再生能源装机比例不断提高，其发电量占比也将稳步提升。 构 建 新 型 电 力 系 统 需 要 清 洁 能 源 的 大 力 支撑。风电、光伏装机与发电量逐年攀升，对系统灵活性提出更高要求。新型储能与可控负荷作为关键调节资源，其出力特性各异，需要通过信息化手段实现统一整合与协调调度。VPP正是实现这一目标的重要技术路径，其可实现对分布式能源的灵活调度与规范管理，促进发电侧有序发电、需求侧合理用电，全面提升电力系统的可靠性与经济性。 2VPP控制方式及交易架构 2.1VPP控制方式 目前，关于VPP控制方式研究主要分为3种模式：集中控制方式、分散控制方式、集中+分散的协调控制模式。集中控制方式是指由VPP控制中心全面掌握各分布式发电单元的运行信息，并基于全 局优化目标制定出力计划，统一调度各单元，实现系统的协调优化运行，如图5所示。该方式适用于规模小、资源数量有限的分布式能源聚合场景。其优点在于控制结构简单，易于实现全局优化；缺点为在需要扩容时兼容性差、拓展性差。分散控制方式适用于多区域、多VPP协同运行的场景。在此方式下，VPP总控制中心负责协调多个子VPP控制中心，各子VPP控