潘 華 ，梁作放 ，薛強中 ，孫明旺

（1.上海電力學院經(jīng)濟與管理學院，上海 200090；2.國網(wǎng)山東省電力公司莘縣供電公司，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求不斷增加，而化石能源緊缺、環(huán)境污染和氣候變化等問題也日趨嚴峻。由于風電、光伏發(fā)電等可再生能源具有清潔環(huán)保、發(fā)電成本低等特點，使其在電力系統(tǒng)中的比重不斷上升，但可再生能源的隨機性、波動性和間歇性對電力系統(tǒng)的運行造成了巨大挑戰(zhàn)，由此導致電力系統(tǒng)結構、運行、控制等發(fā)生了根本性變革，整個電力系統(tǒng)都需要與之適應［1-2］。

虛擬電廠（virtual power plant，VPP）的提出為解決可再生能源對電力系統(tǒng)的沖擊提供了新的思路和方法。虛擬電廠的本質是把分布式電源、儲能裝置等設備連接起來進行集中控制、調度等［3］。采用虛擬電廠對新能源出力進行統(tǒng)一協(xié)調管理，不僅能夠降低可再生能源的隨機波動對電網(wǎng)造成的沖擊，而且能夠降低分布式發(fā)電調度的難度，使分布式發(fā)電更好地參與電網(wǎng)調度運營。儲能裝置作為虛擬電廠中不可或缺的部分，發(fā)揮了極其重要的作用。虛擬電廠中的儲能裝置不但能夠平抑可再生能源出力的波動性，降低可再生能源不確定性對電力系統(tǒng)造成的沖擊，提高供電可靠性，還能夠減少電力系統(tǒng)的備用容量，提高電力系統(tǒng)調度運行的經(jīng)濟性［4-5］。

為了克服虛擬電廠中可再生能源的隨機性、波動性等缺點，以及提高可再生能源利用率、改善電能質量和提高供電可靠性，虛擬電廠中的儲能系統(tǒng)顯得至關重要。

1 虛擬電廠

1.1 虛擬電廠的概念

目前，對虛擬電廠的研究主要集中于歐美等發(fā)達國家，近年來我國學者也開始對其進行研究。盡管國內外眾多學者對虛擬電廠進行了一定的研究，但是至今對虛擬電廠的概念尚無統(tǒng)一的定義［6-7］。文獻［6］認為虛擬電廠是通過先進的通信和軟件技術，將分布式電源、電動汽車等儲能系統(tǒng)和可控負荷等進行優(yōu)化聚合以作為一個特殊的整體接入電網(wǎng)。文獻［8］認為虛擬電廠是將小型分布式電源集合成一個整體的形式參與電網(wǎng)的運行，但是并未將可控負荷考慮進去。文獻［9］將虛擬電廠定義為通過通信技術將不同發(fā)電機組整合在一起的虛擬的企業(yè)。文獻［10］認為虛擬電廠內包含了風電、光伏發(fā)電等可再生能源，小型汽輪機等常規(guī)分布式電源，以及儲能系統(tǒng)、可控負荷等，通過精細化管理，滿足對內供電的基礎上積極參與外部電力市場。

結合前人對虛擬電廠的定義［2-3，6-12］，對虛擬電廠的概念做出如下闡述：虛擬電廠是基于先進的互聯(lián)網(wǎng)通信技術，結合數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化預測等算法，通過整合分布式電源 （包括可再生和常規(guī)兩種分布式電源）、可控負荷及儲能裝置而形成的一個虛擬載體從而更方便地對其進行控制、參與內外部供電并完成市場運營。虛擬電廠主要包括分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、可控負荷及通信系統(tǒng)等，如圖1所示。虛擬電廠的各子部分不直接受電網(wǎng)調度中心控制，而是由虛擬電廠的控制中心通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術對所轄各子部分進行控制，構成一個虛擬的整體，再以這個虛構的整體參與電網(wǎng)的運行調度，力求達到經(jīng)濟、環(huán)境等效益的最大化［2-3，7］。虛擬電廠控制中心與電網(wǎng)調度中心及虛擬電廠各子部分之間通過信息技術進行雙向通信，以及時進行命令發(fā)布、信息反饋等。

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，通常是由調度中心做出調度決策對每臺規(guī)模較大的機組發(fā)出運行、出力大小、關停等指令，以保障發(fā)電的整體經(jīng)濟效益和整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于分布式電源、儲能等單機容量小，對電網(wǎng)影響也極小，電網(wǎng)進行調度時沒必要直接對單機發(fā)出指令，而只需要對各虛擬電廠的控制中心下達相應指令即可。在電網(wǎng)中，虛擬電廠的控制中心作為電網(wǎng)調度和分布式電源等小型設備的中間者參與電網(wǎng)的運行管理，能夠整合不同類型分布式電源的優(yōu)缺點，使得分布式電源更安全高效地運行。

圖1 虛擬電廠運行模式

1.2 虛擬電廠的控制結構

根據(jù)傳輸控制結構的不同，虛擬電廠的控制方式分為：集中控制方式、層次控制方式和完全分散控制方式［14］。

集中控制方式，如圖2所示。在集中控制方式下，虛擬電廠的控制中心掌握著范圍內所有分布式發(fā)電或用電單元的完整信息，并通過通信技術對所有分布式單元進行完全控制，虛擬電廠的所有方案均由其制定。

圖2 虛擬電廠的集中控制模式

層次控制方式即半分散控制方式，如圖3所示。在半分散控制方式下，虛擬電廠被分為多個層次，下層虛擬電廠的控制中心負責管理范圍內的所有分布式發(fā)電或用電單元，再由下層的控制中心反饋給更上一級的控制中心，從而構成一個整體。上層控制中心將任務分配到下層控制中心，再由下層控制中心對每個分布式單元進行控制。

圖3 虛擬電廠的分層控制模式

分散控制方式，如圖4所示。在分散控制方式下，虛擬電廠的控制中心簡化為數(shù)據(jù)交換與處理中心，只是簡單提供有關數(shù)據(jù)信息。虛擬電廠被劃分為相互獨立的智能自治子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過其智能代理進行協(xié)同合作以完成相應任務。這些子系統(tǒng)只接受數(shù)據(jù)交換與處理中心的數(shù)據(jù)信息，不受其控制，但各子系統(tǒng)之間存在相互影響。

圖4 虛擬電廠的分散控制模式

2 儲能技術在虛擬電廠中的應用

儲能系統(tǒng)不但能夠在電網(wǎng)中起到削峰填谷、減少備用容量等作用，也是虛擬電廠的重要組成部分，在虛擬電廠的運行中發(fā)揮了重要作用，能夠大大增加虛擬電廠的可控性、靈活性和清潔性。

2.1 提高可再生能源利用率

虛擬電廠中包含了大量諸如太陽能、風能這樣的可再生能源，但可再生能源受自然條件限制比較嚴重，其電能輸出具有波動性、隨機性和不可預測性等特點，當光照強度、風力發(fā)生變化時，可再生能源輸出功率就會發(fā)生變化。因此為提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)運行能力，需要儲能設備平抑可再生能源出力波動。當光伏、風力發(fā)電等超過預測值或出力大于負荷時可將多余功率暫時儲存在儲能設備中；當可再生能源出力不足時，可將儲能設備中的能量轉化為電能進行利用。文獻［15］將儲能電池和光伏發(fā)電進行結合，提出了光儲優(yōu)化調度的新策略，實現(xiàn)了光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行。

2.2 改善虛擬電廠的電能質量

虛擬電廠中的分布式能源在節(jié)能環(huán)保的同時，也由于電力電子設備的廣泛應用給系統(tǒng)帶來了大量的諧波。當系統(tǒng)中有諧波電流存在時，可通過儲能系統(tǒng)的逆變器輸出與諧波電流大小相等方向相反的電流對諧波進行補償以提高電能質量。

由于自然因素導致的分布式電源出力降低、負荷的突然增加等都會導致電壓的暫時降低，此時由儲能裝置向系統(tǒng)適當補償有功功率即可恢復正常電壓。由分布式電源出力突增、負荷突降等引起電壓的驟升，此時儲能裝置可作為負荷以恢復正常電壓。

當系統(tǒng)中發(fā)電側的供給和負荷需求不平衡時，系統(tǒng)頻率會產(chǎn)生一定偏差。當負荷需求較大時，系統(tǒng)實際頻率會下降，頻率偏差為負值，此時儲能裝置可向系統(tǒng)供電以達到平衡、降低偏差；當負荷需求較小時，實際頻率會增大，頻率偏差為正值，此時儲能裝置作為負荷以達到平衡、降低頻率偏差。

2.3 提高供電可靠性

可再生能源發(fā)電中，由于自然條件的變化可能導致可再生能源發(fā)電設備的出力為零，電網(wǎng)突然故障等原因也會導致用戶電力中斷，此時儲能系統(tǒng)可向虛擬電廠的用戶進行持續(xù)供電，在系統(tǒng)故障時提高供電可靠性。

3 儲能技術

在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電能的生產(chǎn)、傳送、分配和使用幾乎同時進行，必須做到即發(fā)即用的供需平衡狀態(tài)。但隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，及可再生能源的大規(guī)模接入，傳統(tǒng)電網(wǎng)面臨很大的挑戰(zhàn)，如可再生能源的波動性、電動汽車瞬時高功率等，而儲能技術的應用則提供了一定的解決思路和方法。

按照能量類型的不同，儲能技術主要分為機械儲能、電磁儲能和電化學儲能等，每個類型又細分為多種［17］，詳情如圖 5 所示。

圖5 儲能技術的主要種類

3.1 機械儲能

機械儲能即為將多余的電能轉化為勢能、動能等機械能進行儲存，主要有抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等。

抽水蓄能。在電力負荷低谷時段把下水庫的水抽到上水庫把電能轉化為水的勢能進行儲存，在負荷高峰時段將水釋放進行發(fā)電。傳統(tǒng)抽水蓄能主要依靠江河大壩進行充放電，近些年來又出現(xiàn)了海水抽水蓄能、地下水抽水蓄能等新方式。文獻［16］介紹了國內外海水抽水蓄能的研究現(xiàn)狀，并探討了我國海水抽水蓄能示范項目的開發(fā)模式等。抽水蓄能是目前最成熟、應用最為廣泛的儲能技術，其具有規(guī)模大、壽命長、投資效益比高、運行靈活及技術成熟等優(yōu)點，但是也具有受地形和水資源限制、建設周期長、工程投資較大及損失能量較多等缺點［17］。由于水資源蒸發(fā)、泵水功率耗費較大等因素，抽水蓄能電站充放電效率一般在70%左右。抽水蓄能主要用于系統(tǒng)削峰填谷、調節(jié)頻率和事故備用等。一般工業(yè)國家抽水蓄能裝機占比在5%～10%，而我國還不到2%，遠遠不能滿足系統(tǒng)發(fā)展的需要。近年來，我國抽水蓄能電站建設速度加快，在一定程度上緩解了蓄能電站的短缺狀況，但是仍需繼續(xù)加大建設力度。目前已有學者將蓄能電站考慮進虛擬電廠中，文獻［18］以抽水蓄能電站、燃氣輪機和風電場組成虛擬電廠，建立了虛擬電廠參與電力市場的魯棒優(yōu)化競標模型，并給出了求解方法。

飛輪儲能。在電力盈余時，由電網(wǎng)提供電能驅動電動機，電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化為飛輪的動能［19］。放電時，電動機作發(fā)電機運行，使飛輪速度降低，將飛輪的動能能轉化為電能。飛輪系統(tǒng)運行的環(huán)境真空度較高，空氣阻力較小，因此飛輪儲能具有儲能效率高、壽命長、無次數(shù)限制及清潔環(huán)保等優(yōu)點，此外飛輪儲能還具有快速充放電、建設周期短等優(yōu)點，是目前最有發(fā)展前景的儲能技術之一。但是飛輪儲能在建設成本及確保飛輪系統(tǒng)安全性方面的費用較高。飛輪儲能不適用于小型儲能，主要作為蓄電池系統(tǒng)的補充。隨著飛輪儲能技術的發(fā)展，將能在很大程度上解決風能和太陽能波動性和隨機性等問題。文獻［20］將飛輪儲能應用于風電功率綜合調控，抑制了虛擬電廠中風電的波動、改善了并網(wǎng)特性。

壓縮空氣儲能是指在電力負荷低谷時用電能壓縮空氣，將空氣高壓密封在儲氣罐、儲氣井、報廢礦井、過氣油氣井或山洞等儲氣設施中，在負荷高峰時段釋放壓縮的空氣以推動汽輪機進行發(fā)電。壓縮空氣儲能具有儲能容量大、周期長、效率高及安全系數(shù)高等優(yōu)點，但是也面臨受地形地質限制、容易效率退化等問題［21］。壓縮空氣儲能的充放電效率在75%左右，隨著技術的進步，儲能效率能達到80%以上。壓縮空氣儲能適用于解決大規(guī)模風力、太陽能發(fā)電的平滑輸出問題。文獻［22］通過壓縮空氣儲能改善風能與太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性，為可再生能源及大規(guī)模儲能的應用提供了參考。

3.2 電磁儲能

電磁儲能是將多余的電力轉變?yōu)殡姶诺绕渌问降哪芰窟M行儲存，主要包括超導磁儲能、超級電容器儲能等。

超導磁儲能是利用超導材料制成超導線圈，由電網(wǎng)經(jīng)變流器、功率變換器等將電能轉化為電磁能在超導線圈中儲存起來，在需要時再把能量通過逆變器等轉化成交流電供用戶使用。超導磁儲能具有響應時間快、功率密度高、轉換速度快、損失能量小及充放電效率高等優(yōu)點，充放電效率在95%以上，響應時間僅為電池的0.1%～1%［23］。但現(xiàn)在超導材料本身及維護費用仍然很昂貴，且超導材料具有強非線性，一旦失超對系統(tǒng)危害很大。超導磁儲能主要應用在電網(wǎng)電壓質量調節(jié)、頻率控制、脈沖負載供電、調節(jié)分布式電源的功率輸出等方面。由于超導磁材料價格、可靠性等原因，超導磁材料商業(yè)化和大規(guī)模應用還需要政策、技術、資金等多方面的支持。

超級電容器分為雙電層電容器和法拉第準電容器兩種，前者沒有發(fā)生電化學反應屬于電磁儲能，后者發(fā)生了電化學反應屬于電化學儲能［17］。雙電層電容器的儲能是在電極和電解質溶液之間形成的雙電層之間庫侖力及分子、原子間作用力等固液界面出現(xiàn)符號相反的兩層電荷。法拉第準電容器是在電極表面或體相中的二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附。超級電容器儲能的主要優(yōu)點是充放電迅速、功率密度高、儲能效率高、循環(huán)壽命長、安全穩(wěn)定及溫度特性好等，其缺點主要為能量密度低、成本高等［24］。超級電容器儲能效率在70%～80%之間。超級電容器可向風電、太陽能發(fā)電等新能源電力系統(tǒng)提供備用能量、改善電網(wǎng)動態(tài)電壓變化、提供電動汽車瞬時高功率等。文獻［25］將超級電容器應用于雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越中，仿真表明該方案能夠有效地抑制直流側過電壓，為超級電容器在虛擬電廠中的應用提供了新思路。

3.3 電化學儲能

電化學儲能是通過化學反應將電能轉化成化學能進行儲存，主要是各種形式的電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池和液硫電池等。文獻［26］把電池儲能考慮進商業(yè)型虛擬電廠的經(jīng)濟運行中，以實例驗證了模型的實用性。

鋰離子電池是一種高能源效率、高能量密度的儲能電池，其工作原理主要依靠鋰離子在以金屬氧化物為材料的正極和以石墨為材料的負極之間嵌入實現(xiàn)能量的儲存。鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)性能優(yōu)異、使用壽命長及充放電效率高等優(yōu)點，充放電效率為85%以上。但是也具有成本高昂、安全性相對不足等缺點［27］，鋰離子電池在過充、高溫、短路等條件下，易發(fā)生燃燒甚至是爆炸等事故。目前鋰電池儲能電站的額定容量較小，主要在提供應急電源、旋轉備用或解決新能源發(fā)電的波動性等方面。鋰離子電池是一個涉及化學、材料、物理、能源等多學科的交叉領域，雖然對它研究與開發(fā)已經(jīng)取得了重大進展，但是研制中還存在許多問題有待解決。

鉛酸電池是以鉛為負極，鉛的氧化物為正極，硫酸溶液為電解質的一種蓄電池。鉛酸電池是最早規(guī)模化的商業(yè)電池，具有技術成熟、成本低、儲量大、原材料來源廣等優(yōu)點，但是也存在能量密度低、壽命短、容易造成環(huán)境污染等問題［28］。鉛酸電池充放電效率為80%左右，主要應用于電力系統(tǒng)的備用容量、頻率調節(jié)等方面，也可作為事故緊急電源使用，但是由于其體積大、制造過程對環(huán)境有污染等原因不適合在未來智能電網(wǎng)中應用。文獻［29］以鉛酸蓄電池作為儲能裝置，構建了體現(xiàn)儲能裝置需求響應的優(yōu)化配置模型，并采用粒子群優(yōu)化算法進行求解。

液硫電池中的電解液由泵驅動在正負極的電堆和儲槽之間循環(huán)電解液，在正負極上發(fā)生氧化還原反應進而完成能量的轉換，分為全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個體系。液硫電池的儲能容量是由儲槽中的電解液容積決定的，而電池的反應面積則決定了其輸出功率的大小。液硫電池配置靈活，能實現(xiàn)規(guī)?；瘍δ?、大電流和深度放電等，具有快速響應、高功率輸出、循環(huán)壽命長、易于維護、儲存能量大及安全性高等優(yōu)點，但是也具有成本較高、材料受限制、對設備要求較高等缺點［30］。液硫電池適用于應急電源或新能源發(fā)電的調節(jié)、電網(wǎng)削峰填谷等規(guī)?；I域，是電網(wǎng)大規(guī)模儲能的首選技術之一。隨著液硫電池技術的成熟、新材料的研發(fā)以及成本的下降等，液硫電池的自身性能將不斷得到優(yōu)化，優(yōu)勢更加明顯，未來也將在虛擬電廠中得到最廣泛的應用。

4 虛擬電廠儲能面臨的挑戰(zhàn)及未來展望

4.1 面臨的挑戰(zhàn)及應對措施

通過以上研究分析可知，虛擬電廠中的各類儲能技術都各有優(yōu)缺點，適用場合也不完全一致，不能完全兼顧各方要求。各種儲能技術的發(fā)展尚不成熟，虛擬電廠中的儲能技術也處于起步階段，因此存在著許多問題。

成本過高。目前儲能技術在虛擬電廠中的應用尚處于起步階段，儲能設備由于材料、技術等原因造成的成本過高問題成為影響其大規(guī)模應用的最大瓶頸之一。因此應該加大對各種儲能技術的研究力度，積極尋找電池的低成本材料、探索降低成本的新方法。

充放電的效率和速度偏低。儲能的控制技術和方法尚存在不足，充放電的速度偏低，損耗過大。因此應該積極促進對儲能控制技術的研究，提高充放電速度，降低充放電過程中的損耗，提高充放電效率。

各種儲能技術不能同時兼顧虛擬電廠的要求。各類儲能技術都存在著一定的缺點和局限性，尚無兼具各種優(yōu)點的儲能技術，對儲能技術的應用也造成了一定的挑戰(zhàn)。因此可以根據(jù)實際情況對各種儲能技術進行有機組合，以發(fā)揮各自的優(yōu)點。文獻［31］以分時電價為基礎，將抽水蓄能和儲能電池組合成四種場景集，研究了4種場景下虛擬電廠的經(jīng)濟性。

儲能電池的污染問題。儲能設備中有很大一部分是儲能電池，而電池中的材料大部分會對環(huán)境造成污染。因此應該加大廢舊儲能電池的回收，嚴格監(jiān)管現(xiàn)有電池的使用，防止其廢舊之后再污染環(huán)境。

儲能技術的安全問題。目前鋰離子電池等儲能技術尚未完全成熟，安全性不能得到保證，在過充、短路等不安全行為下，易發(fā)生燃燒甚至是爆炸等危險狀況。因此要加強對這類儲能裝置的監(jiān)控力度，盡量減少安全隱患，同時要加大研發(fā)力度從根源上杜絕安全事故的發(fā)生。

4.2 未來展望

隨著可再生能源的日漸增多，以及智能電網(wǎng)的發(fā)展，虛擬電廠的發(fā)展將會非常廣闊。而目前儲能電池是虛擬電廠穩(wěn)定可再生能源波動最有效的工具，因此未來大規(guī)模儲能電池將會得到大范圍的應用。

近年來國家在政策、資金等方面加大了對儲能的支持力度，儲能技術逐漸進步，充放電效率和速度得到提高，安全性得到不斷加強，儲能設備的能量密度也在不斷增加，成本進一步降低，儲能技術的大規(guī)模應用也將逐漸成為現(xiàn)實。

現(xiàn)階段可以將各類儲能技術進行有機組合，以取長補短，發(fā)揮各類儲能技術的優(yōu)點，儲能技術的應用將得到快速發(fā)展。

隨著國家環(huán)保政策逐漸嚴厲，民眾環(huán)保意識也得到了提升，廢舊儲能電池的回收利用也會有更大的進步。

電動汽車由于其經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，再加上國家對電動汽車的大力支持，電動汽車實現(xiàn)了迅速發(fā)展。電動汽車由于大部分時間都處于閑置狀態(tài)，電網(wǎng)對電動汽車電池的利用具有十分廣闊的前景。在眾多充電方式中，電動汽車更換電池的方式得到了更多青睞。文獻［32］以北京為實例將電動汽車慢充和換電兩種方式進行了對比，從中能看出換電方式對電網(wǎng)的運行更加有利，在未來也將更有發(fā)展前途。因此可以在保證電動汽車用戶正常出行的前提下，將充換電站中的電池充當儲能設備，在負荷低谷時段充電，在峰時段放電。將充換電站納入調度范圍內，能夠減少對儲能設備的投資，增加電動汽車電池的利用率，實現(xiàn)效益更大化。

5 結語

近年來，可再生能源由于其清潔環(huán)保、發(fā)電成本低等優(yōu)點使其在電力系統(tǒng)中的比重不斷增加，給電網(wǎng)的調度運行造成了巨大的挑戰(zhàn)。而包含儲能裝置的虛擬電廠為解決可再生能源對電網(wǎng)的沖擊提供了新的思路和方法。根據(jù)前人對虛擬電廠的研究闡述了虛擬電廠的定義，并研究了虛擬電廠的相關概念及控制結構。以存儲能量類型的不同將儲能裝置分成了3大類，比較了每類儲能方式下各種儲能的原理和優(yōu)缺點。儲能技術不但能夠克服虛擬電廠中可再生能源的波動性和隨機性，還能夠提高可再生能源利用率、改善電能質量和提高供電可靠性。

虛擬電廠中的各類儲能技術都各有優(yōu)缺點，不能完全兼顧各方要求。為了我國電力工業(yè)的良好發(fā)展，首先應該在虛擬電廠中將各種儲能技術進行有機結合，揚長避短，充分發(fā)揮各類儲能裝置的優(yōu)點，盡量兼顧安全性、比功率高、壽命長、技術成熟、受限制少及性價比高等多方面的要求；與此同時也要加緊研發(fā)更加低價高效的儲能方式，提高效率，降低成本，盡量兼顧多方要求。